JP2697700B2 - 温度制御型半導体レーザ装置およびその温度制御方法 - Google Patents
温度制御型半導体レーザ装置およびその温度制御方法Info
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- H01L33/645—Heat extraction or cooling elements the elements being electrically controlled, e.g. Peltier elements
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- H01S5/022—Mountings; Housings
- H01S5/0225—Out-coupling of light
- H01S5/02251—Out-coupling of light using optical fibres
Description
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信や光情報処
理等に用いられる半導体レーザ装置に関し，特に温度制
御器と温度検出用のサーミスタを用いた温度制御可能な
温度制御型半導体レーザ装置およびその温度制御方法に
関する．
理等に用いられる半導体レーザ装置に関し，特に温度制
御器と温度検出用のサーミスタを用いた温度制御可能な
温度制御型半導体レーザ装置およびその温度制御方法に
関する．
【従来の技術】従来の温度制御型半導体レーザ装置は、
半導体レーザを温度制御するために、ペルチェ素子を用
いた温度制御器と半導体レーザ実装部の直近の温度を検
出するサーミスタを組み合わせたものが多く用いられて
いる。以下に従来の温度制御型半導体レーザ装置で用い
られている構成について説明する。
半導体レーザを温度制御するために、ペルチェ素子を用
いた温度制御器と半導体レーザ実装部の直近の温度を検
出するサーミスタを組み合わせたものが多く用いられて
いる。以下に従来の温度制御型半導体レーザ装置で用い
られている構成について説明する。
【０００１】図９は、従来の温度制御型半導体レーザモ
ジュールの構成の一実施例を示す斜視図である。図９に
示されるように、半導体レーザ１およびアイランド５は
ヒートシンク２３に半田（図示せず）固定され、ヒート
シンク２３はキャリア１２に半田（図示せず）固定され
ている。サーミスタ２は半導体レーザ１の近傍のキャリ
ア１２の上に半田（図示せず）固定されている。
ジュールの構成の一実施例を示す斜視図である。図９に
示されるように、半導体レーザ１およびアイランド５は
ヒートシンク２３に半田（図示せず）固定され、ヒート
シンク２３はキャリア１２に半田（図示せず）固定され
ている。サーミスタ２は半導体レーザ１の近傍のキャリ
ア１２の上に半田（図示せず）固定されている。
【０００２】ブロック１１はキャリア１２に半田（図示
せず）固定されている。一方、光ファイバ６は外周に半
田コートが施されており、半導体レーザ１からの出射光
が光ファイバ６に入射するように調整された位置で、ブ
ロック１１に半田１０で固定されている。
せず）固定されている。一方、光ファイバ６は外周に半
田コートが施されており、半導体レーザ１からの出射光
が光ファイバ６に入射するように調整された位置で、ブ
ロック１１に半田１０で固定されている。
【０００３】温度制御器１８のリード１７は、外部との
接続のためにパッケージ７のリード端子（図示せず）に
電気的に接続されている。温度制御器１８はペルチェ素
子１４、上側基板１５、下側基板１６、および、リード
１７で構成される。
接続のためにパッケージ７のリード端子（図示せず）に
電気的に接続されている。温度制御器１８はペルチェ素
子１４、上側基板１５、下側基板１６、および、リード
１７で構成される。
【０００４】次に、温度制御器１８の基本原理について
述べる。図１１に示されるように、ｎ形、ｐ形の２種類
の半導体２７、２８が半田２９により上側基板１５と下
側基板１６に接合され、ｎ形半導体２７とｐ形半導体２
８が対として複数の対を配列されている。上側基板１５
と下側基板１６は、通常は電気的に絶縁するためにセラ
ミックス等の材料から構成されている。
述べる。図１１に示されるように、ｎ形、ｐ形の２種類
の半導体２７、２８が半田２９により上側基板１５と下
側基板１６に接合され、ｎ形半導体２７とｐ形半導体２
８が対として複数の対を配列されている。上側基板１５
と下側基板１６は、通常は電気的に絶縁するためにセラ
ミックス等の材料から構成されている。
【０００５】ここで、図１１に示した方向に直流電流が
流されると、ｎ側からｐ側に電流が流れる上側基板１５
側は吸熱し、ｐ側からｎ側に電流が流れる下側基板１６
は発熱する。このように温度制御器は２種類の半導体を
接合し、これに電流を流すことによって生じるペルチェ
効果を利用したものである。
流されると、ｎ側からｐ側に電流が流れる上側基板１５
側は吸熱し、ｐ側からｎ側に電流が流れる下側基板１６
は発熱する。このように温度制御器は２種類の半導体を
接合し、これに電流を流すことによって生じるペルチェ
効果を利用したものである。
【０００６】温度制御器１８は下側基板１６の下側をパ
ッケージ７のベース３０に半田１９で固定されており、
上側基板１５の下側にはキャリア１２が半田１３で固定
されている。半導体レーザ１とアイランド５とはワイヤ
４で電気的に接続されている。さらに、アイランド５と
リード端子２２とはワイヤ９と配線パタン８を介して電
気的に接続されている。サーミスタ２とリード端子２１
とはリード３と配線パタン２０を介して電気的に接続さ
れている。
ッケージ７のベース３０に半田１９で固定されており、
上側基板１５の下側にはキャリア１２が半田１３で固定
されている。半導体レーザ１とアイランド５とはワイヤ
４で電気的に接続されている。さらに、アイランド５と
リード端子２２とはワイヤ９と配線パタン８を介して電
気的に接続されている。サーミスタ２とリード端子２１
とはリード３と配線パタン２０を介して電気的に接続さ
れている。
【０００７】従来の温度制御型半導体レーザ装置は、上
述の部品が搭載された後に、図１０に示されるように、
パッケージ７内に窒素ガスが封入された状態でキャップ
３２がシーム溶接等で接合され、封止される。
述の部品が搭載された後に、図１０に示されるように、
パッケージ７内に窒素ガスが封入された状態でキャップ
３２がシーム溶接等で接合され、封止される。
【０００８】次に、従来の温度制御型半導体レーザ装置
のにおける半導体レーザ１の温度制御について説明す
る。サーミスタ２で検知された温度によりリード１７に
印加する電流の方向や大きさが制御される。これによ
り、上面基板１５の温度が制御され、半導体レーザ１が
一定の温度に維持される。
のにおける半導体レーザ１の温度制御について説明す
る。サーミスタ２で検知された温度によりリード１７に
印加する電流の方向や大きさが制御される。これによ
り、上面基板１５の温度が制御され、半導体レーザ１が
一定の温度に維持される。
【０００９】サーミスタ２で検知された半導体レーザ１
の温度が半導体レーザ１の設定温度より高い場合には、
半導体レーザ１を温度制御する方向に温度制御器１８の
リード１７に電流が流される。逆に、設定温度より低い
場合には、半導体レーザ１を加熱する方向に電流が流さ
れる。また、検知された半導体レーザ１の温度と設定温
度との差が大きい場合には、流す電流の値が大きくなる
ようにし、温度差が小さい場合には、電流値が小さくな
るように温度制御される。
の温度が半導体レーザ１の設定温度より高い場合には、
半導体レーザ１を温度制御する方向に温度制御器１８の
リード１７に電流が流される。逆に、設定温度より低い
場合には、半導体レーザ１を加熱する方向に電流が流さ
れる。また、検知された半導体レーザ１の温度と設定温
度との差が大きい場合には、流す電流の値が大きくなる
ようにし、温度差が小さい場合には、電流値が小さくな
るように温度制御される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従来の温度制御型半導
体レーザ装置においては、サーミスタは温度制御器の被
温度制御側にある半導体レーザの近傍に固定されてい
る。このため、被温度制御側にサーミスタを固定する場
所を確保する必要がある。また、被温度制御側のサーミ
スタとパッケージとをリードで接続する必要がある。こ
れらはパッケージの外気からの熱を被温度制御側に回り
込ませることになり、結果として温度制御特性を著しく
低下させることになる。
体レーザ装置においては、サーミスタは温度制御器の被
温度制御側にある半導体レーザの近傍に固定されてい
る。このため、被温度制御側にサーミスタを固定する場
所を確保する必要がある。また、被温度制御側のサーミ
スタとパッケージとをリードで接続する必要がある。こ
れらはパッケージの外気からの熱を被温度制御側に回り
込ませることになり、結果として温度制御特性を著しく
低下させることになる。
【００１１】本発明の目的は、温度制御型半導体レーザ
装置において、温度制御特性を改善する構成とその温度
制御方法とを提供することにある。
装置において、温度制御特性を改善する構成とその温度
制御方法とを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の温度制御型半導
体レーザモジュールは、半導体レーザ素子と、半導体レ
ーザ素子から出射される光と光学的に結合する光ファイ
バを有し、さらに半導体レーザ素子を温度制御する温度
制御器と温度を感知するサーミスタおよびこれらを収容
するパッケージからなる温度制御型半導体レーザモジュ
ールにおいて、該パッケージの底面部または内壁にサー
ミスタを固定し、パッケージにサーミスタのリードを接
続したことを特徴としている。
体レーザモジュールは、半導体レーザ素子と、半導体レ
ーザ素子から出射される光と光学的に結合する光ファイ
バを有し、さらに半導体レーザ素子を温度制御する温度
制御器と温度を感知するサーミスタおよびこれらを収容
するパッケージからなる温度制御型半導体レーザモジュ
ールにおいて、該パッケージの底面部または内壁にサー
ミスタを固定し、パッケージにサーミスタのリードを接
続したことを特徴としている。
【００１３】本発明では、パッケージの底面部または内
壁にサーミスタを固定し、パッケージにサーミスタのリ
ードが接続されているので、従来のサーミスタのリード
を介して生じるパッケージ底面部から被温度制御側への
熱の回込みを避けることができ、温度制御特性を改善す
ることができる。
壁にサーミスタを固定し、パッケージにサーミスタのリ
ードが接続されているので、従来のサーミスタのリード
を介して生じるパッケージ底面部から被温度制御側への
熱の回込みを避けることができ、温度制御特性を改善す
ることができる。
【００１４】この結果、冷却、加熱効率を向上させるこ
とができ、迅速な温度制御が可能になるとともに、温度
制御に要する消費電力を低減することができる。
とができ、迅速な温度制御が可能になるとともに、温度
制御に要する消費電力を低減することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の温度制御型半導体レーザ
装置の構成について、図面を参照ながら詳細に説明す
る。
装置の構成について、図面を参照ながら詳細に説明す
る。
【００１６】図１は、本発明の温度制御型半導体レーザ
装置の一実施例の構成を示す斜視図である。半導体レー
ザ１およびアイランド５はヒートシンク２３に半田（図
示せず）固定されている。ヒートシンク２３はキャリア
１２に半田（図示せず）固定されている。サーミスタ２
は半田コートされており、ベース３０の上に半田３１で
固定されている。ブロック１１はキャリア１２に半田
（図示せず）固定されている。光ファイバ６は外周に半
田コートが施されており、半導体レーザ１からの出射光
が光ファイバ６に入射するように調整された位置で、ブ
ロック１１に半田１０で固定されている。
装置の一実施例の構成を示す斜視図である。半導体レー
ザ１およびアイランド５はヒートシンク２３に半田（図
示せず）固定されている。ヒートシンク２３はキャリア
１２に半田（図示せず）固定されている。サーミスタ２
は半田コートされており、ベース３０の上に半田３１で
固定されている。ブロック１１はキャリア１２に半田
（図示せず）固定されている。光ファイバ６は外周に半
田コートが施されており、半導体レーザ１からの出射光
が光ファイバ６に入射するように調整された位置で、ブ
ロック１１に半田１０で固定されている。
【００１７】温度制御器１８のリード１７は外部との接
続のためにパッケージ７のリード端子（図示せず）に電
気的に接続されている。温度制御器１８はペルチェ素子
１４、上側基板１５、下側基板１６、および、リード１
７で構成される。温度制御器１８は、下側基板１６の下
側をパッケージ７のベース３０に半田１９で固定されて
おり、上側基板１５の下側にはキャリア１２が半田１３
で固定されている。
続のためにパッケージ７のリード端子（図示せず）に電
気的に接続されている。温度制御器１８はペルチェ素子
１４、上側基板１５、下側基板１６、および、リード１
７で構成される。温度制御器１８は、下側基板１６の下
側をパッケージ７のベース３０に半田１９で固定されて
おり、上側基板１５の下側にはキャリア１２が半田１３
で固定されている。
【００１８】半導体レーザ１とアイランド５とはワイヤ
４で電気的に接続されている。さらに、アイランド５と
リード端子２２とはワイヤ９と配線パタン８を介して電
気的に接続されている。サーミスタ２とリード端子２１
とはリード３と配線パタン２０を介して電気的に接続さ
れている。以上の部品が搭載されたパッケージ７は、図
２に示されるように、パッケージ７内に窒素ガスが封入
されてキャップ３２がシーム溶接等で接合されて、封止
されている。
４で電気的に接続されている。さらに、アイランド５と
リード端子２２とはワイヤ９と配線パタン８を介して電
気的に接続されている。サーミスタ２とリード端子２１
とはリード３と配線パタン２０を介して電気的に接続さ
れている。以上の部品が搭載されたパッケージ７は、図
２に示されるように、パッケージ７内に窒素ガスが封入
されてキャップ３２がシーム溶接等で接合されて、封止
されている。
【００１９】以下に、本発明の温度制御型半導体レーザ
装置における半導体レーザ１の温度制御について具体的
に説明する。図３は、ベース３０に放熱板（図示せず）
を取り付けてペルチェ電流を印加したときのベース３０
の温度変化を示している。図４は、パッケージ７の外側
の環境温度が変化してベース３０の温度が変化したとき
に、半導体レーザ１を一定の温度に保つために必要なペ
ルチェ電流を示す。ここでは、半導体レーザ１の設定温
度は２５℃としている。また、ベース３０の温度は環境
温度の変化分とペルチェ電流を印加したときのベース３
０の温度変化によるものである。
装置における半導体レーザ１の温度制御について具体的
に説明する。図３は、ベース３０に放熱板（図示せず）
を取り付けてペルチェ電流を印加したときのベース３０
の温度変化を示している。図４は、パッケージ７の外側
の環境温度が変化してベース３０の温度が変化したとき
に、半導体レーザ１を一定の温度に保つために必要なペ
ルチェ電流を示す。ここでは、半導体レーザ１の設定温
度は２５℃としている。また、ベース３０の温度は環境
温度の変化分とペルチェ電流を印加したときのベース３
０の温度変化によるものである。
【００２０】図５はサーミスタ２の抵抗値の温度特性を
示している。一般に、サーミスタの抵抗値Ｒｔｈは温度
に対して
示している。一般に、サーミスタの抵抗値Ｒｔｈは温度
に対して
【数１】 Ｒｔｈ＝Ｒ０＊ｅｘｐ（Ｂ＊（１／Ｔ−１／Ｔ０）） で表される。ここで、Ｒ０は温度がＴ０の時のサーミス
タ抵抗値、Ｂは定数である。
タ抵抗値、Ｂは定数である。
【００２１】なお、図５ではＴ０：２９８［Ｋ］、Ｒ
０：１０［ｋΩ］、Ｂ：３４５０［１／Ｋ］の場合を示
している。図４と図５からベース３０に固定したサーミ
スタ２で検知された抵抗値により、半導体レーザ１を一
定の温度に保つために必要なペルチェ電流が図６に示さ
れている。
０：１０［ｋΩ］、Ｂ：３４５０［１／Ｋ］の場合を示
している。図４と図５からベース３０に固定したサーミ
スタ２で検知された抵抗値により、半導体レーザ１を一
定の温度に保つために必要なペルチェ電流が図６に示さ
れている。
【００２２】図７は半導体レーザ１を一定の温度に保つ
ための温度制御回路のブロック図である。図７におい
て、電圧Ｖ１を抵抗４１とサーミスタ抵抗４２とによっ
て分割した電圧がＡ／Ｄ変換回路４３に入力され、その
出力が演算回路４４に入力される。演算回路４４からの
出力は、Ｖ／Ｉ変換回路４５と温度制御加熱切り換え回
路４６に入力される。Ｖ／Ｉ変換回路４５と温度制御加
熱切換え回路４６とからの出力は４つのトランジスタ４
７〜５０に入力される。４つのトランジスタ４７〜５０
は温度制御器１８に接続されている。
ための温度制御回路のブロック図である。図７におい
て、電圧Ｖ１を抵抗４１とサーミスタ抵抗４２とによっ
て分割した電圧がＡ／Ｄ変換回路４３に入力され、その
出力が演算回路４４に入力される。演算回路４４からの
出力は、Ｖ／Ｉ変換回路４５と温度制御加熱切り換え回
路４６に入力される。Ｖ／Ｉ変換回路４５と温度制御加
熱切換え回路４６とからの出力は４つのトランジスタ４
７〜５０に入力される。４つのトランジスタ４７〜５０
は温度制御器１８に接続されている。
【００２３】次に温度制御回路の動作について説明す
る。環境温度が変化してサーミスタ抵抗４２の値が変化
したときに、図６に示されるサーミスタ抵抗値に対応す
るペルチェ電流が流れるように、あらかじめ演算回路４
４に入出力電圧が設定される。ペルチェ電流はＶ／Ｉ変
換回路によって流れる。このとき、ペルチェ電流の方向
は、温度制御加熱切換え回路４６から２つのトランジス
タ４７、４８へ出力がスイッチされることによって制御
される。以上のようにして半導体レーザ１の温度は環境
温度の変化に対して一定に保たれる。なお、本実施例で
はサーミスタをパッケージ底面のベース部に固定した
が、これに限ることなく、パッケージ側面に固定しても
よい。
る。環境温度が変化してサーミスタ抵抗４２の値が変化
したときに、図６に示されるサーミスタ抵抗値に対応す
るペルチェ電流が流れるように、あらかじめ演算回路４
４に入出力電圧が設定される。ペルチェ電流はＶ／Ｉ変
換回路によって流れる。このとき、ペルチェ電流の方向
は、温度制御加熱切換え回路４６から２つのトランジス
タ４７、４８へ出力がスイッチされることによって制御
される。以上のようにして半導体レーザ１の温度は環境
温度の変化に対して一定に保たれる。なお、本実施例で
はサーミスタをパッケージ底面のベース部に固定した
が、これに限ることなく、パッケージ側面に固定しても
よい。
【００２４】
【実施例】図８に本発明による半導体レーザモジュール
の温度制御特性を示す。環境温度の変化に対して消費す
るペルチェ電流が点線で示した従来よりも少なくなって
おり、例えば、環境温度が７５℃の場合にはペルチェ電
流が２０％少なくなっている。
の温度制御特性を示す。環境温度の変化に対して消費す
るペルチェ電流が点線で示した従来よりも少なくなって
おり、例えば、環境温度が７５℃の場合にはペルチェ電
流が２０％少なくなっている。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、パッケ
ージの底面部または内壁にサーミスタを固定し、パッケ
ージにサーミスタのリードが接続される。このような構
成を採用することにより、従来のサーミスタのリードを
介して生じるパッケージ底面部から被温度制御側への熱
の回込みを避けることができ、温度制御特性を改善する
ことができる。
ージの底面部または内壁にサーミスタを固定し、パッケ
ージにサーミスタのリードが接続される。このような構
成を採用することにより、従来のサーミスタのリードを
介して生じるパッケージ底面部から被温度制御側への熱
の回込みを避けることができ、温度制御特性を改善する
ことができる。
【００２６】この結果、冷却、加熱効率を向上させるこ
とができ、迅速な温度制御が可能になるとともに、温度
制御に要する消費電力を低減することができる。
とができ、迅速な温度制御が可能になるとともに、温度
制御に要する消費電力を低減することができる。
【図１】本発明の温度制御型半導体レーザモジュールの
構成の一実施例を示す斜視図である。
構成の一実施例を示す斜視図である。
【図２】本発明の温度制御型半導体レーザモジュールの
構成の一実施例を示す側面図である。
構成の一実施例を示す側面図である。
【図３】ペルチェ電流を印加したときのベース部の温度
変化である。
変化である。
【図４】半導体レーザの温度を一定にするためのペルチ
ェ電流を示す。
ェ電流を示す。
【図５】サーミスタの抵抗値の温度特性である。
【図６】ベースに固定したサーミスタの抵抗値に対する
ペルチェ電流を図６示す。
ペルチェ電流を図６示す。
【図７】半導体レーザ１を一定の温度に保つための温度
制御回路のブロック図である。
制御回路のブロック図である。
【図８】本発明の温度制御型半導体レーザモジュールの
温度制御特性の一例である。
温度制御特性の一例である。
【図９】従来の温度制御型半導体レーザモジュールの構
成の一実施例を示す斜視図である。
成の一実施例を示す斜視図である。
【図１０】従来の温度制御型半導体レーザモジュールの
構成の一実施例を示す側面図である。
構成の一実施例を示す側面図である。
【図１１】温度制御器の基本原理を示す図である。
１ 半導体レーザ ２ サーミスタ ３ リード ４ ワイヤ ５ アイランド ６ 配線基板 ７ パッケージ ８ 配線パタン ９ ワイヤ １０ 半田 １１ ブロック １２ キャリア １３ 半田 １４ ペルチェ素子 １５ 上側基板 １６ 下側基板 １７ リード １８ 温度制御器 １９ 半田 ２０ 配線パタン ２１ リード端子 ２２ リード端子 ２３ ヒートシンク ２７ ｎ形半導体 ２８ ｐ形半導体 ２９ 半田 ３０ ベース ３１ 半田 ３２ キャップ
Claims (7)
- 【請求項１】 半導体レーザ素子と、 前記半導体レーザから出射される光と光学的に結合する
光ファイバと、 制御信号により前記半導体レーザ素子をあらかじめ設定
された設定温度に制御する温度制御手段と、 温度を感知する温度感知手段と、前記温度感知手段に接
続され感知された検出温度に応じた検出温度信号を送出
する信号出力手段を含む温度検出手段と、 少なくとも前記半導体レーザ素子と前記温度制御手段を
収容し、前記温度検出手段の前記温度感知手段が内壁に
設定された収容手段とを備えていることを特徴とする温
度制御型半導体レーザ装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の温度制御型半導体レーザ
装置において、 前記温度検出手段の前記温度感知手段は、前記収容手段
の内壁に設定されていることを特徴とする温度制御型半
導体レーザ装置。 - 【請求項３】 請求項１記載の温度制御型半導体レーザ
装置は、さらに、 前記検出温度と前記設定温度との差分に基づいて、前記
制御信号を送出する温度制御手段を備えていることを特
徴とする温度制御型半導体レーザ装置。 - 【請求項４】 請求項１記載の温度制御型半導体レーザ
装置は、さらに、 前記検出温度に応じて前記制御信号を決定する演算手段
を備えていることを特徴とする温度制御型半導体レーザ
装置。 - 【請求項５】 前記温度制御素子は、ペルチェ素子であ
ることを特徴とする請求項１記載の温度制御型半導体レ
ーザ装置。 - 【請求項６】 半導体レーザ素子と、 前記半導体レーザから出射される光と光学的に結合する
光ファイバと、 制御信号により、前記半導体レーザ素子をあらかじめ設
定された設定温度に温度制御する温度制御部と、 温度感知手段により感知された検出温度に応じて電気信
号を送出する温度検出部と、 少なくとも前記半導体レーザ素子と前記温度制御手段を
収容し、前記温度検出手段の前記温度感知手段が内壁に
設定されたパッケージとを備えた温度制御型半導体レー
ザ装置において、 前記温度検出部により前記パッケージの内壁の温度を検
出する温度検出工程と、 前記検出温度に応じて前記制御信号を決定し送出する演
算工程と、 前記制御信号により前記半導体レーザ装置を温度制御す
る温度制御とを含むことを特徴とする温度制御型半導体
レーザ装置の温度制御方法。 - 【請求項７】 請求項６記載の温度制御型半導体レーザ
装置の温度制御方法において、 前記演算工程は、前記検出温度とあらかじめ設定された
温度との差分を算出し、該差分に基づいて前記制御信号
を決定する工程を含むことを特徴とする温度制御型半導
体レーザ装置の温度制御方法。
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