JP2007281076A

JP2007281076A - 半導体レーザ装置、及び半導体レーザ装置に用いられる実装部材

Info

Publication number: JP2007281076A
Application number: JP2006103262A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Fukuda; 圭一福田; Shunichi Kitagaki; 俊一北垣; Hirotoshi Yonezawa; 宏敏米澤; Manabu Kawakami; 学川上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】従来は、半導体素子を実装するサブマウントの形状を大きくしたり、サブマウントの材料を放熱特性のよい材料に変更して、放熱対策を行っていた。本発明は、低コストで放熱性能を向上させることが可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る半導体レーザ装置は、発光素子と、前記発光素子を実装する実装部材とを備え、前記実装部材は、前記発光素子の発する光と干渉しないように、切り欠き部が設けられることとしたものである。これにより、低コストで放熱性能を向上させることが可能な半導体レーザ装置を得ることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学式記録媒体からのデータの読取りや書込み、光通信システムのデータ送受信等に用いられる半導体レーザ装置、及び半導体レーザ装置に用いられる実装部材に関するものである。

従来の半導体レーザ装置の構造は、下記の特許文献に記載されている通り、発光素子がサブマウント、ヒートシンク、ステムに実装固定されている。ここで、サブマウントは、発光素子の裏面とヒートシンクを絶縁する機能とともに、発光素子にて発生する熱を放熱するヒートシンクとしての機能も有する。さらに、ステムは、発光素子を保持する機能とともに、発光素子に電気的に接続される端子を保持する機能も有する。

そして、一般的には、発光素子とサブマウント、サブマウントとヒートシンクは、それぞれ、はんだにて接合される。さらに、発光素子から発せられる光がサブマウント、ヒートシンクと干渉しないように、発光素子、サブマウント、およびヒートシンクは、発光素子から発せられる光の進行方向に対し、各端面が同一となる位置にて接合される。

特開平２００１−３３２８０４号公報（図１）

ところで、近年、光学式記録媒体に対する記録の高密度化の要求、および、光通信システムにおけるデータ転送速度の高速化の要求が高まっている。このような要求に対応するために、発光素子を高出力化する必要があるが、発光素子の光出力の能力を高めると、発熱量が大きくなる。

そこで、従来の構造を有する半導体レーザ装置では、放熱性能を向上させるために、サブマウントの形状を大きくする、サブマウントの材料を放熱性の高いものに変更する等の対策が行われていた。しかし、これらの対策では、装置の小型化、コストの面で問題がある。また、発光素子の発熱量がさらに大きくなった場合、十分な放熱性能が得られない可能性がある。

この発明は、上記のような問題点に対処するためになされたもので、低コストで放熱性能を向上させることが可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

この発明に係る半導体レーザ装置は、
発光素子と、
前記発光素子を実装する実装部材と
を備え、
前記実装部材は、前記発光素子の発する光と干渉しないように、切り欠き部が設けられること
としたものである。

この発明によれば、半導体レーザ装置の放熱性能を低コストで向上させることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置を図に基づいて説明する。この実施の形態１に係る半導体レーザは、サブマウントの所定の側面の一部をＵ字形状としたものである。図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。

図において、発光素子１はサブマウント２（第１の実装部材）上に実装されるとともに、サブマウント２はヒートシンク３（第２の実装部材）上に実装される。ヒートシンク３はステム４上に固定され、発光素子１は、ステム４の裏面から導出された端子５と電気的に接続されている。

発光素子１は、例えば、波長１．３μｍの光を発振するファブリーペローレーザであり、最大ビーム広がり角度を５０度とする。サブマウント２は、発光素子１の裏面とヒートシンク３を絶縁する機能とともに、発光素子１からの熱を放熱するヒートシンクとしての機能も有する。ステム４は、発光素子１を保持する機能とともに、発光素子１に電気的に接続される端子５を保持する機能も有する。

発光素子１の外形寸法は、例えば、０．２ｍｍ×０．２ｍｍ、厚さ０．１ｍｍである。また、例えば、サブマウント２の材料は窒化アルミニウムである。図２はサブマウント２の上面視図であるが、この図に示すように、本実施の形態に係るサブマウント２は外形寸法０．４ｍｍ×０．４ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの直方体から、０．１ｍｍ×０．１ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの直方体を切り欠いた形状とする。ここで、図に示すように、Ｕ字型の外端面を端面２Ａ、内端面を端面２Ｂとする。本発明に係る半導体レーザは、後述するように、発光素子１の発光側の端面と、端面２Ｂとが同一面となるような位置に発光素子１とサブマウント２が接合される。

ヒートシンク３の材料は、例えば鉄であり、幅０．６ｍｍ、厚さ０．４ｍｍである。次に、実施の形態１に係る半導体レーザの組立手順について説明する。

まず、第１のステップとして、ステム４とヒートシンク３を固定する。なお、ステム４とヒートシンク３が一体化されている部材を用いてもよい。次に、第２のステップは、図１のＡ−Ａ断面図である図３に示すように、サブマウント２の端面２Ａがヒートシンク３の端面と同一平面となるように、サブマウント２をヒートシンク３上に位置決めする。

次に、第３のステップとして、サブマウント２の端面２Ｂと発光素子１の発光面が同一平面となるように、発光素子１をサブマウント２上に位置決めする。さらに、第４のステップとして、サブマウント２上に予め形成されたＡｕ−Ｓｎ合金からなるはんだを溶融することで、発光素子１、サブマウント２をそれぞれ固定する。

第５のステップは、発光素子１、サブマウント２から端子５へと、金ワイヤでワイヤボンディングすることにより、発光素子１と端子５を電気的に接続する。

ここで、サブマウント２と、発光素子１の光との関係について説明する。上記で述べたように、発光素子１の最大ビーム広がり角度を５０度とした。したがって、図４、５に示すように、発光素子１から発せられる光は、発光部から０．１ｍｍ離れた位置では、約０．０９３ｍｍ（＝０．１ｍｍ×２×ｔａｎ（２５°））にしか広がっていない。そのため、サブマウント２の外形、および切り欠き部分が上記で述べた寸法の場合、図３のように発光素子１の発光面をサブマウント２の端面２Ｂに実装しても、発光素子１からの光がサブマント２と干渉しないので光学特性が保たれる。

一方、本実施の形態に係るサブマウント２は、従来のサブマウントと比較して、端面２Ｂと端面２Ａの間の体積が増加している。発光素子１において最も高温となるのは、発光面の下部近傍であり、本実施の形態に係るサブマウント２は、この高温部の直下にある体積が増加していることとなる。すなわち、本実施の形態に係るサブマウント２は、従来よりも放熱面積が増えており、従来よりも放熱特性を大幅に改善できる。特に、発光素子１においてもっとも温度が高くなる発光面の近傍の放熱面積が増えているので、他の部分の放熱面積が増える場合よりも、放熱特性の改善性は高い。

このように、本実施の形態では、サブマウント２の切り欠き部の形状をＵ字型とすることにより、発光素子１においてもっとも温度が高くなる発光面の直下近傍の放熱面積を増やすことができ、放熱性能を向上させることができる。したがって、サブマウント２の小型化及び装置全体の小型化が可能となり、同時に、安価な材料をサブマウントに使用できるので、低コスト化が実現できる。また、単に、サブマウント２に切り欠きを設けるのみでよいので、加工費を削減できる。

なお、実施の形態１では、最大ビーム広がり角度を５０度としたが、この場合に限られず、最大ビーム広がり角度に応じて、切り欠き部の大きさ、形状を決定すればよい。

実施の形態２．
本実施の形態では、サブマウントの所定の側面の一部をＶ字形状とした場合について説明する。図６は、実施の形態２に係るサブマウント２の上面視図である。図に示すように、サブマウント２は、外形寸法０．４ｍｍ×０．４ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの直方体から、底辺０．１ｍｍ、高さ０．１ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの三角柱を切り欠いた形状である。このサブマウント２において、図７に示すように、三角形の頂点と発光素子１の発光面とが上方視で一致するように両者を位置に固定されると、実施の形態１と同様、発光素子１からの光がサブマント２と干渉しないので光学特性が保たれる。

一方、実施の形態１よりも、切り欠き部の体積が削減されるので、サブマウント２の体積が増えることとなり、放熱特性がさらに向上する。特に、増加する部分は、発光素子１の高温部の直下であるので、放熱特性の改善性は大きい。

なお、発光素子１からの光がサブマウント２と干渉しなければ、サブマウント２を例えば図８に示すような形状としても良い。すなわち、実施の形態１、２にでは、サブマウント２から切り欠かれる部分の形状をそれぞれＵ字型、Ｖ字型としたが、発行素子１からの光がサブマウント２と干渉しないように、サブマウント２の側面の形状を決定すればよい。例えば、切り欠き部の形状を半円錐形にすると、光の干渉を防止しつつ、切り欠き部の体積を削減することが可能となる。

実施の形態３．
本実施の形態では、ヒートシンクの所定の側面の一部をＵ字形状とした場合について説明する。図９は、実施の形態３に係るヒートシンク３の上面視図である。図に示すように、ヒートシンク３の、発光素子１の発光面と同じ方向の面は、幅０．６ｍｍとする。そしてヒートシンク３は、この面から０．３ｍｍ×０．２ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの直方体を切り欠いた形状とする。ここで、Ｕ字型の外端面を端面３Ａ、内端面を端面３Ｂとする。その他、サブマウント２は実施の形態１の図２で説明した形状とする。次に、組立手順について説明する。

まず、第１のステップとして、ステム４とヒートシンクを固定する。このステップは、実施の形態１と同様である。次に、第２のステップは、実施の形態１の図３に対応する図１０に示すように、サブマウント２の端面２Ａが、ヒートシンク３の端面３Ｂと同一平面となるように、サブマウント２をヒートシンク３上に位置決めする。

次に、第３のステップとして、サブマウント２の端面２Ｂと発光素子１の発光面が同一平面となるように発光素子１をサブマウント２上に位置決めする。さらに、第４のステップとして、サブマウント２上に予め形成されたＡｕ−Ｓｎ合金からなるはんだを溶融することで、発光素子１、サブマウント２をそれぞれ固定する。

第５のステップは、発光素子１、サブマウント２から端子５へと、金ワイヤでワイヤボンディングすることにより、発光素子１と端子５を電気的に接続する。この、第４のステップ、第５のステップは、実施の形態１と同様である。

ここで、サブマウント２、及びヒートシンク３と、発光素子１からの光との関係について説明する。実施の形態３では、図１１、図１２に示すように、発光素子１から発せられる光は、サブマウント２、ヒートシンク３と干渉しないので、光学特性が保たれる。

一方、本実施の形態に係るヒートシンク３は、実施の形態１のヒートシンクと比較して、発光素子１の直下の体積が増えている。したがって、ヒートシンク３の放熱面積が増え、放熱特性が大幅に改善される。

なお、図１３に示すように、サブマウント２は直方体とし、ヒートシンク３のみを加工しても良い。

また、発光素子１、サブマウント２、ヒートシンク３をパッケージする部品として、円筒形のステム４を用いる場合について説明したが、ステム４の形状は円筒形に限られるものではなく、板状のリードフレームでもよい。また、基板上に発光素子１、サブマウント２、ヒートシンク３を実装してもよい。さらに、光の進行方向は、ステムの面に対して略直交する場合に限られず、面に対して略平行であってもよい。

また、発光素子１を実装する実装部材として、サブマウント２とヒートシンク３を用いる場合について説明したが、発光素子１がサブマウント２（第１の実装部材）に実装され、このサブマウント２がステム４に実装されてもよい。また、発光素子１がヒートシンク３（第２の実装部材）に直接実装されてもよい。

また、発光素子１の発光面と、切り欠き部が設けられるサブマウント２、ヒートシンク３の面とがほぼ平行な場合について説明したが、それぞれの面の方向が異なっていてもよい。

実施の形態１に係る半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。実施の形態１に係るサブマウントの上面視図である。図１のＡ−Ａ断面における断面図である。発光素子から発せられる光の広がり説明する上面視図である。発光素子から発せられる光の広がり説明する断面図である。実施の形態２に係るサブマウントの上面視図である。発光素子から発せられる光の広がり説明する上面視図である。発光素子から発せられる光の広がり説明する上面視図である。実施の形態３に係るヒートシンクの上面視図である。実施の形態３に係る半導体レーザ装置の断面図である。発光素子から発せられる光の広がり説明する上面視図である。発光素子から発せられる光の広がり説明する断面図である。実施の形態３に係る他の構成の半導体レーザ装置の断面図である。

符号の説明

１発光素子、２サブマウント、３ヒートシンク、４ステム、
５端子。

Claims

発光素子と、
前記発光素子を実装する実装部材と
を備え、
前記実装部材は、前記発光素子の発する光と干渉しないように、切り欠き部が設けられること
を特徴とする半導体レーザ装置。
前記実装部材は、前記発光素子が実装される第１の実装部材と、
前記第１の実装部材が実装される第２の実装部材と
を備え、
前記切り欠き部は、前記第１の実装部材、及び／又は前記第２の実装部材に設けられること
を特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記発光素子は発光面を有し、
前記切り欠き部は、前記実装部材の、前記発光面と略同一方向の面に設けられること
を特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
前記発光素子の発光面は、前記実装部材の切り欠き部が設けられる面よりも、前記発光面から発せられる光の進行方向に対して反対側に位置し、
前記切り欠き部は、前記発光面を含む面に接するように設けられること
を特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
前記切り欠き部の形状が、四角柱であること
を特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
前記切り欠き部の形状が、三角柱形状であること
を特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
請求項１から６に記載の半導体レーザ装置に用いられる実装部材。