JP2007324234A - 発光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザ素子の温度を精度よくモニタすることが可能な発光モジュールを提供すること。
【解決手段】発光モジュール１は、ステム３０と、ステム３０上に設けられた熱電変換素子１０と、熱電変換素子１０上に設けられたヒートシンク１２と、ヒートシンク１２に搭載された半導体レーザ素子１４及び測温素子１６と、キャップ３２とを備える。キャップ３２は、半導体レーザ素子１４と光学的に結合されたレンズ３８を支持する支持部３２ｃを有する天井３２ｂと側壁３２ａとを有し、ステム３０に搭載されることで熱電変換素子１０、半導体レーザ素子１４及び測温素子１６を覆う。天井３２ｂは、支持部３２ｃよりも外に向けて窪む凹部３２ｅを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光モジュールに関する。

半導体レーザ素子を有する発光モジュールとして、例えば次の二つの形状が知られている。一つは、特許文献１に開示されているような、いわゆるバタフライ型発光モジュールである。他の一つは、特許文献２に開示されているような、いわゆる同軸型発光モジュールである。

特許文献１に記載されたバタフライ型発光モジュールは、バタフライ型のパッケージと、該パッケージ内に収容されたベースと、パッケージとベースとの間に配置された熱電変換素子と、ベースに搭載された半導体レーザ素子とを備える。このバタフライ型発光モジュールでは、ベースに搭載された半導体レーザ素子を熱遮蔽部材によって覆うことにより、パッケージから半導体レーザ素子に伝わる熱を低減している。

また、特許文献２に記載された同軸型発光モジュールは、熱電変換素子と、熱電変換素子上に設けられたヒートシンクと、ヒートシンクに搭載された半導体レーザ素子と、ヒートシンクに搭載された測温素子とを備える。この同軸型発光モジュールでは、ヒートシンクを介して熱電変換素子によって半導体レーザ素子の温度を制御している。
特開２００３−１４２７６７号公報 特開２００３−１４２７６６号公報

特許文献２に記載されたような同軸型発光モジュールは、バタフライ型発光モジュールよりも小型化が可能となっている。そのため、同軸型発光モジュールでは、サーミスタ等の測温素子とキャップとが近づいてしまい、バタフライ型発光モジュールと比較して測温素子がキャップ（発光モジュールの周囲）の熱の影響を受け易くなってしまう。測温素子では半導体レーザ素子の温度をモニタしているので、測温素子がキャップからの熱の影響を受けることで、半導体レーザ素子の温度を所望の温度に精度よく制御し難いという問題があった。

具体的には、キャップの温度（発光モジュールの周囲の温度）が上昇（又は低下）すると、Ｔ［℃］であった測温素子の温度は、キャップからの輻射熱やキャップ内に封止された気体を介した熱伝導によってΔ［℃］上昇（又はΔ［℃］低下）し、Ｔ＋Δ（又はＴ−Δ）［℃］となる。このとき、半導体レーザ素子の温度をＴ［℃］に設定しようとすると、温度上昇分Δ（又は温度低下分−Δ）［℃］だけ測温素子を冷却（又は加熱）するように熱電変換素子が制御される。従って、半導体レーザ素子の温度をＴ［℃］に設定しようとしていたにもかかわらず、半導体レーザ素子の温度がＴ−Δ［℃］に過冷却（又はＴ＋Δ［℃］に過加熱）されてしまい、半導体レーザ素子の発光波長が本来出力すべき波長から変動してしまう、いわゆる波長ドリフトが生じる。

この波長ドリフトは、特に、発光モジュールが高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Dense Wavelength Division Multiplexing）方式の光通信に用いられる場合に問題となる。ＤＷＤＭ方式の光通信では信号光の波長間隔が狭く設定されているために、発光波長の変動幅（波長ドリフト幅）を極めて小さくする必要がある。従来の発光モジュールでは、例えば半導体レーザ素子の発光波長を一定に制御するための回路を発光モジュールの外部に設けることによって波長ドリフト幅を小さく抑えていた。しかしながら、このようにすると発光モジュール周辺の回路の規模が大きくなってしまう。

また、同軸型発光モジュールは、キャップによってレンズを保持する構造となっているので、半導体レーザ素子とキャップとの間隔が極めて狭くなっている。そのため、同軸型発光モジュールにおいて、特許文献１に記載されたバタフライ型発光モジュールのように半導体レーザ素子を覆う熱遮蔽部材を設けることは現実的でない。

本発明は、同軸型発光モジュールにおいて、半導体レーザ素子の温度を精度よくモニタすることが可能な発光モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る発光モジュールは、ステムと、ステム上に設けられた熱電変換素子と、熱電変換素子上に設けられたヒートシンクと、ヒートシンクに搭載された半導体レーザ素子と、ヒートシンクに搭載された測温素子と、半導体レーザ素子と光学的に結合されたレンズを支持する支持部を有する天井と側壁とを有し、熱電変換素子、半導体レーザ素子及び測温素子をステム上において覆うキャップとを備え、天井は、支持部よりも外に向けて窪む凹部を有するものである。

本発明に係る発光モジュールでは、キャップの天井が支持部よりも外に向けて窪む凹部を有している。そのため、レンズを半導体レーザ素子に近接させつつ、測温素子とキャップの天井とを離間させることができるようになる。その結果、測温素子とキャップとが近づいていた従来の同軸型発光モジュールよりも測温素子がキャップからの熱の影響を受け難くなり、波長ドリフトの発生が抑制されるので、半導体レーザ素子の温度を精度よくモニタすることが可能となる。

また、凹部は、支持部から天井の外縁に向かうにつれて凹部の窪みが大きくなるように形成されていることが好ましい。このようにすると、凹部の窪みの大きさが一定である場合と比較して、レンズを半導体レーザ素子に近づけつつ測温素子とキャップの天井とをより離間させることができる。その結果、半導体レーザ素子の温度をより精度よくモニタすることが可能となる。

また、支持部の一端は、ステムに向けて突き出ていることが好ましい。このようにすると、支持部がステムに向けて突き出た量に応じて測温素子とキャップの天板とを更に離間させることができるようになる。その結果、半導体レーザ素子の温度を更に精度よくモニタすることが可能となる。

本発明によれば、半導体レーザ素子の温度を精度よくモニタすることが可能な発光モジュールを提供することができる。

本発明の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いる。

（第１実施形態）
図１及び図２を参照して、第１実施形態に係る発光モジュール１の構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る発光モジュールの一部を破断して示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた断面図である。

発光モジュール１は、いわゆる同軸型発光モジュールであり、また複数の熱電変換素子１０、ヒートシンク１２、半導体レーザ素子１４、測温素子１６、受光素子１８及びＣＡＮケース２０を備える。

熱電変換素子１０は、例えばペルチェ素子である。熱電変換素子１０は、供給電流の方向に応じて、下面が吸熱面又は放熱面の一方となり、上面が吸熱面又は放熱面の他方となる。熱電変換素子１０は、一対の板状体２２，２４の間に設けられている。熱電変換素子１０は、板状体２２を介してステム２８上に設けられている。これらの板状体２２，２４は、絶縁性材料（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３）によって構成されている。上側の板状体２４のサイズは下側の板状体２２のサイズよりも小さくなっている。そのため、受光素子１８が半導体レーザ素子１４の背面光（詳しくは後述する）を受光する際に妨げとならない。

ヒートシンク１２は、上側の板状体２４上に設けられている。ヒートシンク１２は、絶縁性材料（例えば、ＡｌＮ等のセラミックス）によって構成されているが、熱伝導性に優れた材質であると好ましい。ヒートシンク１２は、六面体（第１実施形態では略直方体）とされており、また上面、下面及び対向する一対の側面１２ａ，１２ｂを含む４つの側面を有する。

半導体レーザ素子１４は、例えばレーザダイオードである。半導体レーザ素子１４は、駆動電流に応じた強度のレーザ光を光出射端面１４ａ及び光反射端面１４ｂから出射する。半導体レーザ素子１４は、ヒートシンク１２の側面１２ａ上に設けられたキャリア２６を介して搭載されている。キャリア２６は、絶縁性材料（例えば、ＡｌＮ等のセラミックス）によって構成される。

測温素子１６は、例えばサーミスタである。測温素子１６は、その温度に応じて電気抵抗値が変化する。測温素子１６は、ヒートシンク１２の側面１２ｂ上に搭載され、半導体レーザ素子１４の温度をモニタする。

受光素子１８は、例えばフォトダイオードである。受光素子１８は、半導体レーザ素子１４の発光強度をモニタする。受光素子１８は、半導体レーザ素子１４の光反射端面１４ｂと光結合する受光面１８ａを有する。受光素子１８は、半導体レーザ素子１４の光反射端面１４ｂから出射されたレーザ光（背面光）を受光面１８ａによって受光し、その背面光の強度に応じた電流を出力する。受光素子１８は、キャリア２８上に位置している。キャリア２８における受光素子１８の搭載面は、受光素子１８から半導体レーザ素子１４への戻り光を低減するために、傾斜面となっている。なお、キャリア２８は、例えばＣｕＷ等の金属材料によって構成することができる。

受光素子１８は、−４０℃〜８５℃の環境に置かれている場合、半導体レーザ素子１４と比較して温度変化による影響が小さい。そのため、第１実施形態のように熱電変換素子１０を介さずに受光素子１８をキャリア２８上に設けることにより、熱電変換素子１０の吸熱又は放熱対象物を減らすことができる。

ＣＡＮケース２０は、ステム３０及びキャップ３２を有する。ステム３０は、所定の軸Ｘに対して垂直な平面に沿った主面３０ａを有している。ステム３２は、例えば略円形板状体である。ステム３０の主面３０ａ上には、板状体２２を介して熱電変換素子１０、ヒートシンク１２、半導体レーザ素子１４、測温素子１６及び受光素子１８の各部材が設けられている。

また、ステム３０には、リード端子群３４，３６が設けられている。リード端子群３４，３６の間には、熱電変換素子１０やヒートシンク１２等の各部材が位置している。各リード端子群３４，３６は、それぞれリード端子を複数本（第１実施形態では、４本）ずつ含んでいる。各リード端子は、ヒートシンク１２の側面１２ａと側面１２ｂとの対向方向に沿うように並んで配置されている。各リード端子は、ステム３０と交差する方向にステム３０を貫通して伸びる棒状の金属部材である。各リード端子は、熱電変換素子１０、半導体レーザ素子１４、測温素子１６及び受光素子１８のそれぞれとボンディングワイヤ等を介して電気的に接続される。

キャップ３２は、側壁３２ａと、天井３２ｂとを有している。キャップ３２は、ステム３０に搭載されており、また抵抗溶接によってステム３０に接合される。キャップ３２は、熱電変換素子１０、半導体レーザ素子１４、測温素子１６及び受光素子１８を覆っている。ステム３０とキャップ３２とによって形成される空間には、窒素や乾燥空気等の気体が封止されている。キャップ３２は、例えばステンレス（ＳＵＳ）によって構成することができる。側壁３２ａは、例えば円筒状となっている。

天井３２ｂは、レンズ３８を支持する支持部３２ｃを有している。レンズ３８、半導体レーザ素子１４、受光素子１８及びステム３０は、軸Ｘに沿ってこの順に配置されている。レンズ３８は、半導体レーザ素子１４と光学的に結合され、半導体レーザ素子１４からのレーザ光を集光する。この集光された光は、光ファイバの一端に導かれる。レンズ３８は、第１実施形態において非球面レンズとなっている。

また、天井３２ｂは、支持部３２ｃよりも外に向けて窪んだ凹部３２ｅを有している。凹部３２ｅは、支持部３２ｃを取り囲む円環状となっており、支持部３２ｃから天井３２ｂの外縁まで延在している。測温素子１６と凹部３２ｅとは対向している。第１実施形態において、基準面Ｓと凹部３２ｅの内面との距離は、場所によらず一定の長さとなっている。

以上のように、第１実施形態に係る発光モジュール１においては、キャップ３２の天井３２ｂが支持部３２ｃよりも外に向けて窪む凹部３２ｅを有し、また、測温素子１６は、凹部３２ｅと対向するように配置されている。そのため、レンズ３８を半導体レーザ素子１４に近接させても、測温素子１６を天井３０ｂから離間させることができる。測温素子とキャップとが近づいていた従来の同軸型発光モジュールよりも測温素子１６がキャップ３０（発光モジュール１の周囲）の熱の影響を受け難くなり、波長ドリフトの発生が抑制される。

また、第１実施形態に係る発光モジュール１においては、ヒートシンク１２が各リード端子と隣り合っているため、測温素子１６とリード端子とをボンディングワイヤによってワイヤリングする場合に、ボンディングワイヤの長さを短いものとすることができる。また、測温素子１６がヒートシンク１２の上面に搭載されていないので、レンズ３８を半導体レーザ素子１４により近接させることができる。

ところで、発光モジュールでは、半導体レーザ素子を駆動する際に、測温素子からの温度信号値が設定温度に応じた値に近づくように熱電変換素子への電流量及び電流の向きを制御する。例えば、半導体レーザ素子の温度を４０℃に設定しようとした場合、４０℃に相当する基準信号値と測温素子からの温度信号値との差に基づく制御電流を熱電変換素子へ送ることにより、帰還ループが構成されて、測温素子からの温度信号値が４０℃に相当する基準信号値に保たれる。

ここで、発光モジュールの周囲温度が例えば７５℃に上昇すると、これに伴ってキャップの温度が上昇する。そのため、測温素子の温度は、キャップからの輻射熱やキャップ内に封止された気体を介した熱伝導によりα［℃］上昇し、４０＋α［℃］となる。そうすると、測温素子からの温度信号値が４０℃に保たれるように熱電変換素子が制御され、半導体レーザ素子が４０−α［℃］に過冷却されることとなる。これにより、半導体レーザ素子の発光波長は本来出力すべき波長よりもＡ×α［ｎｍ］（Ａ［ｎｍ／℃］：温度変化と波長変動との相関係数）だけ短くなり、波長ドリフトが生じる。一方、発光モジュールの周囲温度が下降した場合には、上記とは逆に測温素子の温度がβ［℃］低下し、測温素子の温度が４０−β［℃］となる。従って、半導体レーザ素子が４０＋β［℃］に過熱されることとなる。これにより、半導体レーザ素子の発光波長は本来出力すべき波長よりもＡ×β［ｎｍ］だけ長くなり、波長ドリフトが生じる。

この波長ドリフトは、一般的にバタフライ型発光モジュールよりも同軸型発光モジュールの方が大きい。これは、特許文献１に記載されたようなバタフライ型発光モジュールでは測温素子とパッケージとの距離が３ｍｍ程度あるのに対して、従来の同軸型発光モジュールでは測温素子とキャップとの距離が０．２ｍｍ程度と極めて短いことに起因する。半導体レーザ素子の温度を精度よくモニタするためには測温素子が半導体レーザ素子の近傍に配置されていることが必要であり、また、光ファイバと半導体レーザ素子との間の十分な光結合効率を確保するためにはレンズと半導体レーザ素子とを焦点距離まで近づける必要があるが、同軸型発光モジュールでは半導体レーザ素子等を覆うキャップにレンズが搭載されていることにより必然的に半導体レーザ素子とキャップとが近づいてしまい、同軸型発光モジュールにおいては結果として測温素子とキャップとが近づいてしまう。

ここで、第１実施形態に係る発光モジュール１のように測温素子１６とキャップ３２の天井３２ｂとを離間させることによって、上記したような波長ドリフトが抑制され、半導体レーザ素子１４の温度を精度よくモニタできることを確認するための実験を行った。実験としては、ステム３０とキャップ３２との間にリング状の部材を介在させることで測温素子１６とキャップ３０の天井３０ｂとの距離Ｌ（図２参照）を０．２２ｍｍ、０．３６ｍｍ、０．４７ｍｍにそれぞれ変化させて、そのときの波長ドリフトをそれぞれ計測した。実験の際には、半導体レーザ素子１４の駆動電流値を４０ｍＡとし、キャップ３２の温度（発光モジュール１の周囲の温度）を７５℃とすると共に、測温素子１６からの温度信号値が４０℃を示す値に保たれるように熱電変換素子１０を制御した。

実験の結果、図３に示されるように、測温素子１６とキャップ３０の天井３０ｂとの距離Ｌが長くなるにつれて波長ドリフトが−１００ｐｍ、−１７ｐｍ、２７ｐｍと大きくなっていき、また距離Ｌを０．２２ｍｍから０．３６ｍｍと変化させたときの上昇率よりも距離Ｌを０．３６ｍｍから０．４７ｍｍと変化させたときの上昇率の方が小さくなった。そのため、この実験では、キャップ３２（発光モジュール１の周囲）以外からの熱による波長ドリフトが存在したために距離Ｌが長くなったときに波長ドリフトが０ｐｍを超えるものとなったものの、測温素子１６とキャップ３２の天井３２ｂとを離間させることで波長ドリフトの変化率が小さくなったことによりキャップ３２（発光モジュール１の周囲）からの熱による波長ドリフトが低減されたことが実験によって確認された。これは、測温素子１６とキャップ３２の天井３２ｂとを離間させることで、測温素子１６がキャップ３２（発光モジュール１の周囲）からの熱の影響を受け難くなったためである。従って、測温素子１６によって半導体レーザ素子１４の温度を精度よくモニタすることができることが確認された。

（第２実施形態）
続いて、図４及び図５を参照して、第２実施形態に係る発光モジュール２の構成について説明する。図４は、第２実施形態に係る発光モジュールの一部を破断して示す斜視図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿ってとられた断面図である。以下では、第１実施形態に係る発光モジュール１との相違点を中心に説明する。

ＣＡＮケース２０は、ステム３０及びキャップ４２を有する。キャップ４２は、側壁４２ａと、天井４２ｂとを有する。

天井４２ｂは、レンズ３８を支持する支持部４２ｃを有している。図５に示されるように、第２実施形態において、支持部４２ｃの一端は、軸Ｘ方向にステム３０に向けて突き出ている。

また、天井４２ｂは、支持部４２ｃよりも外に向けて窪む凹部４２ｅを有している。図５に示されるように、第２実施形態において、凹部４２ｅは、支持部４２ｃから天井４２ｂの外縁に向かうにつれて凹部４２ｅの窪みが大きくなるように形成されている。この凹部４２ｅは、支持部４２ｃを取り囲む円環状となっており、支持部４２ｃから天井４２ｂの外縁まで延在している。このような形態を有するキャップ４２は、プレス加工することによって安価に製造することができる。

以上のように、第２実施形態に係る発光モジュール２では、第１実施形態に係る発光モジュール１と同様の作用効果を奏する。

また、第２実施形態に係る発光モジュール２では、凹部４２ｅの窪みの大きさが一定である場合と比較して、レンズ３８を半導体レーザ素子１４に近づけても測温素子１６とキャップ４２の天井４２ｂとを十分に離間させることができる。これにより、測温素子１６がキャップ４２からの熱の影響を受け難くなる。

（第３実施形態）
続いて、図６及び図７を参照して、第３実施形態に係る発光モジュール３の構成について説明する。図６は、第３実施形態に係る発光モジュールの一部を破断して示す斜視図である。図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿ってとられた断面図である。以下では、第１実施形態に係る発光モジュール１との相違点を中心に説明する。

ＣＡＮケース２０は、ステム３０及びキャップ５２を有する。キャップ５２は、側壁５２ａと、天井５２ｂとを有する。

天井５２ｂは、レンズ３８を支持する支持部５２ｃを有している。また、天井５２ｂは、支持部５２ｂよりも外に向けて窪むと共に天井５２ｂから外に向けて突出している凹部５２ｅをその一部に有している。この凹部５２ｅは、測温素子１６上に位置している。なお、このような形態を有するキャップ５２はプレス加工することによって安価に製造することができ、製造コストの低減を図ることができる。

以上のように、第３実施形態に係る発光モジュール３では、第１実施形態に係る発光モジュール１と同様の作用効果を奏する。

ところで、従来は、発光モジュールの方向を判別するためにキャップの側壁等に突起や溝を形成していが、近年の発光モジュールやその周辺機器の小型化に伴い、突起や溝を形成するための余裕がなくなってきている。しかしながら、第３実施形態に係る発光モジュール３では、天井５２ｂがその一部に凹部５２ｄを有し、その凹部５２ｄの外面が外に向けて突出しているので、測温素子１６とキャップ５２の天井５２ｂとを離間させるための凹部５２ｅによって発光モジュール３の方向を判別することが可能となっている。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、第１及び第３実施形態に係る発光モジュール１，３において、支持部３２ｃ、５２ｃが軸Ｘ方向に向けて伸びており、支持部３２ｃ、５２ｃの下端３２ｄ，５２ｄが基準面Ｓとステム３０との間に位置しているものであってもよい。

また、第２実施形態に係る発光モジュール２において、支持部４２ｃが軸Ｘ方向に向けて伸びたものでなくてもよい。

また、レンズ３８としては、非球面レンズ、球面レンズのどちらも用いることができる。

第１実施形態に係る発光モジュールの一部を破断して示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた断面図である。 測温素子とキャップの天井との距離と、波長ドリフトとの対応関係を示す図である。 第２実施形態に係る発光モジュールの一部を破断して示す斜視図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿ってとられた断面図である。 第３実施形態に係る発光モジュールの一部を破断して示す斜視図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿ってとられた断面図である。

符号の説明

１，２．３…発光モジュール、１０…熱電変換素子、１２…ヒートシンク、１４…半導体レーザ素子、１６…測温素子、３０…ステム、３２，４２，５２…キャップ、３２ａ，４２ａ，５２ａ…側壁、３２ｂ，４２ｂ，５２ｂ…天井、３２ｃ，４２ｃ，５２ｃ…支持部、３２ｅ，４２ｅ，５２ｅ…凹部、３４，３６…リード端子群、３８…レンズ、Ｘ…軸。

Claims (3)

1. ステムと、
   前記ステム上に設けられた熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子上に設けられたヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに搭載された半導体レーザ素子と、
   前記ヒートシンクに搭載された測温素子と、
   前記半導体レーザ素子と光学的に結合されたレンズを支持する支持部を有する天井と側壁とを有し、前記熱電変換素子、前記半導体レーザ素子及び前記測温素子を前記ステム上において覆うキャップとを備え、
   前記天井は、前記支持部よりも外に向けて窪む凹部を有する発光モジュール。
2. 前記凹部は、前記支持部から前記天井の外縁に向かうにつれて前記凹部の窪みが大きくなるように形成されている請求項１に記載された発光モジュール。
3. 前記支持部の一端は、前記ステムに向けて突き出ている請求項１又は２に記載された発光モジュール。
   

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