JP2019175997A - Semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザ装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device.
近年、小型の半導体レーザ装置の開発が進められている(例えば、特許文献1参照)。以下、図9〜図11を参照して、この従来の半導体レーザ装置の構造について説明する。 In recent years, development of small semiconductor laser devices has been promoted (see, for example, Patent Document 1). The structure of this conventional semiconductor laser device will be described below with reference to FIGS.
図9は、従来の半導体レーザ装置100の模式的な斜視図である。図9に示すように、この半導体レーザ装置100は、絶縁性セラミックスからなる筐体110と、筐体110の上面に固定的に載置された蓋体120と、光取り出し用の窓部を構成する透光板130とを含む。
FIG. 9 is a schematic perspective view of a conventional
図10は、図9から蓋体120及び透光板130を取り外した構造を模式的に示す斜視図である。また、図11は、図9におけるA1−A1線で半導体レーザ装置100を切断したときの模式的な断面図である。
FIG. 10 is a perspective view schematically showing a structure in which the
蓋体120は、筐体110の面111に接触するように設置される。また、透光板130は、筐体110の面112と、蓋体120の面121とに接触するように設置される。透光板130は、筐体110の面112及び蓋体120の面121に対して、それぞれ接着層(151,152)を介して固定的に接着されている。
The
半導体レーザチップ140は、筐体110の面114上に設置されると共に、ワイヤ141を介して、筐体110の裏面に設けられた電極(160,160)から電力が供給される。
The
近年、半導体レーザ装置の高出力化の要請が高まっている。本発明者らは、図9〜図11を参照して上述した従来の半導体レーザ装置100において、半導体レーザチップ140を、高輝度の光を射出可能なレーザチップとした場合、以下の課題が生じることを見出した。
In recent years, there has been an increasing demand for higher output of semiconductor laser devices. In the conventional
半導体レーザチップ140が、高輝度の光を射出可能なレーザチップである場合、発光時に生じる熱量が増大する。しかし、上述したように、半導体レーザチップ140が載置されている筐体110は、絶縁性セラミックスからなる。絶縁性セラミックスの中には、高い熱伝導率を示す材料が存在するが、それでも金属材料に比較するとその熱伝導率は低い。このため、十分な排熱機能が実現されない可能性がある。
When the
そして、図11に図示されるように、半導体レーザチップ140に対して給電するための電極160が、筐体110の裏面側(蓋体120とは反対側)に形成されているため、筐体110自体を導電性材料で構成することができない。仮に、図9〜図11を参照して上述した従来の半導体レーザ装置100において、筐体110を金属材料で構成すると、一対の電極160同士が短絡してしまい、半導体レーザ装置100に対して電流を供給することができないことは明らかである。
As shown in FIG. 11, the
本発明は、上記の課題に鑑み、高出力の半導体レーザチップを搭載しながらも、高い排熱性を確保することのできる、小型の半導体レーザ装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a small-sized semiconductor laser device that can ensure high heat exhaustion while mounting a high-power semiconductor laser chip.
本発明に係る半導体レーザ装置は、
第一開口部を有する第一面と、前記第一面に隣接した面であって第二開口部を有する第二面とを含む外側面によって覆われてなる、中空形状の金属製の筐体と、
前記筐体の内側に収容された半導体レーザチップと、
前記第一開口部を閉塞するように前記第一面の上面に載置された、絶縁性材料からなる蓋体と、
透光部材を含み、少なくとも前記透光部材の一部分が前記第二開口部に対向するように、前記第二面の上面に載置された窓部と、
前記蓋体の前記筐体側の面の一部分と、前記蓋体の前記筐体とは反対側の面の一部分との間を、前記蓋体を貫通して連絡するように形成された、導電性材料からなる電極部と、
前記蓋体の前記筐体側の面上に露出した前記電極部と前記半導体レーザチップとを電気的に接続するための給電端子と、を備えたことを特徴とする。
A semiconductor laser device according to the present invention includes:
A hollow metal housing which is covered with an outer surface including a first surface having a first opening and a second surface adjacent to the first surface and having a second opening. When,
A semiconductor laser chip housed inside the housing;
A lid made of an insulating material placed on the upper surface of the first surface so as to close the first opening;
A window part placed on the upper surface of the second surface so that at least a part of the light transmissive member is opposed to the second opening part.
A conductive material formed so as to pass through the lid and communicate between a portion of the surface of the lid on the housing side and a portion of the surface of the lid opposite to the housing. An electrode part made of a material;
The power supply terminal for electrically connecting the electrode part exposed on the case side surface of the lid and the semiconductor laser chip is provided.
上記構成によれば、半導体レーザチップに対して、蓋体側から給電が行われる。このため、半導体レーザチップが載置される筐体を、熱伝導性の高い金属材料(例えばCuなど)で構成することが可能となる。この結果、半導体レーザチップが高出力のチップである場合においても、筐体を通じて高い排熱性能が確保される。 According to the above configuration, power is supplied from the lid side to the semiconductor laser chip. For this reason, it becomes possible to comprise the housing | casing in which a semiconductor laser chip is mounted with metal materials (for example, Cu etc.) with high heat conductivity. As a result, even when the semiconductor laser chip is a high-power chip, high heat exhaust performance is ensured through the housing.
ところで、図9〜図11を参照して上述した従来の半導体レーザ装置100では、透光板130は、蓋体120と筐体110の両者に接触するように設置されている(特に図11参照)。この構成を実現するためには、蓋体120を筐体110の面111上に設置する際に、位置合わせの精度を高める必要がある。もし、蓋体120の位置がずれてしまうと、透光板130を正しく設置することができず、この場合、筐体110の内部の気密性が十分に確保できない可能性がある。仮に、筐体110の内部の気密性が十分に確保できない場合、半導体レーザチップ140の端面に埃や水分が付着し、光強度が低下する可能性がある。
By the way, in the conventional
更に、上述した従来の半導体レーザ装置100では、特に図10に図示されるように、セラミックスからなる筐体110を微細に加工して成型する必要がある。セラミックスの成型時には、焼成工程(例えば1000℃以上)が必要になるが、この焼成工程と、その後、室温下での冷却工程を経ることで、形状に歪みが生じ、各面(111,112)の平坦性が確保できない可能性がある。このような理由によっても、筐体110の内部の気密性が十分に確保できない可能性がある。
Further, in the above-described conventional
これに対し、本発明に係る半導体レーザ装置によれば、蓋体は筐体の一つの面(第一面)に載置され、透光部材を含む窓部は筐体の別の面(第二面)に載置される構成である。このため、従来の半導体レーザ装置100のように、高い精度での位置合わせを行うことなく、筐体内部の気密性を確保することができるという別の効果を奏する。また、筐体を金属材料で形成できるため、セラミックスとは異なり容易に成型が可能である。
On the other hand, according to the semiconductor laser device of the present invention, the lid is placed on one surface (first surface) of the housing, and the window including the translucent member is another surface (first surface) of the housing. 2). Therefore, unlike the conventional
前記半導体レーザ装置は、前記半導体レーザチップを面上に載置するサブマウントを備え、前記サブマウントは、前記筐体の内壁面上に載置されているものとしても構わない。 The semiconductor laser device may include a submount for mounting the semiconductor laser chip on a surface, and the submount may be mounted on an inner wall surface of the casing.
かかる構成によれば、サブマウントを薄く構成することで、実質的に、半導体レーザチップの面を金属製の筐体の面上に載置することが可能となる。これにより、高い排熱性が確保される。 According to such a configuration, the surface of the semiconductor laser chip can be substantially placed on the surface of the metal casing by configuring the submount to be thin. Thereby, high exhaust heat property is ensured.
前記半導体レーザ装置は、支持基板を備え、
前記支持基板の面と、前記筐体の面のうちの前記第一面及び前記第二面を除くいずれか1つの面とが接合されているものとすることができる。
The semiconductor laser device includes a support substrate,
The surface of the support substrate may be bonded to any one of the surfaces of the housing except the first surface and the second surface.
上記構成によれば、金属製の筐体の一面と支持基板の一面とを接合することができるため、支持基板も筐体と同様に熱伝導率の高い材料で構成することで、半導体レーザチップで生じる熱を筐体を通じて支持基板側に効率的に排熱することができる。この場合、支持基板は、筐体を支持する機能と、半導体レーザチップで生じた熱を排熱する機能を併せ持つ。 According to the above configuration, since one surface of the metal housing and one surface of the support substrate can be bonded, the support substrate is also made of a material having a high thermal conductivity like the housing, so that the semiconductor laser chip Can be efficiently exhausted to the support substrate side through the housing. In this case, the support substrate has both a function of supporting the housing and a function of exhausting heat generated by the semiconductor laser chip.
前記半導体レーザ装置は、前記半導体レーザチップを内側に収容した前記筐体が、平面上に複数個配列されているものとしても構わない。このとき、前記筐体は、前記支持基板の面上に複数個が配列されているものとしても構わない。 The semiconductor laser device may be configured such that a plurality of the housings housing the semiconductor laser chips are arranged on a plane. At this time, a plurality of the casings may be arranged on the surface of the support substrate.
かかる構成によれば、各筐体が金属製の材料からなるため、各筐体に収容されている半導体レーザチップから生じる熱を効率的に排熱することができる。これにより、高い放射照度を有する光を射出することのできる、小型の半導体レーザ装置が実現される。 According to such a configuration, since each casing is made of a metal material, heat generated from the semiconductor laser chip accommodated in each casing can be efficiently exhausted. Thereby, a small semiconductor laser device capable of emitting light having high irradiance is realized.
前記半導体レーザ装置は、前記筐体の内側には、単一の前記半導体レーザチップが収容されているものとしても構わない。 The semiconductor laser device may be configured such that a single semiconductor laser chip is accommodated inside the housing.
前記半導体レーザチップは、前記第二面に直交する方向に光を射出する光射出領域を備えるものとしても構わない。 The semiconductor laser chip may include a light emission region that emits light in a direction orthogonal to the second surface.
本発明によれば、高出力の半導体レーザチップを搭載しながらも、高い排熱性を確保することのできる、小型の半導体レーザ装置が実現される。 According to the present invention, a small-sized semiconductor laser device that can ensure high heat exhaustion while mounting a high-power semiconductor laser chip is realized.
本発明に係る半導体レーザ装置の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の図面は、あくまで模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致していない。 An embodiment of a semiconductor laser device according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the following drawings are only schematically shown, and the dimensional ratio on the drawing does not necessarily match the actual dimensional ratio.
図1は、半導体レーザ装置の一実施形態の全体構造を模式的に示す斜視図である。半導体レーザ装置1は、支持基板2と、光取り出し用の第一透光板3と、側方から全体を覆うように形成された枠体4とを含む。枠体4の内側には、後述する複数の半導体レーザチップ40(図7参照)が搭載されており、各半導体レーザチップ40から射出されたレーザ光L1が、第一透光板3を介して装置外部に取り出される。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the overall structure of an embodiment of a semiconductor laser device. The
以下では、必要に応じて、図1に図示されたXYZ座標系を用いて説明される。支持基板2及び第一透光板3は、いずれも主面がXY平面に対して平行になるように配置されており、レーザ光L1が、XY平面に対して直交する方向(Z方向)に取り出されるものとして説明する。
Below, it demonstrates using the XYZ coordinate system illustrated in FIG. 1 as needed. The
支持基板2は、複数の半導体レーザチップ40(図7参照)を支持する機能に加えて、半導体レーザチップ40から生じる熱を排熱する機能を兼ねており、高い熱伝導率を示す材料であるのが望ましい。一例として、支持基板2は、Cu、Cu合金、Alなどの金属材料で構成され、厚みは、例えば0.3mm以上、2mm以下であり、好ましくは、0.5mm以上、1mm以下である。
The
第一透光板3は、レーザ光L1に対する透過性の高い材料であればよく、例えば、ホウケイ酸ガラスなどで構成される。また、枠体4は、任意の材料で構成することができるが、加工時の取扱容易性に鑑み、例えばセラミックス材料やガラスエポキシ樹脂などで構成される。
The first
図2は、図1から第一透光板3を取り外した状態の半導体レーザ装置1を模式的に示す斜視図である。図2に示すように、半導体レーザ装置1は、複数の半導体レーザユニット10が、XY平面上に配列されて構成されている。各半導体レーザユニット10は、後述する半導体レーザチップ40(図7参照)を含む。なお、図2では、各半導体レーザユニット10から射出されたレーザ光が、レンズ部材11を介して第一透光板3(図1参照)に導かれる例が図示されている。また、図2では、説明の都合上、一部のレンズ部材11の図示を省略している。
FIG. 2 is a perspective view schematically showing the
以下、図3〜図8を参照して、半導体レーザ装置1に含まれる半導体レーザユニット10の構成につき説明する。
Hereinafter, the configuration of the
図3は、本実施形態に係る半導体レーザユニット10を抽出して図示した模式的な斜視図である。図4は、図3に示す半導体レーザユニット10を、−Z方向に見たときの模式的な平面図である。図5は、図3に示す半導体レーザユニット10を、X方向に見たときの模式的な平面図である。
FIG. 3 is a schematic perspective view showing the
図6は、半導体レーザユニット10を図4内のX1−X1線で切断したときの模式的な断面図である。図7は、半導体レーザユニット10の構成部品を分解して模式的に示した斜視図である。図8は、半導体レーザユニット10の一構成部品である、筐体20のみを抽出して示す模式的な斜視図である。
6 is a schematic cross-sectional view of the
半導体レーザユニット10は、筐体20、蓋体30、窓部50を含んでなり、筐体20の内側には半導体レーザチップ40が収容されている。半導体レーザチップ40は、例えば0.5W以上の出力でレーザ光L1を射出することのできる素子である。本実施形態において、半導体レーザチップ40から射出されるレーザ光L1の波長は限定されないが、例えば、可視光である。
The
図7及び図8に示すように、筐体20は、第一開口部21aを有する第一面21と、この第一面21に隣接した面であって、第二開口部22aを有する第二面22とを含む外側面によって覆われた、中空形状の部材である。ここでは、第一面21がYZ平面に平行な面であり、第二面22がXY平面に平行な面であるとして説明する。
As shown in FIGS. 7 and 8, the
筐体20は、高い熱伝導率を示す金属材料からなる。このような金属材料の例としては、Cu、Cu合金、Alが挙げられ、Cuが特に好ましい。筐体20の寸法は、例えば、X方向が2mm以上、5mm以下であり、Y方向が2mm以上、5mm以下であり、Z方向が1.5mm以上、5mm以下である。
The housing | casing 20 consists of a metal material which shows high heat conductivity. Examples of such a metal material include Cu, Cu alloy, and Al, and Cu is particularly preferable. The dimensions of the
図3〜図7に示すように、蓋体30は、第一開口部21aを閉塞するように、筐体20の第一面21上に設置される。蓋体30は、絶縁性材料からなり、例えば、Al2O3、AlNなどのセラミックス材料が利用される。より詳細には、筐体20の第一面21上に形成されたハンダ材(不図示)を介して、蓋体30と筐体20とが固定的に接着される。蓋体30の厚み(X方向)は、例えば、0.3mm以上、1mm以下である。
As shown in FIGS. 3-7, the
蓋体30の一部上面には、導電性材料からなる電極部(31,31)が形成されている。この電極部(31,31)は、蓋体30を厚み方向(X方向)に貫通するように形成されており、反対側の面(筐体20側の面)に露出している。筐体20側の面に露出した電極部(31,31)は、給電端子(32,32)と接続されている。電極部(31,31)は、例えばAuメッキからなる。
Electrode portions (31, 31) made of a conductive material are formed on a partial upper surface of the
半導体レーザチップ40は、サブマウント45上に、例えばAu−Snからなるハンダ層46を介して固定的に接着されている。サブマウント45の面には、電気的に相互に離間して形成された導電層(47,47)が形成されている。これらの導電層(47,47)と、給電端子(32,32)とが接触している。また、一方の導電層47には、半導体レーザチップ40に連絡されているワイヤ41が接続されている。これにより、電極部(31,31)に電圧が印加されると、半導体レーザチップ40に対して電流が供給される。なお、図6〜図8に示すように、サブマウント45は、筐体20の内壁面23上に載置されている。
The
本実施形態では、筐体20の内壁面23は、YZ平面に平行な面で構成されている。半導体レーザチップ40は、例えば、Y方向(短手方向)に関して、50μm以上、500μm以下であり、Z方向(長手方向)に関して、1mm以上、2mm以下であり、X方向(厚み方向)に関して、50μm以上、200μm以下である。また、サブマウント45は、Y方向に関して、0.2mm以上、3mm以下であり、Z方向に関して、1mm以上、3mm以下であり、X方向(厚み方向)に関して、100μm以上、500μm以下である。
In this embodiment, the
図7に示すように、本実施形態の半導体レーザユニット10において、窓部50は透光部材51のみで構成されている。透光部材51は、例えば、ホウケイ酸ガラス、ケイ酸塩ガラス、石英ガラスなどのガラス材料が好適に利用される。そして、窓部50を構成する透光部材51の一部分が第二開口部22aに対向するように設置されている。
As shown in FIG. 7, in the
なお、図7に示す例とは別に、窓部50が、透光部材51以外の構成部材(例えばスペーサなど)を備えていても構わない。この場合、例えば、筐体20の第二面22とは、スペーサと接触し、このスペーサの面上に透光部材51が設置されるものとすることができる。
In addition, the
かかる構成において、電極部(31,31)に電圧が印加されると、半導体レーザチップ40に対して電流が供給され、閾値電流を超える電流量が供給されると、半導体レーザチップ40の端面(光射出領域:エミッタ)からZ方向にレーザ光L1が射出される。このレーザ光L1は、第二開口部22a及び透光部材51を介して半導体レーザユニット10の外部に取り出される。そして、図1及び図2を参照して上述したように、各半導体レーザユニット10から射出されたレーザ光L1は、レンズ部材11、第一透光板3を介して、半導体レーザ装置1の外部に取り出される。
In such a configuration, when a voltage is applied to the electrode portions (31, 31), a current is supplied to the
上述した半導体レーザ装置1によれば、各半導体レーザユニット10に対して、蓋体30側から給電が行われる。このため、半導体レーザユニット10(及びサブマウント45)を、導電性材料からなる面23上に載置することができる。つまり、図7及び図8を参照して上述したように、この面23を、金属製の筐体20の内壁とすることで、半導体レーザチップ40から生じる熱を、筐体20を通じて支持基板2側へと効率的に排熱することができる。特に、図6に示されるように、筐体20の一つの面を支持基板2の面と接合させることで、半導体レーザチップ40から生じる熱を更に効率的に外部へと排熱することができる。
According to the
更に、筐体20を金属材料で構成することができるため、例えば図8に示したような形状に容易に成型できる。そして、蓋体30が載置される筐体20の面(第一面21)と、窓部50が載置される筐体20の面(第二面22)とが異なるため、筐体20の内部の気密性を確保するためには、単にそれぞれの面で独立した位置合わせを行うのみでよく、従来よりも位置合わせの精度が要求されない。
Furthermore, since the housing | casing 20 can be comprised with a metal material, it can be easily shape | molded, for example in the shape as shown in FIG. Since the surface (first surface 21) of the
[別実施形態]
以下、本発明に係る半導体レーザ装置の別実施形態について説明する。
[Another embodiment]
Hereinafter, another embodiment of the semiconductor laser device according to the present invention will be described.
〈1〉上記実施形態では、各筐体20内に一つの半導体レーザチップ40が搭載される場合を例示して説明した。しかし、各筐体20内に、複数(例えば2個以上5個以下)の半導体レーザチップ40が搭載されているものとしても構わない。
<1> In the above embodiment, the case where one
また、上記実施形態では、図2を参照して、複数の半導体レーザユニット10が平面的に配列されている場合について説明した。しかし、本発明は、半導体レーザ装置1が、単一の半導体レーザユニット10のみを備える場合を排除しない。
In the above embodiment, the case where a plurality of
〈2〉各図面を参照して上述した半導体レーザ装置1の構造は、あくまで一例であり、本発明は、図示された構造に限定されない。例えば、以下のような変形が可能である。
<2> The structure of the
半導体レーザ装置1は、第一透光板3を備えない構成としても構わないし、レンズ部材11を備えない構成としても構わない。また、半導体レーザ装置1は、適宜ミラーなどの反射部材を備えることで、光取り出し方向をZ方向以外の方向としても構わない。
The
〈3〉上記実施形態では、筐体20の外形がほぼ直方体形状である場合について説明したが、4面以上の平面を有する多面体であれば直方体には限定されない。
<3> In the above embodiment, the case where the outer shape of the
1 : 本発明の半導体レーザ装置
2 : 支持基板
3 : 第一透光板
4 : 枠体
10 : 半導体レーザユニット
11 : レンズ部材
20 : 筐体
21 : 筐体の第一面
21a : 第一開口部
22 : 筐体の第二面
22a : 第二開口部
23 : 筐体の内壁面
30 : 蓋体
31 : 電極部
32 : 給電端子
40 : 半導体レーザチップ
41 : ワイヤ
45 : サブマウント
46 : ハンダ層
47 : 導電層
50 : 窓部
51 : 透光部材
100 : 従来の半導体レーザ装置
110 : 筐体
111,112,114 : 筐体の面
120 : 蓋体
121 : 蓋体の面
130 : 透光板
140 : 半導体レーザチップ
141 : ワイヤ
151,152 : 接着層
160 : 電極
L1 : レーザ光
1: Semiconductor laser device of the present invention 2: Support substrate 3: First light-transmitting plate 4: Frame 10: Semiconductor laser unit 11: Lens member 20: Housing 21:
Claims (6)
前記筐体の内側に収容された半導体レーザチップと、
前記第一開口部を閉塞するように前記第一面の上面に載置された、絶縁性材料からなる蓋体と、
透光部材を含み、少なくとも前記透光部材の一部分が前記第二開口部に対向するように、前記第二面の上面に載置された窓部と、
前記蓋体の前記筐体側の面の一部分と、前記蓋体の前記筐体とは反対側の面の一部分との間を、前記蓋体を貫通して連絡するように形成された、導電性材料からなる電極部と、
前記蓋体の前記筐体側の面上に露出した前記電極部と前記半導体レーザチップとを電気的に接続するための給電端子と、を備えたことを特徴とする、半導体レーザ装置。 A hollow metal housing which is covered with an outer surface including a first surface having a first opening and a second surface adjacent to the first surface and having a second opening. When,
A semiconductor laser chip housed inside the housing;
A lid made of an insulating material placed on the upper surface of the first surface so as to close the first opening;
A window part placed on the upper surface of the second surface so that at least a part of the light transmissive member is opposed to the second opening part.
A conductive material formed so as to pass through the lid and communicate between a portion of the surface of the lid on the housing side and a portion of the surface of the lid opposite to the housing. An electrode part made of a material;
A semiconductor laser device comprising: a power supply terminal for electrically connecting the electrode portion exposed on the housing side surface of the lid and the semiconductor laser chip.
前記サブマウントは、前記筐体の内壁面上に載置されてい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。 A submount for mounting the semiconductor laser chip on a surface;
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the submount is placed on an inner wall surface of the housing.
前記支持基板の面と、前記筐体の面のうちの前記第一面及び前記第二面を除くいずれか1つの面とが接合されてい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。 With a support substrate,
The surface of the said support substrate and any one surface except the said 1st surface and the said 2nd surface of the surfaces of the said housing | casing are joined, The Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. Semiconductor laser device.
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