JP2008022039A - 半導体発光素子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高出力動作時においても放熱を十分に行うことができる。
【解決手段】プリント基板３０の表面に設けられた直線の傾斜面を有する凹部の表面に金属面が形成されて成る反射構造体３１中に、半導体レーザ２１を実装する。その際に、少なくとも反射構造体３１より大きな面積の金属面３２をプリント基板３０の表面上に形成し、反射構造体３１の金属面を金属面３２に接続させる。こうすることによって、放熱性の促進を図ることができる。
【選択図】図４

Description

この発明は、半導体レーザと基板とを含む半導体発光素子モジュールに関する。

図１７は、従来の半導体発光素子駆動装置の一例を示す回路図を示す。尚、図１７においては、半導体発光素子として半導体レーザを用いている。この半導体レーザ駆動装置は、トランジスタ１と、トランジスタ１のエミッタとグランドとの間に接続された抵抗２と、トランジスタ１のコレクタと電圧源４との間に介設された半導体レーザ３と、トランジスタ１のベースに入力信号を与える入力信号発生部５で構成されている。

上記トランジスタ１のベース電圧は、入力信号発生部５からの直流成分と交流の入力信号成分とが加えられた電圧となる。これによって、ベース電流も同様に直流成分と交流の入力信号成分の和となる。そうすると、半導体レーザ３に流れる電流は、トランジスタ１の増幅作用によってコレクタの直流成分と交流成分との和となる。

また、特開平１１‐３０７８５０号公報(特許文献１)に開示されているような半導体レーザ駆動装置が提案されている。この半導体レーザ駆動装置では、図１８に示すように、トランジスタ６のエミッタとグランドの間に抵抗７を接続し、トランジスタ６のコレクタと電圧源８との間に半導体レーザ９を接続し、トランジスタ６のベースには、抵抗７のトランジスタ６側の電圧ＶＲと入力信号発生部１１で発生された入力信号の電圧とをオペアンプ１０によって比較して、その差に応じた出力を抵抗１２を介して供給するようにしている。

さらに、上記トランジスタ６のコレクタ側には、半導体レーザ９に過大な電流が流れないように、あるいは、半導体レーザ９ヘの電流を遮断するように、半導体レーザ９と並列にバイパス回路１３を接続している。したがって、バイパス回路１３をダイオードで構成した場合には、このダイオードの順方向電圧以上に過大な電圧信号が半導体レーザ９には印加されないことになる。また、バイパス回路１３をトランジスタで構成した場合には、このトランジスタのコレクタ‐エミッタ間電圧がこのトランジスタと並列に接続された半導体レーザ９の動作電圧よりも低いため、トランジスタがオンすると電流の殆どはバイパス回路１３に流れて半導体レーザ９ヘは流れないことになる。

しかしながら、上記従来の半導体発光素子駆動装置には、以下のような問題がある。すなわち、図１７に示す半導体レーザ駆動装置においては、何らかの原因によって入力信号発生部５からの信号電圧に変動があった場合には、トランジスタ１によってベース電流の変動分ΔＩ_Bが直流電流増幅率ｈ_FE分だけ増幅されるため、ｈ_FE×ΔＩ_Bだけ増大した過大な電流が半導体レーザ３に流れることになる。その結果、半導体レーザ３にダメージまたは破損が生じることになる。さらに、半導体レーザ３から過大な光が放射されると、目に損傷を与えてしまう可能性がある。

また、図１８に示す半導体レーザ駆動装置の場合には、バイパス回路１３をトランジスタで構成した場合には半導体レーザ９に電流が流れないため、半導体レーザ９ヘの電流が停止されて入力信号発生部１１からの信号電流が有する情報が遮断されてしまうという問題がある。さらに、図１８に示す半導体レーザ駆動装置においては、抵抗７のトランジスタ６側の電圧ＶＲと入力信号発生部１１で発生された入力信号の電圧との差に応じた電圧信号がトランジスタ６のベースに供給するために瞬時の過大電流には対応できない。したがって、その場合には、半導体レーザ９に過大な電流が瞬時に流れることになり、半導体レーザ９が破損したり、人に害を及ぼす可能性がある。

さらに、図１７および図１８に示す半導体レーザ駆動装置においては、通常の注入電流レベルにおいても半導体レーザ３,９の発熱量は、駆動装置全体の発熱量の多くを占めるため、放熱を促進させる必要がある。上述したように、半導体レーザ３,９は、トランジスタ１,６に対してグランド側ではなく電圧源４,８側に接続されている。そして、通常、配線パターンの面積は電圧源４,８側よりもグランド側が大きくなっている。したがって、特に高出力で半導体レーザ３,９を駆動する場合は、熱飽和や特性劣化を引き起こす可能性がある。

また、上記両半導体レーザ駆動装置においては、半導体レーザ３,９を駆動している場合に、入力信号発生部５,１１からの注入電流の下限を設定することはできない。したがって、発振閾値以下の電流でも流れることが可能であり、その場合には応答速度が遅くなるという問題もある。
特開平１１‐３０７８５０号公報

そこで、この発明の課題は、高出力動作時においても放熱を十分に行うことができる半導体発光素子モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の半導体発光素子モジュールは、
半導体レーザと基板とを含み、
上記半導体レーザは、上記基板に配置されて上記半導体レーザからのレーザ光を反射させる反射構造物内に搭載されており、
上記反射構造物は、上記基板上に形成された金属面に直接導通させて設けられている
ことを特徴としている。

上記構成によれば、半導体レーザが、基板上に形成された金属面に直接導通させて設けられた反射構造物内に搭載されている。したがって、広い面積を有する上記金属面によって上記半導体レーザの放熱性が促進される。

また、１実施の形態の半導体発光素子モジュールでは、
上記反射構造物は、金属で構成されると共に、上記基板の裏面に形成された金属面に接触するように上記基板内に埋め込まれている。

この実施例によれば、上記半導体レーザは、金属で構成された反射構造物内に搭載されている。したがって、上記金属面による放熱性の促進に加えて、上記反射構造物によっても放熱性が促進される。その際に、上記反射構造物は基板内に埋め込まれているので装置の高さが抑えられる。

また、１実施の形態の半導体発光素子モジュールでは、
上記反射構造物は、金属で構成されると共に、上記基板の表面に形成された金属面上にこの金属面に接触して配置されている。

この実施例によれば、上記半導体レーザは、金属で構成された反射構造物内に搭載されている。したがって、上記金属面による放熱性の促進に加えて、上記反射構造物によっても放熱性が促進される。その際に、上記反射構造物の容積を変えて熱容量を大きくして、より放熱性を促進することが可能になる。

以上より明らかなように、この発明の半導体発光素子モジュールは、半導体レーザと基板とを含み、上記半導体レーザを、上記基板に配置された反射構造物内に搭載し、上記反射構造物を、上記基板上に形成された金属面に直接導通させて設けたので、広い面積を有する上記金属面によって上記半導体レーザの放熱性を促進することができる。

また、１実施の形態の半導体発光素子モジュールは、上記反射構造物を、金属で構成すると共に、上記基板の裏面に形成された金属面に接触させて上記基板内に埋め込んだので、上記金属面による上記半導体レーザの放熱性の促進に加えて、上記反射構造物によっても放熱性を促進できる。さらに、上記反射構造物を基板内に埋め込んでいるので、装置の高さを抑えることができる。

また、１実施の形態の半導体発光素子モジュールは、上記反射構造物を、金属で構成すると共に、上記基板の表面に形成された金属面上にこの金属面に接触させて配置したので、上記金属面による上記半導体レーザの放熱性の促進に加えて、上記反射構造物によっても放熱性を促進できる。さらに、上記反射構造物の容積を変えて熱容量を大きくすることによって、より放熱性を促進することができる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本実施の形態の半導体発光素子モジュールの駆動装置における回路図である。尚、図１においては、半導体発光素子として半導体レーザ２１を用いている。すなわち、半導体レーザ２１を、トランジスタ２２のエミッタ側に接続している。さらに、リミッタ回路２３を、トランジスタ２２のエミッタ側(つまり、本半導体レーザ駆動回路の出力側)に、半導体レーザ２１と並列に接続している。そして、半導体レーザ２１のカソードが、リミッタ回路２３を介してまたは直接接地されている。また、トランジスタ２２のコレクタにはトランジスタ駆動用電圧源(以下、単に電圧源という)２４が接続されており、ベースには入力信号発生部２５によって伝達信号に応じて変調された入力信号が供給される。

上記構成の半導体レーザ駆動装置によれば、本半導体レーザ駆動装置が動作状態においてトランジスタ２２のベースに過大な信号電流が入力された場合に、トランジスタ２２の増幅作用によって半導体レーザ２１にも過大な電流が流れることになる。ところが、半導体レーザ２１と並列にリミッタ回路２３が接続されているため、このリミッタ回路２３によって半導体レーザ２１に流れる電流が制限されるのである。

その結果、上記半導体レーザ２１の破損や目に損傷を与えるような過剰な光の放射を防止することができる。また、リミッタ回路２３が動作している際にも半導体レーザ２１には電流が流れるため、入力信号発生部２５からの入力信号が有する情報の光出力が遮断されることはない。さらに、半導体レーザ２１は、トランジスタ２２のエミッタ側に接続されている。したがって、半導体レーザ２１に入力される信号の反転を回避できるのである。尚、半導体レーザ２１は、チップタイプおよびカンタイプの何れであっても構わない。

(第１実施例)
図２は、本実施の形態における第１実施例を示す。本実施例においては、リミッタ回路２３を、ツェナーダイオード２６で構成している。このツェナーダイオード２６は、トランジスタ２２のエミッタとグランドとの間に、半導体レーザ２１と抵抗２７との直列回路と並列になるように接続されている。但し、ツェナーダイオード２６のカソードがトランジスタ２２のエミッタ側であり、アノードがグランド側である。尚、半導体レーザ２１は、そのカソードがグランド側になっている。また、トランジスタ２２のコレクタと電圧源２４との間には抵抗２８を介設し、トランジスタ２２のベースと入力信号発生部２５との間には抵抗２９を介設している。

尚、上記ツェナーダイオード２６の代わりに、バリスタ,ガスチューブアレスタ,半導体アレスタおよびシリコンサージ防護素子の何れかを用いても差し支えない。

本実施例の半導体レーザ駆動装置においては、上記ツェナーダイオード２６は逆方向電圧の変化に拘らず一定値のツェナー電圧Ｖ_ZDを発生する。したがって、トランジスタ２２のベースに過大な電圧の入力信号が入力されてもエミッタ側に過大な電位を発生することはない。そのために、トランジスタ２２のエミッタ側に接続された半導体レーザ２１に流れる電流の上限を制御することができるのである。

本実施例における半導体レーザ２１の端子間電圧の計算例を図３に示す。ここで、図３(a)はツェナーダイオード２６が有る場合であり、図３(b)はツェナーダイオード２６が無い場合である。尚、抵抗２８の抵抗値をＲ1とし、抵抗２９の抵抗値をＲ2とし、抵抗２７の抵抗値をＲ3とした場合、各条件は、Ｒ1＝Ｒ2＝１０Ω、Ｒ3＝２００Ω、Ｖ_ZD＝３.０Ｖ、入力信号のバイアス電圧＝２.５Ｖ、入力信号の振幅＝５Ｖである。ツェナーダイオード２６が無い場合には、半導体レーザ２１の端子間電圧の最大値は約４.２Ｖとなる。ところが、ツェナーダイオード２６が有る場合には、半導体レーザ２１の端子間電圧の波形における上部が制限されて最大値が約３.１Ｖに抑えられていることが判る。

ところで、本実施例の半導体レーザ駆動装置を、図４の断面図に示すように、金属面にカソードが接続されて金属面上にマウントされたチップタイプの半導体レーザ２１をプリント基板上に搭載して実現する場合には、半導体レーザ２１を高出力で動作させる際に、上記金属面がステムよりも放熱性が良いために、電圧源２４側およびグランド側の何れに半導体レーザ２１を接続しても熱を効率よく放散させることができる。

その場合、図４(a)に示すように、プリント基板３０の表面に設けられた直線の傾斜面を有する凹部の表面に金属面が形成されて成る反射構造体３１中に半導体レーザ２１を実装する際に、少なくとも反射構造体３１より大きな面積の金属面３２をプリント基板３０の表面上に形成し、反射構造体３１の金属面を金属面３２に接続させることによって放熱性を促進することができるのである。

また、図４(b)に示すように、プリント基板３３の裏面上に金属面３４を形成し、プリント基板３３の表面に上記金属面３４を露出させて反射構造体３５を設ける。そして、反射構造体３５の底である金属面３４上に半導体レーザ２１を実装してもよい。この場合には、プリント基板３３の表面では確保できないような広い金属面３４に半導体レーザ２１を接続させることができるため放熱により有利である。

また、図４(c)に示すように、プリント基板３６の表面上に金属面３７を形成し、この金属面３７上に金属製の反射構造体３８を搭載し、この反射構造体３８中に半導体レーザ２１を実装してもよい。この場合には、反射構造体３８自体が放熱を促進させる効果があるという利点と、反射構造体３８の深さを熱容量が大きくなるように深く調節できるという利点とがある。

また、図４(d)に示すように、プリント基板３９の裏面上に金属面４０を形成し、プリント基板３９に金属製の反射構造体４１を埋め込んで底面を金属面４０に接触させる。そして、上記反射構造体４１中に半導体レーザ２１を実装してもよい。この場合には、反射構造体４１と金属面４０との双方で放熱が促進される利点と、反射構造体４１がプリント基板３９に埋め込まれているので、モジュール化の際に高さ制限がある場合に有利である。尚、図４(a)〜図４(d)に示す半導体レーザ２１の実装方法は、本実施例に限らず以下の各実施例および各実施の形態に適用しても差し支えない。

(第２実施例)
図５は、本実施の形態における第２実施例を示す。本実施例においては、リミッタ回路２３を、１個あるいは複数個のダイオード４２で構成している。このダイオード４２は、トランジスタ２２のエミッタとグランドとの間に、半導体レーザ２１と抵抗４３との直列回路と並列になるように接続されている。但し、ダイオード４２のカソードがグランド側であり、アノードがトランジスタ２２のエミッタ側である。尚、半導体レーザ２１は、そのカソードがグランド側になっている。

本実施例の半導体レーザ駆動装置においては、上記入力信号発生部２５からの入力信号の電圧が、ダイオード４２の順方向電圧の和Ｖ_Dとトランジスタ２２のベース‐エミッタ間電圧Ｖ_BEとの和以下である場合には、ダイオード４２は非導通状態である。したがって、半導体レーザ２１と抵抗４３との直列回路側に上記入力信号の電圧に応じた電流が流れることになる。ところが、上記入力信号の電圧が、ダイオード４２の順方向電圧の和Ｖ_Dとトランジスタ２２のベース‐エミッタ間電圧Ｖ_BEとの和よりも高くなると、ダイオード４２は導通状態となる。したがって、半導体レーザ２１と抵抗４３との直列回路には一定電圧Ｖ_Dが印加されることになる。以上のことから、上記入力信号の上限の電圧を制御することができるのである。また、上記入力信号の電圧が負の場合には、トランジスタ２２のカットオフ動作によって、半導体レーザ２１への電流の下限が「０」Ａとなる。

この第２実施例においては、上記ダイオード４２を複数個とした場合には、上記第１実施例の場合のように１個のツェナーダイオード２６を用いる方が価格的に有利である。しかしながら、ダイオード４２を複数個のダイオードで実現することによって、所望のリミット電圧に微調整することができるという利点を有するのである。

尚、本実施例においては、上記ダイオード４２を半導体レーザ２１と抵抗４３との直列回路と並列に接続して、並列ダイオードクリッパを構成している。しかしながら、ダイオードを半導体レーザ２１の前段に直列に接続して直列ダイオードクリッパを構成しても構わない。また、上記並列ダイオードクリッパあるいは直列ダイオードクリッパと定電圧発生回路とを併用してリミッタ回路２３を構成しても差し支えない。図６は、リミッタ回路２３を、直列ダイオードクリッパと定電圧発生回路(３端子レギュレータ)とで構成した場合の一例を示す回路図である。この場合には、トランジスタ２２のエミッタ電圧がダイオードと半導体レーザ２１との接続点の定電圧から上記ダイオードの順方向電圧を引いた電圧以上になると上記ダイオードが導通し、半導体レーザ２１への供給電圧が上記３端子レギュレータによる設定電圧に制限されるのである。

(第３実施例)
図７は、本実施の形態における第３実施例を示す。本実施例においては、リミッタ回路２３を、トランジスタ２２のエミッタと半導体レーザ２１のアノードとの間に、トランジスタ２２側から抵抗４４とダイオード４５とをこの順に直列に介設し、ダイオード４５のアノードとグランドとの間にダイオード４８とコンデンサ４６および抵抗４７の並列回路とを直列に介設し、ダイオード４５のカソードとグランドとの間に抵抗５１とコンデンサ４９および抵抗５０の並列回路とを直列に介設して構成している。そして、リミッタ回路２３は、半導体レーザ２１と抵抗５２との直列回路と並列になるように接続されている。尚、半導体レーザ２１は、そのカソードがグランド側になっている。

また、上記トランジスタ２２のエミッタとグランドとの間には抵抗５３を介設し、トランジスタ２２のベースと入力信号発生部２５との間には抵抗５４を介設している。

本実施例の半導体レーザ駆動装置では、上記コンデンサ４６(容量値Ｃ11)と抵抗４７(抵抗値Ｒ11)との時定数を上記入力信号の平均的な繰り返し周期よりも十分に大きく選ぶことによって、コンデンサ４６に発生するバイアス電圧Ｖ_C11は略一定となるために、抵抗４７を流れる電流はＶ_C11/Ｒ11の一定値をとる。さらに、ダイオード４８が非導通状態の時間Δt1に、コンデンサ４６から放電される電荷はＶ_C11×Δt1/Ｒ11である。また、ダイオード４８が導通状態のΔt2の時間に、コンデンサ４６に充電される電荷は、ダイオード４８の順方向電圧をＶ_D11とすると

で与えられる。但し、ｖiはリミッタ回路２３への入力信号の電圧であり、Ｒ12は抵抗４４の抵抗値である。以上より、上記コンデンサ４６に充電される電荷とコンデンサ４６から放電される電荷とが等しいとすることによって、コンデンサ４６に発生するバイアス電圧Ｖ_C11が

と求められる。

また、上記コンデンサ４９(容量値Ｃ12)に発生するバイアス電圧Ｖ_C12が、上記ダイオード４５(順方向電圧をＶ_D12),抵抗５１(抵抗値Ｒ13),抵抗５０(抵抗値Ｒ14)およびコンデンサ４９に関して同様にして、

と求められる。

以上のことから、上記ダイオード４８,コンデンサ４６および抵抗４７で構成される回路(並列ダイオードクリッパ)によって、半導体レーザ２１に対する入力信号の上限電圧が制御される。また、ダイオード４５,抵抗５１,コンデンサ４９および抵抗５０で構成される回路(直列ダイオードクリッパ)によって、半導体レーザ２１に対する入力信号の下限電圧が制御される。したがって、上記構成を有するリミッタ回路２３によって、半導体レーザ２１と抵抗５２との直列回路に印加される電圧が、Ｖ_C12(Ｖ)〜「Ｖ_C12＋０.７」(Ｖ)にクリップされるのである。

このように、本実施例の半導体レーザ駆動装置によれば、定電圧発生回路として、抵抗４７,５０とコンデンサ４６,４９との並列回路を用いている。したがって、３端子レギュレータ等を用いることなくバイアス電圧を自動的に設定することができる。さらに、上記定電圧発生回路として３端子レギュレータを用いた場合に比して、半導体レーザ駆動装置を、より安価に且つ小型に構成できるのである。

(第４実施例)
図８は、本実施の形態における第４実施例を示す。本実施例においては、リミッタ回路２３を、上記第３実施例におけるリミッタ回路２３の構成において、定電流ダイオード５５をコンデンサ４６に直列に接続し、定電流ダイオード５６をコンデンサ４９に直列に接続して構成している。

図９は、上記定電流ダイオードの電圧Ｖ‐電流Ｉ特性を示す。図９から判るように、上記定電流ダイオードは、ブレークダウン電圧ＶＢ以下の領域で使用し、特に素子の劣化や破壊を避けるため動作限界電圧ＰＯＶ以下で使用することによって、一定電流ＩＰが得られるような特徴を有している。

したがって、本実施例における半導体レーザ駆動装置は、上記第３実施例における半導体レーザ駆動装置の場合と同様の効果を奏することができるに加えて、入力信号発生部２５からの入力信号の電圧が変動している場合においても、定電流ダイオード５５,５６を通過した後の電流は一定となってコンデンサ４６,４９に流れ込むことになり、上記第３実施例よりも小さな時定数を有するコンデンサおよび抵抗を用いることができる。したがって、本実施例によれば、小容量のコンデンサに一定電圧を発生させることができ、コンデンサ部のＩＣ化が可能となってモジュールの小型化を図ることができるのである。

以上のごとく、本実施の形態によれば、伝達される信号に応じて変調された入力信号を入力信号発生部２５によって生成し、この生成された入力信号を増幅するトランジスタ２２のエミッタとグランドとの間に、半導体発光素子としての半導体レーザ２１を介設している。そして、半導体レーザ２１と並列にリミッタ回路２３を接続して、半導体レーザ２１に印加される入力信号電圧の上限値あるいは下限値を制限するようにしている。したがって、過大な信号電流がトランジスタ２２に供給された場合でも、リミッタ回路２３によって半導体レーザ２１に過大電流が流れることを防止でき、半導体レーザ２１の破損やダメージ、目に損傷を与える程の光量の放射を防止することができるのである。

また、上記入力信号発生部２５からの入力信号の過剰電圧分はリミッタ回路２３を通過できないようにしている。そのため、半導体レーザ２１には全く過大電流が流れることはなく、瞬時の過大電流に対しても半導体レーザ２１を保護することができるのである。その際に、図１８に示すバイパス回路１３を用いる場合とは異なり、リミッタ回路２３が動作している際にも半導体レーザ２１には電流が流れる。したがって、上記入力信号が有する情報の光出力が遮断されることは無い。

また、本実施の形態においては、配線パターン面積が電圧源２４側よりも大きいグランド側に半導体レーザ２１を接続している。したがって、半導体レーザ２１が、高出力での駆動が発熱的に不利であるカンパッケージタイプの半導体レーザであっても放熱を促進することができ、高出力駆動が可能になる。尚、半導体レーザ２１がチップタイプの半導体レーザである場合には、放熱を促進する金属面に実装することによって、電圧源２４側あるいはグランド側の何れに接続されても熱を効率よく放散することができる。したがって、半導体レーザ２１の熱飽和や特性劣化を抑制することができる。さらに、放熱が良いので、半導体レーザ２１の閾電流値の変動も少なくすることができる。

また、上記半導体レーザ２１とは直列に抵抗を接続せずに、この半導体レーザ２１のカソードが図４に示すような反射構造体３１,３５,３８,４１とは別の広い金属面３２,３４,３７,４０と電気的に接続されている場合には、放熱に有効であると同時に、部品点数を減少できるという利点がある。さらに、深さに制約がない窪みを有する反射構造体３８の底に半導体レーザ２１を配置している場合には、反射構造体３８の深さをより深くすることによって熱容量を大きくでき、放熱に有利となる。また、図４(a),図４(b),図４(d)に示すように反射構造体３１,３５,４１をプリント基板３０,３３,３９に埋め込むことができれば、モジュールの高さ制限がある場合に有利である。

また、上記リミッタ回路２３を、図２に示すように、逆方向電圧の変化に拘らず一定値のツェナー電圧Ｖ_ZDを発生するツェナーダイオード２６で構成することによって、半導体レーザ２１に掛る信号電圧の上限を、極簡単な構成で設定することができる。

また、上記リミッタ回路２３を、図５に示すように、１個あるいは複数個のダイオード４２で構成することによって、入力信号発生部２５からの入力信号の電圧がダイオード４２の順方向電圧の和Ｖ_Dとトランジスタ２２のベース‐エミッタ間電圧Ｖ_BEとの和よりも高くなると、ダイオード４２は導通状態となって半導体レーザ２１と抵抗４３との直列回路には一定電圧Ｖ_Dが印加される。したがって、複数個のダイオード４２を用いた場合には、半導体レーザ２１に掛る信号電圧の上限を複数段に設定することができる。

また、上記リミッタ回路２３を、図７に示すように、ダイオード４８とコンデンサ４６および抵抗４７の並列回路で成る定電圧発生回路とによる並列ダイオードクリッパと、ダイオード４５と抵抗５１とコンデンサ４９および抵抗５０の並列回路で成る定電圧発生回路とによる直列ダイオードクリッパとを、並列に接続して構成することによって、上記並列ダイオードクリッパによって信号電圧の上限を制御できる一方、上記直列ダイオードクリッパによって信号電圧の下限を制御できるのである。

また、上記リミッタ回路２３を、図８に示すように、上記直列ダイオードクリッパにおける定電圧発生回路中に定電流ダイオード５５をコンデンサ４６と直列に接続し、上記直列ダイオードクリッパおける定電圧発生回路中に定電流ダイオード５６をコンデンサ４９と直列に接続して構成することによって、用いるコンデンサの時定数を小さくしてコンデンサ部のＩＣ化を可能にできる。

＜第２実施形態＞
図１０は、本実施の形態の半導体発光素子モジュールの駆動装置における回路図である。図１０において、半導体発光素子として半導体レーザ６１を用いている。そして、リミッタ回路６３を、トランジスタ６２のエミッタと電圧源６４とグランドとに接続すると共に、半導体レーザ６１に並列に接続して設けている。尚、半導体レーザ６１のカソードがグランド側である。また、トランジスタ６２のエミッタとグランドの間には抵抗６５が介設され、トランジスタ６２のベースには入力信号発生部６６からの入力信号が供給される。

上記構成の半導体レーザ駆動装置は、図１に示す半導体レーザ駆動装置の場合と同様に動作して同様の効果を奏することができる。

(第５実施例)
図１１は、本実施の形態における最初の実施例である第５実施例を示す。本実施例においては、リミッタ回路６３を、トランジスタ６７と抵抗６８,６９,７０とを用いた固定バイアス回路で構成している。すなわち、トランジスタ６２のエミッタにトランジスタ６７のベースを接続し、トランジスタ６７の飽和特性によって半導体レーザ６１への入力電圧の上限を制御するのである。各トランジスタ６２,６７のコレクタに接続されている抵抗６８と抵抗６９とは電圧源６４に接続され、エミッタに接続されている抵抗６５と抵抗７０とはグランドに接続されている。尚、半導体レーザ６１は抵抗７０と並列に接続されると共に、カソードがグランドに接続されている。

図１２に、トランジスタの静特性であるベース電流ＩＢ‐コレクタ電流ＩＣ特性を示す。図１２より、トランジスタのベース電流ＩＢが増大してあるベース電流値ＩＢ_S以上になるとコレクタ電流ＩＣがＩＣ_MAXに飽和することが分る。

本実施例の半導体レーザ駆動装置においては、上記トランジスタ６７のベースに入力する信号の電流レベルが過大な場合には、上記コレクタ電流ＩＣが飽和することを利用して半導体レーザ６１に流れる電流レベルの上限を制御するのである。尚、図１２に示すような特性を実現するためには、トランジスタ６７におけるコレクタ電流ＩＣの飽和値ＩＣ_MAXを半導体レーザ６１が破損しないレベルに設定する必要がある。また、入力信号発生部６６からの入力信号の電流が減少した場合、トランジスタ６２あるいはトランジスタ６７のベースに入力する電流が減少してカットオフの状態になることによって、入力電流レベルの下限を制御することができるのである。

(第６実施例)
図１３は、本実施の形態における第２の実施例である第６実施例を示す。本実施例においては、リミッタ回路６３を、ダイオード７４,７６と抵抗７１,７５,７７と３端子レギュレータ７２,７３とを用いて構成している。すなわち、トランジスタ６２のコレクタと電圧源６４との間には抵抗７１を介設し、抵抗７１と電圧源６４との間とグランドとの間には２個の３端子レギュレータ７２,７３を並列に接続している。さらに、トランジスタ６２のエミッタと抵抗６５との間にダイオード７４のアノードを接続し、ダイオード７４のカソードとグランドとの間には、抵抗７５と３端子レギュレータ７３で成る定電圧発生回路との直列回路を接続している。また、ダイオード７４のカソードにはダイオード７６のカソードを接続し、ダイオード７６のアノードとグランドとの間には、抵抗７７と３端子レギュレータ７２で成る定電圧発生回路との直列回路を接続している。

そして、上記ダイオード７６のアノードに半導体レーザ６１のアノードが接続され、半導体レーザ６１のカソードとグランドとの間には抵抗７８が介設され、入力信号発生部６６からの入力信号は、抵抗７９を介してトランジスタ６２のベースに入力される。

ここで、ノードＤの電位をＶ_Dとし、ノードＥの電位をＶ_Eとすると、Ｖ_D＜Ｖ_Eの関係にある。

本実施例の半導体レーザ駆動装置においては、ノードＦの電位が電圧Ｖ_Eとダイオード７６の順方向電圧Ｖ_D22との差以上の場合には、ダイオード７６は非導通状態となる一方ダイオード７４は導通状態となり、ノードＦの電位は電圧Ｖ_Dで表わされる一定値となる。こうして、半導体レーザ６１に流れる電流の上限が制御されるのである。

次に、上記ノードＦの電位が、電圧Ｖ_D以上、且つ、電圧Ｖ_Eとダイオード７６の順方向電圧_D22との差以下の場合には、ダイオード７４およびダイオード７６は共に導通状態となり、電流は抵抗７５をグランド方向へ更に抵抗７７を半導体レーザ６１のアノード方向ヘ流れて電流ループを形成する。したがって、この場合には、リミッタ回路６３への入力電圧に比例した電圧が半導体レーザ６１に印加されることになる。

次に、上記ノードＦの電位が電圧Ｖ_Dよりも低い場合には、ダイオード７４は非導通状態となる一方ダイオード７６は導通状態となり、電流は抵抗７７,ダイオード７６および抵抗７５の順に流れる。この場合、半導体レーザ６１に印加される電圧は一定値になる。ここで、抵抗７５および抵抗７７を含む閉回路において、抵抗７７をダイオード７６に向って流れる電流をＩ₂₁とする。また、抵抗７７,抵抗７８及び半導体レーザ６１を含む閉回路において、抵抗７７をダイオード７６に向って流れる電流をＩ₂₂とする。また、半導体レーザ６１に印加される電圧の下限値をＶ_LDとする。そうすると、キルヒホッフの法則よって、網目方程式は、半導体レーザ６１の内部抵抗をＲ_LDとし、抵抗７５の抵抗値をＲ21とし、抵抗７７の抵抗値をＲ22とし、抵抗７８の抵抗値をＲ23とすると、
Ｖ_E＝(Ｉ₂₁＋Ｉ₂₂)×Ｒ22＋Ｖ_D22＋Ｉ₂₁×Ｒ21＋Ｖ_D
Ｖ_E＝(Ｉ₂₁＋Ｉ₂₂)×Ｒ22＋Ｉ₂₂×Ｒ23＋Ｉ₂₂×Ｒ_LD
となる。したがって、半導体レーザ６１に印加される一定電圧(下限値)Ｖ_LDは、
Ｖ_LD＝Ｉ₂₂×Ｒ_LD＝((Ｖ_E×Ｒ21＋(Ｖ_D22＋Ｖ_D)×Ｒ22)/
((Ｒ21＋Ｒ22)×(Ｒ23＋Ｒ_LD)))×Ｒ_LD
と求まる。これによって、半導体レーザ６１に流れる電流の下限を制御できるのである。

すなわち、本実施例においては、上記ダイオード７４,抵抗７５および３端子レギュレータ７３で半導体レーザ６１に流れる電流の上限を制限し、ダイオード７６,抵抗７７および３端子レギュレータ７２で半導体レーザ６１に流れる電流の下限を制限するのである。

以上のごとく、本実施の形態によれば、伝達される信号に応じて変調された入力信号を入力信号発生部６６によって生成し、この生成された入力信号を増幅するトランジスタ６２のエミッタと電圧源６４とグランドとに接続してリミッタ回路６３を設けている。そして、リミッタ回路６３に並列に半導体発光素子としての半導体レーザ６１を接続して、半導体レーザ６１に印加される入力信号電圧の上限値あるいは下限値を制限するようにしている。したがって、過大な信号電流がトランジスタ６２に供給された場合でも、リミッタ回路６３によって半導体レーザ６１に過大電流が流れることを防止でき、半導体レーザ６１の破損やダメージ、目に損傷を与える程の光量の放射を防止することができるのである。

また、上記入力信号発生部６６からの入力信号の過剰電圧分はリミッタ回路６３を通過できないようにしている。そのために、半導体レーザ６１には全く過大電流が流れることはなく、瞬時の過大電流に対しても半導体レーザ６１を保護することができるのである。その際に、図１８に示すようなバイパス回路１３を用いる場合とは異なって、リミッタ回路６３が動作している際にも半導体レーザ６１には電流が流れる。したがって、上記入力信号が有する情報の光出力が遮断されることは無い。

また、本実施の形態においては、配線パターン面積が電圧源６４側よりも大きいグランド側に半導体レーザ６１を接続している。一般に、カンパッケージタイプの半導体レーザをプリント基板に実装する場合には、２乃至３箇所の点接触とせざるを得ないために放熱の面では不利となる。しかしながら、本実施の形態によれば、半導体レーザチップがダイボンドされたピンがグランドプレーンに直接接続されるので、放熱性が向上するのである。

また、上記リミッタ回路６３を、図１１に示すように、トランジスタ６７と抵抗６８,６９,７０とを用いた固定バイアス回路で構成することによって、トランジスタ６７のベースに入力する信号の電流レベルが過大な場合には、コレクタ電流ＩＣが飽和するため半導体レーザ６１に流れる電流レベルの上限を制御することができる。一方、入力信号の電流が減少した場合には、トランジスタ６７のベースに入力する電流が減少してカットオフ状態となり、入力電流レベルの下限を制御することができる。

また、上記リミッタ回路６３を、図１３に示すように、ダイオード７４のカソードとグランドとの間に、抵抗７５と３端子レギュレータ７３で成る定電圧発生回路との直列回路を接続する一方、ダイオード７６のアノードとグランドとの間に、抵抗７７と３端子レギュレータ７２で成る定電圧発生回路との直列回路を接続して構成している。したがって、ノードＦの電位が電圧Ｖ_Eとダイオード７６の順方向電圧Ｖ_D22との差以上の場合には、ダイオード７６は非導通状態となる一方ダイオード７４は導通状態となって、半導体レーザ６１に流れる電流の上限を制御できる。また、上記ノードＦの電位が電圧Ｖ_Dよりも低い場合には、ダイオード７４は非導通状態となる一方ダイオード７６は導通状態となって、半導体レーザ６１に流れる電流の下限を制御できるのである。

＜第３実施形態＞
図１４は、本実施の形態の半導体発光素子モジュールの駆動装置における回路図である。図１４において、半導体発光素子として半導体レーザ８１を用いている。そして、リミッタ回路８３を、上記第１,第２実施の形態の場合とは異なり、トランジスタ８２のエミッタ側でなくコレクタ側に接続している。つまり、トランジスタ８２のコレクタと電圧源８４とグランドとに接続されている。そして、半導体レーザ８１は、リミッタ回路８３に並列に接続されると共に、カソード側が接地されている。また、トランジスタ８２のエミッタとグランドとの間には抵抗８５が介設され、トランジスタ８２のベースには入力信号発生部８６からの入力信号が供給される。

上記構成の半導体レーザ駆動装置は、上記第２実施の形態における半導体レーザ駆動装置の場合に対して、半導体レーザ８１への入力信号が反転している点が異なる。したがって、本実施例の半導体レーザ装置は、多段増幅器等によって反転された信号を、最終段において再び反転させて元に戻す場合に適用すれば有効である。

(第７実施例)
図１５は、本実施の形態における最初の実施例である第７実施例を示す。本実施例においては、リミッタ回路８３を、トランジスタ８７と抵抗８８,８９とを用いた固定バイアス回路で構成している。すなわち、トランジスタ８２のコレクタにトランジスタ８７のベースを接続する一方、トランジスタ８７のコレクタを電圧源６４に接続し、トランジスタ８７の飽和特性によって半導体レーザ８１への入力電圧の上限を制御するのである。トランジスタ８２のコレクタに接続されている抵抗８８は電圧源６４に接続され、トランジスタ８７のエミッタに接続されている抵抗８９はグランドに接続されている。また、半導体レーザ８１と抵抗９０とで構成された直列回路が、抵抗８９と並列に接続されている。尚、半導体レーザ８１のカソードがグランド側になっている。

本実施例の半導体レーザ駆動装置は、上記トランジスタ８７の飽和特性によって半導体レーザ８１への入力電圧の上限を制御する点において、上記第２実施の形態における第５実施例の場合と同じである。しかしながら、入力信号とは位相が反転した出力信号が得られる点において、上記第２実施の形態における第５実施例の場合とは異なるのである。

(第８実施例)
図１６は、本実施の形態における第２の実施例である第８実施例を示す。本実施例においては、リミッタ回路８３を、ダイオード９４,９６と抵抗９１,９５,９７と３端子レギュレータ９２,９３とを用いて構成している。すなわち、トランジスタ８２のコレクタと電圧源８４との間には抵抗９１を介設し、抵抗９１と電圧源８４との間とグランドとの間には２個の３端子レギュレータ９２,９３を並列に接続している。さらに、トランジスタ８２のコレクタと抵抗９１との間にダイオード９４のアノードを接続し、ダイオード９４のカソードとグランドとの間には、抵抗９５と３端子レギュレータ９３で成る定電圧発生回路との直列回路を接続している。また、ダイオード９４のカソードにはダイオード９６のカソードを接続し、ダイオード９６のアノードとグランドとの間には、抵抗９７と３端子レギュレータ９２で成る定電圧発生回路との直列回路を接続している。

そして、上記ダイオード９６のアノードに半導体レーザ８１のアノードが接続され、半導体レーザ８１のカソードとグランドとの間には抵抗９８が介設され、入力信号発生部８６からの入力信号は、抵抗９９を介してトランジスタ８２のベースに入力される。

ここで、ノードＤの電位をＶ_Dとし、ノードＥの電位をＶ_Eとすると、Ｖ_D＜Ｖ_Eの関係にある。

本実施例の半導体レーザ駆動装置においては、上記第６実施例の半導体レーザ駆動装置と同様の効果を奏することができる。

尚、上記第６実施例および第８実施例においては、定電圧発生回路として３端子レギュレータ７２,７３,９２,９３を用いているが、ＩＣ(集積回路)で構成されたＩＣレギュレータを用いても差し支えない。

ところで、上記各実施の形態においては、半導体レーザ２１,６１,８１を、近赤外領域の光通信に用いられるｎ基板でジャンクションアップするタイプと想定した回路構成例を示している。その場合には、放熱促進の観点から、トランジスタ２２,６２,６７,８２,８７としてＮＰＮ型トランジスタが用いられ、半導体レーザ２１,６１,８１のカソードがプリント基板のグランドプレーンに接続されている。もし、半導体レーザ２１,６１,８１がｎ基板でジャンクションダウンするタイプである場合には、トランジスタ２２,６２,６７,８２,８７としてＰＮＰ型トランジスタを用い、半導体レーザ２１,６１,８１のアノードがＶccプレーンに接続されることによって、上述したｎ基板でジャンクションアップするタイプの半導体レーザの場合と同様に、放熱促進の観点から有利となる。

また、上記半導体レーザ２１,６１,８１としてｐ基板の半導体レーザを用いる場合には、ジャンクションのタイプによって、半導体レーザ２１,６１,８１が接続されるプレーンをＶccプレーンとグランドプレーンとの間で、用いるトランジスタ２２,６２,６７,８２,８７をＮＰＮ型とＰＮＰ型との間で、上述したｎ基板の半導体レーザの場合とは逆に選択すればよい。

上述のことから、上記トランジスタ２２,６２,６７,８２,８７としてＮＰＮ型のトランジスタを用いる上記各実施の形態においては、半導体レーザ２１,６１,８１としてカンパッケージタイプの半導体レーザを用いる場合には、ｎ基板の半導体レーザのカソードがダイボンドされたピンがグランドプレーンに接続されるため、放熱性が促進される。もし、アノードがダイボンドされたｎ基板の半導体レーザである場合には、トランジスタ２２,６２,６７,８２,８７としてＰＮＰ型のトランジスタを用い、半導体レーザ２１,６１,８１のアノードをＶccプレーンに接続することによって放熱性が促進されるのである。

尚、半導体レーザ２１,６１,８１としてカンパッケージタイプのｐ基板半導体レーザを用いる場合は、半導体レーザチップをプリント基板に実装する場合と同様である。

上記トランジスタ２２,６２,６７,８２,８７および半導体レーザ２１,６１,８１を以上のように用いることによって、上記各実施の形態におけるリミッタ回路２３,６３,８３を適用することができるのである。尚、トランジスタ２２,６２,６７,８２,８７については、上記各実施の形態におけるバイポーラ型のトランジスタ以外に、電界効果型トランジスタ(ＦＥＴ)を用いることも可能である。

この発明の半導体発光素子モジュールの駆動装置における回路図である。 図１に示す駆動装置の一実施例における回路図である。 図２における半導体レーザの端子間電圧の例を示す図である。 この発明の半導体発光素子モジュールの断面を示す図である。 図２とは異なる実施例の回路図である。 図２および図５とは異なる実施例の回路図である。 図２,図５および図６とは異なる実施例の回路図である。 図２および図５〜図７とは異なる実施例の回路図である。 図８における定電流ダイオードの電圧‐電流特性図である。 図１とは異なる駆動装置の回路図である。 図１０に示す駆動装置の一実施例における回路図である。 トランジスタのベース電流‐コレクタ電流特性図である。 図１１とは異なる実施例の回路図である。 図１および図１０とは異なる駆動装置における回路図である。 図１４に示す駆動装置の一実施例における回路図である。 図１５とは異なる実施例の回路図である。 従来の半導体発光素子駆動装置の一例を示す回路図である。 図１７とは異なる半導体発光素子駆動装置の回路図である。

符号の説明

２１,６１,８１…半導体レーザ、
２２,６２,６７,８２,８７…トランジスタ、
２３,６３,８３…リミッタ回路、
２４,６４,８４…電圧源、
２５,６６,８６…入力信号発生部、
２６…ツェナーダイオード、
２７〜２９,４３,４４,４７,５０〜５４,６５,６８〜７１,
７５,７７〜７９,８５,８８〜９１,９５,９７〜９９…抵抗、
３０,３３,３６,３９…プリント基板、
３１,３５,３８,４１…反射構造体、
３２,３４,３７,４０…金属面、
４２,４５,４８,７４,７６,９４,９６…ダイオード、
４６,４９…コンデンサ、
５５,５６…定電流ダイオード、
７２,７３,９２,９３…３端子レギュレータ。

Claims (3)

1. 半導体レーザと基板とを含み、
   上記半導体レーザは、上記基板に配置されて上記半導体レーザからのレーザ光を反射させる反射構造物内に搭載されており、
   上記反射構造物は、上記基板上に形成された金属面に直接導通させて設けられている
   ことを特徴とする半導体発光素子モジュール。
2. 請求項１に記載の半導体発光素子モジュールにおいて、
   上記反射構造物は、金属で構成されると共に、上記基板の裏面に形成された金属面に接触するように上記基板内に埋め込まれていることを特徴とする半導体発光素子モジュール。
3. 請求項１に記載の半導体発光素子モジュールにおいて、
   上記反射構造物は、金属で構成されると共に、上記基板の表面に形成された金属面上にこの金属面に接触して配置されていることを特徴とする半導体発光素子モジュール。

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