JP2006319011A - Peltier module, and semiconductor laser light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ペルチェ効果による冷却能力を持ったペルチェモジュールに関し、またペルチェモジュールを利用して冷却を行う半導体レーザ発光装置に関するものである。 The present invention relates to a Peltier module having a cooling capability by the Peltier effect, and to a semiconductor laser light emitting device that performs cooling using the Peltier module.
近年、様々な技術分野で半導体レーザ発光素子が広く用いられつつあるが、例えば光増幅器のポンプ光源や加工機器の光源等として用いられているもの中には、発光点を複数形成して4Wを超える高出力化を図った半導体レーザ発光装置が提供されている。図7は、一般的な高出力の半導体レーザ発光装置の要部構成例を示す説明図である。図例のように、高出力の半導体レーザ発光装置では、レーザ光の出射方向が同一となるように一列に配置された複数の半導体レーザ素子を有する半導体レーザ発光素子アレイ31を備えている。半導体レーザ発光素子アレイ31は、ベース32上に、サブマウント33を介して配設されている。ただし、半導体レーザ発光素子アレイ31は、ベース32およびサブマウント33の端縁近傍に位置するように配されている。各半導体レーザ素子のレーザ光出射面を、ベース32およびサブマウント33の外端縁と合わせることで、出射されたレーザ光がベース32またはサブマウント33と干渉してしまうのを避けるためである。
In recent years, semiconductor laser light-emitting elements are being widely used in various technical fields. For example, in a device used as a pump light source for an optical amplifier or a light source for a processing device, a plurality of light-emitting points are formed to generate 4 W There has been provided a semiconductor laser light emitting device that achieves higher output than that. FIG. 7 is an explanatory diagram showing a configuration example of a main part of a general high-power semiconductor laser light emitting device. As shown in the figure, the high-power semiconductor laser light emitting device includes a semiconductor laser light
ところで、半導体レーザ発光素子アレイ31は、一般に、発熱が大きい。例えば、GaAs/AlGaAs赤外半導体レーザ発光素子からなるものであれば、エネルギー変換効率が40%〜50%であるため、投入電力の50%〜60%が熱に変換される。また、AlGaInP/GaInP赤色半導体レーザ発光素子からなるものであれば、エネルギー変換効率が15%〜20%であるため、投入電力の80%〜85%が熱に変換される。したがって、半導体レーザ発光素子アレイ31については、冷却しながら使用することが必要となる。半導体レーザ発光素子の発熱を効率よく放散できないと、発光部の温度が上昇して、さらにエネルギー変換効率の低下を招き、ネガティブフィードバックされて信頼性の低下を引き起こすからである。
Incidentally, the semiconductor laser light
半導体レーザ発光素子アレイ31の冷却は、冷却媒質による強制冷却機構等の大掛かりな冷却機構を要することもなく、また確実な冷却効果を期待できることから、ペルチェモジュールを用いて行うことが考えられる。
The semiconductor laser light
ペルチェモジュールとは、ペルチェ効果を利用した電子冷却を用いる熱電モジュールであり、p型熱電素子とn型熱電素子との接合対である熱電冷却素子を電気的に直列に接続してユニットにしたものをいう。図8および図9は、ペルチェモジュールの基本的な構成例を示す説明図である。 A Peltier module is a thermoelectric module that uses electronic cooling utilizing the Peltier effect, and is a unit in which thermoelectric cooling elements, which are junction pairs of p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements, are electrically connected in series. Say. 8 and 9 are explanatory diagrams illustrating a basic configuration example of the Peltier module.
図8に示すように、ペルチェモジュール34では、二枚のセラミック等の絶縁電熱板34aの間に、不足電子p型、過剰電子n型の各熱電半導体素子34b,34cが、Cu等の金属電極(ただし不図示)を介して、π字形あるいは逆π字形に交互に配置されており、全部の熱電半導体素子34b,34cが電気的に直列に接続されている。このようなペルチェモジュール34の電極に直流電源を接続して、n型素子からp型素子の方向へ電流を流すと、ペルチェ効果によりπ字形の上部で吸熱が、下部では放熱が起こる。この際、電流の方向を逆転すると、吸熱、放熱の方向が変わる。この現象を利用して、各熱電半導体素子34b,34cが冷却/加熱装置として使用されるのである。
As shown in FIG. 8, in the Peltier
また、ペルチェモジュール34については、図9に示すように、ペルチェ効果を持つ熱電半導体素子を絶縁電熱板間に配置した熱電素子層34dを、熱流が一方向になるように複数段積み重ねて構成されたもの、すなわち多段構成のものも提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。熱流が一方向になる多段構成とすれば、吸熱量が多いため、冷却時の温度差を大きくできるからである。
Further, as shown in FIG. 9, the Peltier
しかしながら、ペルチェモジュール34を用いて半導体レーザ発光素子アレイ31の冷却を行う場合には、半導体レーザ発光素子アレイ31がベース32およびサブマウント33の端縁近傍に位置していることから、冷却効率の点で難がある。すなわち、半導体レーザ発光素子アレイ31がベース32およびサブマウント33の端縁近傍に位置していると、ペルチェモジュール34がベース32の全面に対して冷却を行い得るように構成されていても、そのペルチェモジュール34の冷却能力の一部のみが半導体レーザ発光素子アレイ31の冷却に寄与することになる。
この点については、半導体レーザ発光素子アレイ31をベース32の端縁近傍ではなく央部近傍に配することで、冷却効率の改善を図ることも考えられる。ところが、半導体レーザ発光素子アレイ31をベース32の央部近傍に配したのでは、半導体レーザ発光素子アレイ31から出射されたレーザ光がペルチェモジュールと干渉し、出射レーザ光の品質が低下してしまう可能性があるので適当ではない。
また、半導体レーザ発光素子アレイ31をベース32の端縁近傍に配した場合であっても、ペルチェモジュール34における多段構成の熱電素子層34dの段数を多くして吸熱量を増大させることで、冷却効率の悪化を補うようにすることも考えられるが、その場合にはペルチェモジュール34の全体の厚さが大きくなるので、装置全体の小型化が非常に困難となる。したがって、特に携帯用レーザ照射装置のような用途には適さないものとなってしまう。
However, when the semiconductor laser light
Regarding this point, it is conceivable to improve the cooling efficiency by arranging the semiconductor laser light
Even when the semiconductor laser light
そこで、本発明は、半導体レーザ発光素子の駆動時の発熱による温度上昇を、効率的に、しかも小型の冷却機構で排熱して、抑制することのできるペルチェモジュールおよび半導体レーザ発光装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention provides a Peltier module and a semiconductor laser light emitting device capable of suppressing the temperature rise due to heat generation during driving of the semiconductor laser light emitting element efficiently and by exhausting heat with a small cooling mechanism. With the goal.
本発明は、上記目的を達成するために案出されたペルチェモジュールで、p型熱電素子とn型熱電素子とこれらを電気的に直列に接続する金属電極とを有する熱電素子層が複数段積み重なって構成されたペルチェモジュールであって、前記複数段のうちの少なくとも一層の熱電素子層は、前記複数段の積重方向と直交する方向に熱を移動させるように前記p型熱電素子および前記n型熱電素子が前記金属電極によって接続されており、他の熱電素子層は、前記複数段の積重方向と平行な方向に熱を移動させるように前記p型熱電素子および前記n型熱電素子が前記金属電極によって接続されていることを特徴とするものである。 The present invention is a Peltier module devised to achieve the above object, in which a plurality of thermoelectric element layers each having a p-type thermoelectric element, an n-type thermoelectric element, and a metal electrode electrically connecting them in series are stacked. In the Peltier module configured as described above, at least one thermoelectric element layer of the plurality of stages moves the p-type thermoelectric element and the n so as to move heat in a direction orthogonal to the stacking direction of the plurality of stages. Type thermoelectric elements are connected by the metal electrodes, and the other thermoelectric element layers are arranged such that the p-type thermoelectric elements and the n-type thermoelectric elements move heat in a direction parallel to the stacking direction of the plurality of stages. It is connected by the metal electrode.
上記構成のペルチェモジュールでは、少なくとも一層の熱電素子層が、複数段の熱電素子層の積重方向と直交する方向に熱を移動させる。したがって、例えば、熱電素子層を平面的に見たときの端縁近傍に熱源が配されている場合であっても、その熱源が発する熱は、複数段の熱電素子層の積重方向と直交方向への熱移動によって、熱電素子層の全域にわたって拡散されることになる。つまり、端縁近傍の熱源からの熱は、能動的にペルチェモジュール全域に均一化されるのである。 In the Peltier module configured as described above, at least one thermoelectric element layer moves heat in a direction orthogonal to the stacking direction of the thermoelectric element layers in a plurality of stages. Therefore, for example, even when a heat source is arranged in the vicinity of the edge when the thermoelectric element layer is viewed in plan, the heat generated by the heat source is orthogonal to the stacking direction of the thermoelectric element layers in a plurality of stages. Due to the heat transfer in the direction, the entire thermoelectric element layer is diffused. That is, the heat from the heat source in the vicinity of the edge is actively equalized throughout the Peltier module.
以上のように、本発明のペルチェモジュールおよびそのペルチェモジュールを用いた半導体レーザ発光装置では、出射レーザ光の品質低下を回避すべく、半導体レーザ発光素子アレイがペルチェモジュールの端縁近傍に配されている場合であっても、その半導体レーザ発光素子アレイにおける半導体レーザ発光素子の駆動時の発熱が能動的にペルチェモジュール全域にわたって拡散され均一化される。したがって、そのペルチェモジュールの冷却能力を効率的に利用して排熱を行うことが可能となり、結果として効率的な冷却を実現し得るようになる。しかも、効率的な冷却を実現し得ることから、ペルチェモジュールにおける熱電素子層の多段構成の段数も必要最小限ですみ、ペルチェモジュールの全体の厚さが大きくなってしまうのを極力抑制することができる。
このように、本発明のペルチェモジュールおよび半導体レーザ発光装置によれば、半導体レーザ発光素子の駆動時の発熱による温度上昇を、効率的に、しかも小型の冷却機構で排熱して、抑制することのできるのである。
As described above, in the Peltier module of the present invention and the semiconductor laser light emitting device using the Peltier module, the semiconductor laser light emitting element array is arranged in the vicinity of the edge of the Peltier module in order to avoid degradation of the quality of the emitted laser light. Even when the semiconductor laser light emitting element array is driven, heat generated when the semiconductor laser light emitting element is driven is actively diffused and made uniform over the entire Peltier module. Therefore, it is possible to exhaust heat by efficiently using the cooling capacity of the Peltier module, and as a result, efficient cooling can be realized. Moreover, since efficient cooling can be realized, the number of stages of the multi-layered thermoelectric element layer in the Peltier module can be minimized, and the increase in the overall thickness of the Peltier module can be suppressed as much as possible. it can.
As described above, according to the Peltier module and the semiconductor laser light emitting device of the present invention, the temperature rise due to the heat generated when the semiconductor laser light emitting element is driven can be efficiently suppressed by exhausting heat with a small cooling mechanism. It can be done.
以下、図面に基づき本発明に係るペルチェモジュールおよび半導体レーザ発光装置について説明する。 Hereinafter, a Peltier module and a semiconductor laser light emitting device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
先ず、半導体レーザ発光装置の概要について説明する。図1は、本発明に係る半導体レーザ発光装置の概略構成例を示す説明図である。図例のように、ここで説明する半導体レーザ発光装置は、半導体レーザ発光素子アレイ1を備えているとともに、その半導体レーザ発光素子アレイ1がベース2上にサブマウント3を介して配設されている。ベース2は、ヒートシンクとして用いるため、Cu等の熱伝導率の大きい金属材料から形成される。また、サブマウント3は、例えばSiC(炭化シリコン)、CuW(銅タングステン)、ダイヤモンド等の熱伝導率の大きい材料が選択される。
First, an outline of the semiconductor laser light emitting device will be described. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration example of a semiconductor laser light emitting device according to the present invention. As shown in the figure, the semiconductor laser light emitting device described here includes a semiconductor laser light emitting element array 1, and the semiconductor laser light emitting element array 1 is disposed on a
半導体レーザ発光素子アレイ1は、レーザ光の出射方向が同一となるように一列に配置された複数の半導体レーザ素子(ただし不図示)を有するものであり、いわゆる半導体レーザ発光素子バー(LDバー)と呼ばれるものである。この半導体レーザ発光素子アレイ1のサブマウント3上への固着、および、サブマウント3のベース2上への固着には、はんだが用いられる。具体的には、例えば、AuSn(金スズ)はんだ等の金属融材をサブマウント3表面に約3μm〜6μm程度の厚みで蒸着しておき、半導体レーザ発光素子アレイ1を載せながら加熱してはんだを溶融させることで、半導体レーザ発光素子アレイ1とサブマウント3とを接合する。サブマウント3とベース2との間も同様である。
The semiconductor laser light emitting element array 1 has a plurality of semiconductor laser elements (not shown) arranged in a line so that the emission directions of the laser light are the same, and is a so-called semiconductor laser light emitting element bar (LD bar). It is called. Solder is used for fixing the semiconductor laser light emitting element array 1 on the
ここで、半導体レーザ発光素子アレイ1を構成する半導体レーザ素子について説明する。図2は、半導体レーザ素子のチップ構造の例を模式的に示す斜視図である。図例のように、半導体レーザ発光素子アレイ1を構成する各半導体レーザ素子は、基板となる厚さが例えば80μm〜100μmのn型GaAs板11上に、n型の第1バッファ層12、n型の第2バッファ層13、n型のクラッド層14、活性層/ガイド層15、p型のクラッド層16およびp型のキャップ層17が、下層より順に積層されたダブルヘテロ(DH)接合積層構造を有している。第1バッファ層12は、例えば、膜厚が0.5μmのn型のGaAs層で形成される。第2バッファ層13は、例えば、膜厚0.5μmのn型Al0.3Ga0.7As層で形成される。n型のクラッド層14は、例えば、膜厚1.8μmのn型Al0.47Ga0.53As層で形成される。p型のクラッド層16は、例えば、膜厚1.8μmのp型Al0.47Ga0.53As層で形成される。キャップ層17は、例えば、膜厚0.5μmのp型GaAs層で形成される。活性層/ガイド層15は、膜厚が60nm以上65nm以下のAl0.3Ga0.7Asガイド層と、屈折率がガイド層より大きく膜厚が10nmのAl0.14Ga0.86As活性層と、膜厚が60nm以上65nm以下のAl0.3Ga0.7Asガイド層との3層積層膜として構成される。
また、このようなDH接合積層構造の積層膜のうち、キャップ層17およびp型のクラッド層16の上部の電流注入領域となる両側には、電流非注入領域18が形成されている。この電流非注入領域18は、例えば、キャップ層17およびp型のクラッド層16上部を掘り込み、その掘り込んだ領域にn型のGaAs層を埋め込んで形成される。
さらに、キャップ層17および電流非注入領域18上には、p側電極19aが形成されている。このp側電極19aは、例えばキャップ層17側より、Ti層、Pt層、Au層からなる金属積層膜からなる。
一方、n型GaAs板11の側には、n側電極19bが形成されている。このn側電極19bは、例えば、n型GaAs板11側より、Au−Ge層、Ni層、Au層の順に形成されている。したがって、p型のクラッド層16の上部およびキャップ層17は、幅が広い、例えばストライプ幅Wが100μmのワイドストライプのリッジ状体として形成され、リッジ状体の両側は電流非注入領域18となっている。この電流非注入領域18は、例えば幅がそれぞれ50μmに形成されている。
Here, the semiconductor laser elements constituting the semiconductor laser light emitting element array 1 will be described. FIG. 2 is a perspective view schematically showing an example of the chip structure of the semiconductor laser element. As shown in the figure, each of the semiconductor laser elements constituting the semiconductor laser light emitting element array 1 has an n-type
Further, in the laminated film having such a DH junction laminated structure, a current
Further, a p-
On the other hand, an n-
このような半導体レーザ素子が、レーザ光の出射方向が同一となるように一列に配置されて、半導体レーザ発光素子アレイ1を構成しているのである。 Such semiconductor laser elements are arranged in a line so that the emission directions of the laser beams are the same to constitute the semiconductor laser light emitting element array 1.
半導体レーザ発光素子アレイ1における各半導体レーザ素子には、図1に示すように、ベース2上に絶縁板4を介して固着されたCu等からなる導電ブロック5との間に、ボンディングワイヤー6がボンディングされている。すなわち、各半導体レーザ素子に電流を供給するために、各半導体レーザ素子の負(−)電極と導電ブロック5とが接続されている。ボンディングワイヤー6は、例えばAuワイヤーもしくはAuの箔で形成される。また、導電ブロック5の負(−)電極をサブマウント3側のベース2の正(+)電極と絶縁するために、ベース2と導電ブロック5との間には絶縁板4が配されているが、その絶縁板4は例えばガラスもしくはエポキシ等の絶縁樹脂からなる。
As shown in FIG. 1, each semiconductor laser element in the semiconductor laser light emitting element array 1 has a
一方、ベース2における半導体レーザ発光素子アレイ1の搭載面との反対面側、すなわち下面側には、ペルチェモジュール7が配設されている。つまり、ペルチェモジュール7上に、熱伝導性を有するベース2およびサブマウント3を介して、半導体レーザ発光素子アレイ1が配されているのである。このとき、ベース2は、ペルチェモジュール7の、例えばアルミ製の板に、熱伝導率の高いグリス(ただし不図示)を用いて接触させ、ネジやばね押し付けで熱的に十分な接触を得ているものとする。
On the other hand, a Peltier module 7 is disposed on the side of the
ただし、ペルチェモジュール7、ベース2またはサブマウント3が、半導体レーザ発光素子アレイ1から出射されたレーザ光と干渉してしまうのを回避すべく、半導体レーザ発光素子アレイ1は、ペルチェモジュール7、ベース2およびサブマウント3を平面的に見たときの端縁近傍に位置するように配されている。さらに詳しくは、当該端縁の近傍に、半導体レーザ発光素子アレイ1におけるレーザ光出射側の端面が位置するように、半導体レーザ発光素子アレイ1とペルチェモジュール7との位置関係が設定されている。
However, in order to avoid the Peltier module 7, the
また、ペルチェモジュール7には、温度調整回路8が接続されている。温度調整回路8は、ベース2の温度を検出するサーミスタ等の温度検出手段9での検出結果に基づいて、ペルチェモジュール7の駆動制御(供給電流制御)を行うようになっている。この駆動制御によって、半導体レーザ発光素子アレイ1の温度が所定の目標値に保たれるのである。なお、温度調整回路8およびその駆動制御、並びに温度検出手段9での温度検出については、公知技術を利用して実現すればよいため、ここではその説明を省略する。
In addition, a temperature adjustment circuit 8 is connected to the Peltier module 7. The temperature adjustment circuit 8 performs drive control (supply current control) of the Peltier module 7 based on the detection result of the temperature detection means 9 such as a thermistor for detecting the temperature of the
続いて、ペルチェモジュール7の構成について説明する。図3は本発明に係るペルチェモジュールの概略構成例を示す説明図であり、図4および図5は、その要部の構成例を示す平面図である。 Next, the configuration of the Peltier module 7 will be described. FIG. 3 is an explanatory view showing a schematic configuration example of the Peltier module according to the present invention, and FIGS. 4 and 5 are plan views showing a configuration example of the main part thereof.
図3に示すように、ペルチェモジュール7は、p型熱電素子20aとn型熱電素子20bとが電気的に直列に接続されてなる熱電素子層21,22が、複数段積み重なって構成されている。図例では、二段構成の熱電素子層21,22を例に挙げているが、三段以上が積み重なって構成されていてもよい。ただし、以下の説明では、二段構成の場合を例に挙げる。
As shown in FIG. 3, the Peltier module 7 is configured by stacking a plurality of thermoelectric element layers 21 and 22 in which a p-type
二段構成の熱電素子層21,22のうち、ベース2と接する熱電素子層21、すなわち最上段の熱電素子層(以下「最上熱電素子層」という)21では、図4および図5に示すように、p型熱電素子20aとn型熱電素子20bとが交互に横置き(長手方向が水平に延びる状態)に配列されている。そして、横置きされたp型熱電素子20aおよびn型熱電素子20bは、その長手方向の端縁を構成する横面が、Cu等の導電性材料からなる金属電極20cによって接続されている。p型熱電素子20aおよびn型熱電素子20bと金属電極20cとの間の接合は、はんだ20dを介して行われている。また、これらp型熱電素子20a、n型熱電素子20bおよび金属電極20cにおける非接合箇所である横面には、他部と電気的に導通しないように、例えばフッ素樹脂のような有機系、あるいはSiO系塗料のような酸化物系の材料が塗布されている。このように、最上熱電素子層21では、p型熱電素子20aおよびn型熱電素子20bが金属電極20cによって交互に接続されて、最終的には全部が電気的に直列に接続されるのである。
Of the two-stage thermoelectric element layers 21, 22, the
横置きされたp型熱電素子20aおよびn型熱電素子20bが金属電極20cを介して電気的に直列に接続されると、最上熱電素子層21の電極(ただし不図示)に直流電源を接続して、n型熱電素子20bからp型熱電素子20aの方向へ電流を流した場合に、ペルチェ効果により図4中の左側部分では吸熱が、また右側では放熱が起こる。これにより、最上熱電素子層21では、面内で熱が水平方向に向けて強制的に移動することになる。
When the p-type
つまり、最上熱電素子層21では、二段構成の熱電素子層21,22の積重方向と直交する方向に熱を移動させるように、p型熱電素子20aおよびn型熱電素子20bが横置きされて、これらを金属電極20cが電気的に直列に接続しているのである。なお、三段以上が積み重なる構成の場合には、最上熱電素子層21は、少なくとも一層があればよい。ただし、その一層は、ベース2と接する最上段に位置していることが望ましい。
That is, in the uppermost
一方、このような最上熱電素子層21を除く他の熱電素子層22、すなわち最上熱電素子層の下方側に位置する熱電素子層(以下「下段熱電素子層」という)22では、図3に示すように、p型熱電素子20aとn型熱電素子20bとがいずれも縦置き(長手方向が垂直に延びる状態)に配列されている。そして、縦置きされたp型熱電素子20aおよびn型熱電素子20bが、金属電極(ただし不図示)によって電気的に直列に接続されている。
On the other hand, other thermoelectric element layers 22 excluding the uppermost
縦置きされたp型熱電素子20aおよびn型熱電素子20bが金属電極を介して電気的に直列に接続されると、下段熱電素子層22の電極(ただし不図示)に直流電源を接続して、n型熱電素子20bからp型熱電素子20aの方向へ電流を流した場合に、ペルチェ効果により図4中の上側部分では吸熱が、また下側では放熱が起こる。これにより、下段熱電素子層22では、熱が垂直方向に沿って上側部分から下側部分に向けて強制的に移動することになる。
When the vertically placed p-type
つまり、下段熱電素子層22では、二段構成の熱電素子層21,22の積重方向と平行な方向に熱を移動させるように、p型熱電素子20aおよびn型熱電素子20bが縦横置きされて、これらを金属電極が電気的に直列に接続しているのである。
That is, in the lower thermoelectric element layer 22, the p-type
最上熱電素子層21と下段熱電素子層22との間は、最上熱電素子層21の熱を下段熱電素子層22へ排熱できるようにすべく、例えばアルミ板のような熱伝導性を有する部材23が配されている。
A member having thermal conductivity, such as an aluminum plate, between the uppermost
以上のような最上熱電素子層21および下段熱電素子層22に対しては、温度調整回路8がそれぞれの電極に対して電流供給を行うが、それぞれに供給する電流値は、予め設定されたプログラムに基づいて配分されるものとする。すなわち、温度調整回路8では、予め設定されたプログラムに従いつつ、最上熱電素子層21および下段熱電素子層22のそれぞれにどれだけの電流値を流すかを決定するようになっている。
For the uppermost
次に、以上のように構成された半導体レーザ発光装置およびペルチェモジュール7における処理動作例について説明する。 Next, an example of processing operation in the semiconductor laser light emitting device and the Peltier module 7 configured as described above will be described.
半導体レーザ発光装置では、半導体レーザ発光素子アレイ1を駆動して、その半導体レーザ発光素子アレイ1における各半導体レーザ素子にレーザ光を出射させると、その半導体レーザ発光素子アレイ1からの発熱が生じるとともに、その生じた熱が熱伝導性を有するベース2およびサブマウント3を介してペルチェモジュール7の側へ伝わる。そして、その熱を温度検出手段9が検出すると、温度調整回路8が予め設定されたプログラムに従いつつ、ペルチェモジュール7への電流供給を開始して、そのペルチェモジュール7を駆動する。
In the semiconductor laser light emitting device, when the semiconductor laser light emitting element array 1 is driven to emit laser light to each semiconductor laser element in the semiconductor laser light emitting element array 1, heat is generated from the semiconductor laser light emitting element array 1. The generated heat is transmitted to the Peltier module 7 via the
このとき、ペルチェモジュール7では、半導体レーザ発光素子アレイ1からの熱が、先ず、ベース2と接する最上熱電素子層21に伝わる。ただし、最上熱電素子層21は、面内で熱を水平方向に向けて移動させるように構成されている。したがって、温度調整回路8がペルチェモジュール7への電流供給を開始すると、半導体レーザ発光素子アレイ1からそのペルチェモジュール7へ伝わった熱は、水平方向への移動によって熱電素子層21,22の全域にわたって拡散されることになる。つまり、半導体レーザ発光素子アレイ1からの熱は、能動的にペルチェモジュール7の全域に均一化されるのである。
At this time, in the Peltier module 7, the heat from the semiconductor laser light emitting element array 1 is first transmitted to the uppermost
また、最上熱電素子層21の下方に位置する下段熱電素子層22では、熱を垂直方向に沿って上側部分から下側部分に向けて移動させるように構成されている。したがって、温度調整回路8がペルチェモジュール7への電流供給を開始すると、最上熱電素子層21で拡散された熱は、下段熱電素子層22に伝わり、さらにその下段熱電素子層22によって下側部分に向けて移動されることになる。つまり、半導体レーザ発光素子アレイ1からの熱は、最上熱電素子層21での拡散を経た後に、下段熱電素子層22での垂直方向に移動によって、その下段熱電素子層22の下方側に放熱されるのである。
The lower thermoelectric element layer 22 located below the uppermost
以上のように、本実施形態で説明したペルチェモジュール7およびそのペルチェモジュール7を用いた半導体レーザ発光装置では、二段構成の熱電素子層21,22のうち、最上熱電素子層21が熱を水平方向に移動させて拡散するようになっている。したがって、ペルチェモジュール7、ベース2またはサブマウント3が、半導体レーザ発光素子アレイ1から出射されたレーザ光と干渉し、その出射レーザ光の品質が低下してしまうのを回避すべく、半導体レーザ発光素子アレイ1がペルチェモジュール7、ベース2およびサブマウント3の端縁近傍に配されている場合であっても、その半導体レーザ発光素子アレイ1における半導体レーザ発光素子の駆動時の発熱が、最上熱電素子層21によって能動的にペルチェモジュール7全域にわたって拡散され均一化されるので、従来のように冷却能力の一部のみが冷却に寄与するといったことがなく、そのペルチェモジュール7の冷却能力を効率的に利用して排熱を行うことが可能となり、結果として効率的な冷却を実現し得るようになる。しかも、効率的な冷却を実現し得ることから、ペルチェモジュール7における熱電素子層21,22の多段構成の段数も例えば二段構成といったように必要最小限ですみ、ペルチェモジュール7の全体の厚さが大きくなってしまうのを極力抑制することができる。
As described above, in the Peltier module 7 and the semiconductor laser light emitting device using the Peltier module 7 described in the present embodiment, the uppermost
つまり、本実施形態で説明したペルチェモジュール7および半導体レーザ発光装置によれば、半導体レーザ発光素子アレイ1の駆動時の発熱による温度上昇を、効率的に、しかも小型の冷却機構で排熱して、抑制することのできるのである。 That is, according to the Peltier module 7 and the semiconductor laser light emitting device described in the present embodiment, the temperature rise due to heat generated when the semiconductor laser light emitting element array 1 is driven can be efficiently exhausted by a small cooling mechanism, It can be suppressed.
特に、本実施形態で説明したように、最上熱電素子層21が水平方向への熱移動を行うように構成されていれば、半導体レーザ発光素子アレイ1の駆動時における熱が、先ず拡散されて、その後に下方側に放熱されるようになるので、効率的な冷却を確実に実現する上で非常に好適なものとなる。
In particular, as described in the present embodiment, if the uppermost
ここで、本実施形態で説明したペルチェモジュール7および半導体レーザ発光装置における冷却能力について、具体例を挙げて説明する。図6は、半導体レーザ発光装置の具体的な構成例を示す説明図である。 Here, the cooling capability of the Peltier module 7 and the semiconductor laser light emitting device described in the present embodiment will be described with specific examples. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a specific configuration example of the semiconductor laser light emitting device.
図例のように、ペルチェモジュール7上にベース2およびサブマウント3を介して半導体レーザ発光素子アレイ1が配されてなるとともに、その半導体レーザ発光素子アレイ1がペルチェモジュール7、ベース2およびサブマウント3の端縁近傍に位置している半導体レーザ発光装置では、一般に、ベース2が厚ければ厚いほど、そのベース2におけるレーザ光出射方向の前後での温度差が小さくなる。したがって、例えば、ペルチェモジュール7が従来のように構成されたものであれば、ベース2を厚くして、レーザ光出射方向前後での温度差を小さくすることにより、半導体レーザ発光素子アレイ1の温度も下げることが考えられる。例えば、半導体レーザ発光素子アレイ1の発熱量が約34Wの場合であれば、図例のように、0.3mm厚のサブマウント3に対して、レーザ光出射方向の大きさが14mmのベース2の厚さを5mmとすれば、そのベース2の上下面の間の温度差が10℃程度、レーザ光出射方向の前後での温度差が5℃程度となる。
As shown in the figure, a semiconductor laser light emitting element array 1 is arranged on a Peltier module 7 via a
これに対して、ペルチェモジュール7が本実施形態で説明したような二段構成のものであり、そのうちの最上熱電素子層が熱を水平方向に移動させて拡散するものであれば、ベース2の厚さを2.5mmとしても、その水平方向の熱移動によって、そのベース2のレーザ光出射方向の前後での温度差が2℃程度となる。そして、この前後差の低減に伴う効率的な冷却により、ベース2の上下面の間の温度差も4℃程度となる。したがって、本実施形態で説明した構成のペルチェモジュール7を用いれば、半導体レーザ発光素子アレイ1における温度を、従来のような厚ベースの場合と比べて、6℃程度下げることが可能となる。しかも、ベース2の厚さも薄くでき、さらにはペルチェモジュール7における熱電素子層の多段構成の段数も必要最小限ですむため、半導体レーザ発光装置の小型化を図る上で非常に好適なものとなる。
On the other hand, if the Peltier module 7 has a two-stage configuration as described in the present embodiment, and the uppermost thermoelectric element layer diffuses by moving the heat in the horizontal direction, the
なお、本実施形態では、本発明の好適な実施具体例を説明したが、本発明はその内容に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本発明は、GaAs/AlGaAs系のみならず、AlGaInP系やAlGaInN系の半導体レーザ発光装置についても適用することができる。 In the present embodiment, the preferred specific examples of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to the contents, and can be appropriately changed without departing from the gist thereof. For example, the present invention can be applied not only to GaAs / AlGaAs but also to AlGaInP and AlGaInN semiconductor laser light emitting devices.
1…半導体レーザ発光素子アレイ、2…ベース、3…サブマウント、7…ペルチェモジュール、20a…p型熱電素子、20b…n型熱電素子、20c…金属電極、21…最上熱電素子層、22…下段熱電素子層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laser light-emitting element array, 2 ... Base, 3 ... Submount, 7 ... Peltier module, 20a ... P-type thermoelectric element, 20b ... N-type thermoelectric element, 20c ... Metal electrode, 21 ... Top thermoelectric element layer, 22 ... Lower thermoelectric element layer
Claims (3)
前記複数段のうちの少なくとも一層の熱電素子層は、前記複数段の積重方向と直交する方向に熱を移動させるように前記p型熱電素子および前記n型熱電素子が前記金属電極によって接続されており、
他の熱電素子層は、前記複数段の積重方向と平行な方向に熱を移動させるように前記p型熱電素子および前記n型熱電素子が前記金属電極によって接続されている
ことを特徴とするペルチェモジュール。 A Peltier module configured by stacking a plurality of thermoelectric element layers having a p-type thermoelectric element, an n-type thermoelectric element, and a metal electrode that electrically connects them in series,
The p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element are connected by the metal electrode so that at least one thermoelectric element layer of the plurality of stages moves heat in a direction orthogonal to the stacking direction of the plurality of stages. And
In the other thermoelectric element layer, the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element are connected by the metal electrode so as to move heat in a direction parallel to the stacking direction of the plurality of stages. Peltier module.
前記ペルチェモジュールは、
前記複数段のうちの少なくとも一層の熱電素子層が、前記複数段の積重方向と直交する方向に熱を移動させるように前記p型熱電素子および前記n型熱電素子が前記金属電極によって接続されており、
他の熱電素子層が、前記複数段の積重方向と平行な方向に熱を移動させるように前記p型熱電素子および前記n型熱電素子が前記金属電極によって接続されている
ことを特徴とする半導体レーザ発光装置。 On a Peltier module formed by stacking a plurality of layers of thermoelectric element layers having p-type thermoelectric elements, n-type thermoelectric elements, and metal electrodes that electrically connect them in series, via a supporting member having thermal conductivity A semiconductor laser light emitting element array in which a plurality of semiconductor laser light emitting elements emitting laser light are arranged in an array, and the semiconductor laser light emitting element array is in the vicinity of an edge of the support member and the Peltier module A semiconductor laser emitting device located at
The Peltier module is
The p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element are connected by the metal electrode so that at least one thermoelectric element layer of the plurality of stages moves heat in a direction perpendicular to the stacking direction of the plurality of stages. And
The p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element are connected by the metal electrode so that another thermoelectric element layer moves heat in a direction parallel to the stacking direction of the plurality of stages. Semiconductor laser light emitting device.
ことを特徴とする請求項2記載の半導体レーザ発光装置。
Of the plurality of thermoelectric element layers, the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element are arranged such that the uppermost thermoelectric element layer in contact with the support member moves heat in a direction perpendicular to the stacking direction of the plurality of stages. The element is connected by the metal electrode. The semiconductor laser light emitting device according to claim 2.
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