JP3076246B2 - ペルチェクーラ内蔵半導体レーザモジュール - Google Patents

ペルチェクーラ内蔵半導体レーザモジュール

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子冷却素子とし
てのペルチェクーラ及び同ペルチェクーラを使用した半
導体レーザモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザモジュールは光ファイバ伝
送システム等において電気信号を光信号に変換するため
に用いられる。半導体レーザモジュール内に設けられた
半導体レーザ素子を電気信号で駆動することにより、変
調信号光が得られる。半導体レーザの発振波長や光出力
は温度依存性を有するので、安定な動作を確保するため
には半導体レーザの温度制御が必要である。この目的の
ため、内部に電子冷却素子であるペルチェクーラを内蔵
した半導体レーザモジュールが開発されている。
【０００３】このペルチェクーラを内蔵した半導体レー
ザモジュールの例として、１９９３年電子情報通信学会
秋季大会講演論文集Ｃ−１８０に示されてものが知られ
ている。図６はこの論文集に示されている半導体レーザ
モジュールの構造図である。箱型をしたモジュールパッ
ケージ６１の内部底面にはペルチェクーラ６２が実装さ
れ、さらにその上にキャリア基板６３が実装されてい
る。ペルチェクーラ６２は、低温側基板６２ａと、高温
側基板６２ｂと、これらに挟持されたペルチェ素子６２
ｃとから構成される。
【０００４】キャリア基板６３の上には半導体レーザ６
４が実装され、同半導体レーザ６４の出射側には第１の
レンズ６５が配置されている。モジュールパッケージ６
１の外部における上記第１のレンズ６５の光軸の延長上
には第２のレンズ６６が円筒部材６７によって取り付け
られ、その蓋部６８には上記光軸と一致するように光フ
ァイバ６９の一端が挿入されている。
【０００５】半導体レーザ６４が出射したレーザ光は第
１のレンズ６５によって平行光に変換され、第２のレン
ズ６６によって集光されて光ファイバ６９に結合する。
ここで、第１および第２のレンズ６５，６６と光ファイ
バ６９は、半導体レーザと光ファイバの結合効率が最大
となるように位置関係を調整されて固定されている。
【０００６】半導体レーザ６４と光ファイバ６９とを結
合する光学系を構成する各部品の固定には、通常、信頼
性の高いＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネ
ット）レーザ溶接が用いられる。ただし、低温側基板６
２ａと高温側基板６２ｂには絶縁性体であるセラミック
を用いる必要があるため、この部分の固定にＹＡＧレー
ザ溶接は適用できない。そこで、モジュールパッケージ
６１と高温側基板６２ｂとの間や、低温側基板６２ａと
キャリア基板６３との間の固定には、半田、特にＢｉＳ
ｎやＩｎＰｂＡｇなどの低温半田が用いられる。低温半
田を用いるのは、ペルチェ素子６２ｃと低温側基板６２
ａおよび高温側基板６２ｂとの固定には、通常、融点１
８３℃のＳｎＰｂ半田が用いられるため、これよりも低
融点の半田を使用する必要があるからである。
【０００７】ところで、半田、特に低温半田ではクリー
プが生じ易い。クリープとは、比較的微小な応力が静的
に長時間連続してかけられたとき、応力のかかった部分
が変形する現象である。半導体レーザのモジュールパッ
ケージの内部には、組立時の残留応力や熱を起因とする
熱応力が存在する。したがって、従来のペルチェクーラ
を使用した半導体レーザモジュールでは、低温半田を使
用した固定部にクリープが生じ易く、光学系を長期に最
適な状態に保持することができないという問題があっ
た。
【０００８】この問題に対し、特開平２−６６９８７号
公報には、モジュールパッケージ内に冷却素子を配置す
ると共に、この冷却素子に外部からの温度変化に対して
光軸ずれの少ない円筒状のレーザユニットを半田によっ
て固定する構造の半導体レーザモジュールが示されてい
る。この円筒状のレーザユニット内には、光モジュール
の主要構成要素を配置しておき、これにより経時的な光
軸ずれを無視するようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の半導体
レーザモジュールにおいては、円筒状のレーザユニット
を収容するため、形状が限定されて汎用化しづらく、コ
ストアップを招くとともに構造的に複雑化するという課
題があった。なお、この他にも特開平１−２２０４９１
号公報に開示された半導体レーザモジュールでは、キャ
リア基板上に半導体レーザと光学部品などを載置したレ
ーザモジュールとモジュールパッケージの内底面との間
にペルチェクーラを配置しており、特開平１−８６２６
０号公報に開示された半導体レーザモジュールでは、モ
ジュールパッケージを二重底としつつ上底にてレーザユ
ニットを固定するとともに下底にてペルチェクーラを固
定しており、半田付け固定しているので上述したのと同
様の課題が残っている。
【００１０】一方、特開平４−３５５７０６号公報に開
示された半導体レーザモジュールでは、上面絶縁板材上
に金属パターンを形成して半導体レーザと光学部品など
をＹＡＧレーザ固定している。しかし、モジュールパッ
ケージ内の絶縁板材上で光軸合わせしながら部品を固定
しなければならず、本来のレーザユニットの製造現場と
は相違することになって制約が大きい。
【００１１】本発明は、上記課題にかんがみてなされた
もので、通常のキャリア上にて組み付けられたレーザユ
ニットを使用しつつ高精度なＹＡＧレーザ溶接固定可能
なペルチェクーラ及び半導体レーザモジュールの提供を
目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のペルチェクーラ内蔵半導体レーザモジュー
ルは、二枚の絶縁板材の間にペルチェ素子が挟持され、
上記絶縁板材の外周部に配置され絶縁部材とはロー付け
により固定された金属枠を備えたペルチェクーラが用い
られている。本発明の構成によれば、ペルチェ素子を挟
持する二枚の絶縁板材に金属枠を装着してあるので、こ
の金属枠部分に対して高精度なレーザ溶着固定が可能と
なる。ここにおいて、二枚の絶縁板材をさらに金属板材
で挟持する場合に比べると同金属板材の厚さ分だけ薄く
なっている。
【００１３】また、本発明は、上記ペルチェクーラにお
いて、金属枠はレーザにて貫通可能な薄肉状とした貫通
溶接部を有する構成としてある。かかる構成からなる発
明によれば、レーザにて貫通できない場合は溶着面に対
して斜めに照射しなければならなくなり、位置合わせな
どが煩雑になるが、レーザにて貫通可能な薄肉状とする
ことにより、垂直に照射すればよい。
【００１４】そして、本発明のペルチェクーラ内蔵半導
体レーザモジュールは、キャリア基板上に半導体レーザ
と光学部品などを載置したレーザモジュールと、上述し
たペルチェクーラと、上記ペルチェクーラにおける上側
の金属枠に対して上記レーザモジュールを固定しつつ当
該ペルチェクーラにおける下側の金属枠を内底面上に固
定して同レーザモジュールからの発振光を外部に導出す
るモジュールパッケージとを具備する構成としてある。
かかる構成からなる発明によれば、ペルチェ素子を挟持
する二枚の絶縁板材に金属枠を装着してあるので、セラ
ミックなどの絶縁板材でない金属枠を利用した溶着固定
などが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図面にもとづいて本発明の
実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態にか
かる半導体レーザモジュールを概略断面図により示して
いる。同図における半導体レーザモジュール１０の、矩
形箱形のモジュールパッケージ１１は、ＦｅＮｉＣｏ合
金で形成されており、内部にペルチェクーラ１２とレー
ザユニットであるキャリア基板１３を収容している。す
なわち、ペルチェクーラ１２はモジュールパッケージ１
１の内部底面上に配置され、その上面にキャリア基板１
３が配置されている。
【００１６】 本実施形態においては、モジュールパッケ
ージ１１をＦｅＮｉＣｏ合金にて矩形箱形に形成してい
るが、ペルチェクーラ１２とレーザユニットを収容可能
な形状であればよい。また、ペルチェクーラ１２を内部
底面上に配置しているが、必ずしも底面上である必要は
なく、以下、上下左右の各方向についても相対的なもの
にすぎない。
【００１７】 キャリア基板１３はＦｅＮｉＣｏ合金にて
形成され、その上面には半導体レーザ素子１４や第１の
レンズユニット１５を実装してある。また、モジュール
パッケージ１１の外部における同第１のレンズユニット
１５の光軸の延長上には、第２のレンズ１６が円筒部材
１７にて取り付けられており、同円筒部材１７の蓋部１
８には上記光軸と一致するように光ファイバ１９の一端
が挿入されている。
【００１８】 かかる構成により、半導体レーザ素子１４
が出射したレーザ光は、第１のレンズユニット１５によ
って平行光に変換され、さらに第２のレンズ１６によっ
て集光されて光ファイバ１９に結合する。なお、ペルチ
ェクーラ１２には温度検出素子としてサーミスタ（図示
せず）が配置され、同サーミスタの検出した温度に応じ
た電流が供給されるようになっている。この制御電流に
より半導体レーザ素子１４の温度がモジュールの周囲温
度の変化に関係なくほぼ一定となるような温度制御が行
われている。また、ここで、第１のレンズユニット１５
と第２のレンズ１６と光ファイバ１９は、半導体レーザ
素子１４と光ファイバ１９の結合効率が最大となるよう
な位置関係に調整され、固定されている。
【００１９】 本実施形態においては、レーザ光の光学系
を第１のレンズユニット１５や第２のレンズ１６などに
よって構成しているが、適宜変形可能であることはいう
までもない。また、レーザ光の出射方向についても図示
のものに限られるものではなく、適宜変更可能なことは
いうまでもない。
【００２０】 ペルチェクーラ１２は、低温側基板部１２
ａと、高温側基板部１２ｂと、これらに挟持されたペル
チェ素子１２ｃとから構成されている。図２はかかるペ
ルチェクーラを斜視図により示している。低温側基板部
１２ａは、ペルチェ素子１２ｃに接合された第１のセラ
ミック基板２１ａと、この第１のセラミック基板２１ａ
の外周部にロー付け固定された第１の金属枠２２ａとか
ら構成されている。同様に、高温側基板部１２ｂは、ペ
ルチェ素子１２ｃに接合された第２のセラミック基板２
１ｂと、この第２のセラミック基板２１ｂの外周部にロ
ー付け固定された第２の金属枠とから構成されている。
なお、ペルチェ素子１２ｃには図示していないリード線
が接続されており、このリード線を介してモジュール外
部から同ペルチェ素子１２ｃに電流が供給されるように
なっている。
【００２１】 ここにおいて、第１および第２のセラミッ
ク基板２１ａ，２１ｂにはアルミナ基板が用いられてい
る。また、第１および第２の金属枠２２ａ，２２ｂには
ＦｅＮｉＣｏ合金が用いられている。さらに、第１のセ
ラミック基板２１ａと第１の金属枠２２ａ、および第２
のセラミック基板２１ｂと第２の金属枠２２ｂのロー付
け固定にはＡｇＣｕが用いられている。なお、各金属枠
２２ａ，２２ｂは必ずしも連続した環状である必要はな
く、少なくとも周縁を溶接固定できる程度の形状であれ
ばよい。
【００２２】 なお、本実施形態においては、第１および
第２のセラミック基板２１ａ，２１ｂが絶縁板材を構成
しており、アルミナにて形成しているが、絶縁板材であ
ればよく、ＡｌＮ等のセラミック基板を使用してもよ
い。また、第１のセラミック基板２１ａと第１の金属枠
２２ａ、および第２のセラミック基板２１ｂと第２の金
属枠２２ｂの固定には、ＡｇＣｕによるロー付けを行っ
ているが、両者を固着できるものであればよく、他の合
金、例えばＡｕＧｅなどを使用することも可能である。
【００２３】 次に、上記構成からなる本実施形態の組付
方法を説明する。ペルチェクーラ１２の第１の金属枠２
２ａとレーザユニットのキャリア基板１３は、図１に示
す溶接部２０ａにて高精度なＹＡＧレーザ溶接固定され
ている。同様に、同ペルチェクーラ１２の第２の金属枠
２２ｂとモジュールパッケージ１１の内部底面も同図に
示す溶接部２０ｂにて高精度なＹＡＧレーザ溶接固定さ
れている。このように、本実施形態に示すペルチェクー
ラ１２を用いた半導体レーザモジュール１０では、従
来、低温半田を用いたペルチェクーラとキャリア基板と
の固定をＹＡＧレーザ溶接で行うことができる。従っ
て、半田クリープが生じることがなく、長期的に安定し
た光学系の配置を確保することができる。
【００２４】 図３は、本発明の変形例にかかる半導体レ
ーザモジュールを概略断面図により示している。本実施
形態の半導体レーザモジュール１０は、第１の実施形態
の半導体レーザモジュール１０と比較すると、モジュー
ルパッケージ１１の内部底板が高熱伝導基板３０で構成
され、その上に溶接用基板３１がロー付けにより接合さ
れている点で異なっている。そして、高温側基板部１２
ｂにおける第２のセラミック基板２１ｂはこの溶接用基
板３１にＹＡＧレーザ溶接により固定されている。
【００２５】 ここにおいて、高熱伝導基板３０にはＣｕ
Ｗが用いられており、溶接用基板３１にはＦｅＮｉＣｏ
合金が用いられている。かかる構成とすることにより、
第２のセラミック基板２１ｂから放出される熱をモジュ
ール外部に伝達する作用を有するモジュールパッケージ
１１の底板として、ＦｅＮｉＣｏ合金よりも熱伝導性の
大きいＣｕＷを用いている。従って、効率的に熱がモジ
ュールパッケージの外部に放出されるためモジュールと
して冷却能力が向上する。もちろん、熱伝導性の大きい
素材であればよく、他の素材で構成することもできる。
【００２６】 図４は、本発明の他の変形例にかかる半導
体レーザモジュールを概略断面図により示している。本
実施形態の半導体レーザモジュール１０は、第１の実施
形態の半導体レーザモジュール１０と比較すると、ペル
チェクーラ１２の代わりにペルチェクーラ４０を用いて
いる点で異なっている。このペルチェクーラ４０は、先
のペルチェクーラ１２における高温側基板部１２ｂの代
わりに高温側基板部４１を用いた構造となっている。
【００２７】 図５は、この高温側基板部４１を斜視図に
より示している。すなわち、第２のセラミック基板２１
ｂの外周部に第２の金属枠４２がロー付けにより固定さ
れているが、この第２の金属枠４２の端部には上面部分
を半円状に切り欠いて薄肉状に形成した貫通溶接部４３
が形成されている。この貫通溶接部４３は、レーザビー
ムを照射したときに貫通できるよう、その厚さを第２の
金属枠４２よりも薄くしてある。
【００２８】 すなわち、第２の金属枠４１とモジュール
パッケージ１１の内部底面とは、図４に示す溶接部４４
にてＹＡＧレーザ溶接にて固定されている。そして、こ
の溶接の際、ＹＡＧレーザビームは垂直方向から貫通溶
接部４３に照射され、貫通溶接部４３を貫通してモジュ
ールパッケージ１１の内部底面を溶融する。例えば、第
１の実施形態のペルチェクーラ１２をＹＡＧレーザ溶接
にてモジュールパッケージ１１に固定する場合、第２の
金属枠４２の側面とモジュールパッケージ１１の内部底
面を溶融する。従って、ＹＡＧレーザビームを垂直方向
に対して斜めの方向から照射する必要がある。
【００２９】 しかしながら、この場合はＹＡＧレーザビ
ームがモジュールパッケージ１１の側面等に当たらない
よう、モジュールパッケージ１１の寸法に余裕を持たせ
る必要がある。これに対して、本実施形態におけるペル
チェクーラ４０を固定する場合はレーザビームを垂直方
向から照射するため、モジュールパッケージ１１に余裕
を持たせる必要はなく、その寸法を小さくすることがで
きる。
【００３０】 このように、ペルチェクーラ１２は、絶縁
板材である低温側基板部１２ａと高温側基板部１２ｂと
の間にペルチェ素子１２ｃを挟持させて構成し、それぞ
れの絶縁板材の縁部には第１および第２の金属枠２２
ａ，２２ｂをロー付け固定しているため、この第１およ
び第２の金属枠２２ａ，２２ｂをレーザ溶接にて高精度
かつ安定した固定とすることができる。これにより、半
導体レーザモジュールにおいては半田クリープが生じな
くなり、長期的に安定した光学系の配置を確保できる。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、半田を
用いないで構成されるペルチェクーラを用いて構成され
るので、光学系を長期的に安定化させることができるの
で、信頼性の高い半導体レーザモジュールを実現するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる半導体レーザモジ
ュールの概略断面図である。
【図２】同半導体レーザモジュールのペルチェクーラの
斜視図である。
【図３】本発明の変形例にかかる半導体レーザモジュー
ルの概略断面図である。
【図４】本発明の他の変形例にかかる半導体レーザモジ
ュールの概略断面図である。
【図５】同半導体レーザモジュールのペルチェクーラに
おける高温側基板部の斜視図である。
【図６】従来の半導体レーザモジュールの概略断面図で
ある。
【符号の説明】
１０ 半導体レーザモジュール １１ モジュールパッケージ １２ ペルチェクーラ １２ａ 低温側基板部 １２ｂ 高温側基板部 １２ｃ ペルチェ素子 １３ キャリア基板 ２１ａ 第１のセラミック基板 ２１ｂ 第２のセラミック基板 ２２ａ 第１の金属枠 ２２ｂ 第２の金属枠 ３０ 高熱伝導基板 ３１ 溶接用基板 ４０ ペルチェクーラ ４１ 高温側基板部 ４２ 第２の金属枠 ４３ 貫通溶接部 ４４ 溶接部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−247093（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−243181（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−144124（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−276892（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−327031（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 キャリア基板上に半導体レーザと光学部
    品が載置されたサーザモジュールと、 上側と下側との二枚の絶縁板材の間にペルチェ素子が挟
    持されるとともに、前記二枚の絶縁板材の外周部に配置
    され前記絶縁板材とはロー付けにより固定された金属枠
    を有するペルチェクーラと、前記レーザモジュールと前記ペルチェクーラとを収容す
    るモジュールパッケージとを備えた半導体レーザモジュ
    ールであって、 前記ペルチェクーラにおける上側の金属枠に対して前記
    レーザモジュールがレーザで溶接固定され、前記ペルチェクーラにおける下側の金属枠と前記モジュ
    ールパッケージの内底面がレーザで溶接固定され、 前記レーザモジュールからの発振光を外部に導出するこ
    とを特徴とするペルチェクーラ内臓半導体レーザモジュ
    ール。
  2. 【請求項２】 前記金属枠はレーザにより貫通可能な薄
    肉状とした貫通溶接部を有することを特徴とする請求項
    １記載のペルチェクーラ内臓半導体レーザモジュール。
JP08213507A 1996-08-13 1996-08-13 ペルチェクーラ内蔵半導体レーザモジュール Expired - Fee Related JP3076246B2 (ja)

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