JP2005044829A

JP2005044829A - レーザダイオードモジュール

Info

Publication number: JP2005044829A
Application number: JP2003199866A
Authority: JP
Inventors: Naoki Kimura; 直樹木村
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】放熱特性に優れ、レーザダイオードチップの機能が充分に発揮できるレーザダイオードモジュールを提供する。
【解決手段】チップ本体および周辺部に熱的に接続された熱伝導部材を備えたレーザダイオードチップ、レーザダイオードチップを搭載するレーザダイオードキャリア、および、レーザダイオードキャリアと熱的に接続された冷却装置を備えたレーザダイオードモジュール。更に、熱伝導部材によって幅方向に拡大されたレーザダイオードチップ、レーザダイオードチップを搭載するレーザダイオードキャリア、および、レーザダイオードキャリアと熱的に接続された冷却装置を備えたレーザダイオードモジュール。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱特性に優れ、レーザダイオードチップの機能が充分に発揮できるレーザダイオードモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、レーザダイオードモジュールは、例えば、光ファイバ通信、特に幹線系・ＣＡＴＶの信号光源やファイバアンプの励起光源として用いられている。このようなレーザダイオードモジュールは、高出力および安定動作を実現するために、ペルチェ素子を内蔵し、そのペルチェ素子上部に搭載された金属基板上にレーザダイオードチップ、フォトダイオードチップ、レンズ等の光学部品、サーミスタ素子、インダクタ、抵抗等の電気部品を配置している。
なお、上述したペルチェ素子は、熱電半導体であり、直流の電流を流すと、ｐ型の半導体の場合には、電流の流れる方向に熱が運ばれ、ｎ型半導体の場合には電流と反対方向に熱が運ばれ、熱電半導体の両側で温度差が生じる。ペルチェ素子を使用した冷却システムは、上述した温度差を利用して、低温側を冷却に、高温側を放熱に使用している。
【０００３】
レーザダイオードモジュールは、上述したレーザダイオードチップの近傍に接着されたサーミスタ素子によってチップの温度を検出している。このように検出された温度値をフィードバックしてペルチェ素子を駆動させることにより、レーザダイオードチップが配置された金属基板全体を冷却して、レーザダイオードチップの温度を一定に保つ構造を備えている。
【０００４】
図８に従来のレーザダイオードモジュールを示す。図８は、レーザダイオードモジュールの概略断面図を示す。レーザダイオードモジュールは、図８に示すように、レーザダイオードチップ１１１およびヒートシンク１１２を搭載したマウント１１３と、モニター用フォトダイオードチップ１１４を搭載したチップキャリア１１５と、レンズホルダ１１６と、図示しない抵抗体、インダクタおよび回路基板等を接着した金属基板１１０ａと、ペルチェ素子７とを備えている。ペルチェ素子は、パッケージ放熱板１１８上に金属ソルダで固定されている。なお、ペルチェ素子１１７の上下には、セラミックス板１１９Ａ、１１９Ｂが配置される。
【０００５】
図９は、図８におけるレーザダイオードモジュールのＡ−Ａ’断面図である。図９に示すように、レーザダイオードモジュールの主要部は、ヒートシンク１１２上にレーザダイオードチップ１１１の他にサーミスタ１２１を搭載し、ペルチェ素子１１７と金属基板１１０ａとを接着する金属ソルダとして、両者の熱膨張差を緩和するために、ソフトソルダ１２２を用いている。
上述した金属基板は、通常、銅タングステン（ＣｕＷ：銅の重量配分比１０〜３０％のものが存在）等の単一材質で形成されている。金属基板とペルチェ素子との接着は、両者の熱膨張差を緩和するために、インジウム錫（ＩｎＳｎ）などの低温ソフトソルダが用いられてきた。
【０００６】
しかし、近年、レーザダイオードモジュールの高出力化に伴い、レーザダイオードモジュールの冷却能力に対する要求が厳しくなっている。
従って、冷却能力向上のためには、ペルチェ素子を大型化したり、上部に搭載する金属基板の高熱伝導材質化を図る必要があるが、レーザダイオードモジュールが大型化してしまったり、コストが高くなってしまう。更に、ペルチェ素子の冷却能力向上に伴う温調タイム（目的の温度に達するまでの時間）の短縮により、ペルチェ素子上部に搭載した金属基板への温度ストレスも大きくなる。しかも、ソフトソルダ特有のハンダクリープ現象も顕著になる。
【０００７】
上述した問題点を解決するために、特開平１０−２００２０８に、２種類の金属材からなる金属基板を備えた半導体レーザモジュールが開示されている。即ち、上述した金属基板を使用することにより、金属基板全体の熱膨張を小さくするとともに、熱伝導を良くし、冷却性能を向上させると同時に、ペルチェ素子の信頼度を高めることを期待している。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−１８３４４５
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した先行技術によると、個々のレーザダイオードモジュールにおける、ペルチェ素子の冷却性能の向上、および、ペルチェ素子の信頼度を高めることが期待されている。しかしながら、個々のレーザダイオードモジュールが更に高出力化し、それにともなって発生する熱を処理することができないと、レーザダイオードモジュールの機能を損傷してしまうという問題点がある。即ち、従来の方法では、レーザダイオードモジュールのペルチェ素子による冷却が限界に達して、半導体素子の性能を１００％生かしきれない状態でしか、使用することができなくなっている。
【００１０】
従って、この発明の目的は、従来の問題点を解決して、放熱特性に優れ、レーザダイオードチップの機能が充分に発揮できるレーザダイオードモジュールを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、従来、ペルチェ素子等の冷却性能を向上させることによって、レーザダイオードモジュールの放熱・冷却特性を向上させようとしてきたが、熱抵抗の大部分即ち約６０％が、レーザダイオードチップの熱抵抗であることが判明した。
即ち、チップキャリアに熱的に接続されたレーザダイオードチップの活性層が存在する面からチップキャリアと接する面までの熱抵抗がレーザダイオードモジュール全体の熱抵抗の約６０％を占めている。例えば、ペルチェ素子等によって、チップキャリアを２５℃の温度に制御しても、レーザダイオードチップの活性化層の温度は５５℃になっていた。更に、チップキャリアを２５℃の温度に制御するためには、ペルチェ素子に対して高い冷却性能が要求されていた。
【００１２】
従来のアプローチと異なり、ペルチェ素子等の冷却性能を向上するのではなく、レーザダイオードチップの熱抵抗を小さくすることができれば、ペルチェ素子等の冷却性能如何にかかわらず、放熱効果は著しく高まることが判明した。即ち、レーザダイオードチップの周辺部に熱的に接続された熱伝導部材を設けると、活性化層の熱が広い角度で、チップキャリアと接触している面に伝わり、活性化層とチップキャリアと接する面との間の温度差を小さくして、レーザダイオードチップの熱抵抗を小さくすることができることが判明した。
【００１３】
この発明は、上記研究結果に基づいてなされたものであって、この発明のレーザダイオードモジュールの第１の態様は、チップ本体および周辺部に熱的に接続された熱伝導部材を備えたレーザダイオードチップ、前記レーザダイオードチップを搭載するレーザダイオードキャリア、および、前記レーザダイオードキャリアと熱的に接続された冷却装置を備えたレーザダイオードモジュールである。
【００１４】
この発明のレーザダイオードモジュールの第２の態様は、前記冷却装置がペルチェ素子からなっている、レーザダイオードモジュールである。
【００１５】
この発明のレーザダイオードモジュールの第３の態様は、前記熱伝導部材が前記チップ本体の両側に設けられた、レーザダイオードモジュールである。
【００１６】
この発明のレーザダイオードモジュールの第５の態様は、前記熱伝導部材が被膜形成手段によって、前記チップ本体の両側面に形成されている、レーザダイオードモジュールである。
【００１７】
この発明のレーザダイオードモジュールの第６の態様は、前記熱伝導部材がダイヤモンドのスパッタリング、または、イオンコーティングによって形成されている、レーザダイオードモジュールである。
【００１８】
この発明のレーザダイオードモジュールの第７の態様は、熱伝導部材によって幅方向に拡大されたレーザダイオードチップ、前記レーザダイオードチップを搭載するレーザダイオードキャリア、および、前記レーザダイオードキャリアと熱的に接続された冷却装置を備えたレーザダイオードモジュールである。
【００１９】
この発明のレーザダイオードモジュールの第８の態様は、レーザダイオードチップの活性層を有する面と反対側の面にレーザダイオードキャリアが熱的に接続される、レーザダイオードモジュールである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
この発明のレーザダイオードモジュールの態様について図面を参照しながら詳細に説明する。
この発明のレーザダイオードモジュールは、チップ本体およびチップ本体の周辺部に熱的に接続された熱伝導部材を備えたレーザダイオードチップ、レーザダイオードチップを搭載するレーザダイオードキャリア、および、レーザダイオードキャリアと熱的に接続された冷却装置を備えたレーザダイオードモジュールである。上述した冷却装置が、例えば、ペルチェ素子からなっている。
【００２１】
上述した熱伝導部材が、１つの態様においては、チップ本体の両側に設けられている。
図１は、この発明のレーザダイオードモジュールのレーザダイオードチップを示す図である。図１に示すように、レーザダイオードチップ１は、チップ本体２、および、その両側に熱的に接続して設けられた熱伝導部材４、５を備えている。活性化層３は、図示しないチップキャリアと接続する面と反対側に設けられている。
【００２２】
図２は、この発明のレーザダイオードチップ１における熱抵抗を説明する図である。図２に示すように、チップ本体２の両側に熱伝導部材４、５が熱的に接続して設けられているので、活性化層３の熱は、横方向に広がりながら斜線で示したように、下方に向かって、チップキャリアと接する面に伝わる。従って、熱抵抗によるチップの温度差ΔＴ＝Ｔ_０−Ｔ_１は小さく、例えば、１０℃である。
図１０に、従来のレーザダイオードモジュールの部分を示す。図１０に示すように、レーザダイオードチップ１００は、側面部に熱伝導部材を備えていないので、活性化層１０２の熱は、斜線で示すように、横方向に広がりながら斜線で示したように、下方に向かって、チップキャリア１０７と接する面に伝わる。しかしながら、従来のレーザダイオードチップ１００においては、チップの幅が狭く、上述したように、熱抵抗が大きい。従って、熱抵抗によるチップの温度差ΔＴ＝Ｔ_０−Ｔ_１は大きく、例えば、３０℃である。即ち、本発明の場合の約３倍である。
【００２３】
図１０において、例えば、活性化層１０２の温度を約５５℃に維持しようとすると、上述したようにチップの熱抵抗が大きいので、チップキャリア１０７の温度を２５℃にコントロールする必要がある。ペルチェ素子の底部側における温度が約７５℃であるので、ペルチェ素子には約５０℃の温度を低下させる冷却性能が要求される。ペルチェ素子に使用されているＢｉ−Ｔｅ部材への負担を軽くすることが重要である。
【００２４】
これに対して、この発明のレーザダイオードチップ１においては、チップ本体２の両側に熱伝導部材４、５が熱的に接続して設けられているので、活性化層３の熱が熱伝導部材に広く伝わって、熱抵抗が著しく低下する。その結果、例えば、活性化層３の温度を約５５℃に維持しようとすると、チップ本体の熱抵抗が小さいので、チップキャリア７の温度は４５℃にコントロールすればよい。従って、ペルチェ素子の底部側における温度が約７５℃であるので、ペルチェ素子には約３０℃の温度を低下させる冷却性能が要求されるに過ぎない。このことは、ペルチェ素子に要求される冷却性能が低くなるので、ペルチェ素子を大型化する必要は無く、逆に、ペルチェ素子を小型化することができる。その結果、レーザダイオードモジュールを更に小型化することが可能である。更に、高性能のペルチェ素子ではなく、一般的な性能のペルチェ素子であればよく、レーザダイオードモジュールの製造コストを低くすることができる。
【００２５】
このように、活性化層の温度を約５５℃に維持するためには、従来のチップにおいては、チップキャリアの温度を約２５℃にコントロールしなければならなかったけれども、本発明のチップにおいては、熱抵抗が小さく、活性化層の温度を約５５℃に維持するためには、チップキャリアの温度を約４５℃にコントロールすればよいので、レーザダイオードモジュールの温度に関する安定性を容易に高めることができる。更に、チップキャリアの温度を低くコントロールすることによって、活性化層の温度を低く、例えば、約３５℃に維持することが容易になる。
上述したように、この発明によると、レーザダイオードチップの熱抵抗を小さくすることによって、レーザダイオードモジュールの放熱効果を著しく向上することができる。
【００２６】
熱伝導部材としては、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＣｕＷ、ダイヤモンド、Ｃｕなどがあり、レーザダイオードチップの線膨張係数に近いものを使用する。例えば、ＩｎＰ基板に形成されたレーザダイオードチップの場合は、ＡｌＮが適している。特に、Ｉｎ−Ｐが適している。
チップと熱伝導部材の接合は、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅなどによって行う。
チップキャリアの材質としては、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＣｕＷ、ダイヤモンド、Ｃｕなどがあり、レーザダイオードチップの線膨張係数に近いものを使用する。例えば、ＩｎＰ基板に形成されたレーザダイオードチップの場合は、ＡｌＮが適している。特に、Ｃｕ−Ｗが適している。
【００２７】
更に、この発明のレーザダイオードモジュールの他の態様においては、上述した熱伝導部材が被膜形成手段によって、レーザダイオードチップの両側面に形成されている。即ち、熱伝導部材がダイヤモンドのスパッタリング、または、イオンコーティングによって形成されている。図５は、熱伝導部材が被膜形成手段によって、両側面に形成されているレーザダイオードチップを示す図である。図５に示すように、チップ２の両側面にダイヤモンドのスパッタリング、または、イオンコーティングによって、熱伝導部材９、１０が形成されている。
【００２８】
図６は、この発明のレーザダイオードチップにおける熱抵抗を説明する図である。図６に示すように、チップ２の両側面にダイヤモンドのスパッタリング、または、イオンコーティングによって、熱伝導部材９、１０が形成されているので、矢印で示すように、活性化層３の熱が伝わり、チップの温度差ΔＴ＝Ｔ_０−Ｔ_１を小さくすることができる。従って、図４に示した態様と同様に、チップキャリアの温度Ｔ_１を比較的高い温度にコントロールすることができ、ペルチェ素子の冷却性能に対する要求が低くなる。即ち、ペルチェ素子に要求される冷却性能が低くなるので、ペルチェ素子を大型化する必要は無く、逆に、ペルチェ素子を小型化することができる。その結果、レーザダイオードモジュールを更に小型化することが可能である。更に、高性能のペルチェ素子ではなく、一般的な性能のペルチェ素子であればよく、レーザダイオードモジュールの製造コストを低くすることができる。
【００２９】
更に、この発明のレーザダイオードモジュールの他の態様においては、上述した熱伝導部材がレーザダイオードチップの両側に一体的形成されている。例えば、チップの製造に際して、カットする際に所定の幅でカットして製造する。
【００３０】
この発明のレーザダイオードモジュールは、例えば光源として使用され、半導体レーザ、第１レンズ、第２レンズ、コア拡大ファイバおよび気密ケースを備えている。半導体レーザは、第１レンズとの間に所定の間隔をおいて、ベース上にチップキャリアを介して設けられている。ベースは、気密ケース内に設けた温度制御用のペルチェ素子の上方に配置されている。ベースは、主要部分が銅製で、第１レンズを設置する部分がステンレス製の複合材である。ベース部材は、チップキャリアを挟んで第１レンズと対向する側にキャリアが固定され、キャリアの半導体レーザと対向する位置にモニタ用のフォトダイオードが設けられている。
【００３１】
この発明によると、上述したように、レーザダイオードチップの周辺部に熱的に接続された熱伝導部材を設けることによって、活性化層の熱が広い角度で、チップキャリアと接触している面に伝わり、活性化層とチップキャリアと接する面との間の温度差を小さくして、レーザダイオードチップの熱抵抗を小さくすることができる。
【００３２】
【実施例】
実施例１
この発明のレーザダイオードモジュールを実施例によって、説明する。
Ｃｕ−Ｗ製の縦７ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ１ｍｍのチップキャリアの上に、縦０．８ｍｍ×横０．３ｍｍ×厚さ０．１ｍｍのチップ本体の両側面に、チップと同じ大きさのＡｌＮ製の熱伝導部材を、ＡｕＳｎによって接合して、幅方向に拡大したレーザダイオードチップを搭載した。レーザダイオードチップとチップキャリアの間は、ハンダで接合した。
【００３３】
上述したチップキャリアの低部には、ペルチェ素子を熱的に接続した。このように調製したレーザダイオードモジュールを使用して、レーザダイオードチップの熱抵抗を調査した。チップキャリアの温度を４５℃にコントロールした。チップ本体の活性化層の温度は５５℃、ペルチェ素子の底部の温度は９５℃であった。その結果、幅方向に拡大されたこの発明のレーザダイオードチップにおける活性化層とチップキャリアと接する面との間の温度差は、１０℃であり、熱抵抗が著しく小さくなっていることがわかる。更に、ペルチェ素子の冷却性能、即ち、チップキャリアと接するペルチェ素子の上面と底面との間の温度差は、３０℃であり、ペルチェ素子に要求される冷却性能は低いことがわかる。
【００３４】
実施例２
Ｃｕ−Ｗ製の縦７ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ１ｍｍのチップキャリアの上に、縦０．８ｍｍ×横０．３ｍｍ×厚さ０．１ｍｍのチップ本体の両側面に、ダイヤモンドのスパッタリングによって、厚さ０．１ｍｍの熱伝導部材を形成したレーザダイオードチップを搭載した。レーザダイオードチップとチップキャリアの間は、ＡｕＳｎで接合した。
【００３５】
上述したチップキャリアの底部には、ペルチェ素子を熱的に接続した。このように調製したレーザダイオードモジュールを使用して、レーザダイオードチップの熱抵抗を調査した。チップキャリアの温度を４４℃にコントロールした。チップの活性化層の温度は５５℃、ペルチェ素子の底部の温度は９５℃であった。その結果、被膜形成手段によって熱伝導部材が形成されたこの発明のレーザダイオードチップにおける活性化層とチップキャリアと接する面との間の温度差は、１１℃であり、熱抵抗が著しく小さくなっていることがわかる。更に、ペルチェ素子の冷却性能、即ち、チップキャリアと接するペルチェ素子の上面と底面との間の温度差は、５１℃であり、ペルチェ素子に要求される冷却性能は低いことがわかる。
【００３６】
比較例
Ｃｕ−Ｗ製の縦７ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ１ｍｍのチップキャリアの上に、縦０．８ｍｍ×横０．３ｍｍ×厚さ０．１ｍｍのレーザダイオードチップを搭載した。レーザダイオードチップとチップキャリアの間は、ハンダで接合した。
上述したチップキャリアの底部には、ペルチェ素子を熱的に接続した。このように調製したレーザダイオードモジュールを使用して、レーザダイオードチップの熱抵抗を調査した。チップキャリアの温度を２５℃にコントロールした。チップの活性化層の温度は５５℃、ペルチェ素子の底部の温度は９５℃であった。その結果、従来のレーザダイオードチップにおける活性化層とチップキャリアと接する面との間の温度差は、３０℃であり、熱抵抗が著しく大きいことがわかる。更に、ペルチェ素子の冷却性能、即ち、チップキャリアと接するペルチェ素子の上面と底面との間の温度差は、７０℃であり、ペルチェ素子に要求される冷却性能は極めて高いことがわかる。
【００３７】
上述したところから明らかなように、チップ本体の周辺部に熱的に接続された熱伝導部材を、接合、スパッタリング、または、一体的に設けることによって、活性化層の熱が、チップキャリアと接触している面に、抵抗少なく伝わり、活性化層とチップキャリアと接する面との間の温度差を小さくして、レーザダイオードチップの熱抵抗を小さくすることができる。その結果、ペルチェ素子等の冷却装置に対する要求性能を低くすることが可能になる。
【００３８】
【発明の効果】
上述したように、この発明によると、放熱特性に優れ、レーザダイオードチップの機能が充分に発揮できるレーザダイオードモジュールを提供することにある。
即ち、レーザダイオードチップの熱抵抗を低下させることによって、冷却装置としてのペルチェ素子の冷却性能要求を低くして、低コスト、小型化が可能な、放熱特性に優れたレーザダイオードモジュールを提供することができ、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明のレーザダイオードモジュールのレーザダイオードチップを示す図である。
【図２】図２は、この発明のレーザダイオードチップ１における熱抵抗を説明する図である。
【図３】図３は、チップキャリアに搭載されたこの発明のレーザダイオードチップを示す図である。
【図４】図４は、この発明のレーザダイオードモジュールの部分を示す概略図である。
【図５】図５は、熱伝導部材が被膜形成手段によって、両側面に形成されているレーザダイオードチップを示す図である。
【図６】図６は、この発明のレーザダイオードチップにおける熱抵抗を説明する図である。
【図７】図７は、チップキャリアに搭載されたこの発明のレーザダイオードチップを示す図である。
【図８】図８は、従来のレーザダイオードモジュールの概略断面図を示す。
【図９】図９は、図８におけるレーザダイオードモジュールのＡ−Ａ’断面図である。
【図１０】図１０は、従来のレーザダイオードモジュールを示す。
【符号の説明】
１．この発明のレーザダイオードチップ
２．チップ本体
３．活性化層
４．熱伝導部材
５．熱伝導部材
６．熱伝導状態
７．チップキャリア
８．ペルチェ素子
９．被膜形成手段によって形成された熱伝導部材
１０．被膜形成手段によって形成された熱伝導部材

Claims

チップ本体および周辺部に熱的に接続された熱伝導部材を備えたレーザダイオードチップ、前記レーザダイオードチップを搭載するレーザダイオードキャリア、および、前記レーザダイオードキャリアと熱的に接続された冷却装置を備えたレーザダイオードモジュール。
前記冷却装置がペルチェ素子からなっている、請求項１に記載のレーザダイオードモジュール。
前記熱伝導部材が前記チップ本体の両側に設けられた、請求項１または２に記載のレーザダイオードモジュール。
前記熱伝導部材が前記チップ本体の両側に一体的形成されている、請求項３に記載のレーザダイオードモジュール。
前記熱伝導部材が被膜形成手段によって、前記チップ本体の両側面に形成されている、請求項３に記載のレーザダイオードモジュール。
熱伝導部材によって幅方向に拡大されたレーザダイオードチップ、前記レーザダイオードチップを搭載するレーザダイオードキャリア、および、前記レーザダイオードキャリアと熱的に接続された冷却装置を備えたレーザダイオードモジュール。