JP2014022567A - 半導体レーザモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】TDLS応用で広く使われており、制御性、信頼性に優れた半導体DFBレーザ使った、かつ、δλcを大きくすることが可能な構造を持つ半導体レーザモジュールを提供すること。
【解決手段】本発明に係る半導体レーザモジュールは、半導体レーザチップ、ヒートシンク、及びサブマウントから成る半導体レーザキャリアと、電子冷却素子とから構成された半導体レーザモジュールであって、前記半導体レーザモジュールは、前記サブマウントと前記電子冷却素子との間に熱伝導調整板を更に備え、前記熱伝導調整板の材料の熱伝導率は、前記サブマウントの材料の熱伝導率よりも低いことを特徴とする。
【選択図】図３
【解決手段】本発明に係る半導体レーザモジュールは、半導体レーザチップ、ヒートシンク、及びサブマウントから成る半導体レーザキャリアと、電子冷却素子とから構成された半導体レーザモジュールであって、前記半導体レーザモジュールは、前記サブマウントと前記電子冷却素子との間に熱伝導調整板を更に備え、前記熱伝導調整板の材料の熱伝導率は、前記サブマウントの材料の熱伝導率よりも低いことを特徴とする。
【選択図】図３
Description
本発明は、半導体レーザモジュールに関し、具体的には光通信や分光・計測等の分野で用いられる半導体レーザモジュールに関する。
図１に、従来の半導体レーザモジュールの構成要素の典型的な実装形態を示す。半導体レーザチップ１は、ヒートシンク２を介してサブマウント３上に搭載されている。半導体レーザチップ１と、ヒートシンク２と、サブマウント３とから成る半導体レーザキャリアは、電子冷却素子４の上に搭載され、半導体レーザモジュールパッケージ内に実装される。
半導体レーザチップは発熱による温度上昇により光出力、発振閾値などの特性が劣化する傾向があるため、従来の光通信システム等の応用においては、その実装において、いかに放熱を良くするかが設計上重要なポイントであった。そのため、図１に示す構造において、ヒートシンク２、及びサブマウント３の材料には熱伝導性に優れた材料が用いられている。
サブマウント３には銅タングステン等の熱伝導性の良い材料が用いられている。ヒートシンク２は、熱伝導性に優れるだけでなく、熱歪みに弱い半導体レーザチップを保護するための歪緩和材としての機能する必要がある。そのため、熱伝導率が大きく、かつ熱膨張係数が半導体レーザチップ１に近い材料を選ぶ必要がある。窒化アルミ、シリコン等がその代表的な材料である。
一方、半導体レーザを分光用光源として用い、ガス分析計等に応用する波長可変レーザ吸光分光法（Tunable Diode Laser Spectroscopy（以下、TDLSと記す））と呼ばれる技術が近年注目されている（非特許文献１を参照）。
図２はTDLSの大まかな動作原理を説明する図である。図２（ａ）はTDLSの構成の模式図であり、図２（ｂ）は光源の駆動方法（時間と波長の関係）を説明する図であり、図２（ｃ）は光検出器が受光する受光強度を説明する図である。
図２（ａ）に示すように、TDLSでは、レーザ光源５から発したレーザ光６を、被検査物７を介して光検出器８で受光する。
図２（ｂ）に示すように、TDLSでは、レーザ光源５の発振波長を繰り返し掃引する。掃引した波長範囲内に被検査物７の吸収線がある場合、光検出器８が受光する受光強度には図２（ｃ）に示すように、被検査物７の吸収線に対応したディップが現れる。このディップの位置と深さにより被検査物のガス種と濃度を測定・分析するというのがTDLSの基本的な動作原理である。
実際の応用では、図２（ｂ）に示すような鋸波の上に、より繰り返し周波数の高い正弦波を重畳させレーザを駆動し、受光した信号をロックイン検波する波長変調分光法（Wavelength Modulation Spectroscopy（以下、WMSと記す））、または周波数変調分光法（Frequency Modulation Spectroscopy）と呼ばれる高感度化手法が多く用いられている（非特許文献２を参照）。
図２（ｂ）で示したような鋸波の繰り返し周波数は、データ収集時間に直結するので速い方が望ましい場合が多いが、典型的には1Hz程度である。WMSで重畳する正弦波の繰り返し周波数は前述の鋸波の繰り返し周波数と比べ十分速い必要があるが、典型的には10kHz程度の速度が多く使われている。
波長を掃引する方法としては、半導体レーザチップの動作温度を掃引する方法や、半導体レーザチップに注入する電流を掃引する方法がある。InP系のDFBレーザの場合、発振波長の温度係数δλT=dλ/dTは0.1nm/℃程度であるのに対し、発振波長の電流係数δλc=dλ/dIは、半導体レーザの構造等によっても異なるが、典型的には0.01nm/mA程度である。従って、温度で波長を掃引する場合は比較的大きな波長掃引幅を得ることが容易であるが、電流による掃引の場合、大きな波長掃引幅を得ることは一般的には難しい。
しかしながら、温度による波長掃引は速度が遅く、典型的には一掃引あたり分単位の時間を要するという問題があるため、特殊な場合を除いてあまり利用されていない。実際の応用においては、電流による波長掃引が多くの場合において使われている。
半導体DFBレーザの発振波長の電流係数δλcは、変調速度の関数である。MHｚ付近を境に低速領域では熱による効果が主体的となり、高速領域ではプラズマ効果が主体的となることが知られている（非特許文献３を参照）。本発明は、前述したTDLSへの応用を主たるターゲットとしているので、変調速度としては数十kHz程度以下の低速領域が重要である。従って、以下、本明細書中で記す発振波長の電流係数δλcは、熱による効果が主体的な低速領域における電流係数を示すものとする。
M. G. Allen, "Diode laser absorption sensors for gas-dynamic and combustion flows", Measurement Science and Technology, 9(4), pp. 545-562 (1998).
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TDLSへの応用においては、例えば、複数の吸収線を一度の掃引で測定したい場合など、波長掃引幅を広く取りたい、すなわちδλcの大きな半導体レーザ光源が欲しいというケースが多々生じる。δλcの大きな半導体レーザ光源を作るには、共振器長を短くする、結晶構造を変えるなどの半導体レーザチップの構造を見直すことにより、ある程度対応することは可能であるが、δλcを大きくするためのチップ構造の見直しは、光出力の低下など他の電気光学的特性の著しい劣化を伴うことが多いため、一つの構造にラインナップを絞り込むことが難しい。光出力を優先したい、出力を犠牲にしてでも掃引波長幅を優先したいなど、ニーズごとに最適化した複数の種類の半導体レーザチップを用意することが必要になり、製造コストや在庫管理コストが著しく増大するという問題がある。
高速にかつ広い波長掃引幅を得る方法として、DBRレーザなどを用いる方法も考えられる。しかしながら、DBRレーザはモードホップしやすい等の問題があり、制御が難しい上に、TDLS応用で必要とされる波長などの電気光学的特徴を満足することが現時点では困難であるため、現実的な解ではない。
本発明は、上記の問題を鑑みて、TDLS応用で広く使われており、制御性、信頼性に優れた半導体DFBレーザ使った、かつ、δλcを大きくすることが可能な構造を持つ半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。
本発明は、半導体レーザチップ、ヒートシンク、サブマウントから成る半導体レーザキャリアと、電子冷却素子とから構成された半導体レーザモジュールであって、半導体レーザモジュールは、サブマウントと、電子冷却素子との間に熱伝導調整板を更に備え、熱伝導調整板の材料の熱伝導率は、サブマウントの材料の熱伝導率よりも低いことを特徴とする。
本発明の一実施形態において、熱伝導調整板は、アルミナ又はコバールを主原料とする材料から成ることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、半導体レーザチップは、InP系のDFBレーザチップであることを特徴とする。
本発明により、半導体レーザチップからの放熱を抑制することが可能となるため、同一構造の半導体レーザチップを従来の方法で実装した場合よりも、発振波長の電流係数δλcが大きな半導体レーザモジュールを作製することが可能となる。
また、本発明により、熱伝導調整板の大きさや厚みを変えることにより、熱伝導を細かく制御することができるため、光出力などの他の電気光学的特性に著しい劣化を及ぼさない範囲で、所望のδλcが得られるような設計が可能となる。従って、複数の種類の半導体レーザチップを用意することなく、光出力などの基本的な電気光学的特性に優れた構造の一種類の半導体レーザチップを使って、δλcの異なる半導体レーザモジュールを作製することができる。
よって、本発明により、製造コスト、在庫管理コストを著しく増大させることなく、多彩なニーズに適合した複数種類の半導体レーザモジュールを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図３は、本発明に係る半導体レーザモジュールの部分を示す概略断面図である。
図３は、本発明に係る半導体レーザモジュールの部分を示す概略断面図である。
半導体レーザチップ１が、ヒートシンク２、サブマウント３、熱伝導調整板９を介して電子冷却素子４に搭載されている。半導体レーザキャリアは、半導体レーザチップ１と、ヒートシンク２と、サブマウント３とから成る。半導体レーザチップ１にはInP系のDFBレーザを用いた。ヒートシンク２の材料にはInPと熱膨張係数が近く、熱伝導に優れた窒化アルミを用いた。サブマウント３には熱伝導性に優れた銅タングステンを用いた。熱伝導調整板９の材料には熱伝導率が銅タングステンや窒化アルミと比べ１桁低い材料であるアルミナを用いた。
電子冷却素子４上に熱伝導調整板９を介し搭載された半導体レーザキャリアを用いて作製した半導体レーザモジュールは、熱伝導率が低い熱伝導調整板９の効果により、図１のような従来の構造の電子冷却素子直上に搭載された半導体レーザキャリアを用いて作製した半導体レーザモジュールと比較すると、半導体レーザチップで発生した熱の放熱が抑制される。従って、図３に示す構造を持つ半導体レーザモジュールは、図１に示す構造を持つ半導体レーザモジュールよりも発振波長の電流係数δλcが大きくなる。また、熱伝導調整板９の厚さを厚くすると、若しくは、熱伝導調整板９の面積を小さくすると放熱の抑制効果がより高くなるため、δλcをより大きくすることができる。
一方で、放熱の抑制は、光出力の低下などの電気光学的特性の劣化の要因にもなることに留意しなければならない。しかしながら、本発明による構造を利用すると、熱伝導調整板の厚さや面積を適切に設定することにより、放熱の抑制効果を細かく調整することができるため、トレードオフの関係にある大きなδλcと光出力等の電気光学的特性を、個別のニーズ毎に適切な設計をすることが可能となる。
熱伝導調整板の材料は、前述したアルミナに限られずヒートシンク材料よりも熱伝導率が低い様々な材料を用いることができるが、熱伝導率の差が大きいほど効果は高くなる。アルミナ以外の材料では、例えばコバールは、アルミナと同程度熱伝導率を有し、熱膨張係数も典型的なヒートシンク材料である窒化アルミ、及び典型的なサブマウント材料である銅タングステンに近いため、アルミナと同等の効果が得られる有用な材料である。
（第２の実施形態）
上記の（第１の実施形態）で説明した半導体レーザキャリアの部分を具備するような半導体レーザモジュールとしては、光ファイバ出力の半導体レーザモジュールが考えられる。
上記の（第１の実施形態）で説明した半導体レーザキャリアの部分を具備するような半導体レーザモジュールとしては、光ファイバ出力の半導体レーザモジュールが考えられる。
図４に、本実施形態に係る光ファイバ出力の半導体レーザモジュールの構成を示す。光ファイバ出力の半導体レーザモジュールは、パッケージ１０内に（第１の実施形態）で説明した構成を備えている。サブマウント３と、電子冷却素子４との間に熱伝導調整板９が配置されたことが本実施形態の特徴である。光ファイバ１５の代わりに光ファイバを接続するためのレセプタクルが実装された半導体レーザモジュールに対しても、同様に実施することができる。
（第３の実施形態）
上記の（第１の実施形態）で説明した半導体レーザキャリアの部分を具備するような半導体レーザモジュールとしては、空間放射型の半導体レーザモジュールも考えられる。
上記の（第１の実施形態）で説明した半導体レーザキャリアの部分を具備するような半導体レーザモジュールとしては、空間放射型の半導体レーザモジュールも考えられる。
図５に、本実施形態に係る空間放射型のパッケージ半導体レーザモジュールの構成を示す。空間放射型のパッケージ半導体レーザモジュールは、サブマウント３に搭載された半導体レーザチップ１、ヒートシンク２、サーミスタ１１と、電子冷却素子４と、窓１７を有するキャップ１８と、ピン１９とから構成されている。サブマウント３と、電子冷却素子４との間に熱伝導調整板９が配置されたことが本実施形態の特徴である。半導体レーザチップ１で発生する熱は、ヒートシンク２、熱伝導調整板９を介して電子冷却素子４に放熱される。
上で述べたように、本発明で提案する構成を用いることにより、同一構造の半導体レーザチップを従来の方法で実装した場合よりも、発振波長の電流係数δλcが大きな半導体レーザモジュールを作製することが可能となる。
また、本発明により、熱伝導調整板の大きさや厚みを変えることにより、熱伝導を細かく制御することができるため、光出力などの他の電気光学的特性に著しい劣化を及ぼさない範囲で、所望のδλcが得られるような設計が可能となる。従って、複数の種類の半導体レーザチップを用意することなく、光出力などの基本的な電気光学的特性に優れた構造の一種類の半導体レーザチップを使って、δλcの異なる半導体レーザモジュールを作製することができる。
よって、本発明により、製造コスト、在庫管理コストを著しく増大させることなく、多彩なニーズに適合した複数種類の半導体レーザモジュールを提供することができる。
１ 半導体レーザチップ
２ ヒートシンク
３ サブマウント
４ 電子冷却素子
５ レーザ光源
６ レーザ光
７ 被検査物
８ 光検出器
９ 熱伝導調整板
１０ パッケージ
１１ サーミスタ
１２ モニタＰＤ
１３ レンズ
１４ アイソレータ
１５ 光ファイバ
１６ 窓
１７ キャップ
１８ ピン
２ ヒートシンク
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Claims (3)
- 半導体レーザチップ、ヒートシンク、サブマウントから成る半導体レーザキャリアと、
電子冷却素子と
から構成された半導体レーザモジュールであって、
前記半導体レーザモジュールは、前記サブマウントと、前記電子冷却素子との間に熱伝導調整板を更に備え、
前記熱伝導調整板の材料の熱伝導率は、前記サブマウントの材料の熱伝導率よりも低いことを特徴とする半導体レーザモジュール。 - 前記熱伝導調整板は、アルミナ又はコバールを主原料とする材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
- 前記半導体レーザチップは、InP系のDFBレーザチップであ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モジュール。
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2012
- 2012-07-18 JP JP2012159864A patent/JP5858879B2/ja active Active
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