JP3035852B2 - 半導体レーザモジュール - Google Patents

半導体レーザモジュール

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Description

【発明の詳細な説明】 目次 概要 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする課題 課題を解決するための手段 作用 実 施 例 発明の効果 概要 半導体レーザモジュールに関し、 半導体レーザチップの高精度な温度制御が可能な上記
モジュールの提供を目的とし、 半導体レーザチップと共にキャリア上に固定されたサ
ーミスタの抵抗値を検出して、該抵抗値が一定になるよ
うに、上記キャリアに接触しているペルチェ素子の駆動
電流を制御するようにした半導体レーザモジュールにお
いて、上記サーミスタと該サーミスタの外部回路への接
続用の端子との間に中継ブロックを設け、該中継ブロッ
クを経由して上記サーミスタと上記端子とをワイヤボン
ディングして構成する。
産業上の利用分野 本発明は半導体レーザモジュールに関する。
強度変調／直接検波方式（IM/DD方式）が適用される
一般的な光通信システムにおいては、半導体レーザの光
出力パワーが半導体レーザへの注入電流に応じて変化す
ることを利用して、発振しきい値近傍に電流バイアスさ
れた半導体レーザに変調電流パルスを与えて、強度変調
された光を得るようにしている。ところで、半導体レー
ザのＩ−Ｌ特性（注入電流と出力光パワーの関係を表す
特性）は温度に依存して変化する。このため、外部温度
によらず一定の動作条件を得るためには、一定温度に制
御された半導体レーザを駆動するか或いは温度補償を行
う必要がある。しかしながら、温度に依存したＩ−Ｌ特
性の変化を容易に特定しえないことを考慮すると、実際
上正確な温度補償は困難であり、しかも半導体レーザの
劣化の面からも温度補償のみによるのは望ましくない。
従って、半導体レーザの信頼性を高め、温度補償回路を
不要にするためには、半導体レーザについての正確な温
度制御が要求される。
従来の技術 第８図を参照すると、半導体レーザチップ102ととも
にキャリア104上に固定されたサーミスタ106の抵抗値を
検出して、該抵抗値が一定になるように、キャリア104
に接触しているペルチェ素子108の駆動電流を制御する
ようにした従来の半導体レーザモジュールの主要部の構
成が図示されている。半導体レーザチップ102から出力
された光を光ファイバに結合するための光学系の図示は
省略されている。110はサーミスタ106を外部回路と接続
するための端子、112はペルチェ素子108を外部回路と接
続するための端子、114は半導体レーザチップ102を外部
回路と接続するための端子である。ペルチェ素子108
は、異種の導体又は半導体の接点に電流を流すときに当
該接点でジュール熱以外に熱の発生又は吸収が起こるペ
ルチェ効果を冷却等に利用したものであり、この例では
ペルチェ素子108の駆動電流を制御することによって、
半導体レーザチップ102からペルチェ素子108を介してモ
ジュール外部に放出される熱量を制御して、半導体レー
ザチップ102の温度を一定に保つようにしている。
発明が解決しようとする課題 第８図に示された従来の半導体レーザモジュールにお
いて、外部接続用の端子とサーミスタ等との接続は熱伝
導性が良好な金からなるボンディングワイヤによりなさ
れているのが通例である。このため、モジュール外部と
の温度差に応じて、端子及びボンディングワイヤを介し
て外部からサーミスタに熱が流入し或いはボンディング
ワイヤ及び端子を介してサーミスタから外部に熱が流出
し、高精度な温度制御を行うことができないという問題
があった。
第９図において、116で示されるのは、モジュールの
内部温度と外部温度とが等しいときのＩ−Ｌ特性であ
り、Ithは発振しきい値電流である。モジュールの外部
温度が相対的に高くなると、端子及びボンディングワイ
ヤを介してサーミスタに熱が流入してサーミスタの温度
がキャリア及び半導体レーザチップの温度よりも高くな
るので、半導体レーザチップは所要の温度よりも低い温
度に制御されて、Ｉ−Ｌ特性は第９図中に118で示すよ
うに左方向に移動して、Ithも減少する。一方、モジュ
ールの外部温度が相対的に低くなった場合には、サーミ
スタからボンディングワイヤ及び端子を介して熱が外部
に流出して、サーミスタの温度は半導体レーザチップ及
びキャリアの温度よりも低くなるので、半導体レーザチ
ップは相対的に高い温度に制御されて、Ｉ−Ｌ特性は第
９図中右方向に平行に移動する。このような外部温度の
変化に起因する発振しきい値電流値Ithの変化は２〜3mA
であり、高速なシステム（例えば1.8Gb/s）に適用され
る半導体レーザモジュールにあっては、無視できない変
動となる。
本発明はこのような技術的課題に鑑みて創作されたも
ので、半導体レーザチップについて高精度な温度制御が
可能な半導体レーザモジュールの提供を目的としてい
る。
課題を解決するための手段 第１図を参照して本発明の半導体レーザモジュールの
構成を説明すると、該モジュールは、半導体レーザチッ
プ２と共にキャリア４上に固定されたサーミスタ６の抵
抗値を検出して、該抵抗値が一定になるように、上記キ
ャリア４に接触しているペルチェ素子８の駆動電流を制
御するようにした半導体レーザモジュールにおいて、上
記サーミスタ６と該サーミスタ６の外部回路への接続用
の端子10との間に中継ブロック12を設け、該中継ブロッ
ク12を経由して上記サーミスタ６と上記端子10とをワイ
ヤボンディングしたものである。
作用 上記構成によると、サーミスタと端子との間に中継ブ
ロックを設け、この中継ブロックを経由してサーミスタ
と端子とをワイヤボンディングしているので、モジュー
ルの内部温度と外部温度とが異なる場合に、ボンディン
グワイヤ及び端子を介してのサーミスタへの熱の流入及
びサーミスタからの熱の流出が生じにくい。従って、サ
ーミスタの温度は常に半導体レーザチップ及びキャリア
の温度とほぼ等しくなるので、半導体レーザチップにつ
いての高精度な温度制御の実現が可能になる。
実 施 例 以下本発明の実施例を説明する。
第３図は本発明の実施に使用する半導体レーザモジュ
ール（LDモジュール）の破断斜視図である。このLDモジ
ュールは、基板22上に固定された半導体レーザアセンブ
リ（LDアセンブリ）24と、光アイソレータ26と、ファイ
バアセンブリ28とを一体にして構成されている。
LDアセンブリ24において、30は半導体レーザチップ
（LDチップ）その他の構成部品が搭載されるステム、８
はステム30上に固定されたペルチェ素子、４はペルチェ
素子32上に固定された熱伝導性が良好な金属等からなる
キャリア、２はキャリア34上に固定されたLDチップ、38
はキャリア34に対して固定されLDチップ36から放射され
た光を概略コリメートするレンズ、40はLDチップ36の後
方出射光を受光するフォトダイオード、42はステム30に
固定された気密封止用のキャップ、44はキャップ42にお
けるLD出射光の通過部分を閉塞している透過窓、46はキ
ャップ42及びステム30により気密封止された部分が収容
されるフレームである。
光アイソレータ26においては、ルチル等の複屈折性結
晶からなるプリズム48と、YIG（イットリウム・鉄・ガ
ーネット）等の磁気光学結晶からなるファラデー回転子
50と、前記プリズムと同様のプリズム52とが光路上にこ
の順に配置されており、これらの周囲に設けられた永久
磁石54によってファラデー回転子50に対して光の進行方
向に所定の磁界が印加されている。プリズム48,52、フ
ァラデー回転子50及び永久磁石54はフレーム56内に適当
な手段によって固定されている。
ファイバアセンブリ28は、集束性ロッドレンズ等のレ
ンズ58が保持されるレンズホルダ60と、光ファイバ62が
保持されるファイバホルダ70とを一体にして構成されて
いる。72は光ファイバ62の一端に固定された光コネクタ
である。
LDアセンブリ24の透過窓44から出射した光は、光アイ
ソレータ26を順方向に高い透過率で透過して、光ファイ
バ62に導き入れられて受信側に伝送される。一方、光コ
ネクタ72におけるファイバ端面等で不所望に生じた反射
帰還光は、光アイソレータ26において高い減衰率で除去
されて、LDアセンブリ24には殆ど戻らない。従って、LD
チップ36の安定動作を維持しつつこのLDチップ36につい
て直接変調を行うことができる。
本発明の第１実施例においては、第２図に示されるよ
うな中継ブロックを使用する。即ちこの実施例では、中
継ブロック12は、断熱材からなるブロック82とこのブロ
ック82の両面に形成された金属膜84とからなる。そし
て、この中継ブロック12はキャリア４に接触しないよう
に例えばステム30或いはキャップ42に直接固定される。
ブロック82の材質としては、断熱性及び絶縁性を考慮す
るとアルミナが最適である。また、ブロック82上に形成
される金属膜84の材質としては、中継ブロック12自体の
固定及びこの中継ブロック12上へのワイヤボンディング
の容易さを考慮すると、金（Au）が最適である。この実
施例において断熱材からなるブロック82を用いている理
由は次のとおりである。即ち、中継ブロック12が温度制
御されていないステム30或いはキャップ42に直接固定さ
れている場合、中継ブロック12を介してサーミスタ６と
モジュール外部とで熱のやりとりがなされて従来技術に
おける問題を完全に解決することができない恐れがある
ので、中継ブロックの大部分を断熱材から形成して上記
熱のやりとりを最小限に抑えたものである。
本発明の第２実施例においては、第１図に示すよう
に、中継ブロック12をキャリア４上に直接固定してい
る。そして、中継ブロック12を構成するブロック82の材
質としては、前実施例とは異なり、断熱材に代えて熱伝
導性が良好な絶縁体を採用している。熱伝導性が良好な
絶縁体としては、ベリリアを用いることができる。ベリ
リアは加工性が良好であり、しかもブロック上への金属
膜の形成も容易である。第１図に示すように、サーミス
タ６と中継ブロック12はボンディングワイヤ78により接
続され、中継ブロック12と端子10はボンディングワイヤ
80により接続されている。同図において、74はペルチェ
素子８を外部回路と接続するための端子であり、76はLD
チップ２を外部回路と接続するための端子である。この
ように中継ブロック12がキャリア４上に直接固定されて
いる場合に中継ブロックを熱伝導性が良好な材質から形
成しているのは、端子10及びボンディングワイヤ80を介
して中継ブロック12に流入した熱（外部温度が相対的に
高い場合）をペルチェ素子８に吸収させて、中継ブロッ
ク12に流入した熱がボンディングワイヤ78を介してサー
ミスタ６に流入することを防止するためである。従っ
て、この第２実施例は、サーミスタ６が固定されている
キャリア４上の位置と中継ブロック12が固定されている
キャリア４上の位置とが比較的離間しており、しかもペ
ルチェ素子８の容量が比較的大きい場合に適している。
第４図は本発明の第３実施例を示すLDアセンブリの主
要部の斜視図、第５図（ａ），（ｂ）はこの実施例にお
ける中継ブロックの例を示す図である。第５図（ａ）に
示された中継ブロック12は、アルミナ等の断熱材からな
る直方体形状のブロック82と、このブロック82上に形成
された金等からなる金属膜84とから構成されている。金
属膜84はサーミスタ６及び端子10とボンディングワイヤ
接続すべき面並びにキャリア４に固着すべき面に形成さ
れている。この実施例では、サーミスタ６がキャリア４
の側面に固着されていることに鑑み、中継ブロック12に
おけるボンディングワイヤの接続点を異なる面上に設定
し、ワイヤボンディング作業を容易化している。
この実施例において中継ブロック12をキャリア４に接
触させているのは、中継ブロック12及びボンディングワ
イヤ78の温度がキャリア４及びサーミスタ６と同温度に
維持されるようにして、ボンディングワイヤ78を介して
のサーミスタ６への熱の流入或いはボンディングワイヤ
78を介してのサーミスタ６からの熱の流出を極力抑える
ためである。また、中継ブロック12の大部分を断熱材か
ら形成しているのは、端子10及びボンディングワイヤ80
を介してのキャリア４やペルチェ素子８とモジュール外
部との熱のやりとりを防止するためである。従って、こ
の実施例はキャリア４やペルチェ素子８の熱容量が小さ
い場合（即ち小型な場合）等に適している。
この実施例では、例えばモジュール外部の温度が相対
的に高い場合に、端子10及びボンディングワイヤ80を介
して流入した熱が中継ブロックの金属膜84を介してボン
ディングワイヤ78に流入し、サーミスタ６による正確な
温度検知が困難になることがある。従って、金属膜84に
おけるボンディングワイヤ78の接続点は、ボンディング
ワイヤ80の接続点とできるだけ離間していることが望ま
しい。実験によると、金属膜84におけるボンディングワ
イヤ78及び80との接続点間の離間距離が5mm以上あれ
ば、金属膜84を介しての熱の流入は殆ど無いことが明ら
かになった。従って、金属膜84上におけるボンディング
ワイヤ78及び80との接続点間の距離は5mm以上あること
が望ましい。
金属膜84を介しての熱の流入及び流出を最小限に抑え
ることを目的として、第５図（ｂ）に示すような中継ブ
ロックを用いることもできる。この例においては、金属
膜84の幅が、金属膜84上におけるボンディングワイヤ78
の接続点とボンディングワイヤ80の接続点との間におい
て相対的に狭くなるようにされている。こうすると、熱
の流入或いは流出に寄与する金属膜84の断面積が減少す
るので、金属膜84を介しての熱の流入或いは流出を最小
限に抑えることができる。
第６図は本発明の第４実施例を示すLDアセンブリの主
要部の斜視図である。この実施例では、２つの中継ブロ
ックがキャリアに接触するように設けられている。
ボンディングワイヤ78によりサーミスタ６と接続され
る中継ブロック12Aは、第７図（ａ）に示すように、熱
伝導性が良好な金属体86及び絶縁体88からなる。金属体
86としては、銅の表面に金を蒸着したものが使用され、
絶縁体88の金属体86と反対の側にはキャリア４との接合
を考慮して金が蒸着されている。熱伝導性が良好な絶縁
体88としてはベリリアが適している。一方、ボンディン
グワイヤ80により端子10に接続される中継ブロック12B
は、第７図（ｂ）に示すように、断熱材からなるブロッ
ク82とこのブロック82上に形成された金属膜84とからな
る。断熱材82としてはアルミナを用いることができる。
そして、中継ブロック12Aと12Bはボンディングワイヤ79
により接続されている。
このように複数の中継ブロックを用いた場合、サーミ
スタへの熱の流入或いはサーミスタからの熱の流出を極
めて良好に防止することができる。また、この実施例の
ように、サーミスタに近接する側の中継ブロックを熱伝
導性が良好な材質から形成することによって、サーミス
タの温度はキャリアの温度とほぼ完全に一致するように
なり、温度制御の精度が向上する。また、端子に近接す
る側の中継ブロックを主として断熱材から形成すること
によって、モジュールの内部温度と外部温度とが著しく
異なる場合でも、サーミスタへの熱の流入或いはサーミ
スタからの熱の流出を効果的に抑制することができる。
この実施例では２つの中継ブロックをキャリアに接触
させているが、３つ以上の中継ブロックをキャリアに接
触させ、これらの中継ブロックを経由してサーミスタと
端子とをワイヤボンディングするようにしても良い。こ
の場合、第６及び第７図により説明した実施例と同様
に、サーミスタに最も近接する中継ブロックを熱伝導性
が良好な金属体及び絶縁体の複合体から構成し、端子に
最も近接する中継ブロックを断熱材からなるブロックと
このブロック上に形成された金属膜とから構成すること
によって、同様の効果を得ることができる。
発明の効果 以上説明したように、本発明によると、端子及びボン
ディングワイヤを介してのサーミスタからモジュール外
部への熱の流出或いはモジュール外部からサーミスタへ
の熱の流入を極力防止することができるので、サーミス
タの温度はLDチップの温度に追従して変化するようにな
り、従ってLDチップについて高精度な温度制御が可能に
なるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の原理及び第２実施例を示す図、 第２図は本発明の第１又は第２実施例における中継ブロ
ックの断面図、 第３図は本発明の実施に使用するLDモジュールの破断斜
視図、 第４図は本発明の第３実施例を示すLDアセンブリの主要
部の斜視図、 第５図は本発明の第３実施例における中継ブロックの例
を示す図、 第６図は本発明の第４実施例を示すLDアセンブリの主要
部の斜視図、 第７図は本発明の第４実施例における中継ブロックを示
す図、 第８図は従来技術の説明図、 第９図はモジュールの内部温度に依存してＩ−Ｌ特性が
変化する様子を示す図である。 ２……LDチップ、 ４……キャリア、 ６……サーミスタ、 12,12A,12B……中継ブロック。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石坂 哲男 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 大矢 利夫 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−23583（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−25993（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−318275（ＪＰ，Ａ)

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体レーザチップと共にキャリア上に固
    定されたサーミスタと、該キャリアに接触するペルチェ
    素子とを設け、該サーミスタの抵抗値が一定になるよう
    に該ペルチェ素子の駆動電流を制御可能な半導体レーザ
    モジュールにおいて、 熱伝導性が良好な絶縁体からなり表面に金属膜を有する
    中継ブロックを該キャリアに接触するように設け、 該中継ブロックを経由して該サーミスタと接続用の端子
    とをワイヤボンディングしたことを特徴とする半導体レ
    ーザモジュール。
  2. 【請求項２】該絶縁体がベリリアであることを特徴とす
    る請求項１記載の半導体レーザモジュール。
  3. 【請求項３】半導体レーザチップと共にキャリア上に固
    定されたサーミスタと、該キャリアに接触するペルチェ
    素子とを設け、該サーミスタの抵抗値が一定になるよう
    に該ペルチェ素子の駆動電流を制御可能な半導体レーザ
    モジュールにおいて、 断熱性が良好な断熱材からなり表面に金属膜を有する中
    継ブロックを該キャリアに接触するように設け、 該中継ブロックを経由して該サーミスタと接続用の端子
    とをワイヤボンディングしたことを特徴とする半導体レ
    ーザモジュール。
  4. 【請求項４】該金属膜上における該サーミスタとのボン
    ディングワイヤの接続点と該端子とのボンディングワイ
    ヤの接続点とが5mm以上離間していることを特徴とする
    請求項３記載の半導体レーザモジュール。
  5. 【請求項５】該金属膜の幅が、該金属膜上における該サ
    ーミスタとのボンディングワイヤの接続点と該端子との
    ボンディングワイヤの接続点との間において相対的に狭
    くなっていることを特徴とする請求項３又は４記載の半
    導体レーザモジュール。
  6. 【請求項６】該断熱材がアルミナであることを特徴とす
    る請求項３乃至５のいずれかに記載の半導体レーザモジ
    ュール。
  7. 【請求項７】半導体レーザチップと共にキャリア上に固
    定されたサーミスタと、該キャリアに接触するペルチェ
    素子とを設け、該サーミスタの抵抗値が一定になるよう
    に該ペルチェ素子の駆動電流を制御可能な半導体レーザ
    モジュールにおいて、 複数の中継ブロックを該キャリアに接触するように設
    け、 該複数の中継ブロックを経由して該サーミスタと接続用
    の端子とをワイヤボンディングしたことを特徴とする半
    導体レーザモジュール。
  8. 【請求項８】該サーミスタに最も近接する該中継ブロッ
    クは熱伝導性の良好な金属体及び絶縁体の複合体からな
    ることを特徴とする請求項７記載の半導体レーザモジュ
    ール。
  9. 【請求項９】該金属体は銅であり、該絶縁体はベリリア
    であることを特徴とする請求項８記載の半導体レーザモ
    ジュール。
  10. 【請求項１０】該端子に最も近接する該中継ブロックが
    断熱材からなるブロックと該ブロック上に形成された金
    属膜とからなることを特徴とする請求項７乃至９のいず
    れかに記載の半導体レーザモジュール。
  11. 【請求項１１】該断熱材がアルミナであることを特徴と
    する請求項10記載の半導体レーザモジュール。
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