JP3180701B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ装
置、特に光通信関連の装置に用いる発光素子モジュール
に関するものである。
置、特に光通信関連の装置に用いる発光素子モジュール
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の発光素子モジュールとし
て、図3に示す構造のものがあった。図3は、従来の半
導体レーザ装置の内部構造を示す断面図である。
て、図3に示す構造のものがあった。図3は、従来の半
導体レーザ装置の内部構造を示す断面図である。
【0003】図3に示されるように、半導体レーザ1
は、ヒートシンク2を介してキャリア3上にマウントさ
れている。4はフォトダイオード,17はキャップであ
る。半導体レーザ1からの出射光は、レンズホルダ11
によって固定されたレンズ7およびアイソレータ8を介
して、スライドリング9にて固定されたピグテール10
に入射される。ピグテール10は、In半田15によっ
てケース5に固定されている。
は、ヒートシンク2を介してキャリア3上にマウントさ
れている。4はフォトダイオード,17はキャップであ
る。半導体レーザ1からの出射光は、レンズホルダ11
によって固定されたレンズ7およびアイソレータ8を介
して、スライドリング9にて固定されたピグテール10
に入射される。ピグテール10は、In半田15によっ
てケース5に固定されている。
【0004】またキャリア3は、冷却能力を有するペル
チェ素子6上にBiSnやInPbAgなどのソルダ1
2にて接合されており、さらにペルチェ素子6はケース
5に同様のソルダ12にて接合されている。
チェ素子6上にBiSnやInPbAgなどのソルダ1
2にて接合されており、さらにペルチェ素子6はケース
5に同様のソルダ12にて接合されている。
【0005】特に、ファイバアンプの励起光源として使
われる半導体レーザモジュールにおいては、安定した高
光出力動作が要求されている。高光出力を実現するため
には、半導体レーザ1に500mA前後の駆動電流を通
電することが必要であるが、このとき半導体レーザ1
は、自己発熱により約30℃前後温度が上昇する。その
ため、安定動作を維持するためには、特に冷却容量の大
きい大型のペルチェ素子6が必要となり、ペルチェ素子
6とケース5との接合面が通常の通信用半導体レーザモ
ジュールよりも広くなっている。
われる半導体レーザモジュールにおいては、安定した高
光出力動作が要求されている。高光出力を実現するため
には、半導体レーザ1に500mA前後の駆動電流を通
電することが必要であるが、このとき半導体レーザ1
は、自己発熱により約30℃前後温度が上昇する。その
ため、安定動作を維持するためには、特に冷却容量の大
きい大型のペルチェ素子6が必要となり、ペルチェ素子
6とケース5との接合面が通常の通信用半導体レーザモ
ジュールよりも広くなっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図3に
示された従来の半導体レーザ装置において、接合面が広
くなっているため、ペルチェ素子6のON/OFF試験
のように急峻な温度変化を伴う温度環境試験を実施した
場合、十分な信頼性が得られないという問題点があっ
た。
示された従来の半導体レーザ装置において、接合面が広
くなっているため、ペルチェ素子6のON/OFF試験
のように急峻な温度変化を伴う温度環境試験を実施した
場合、十分な信頼性が得られないという問題点があっ
た。
【0007】その理由は、ペルチェ素子6とケース5お
よびキャリア3との間の熱膨張率差による熱応力によっ
てペルチェ素子6が破壊され冷却特性を維持できず、安
定動作ができなくなるためである。
よびキャリア3との間の熱膨張率差による熱応力によっ
てペルチェ素子6が破壊され冷却特性を維持できず、安
定動作ができなくなるためである。
【0008】これらの問題点の解決策として、ペルチェ
素子6を構成する上下のセラミック板とキャリア3とケ
ース5の熱膨張率をほぼ等しくする方法があった。この
構造は、特開昭63−276892号公報,実開平4−
63669号公報に開示されている。
素子6を構成する上下のセラミック板とキャリア3とケ
ース5の熱膨張率をほぼ等しくする方法があった。この
構造は、特開昭63−276892号公報,実開平4−
63669号公報に開示されている。
【0009】しかし、ペルチェ素子6を構成する上下の
セラミック板は、通常窒化アルミ(AlN)やアルミナ
(Al2O3)が用いられ、キャリア3やケース5などの
金属部品の材質としては、コパールから20%銅タング
ステン(CuW−20)を選定する必要があり、上述の
金属材質の熱伝導率(〜0.5cal/cm・sec・
℃)では、特に500mA程度で駆動する半導体レーザ
1からの発熱量を伝導し冷却特性を確保することは、困
難であった。
セラミック板は、通常窒化アルミ(AlN)やアルミナ
(Al2O3)が用いられ、キャリア3やケース5などの
金属部品の材質としては、コパールから20%銅タング
ステン(CuW−20)を選定する必要があり、上述の
金属材質の熱伝導率(〜0.5cal/cm・sec・
℃)では、特に500mA程度で駆動する半導体レーザ
1からの発熱量を伝導し冷却特性を確保することは、困
難であった。
【0010】本発明の目的は、冷却能力特性の信頼性を
向上させた半導体レーザ装置を提供することにある。
向上させた半導体レーザ装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体レーザ装置は、ケースと、ペル
チェ素子と、熱応力吸収機構とを有する半導体レーザ装
置であって、ケースは、装置の機枠をなすものであり、
ペルチェ素子は、半導体レーザを調温するものであっ
て、前記ケースに取付けられるものであり、熱応力吸収
機構は、ペルチェ素子とケースを相対変位可能に接合
し、熱応力によりペルチェ素子に作用する機械的ストレ
スを緩和するものである。
め、本発明に係る半導体レーザ装置は、ケースと、ペル
チェ素子と、熱応力吸収機構とを有する半導体レーザ装
置であって、ケースは、装置の機枠をなすものであり、
ペルチェ素子は、半導体レーザを調温するものであっ
て、前記ケースに取付けられるものであり、熱応力吸収
機構は、ペルチェ素子とケースを相対変位可能に接合
し、熱応力によりペルチェ素子に作用する機械的ストレ
スを緩和するものである。
【0012】また前記熱応力吸収機構は、磁気吸引力に
よりペルチェ素子とケースとの間を接合したものであ
る。
よりペルチェ素子とケースとの間を接合したものであ
る。
【0013】また前記熱応力吸収機構は、バネ力により
ペルチェ素子とケースとの間を圧着して接合したもので
ある。
ペルチェ素子とケースとの間を圧着して接合したもので
ある。
【0014】
【作用】ケースとペルチェを半田材等にて接着せず、磁
力やバネの弾力等の物理的力によって固定する。このた
め、熱伝導率の高い30%銅タングステン(CuW−3
0)等の金属材質を使用した場合でも、ケースとペルチ
ェの接合部分にかかる熱応力を緩和することとなり、冷
却能力特性を向上できる。
力やバネの弾力等の物理的力によって固定する。このた
め、熱伝導率の高い30%銅タングステン(CuW−3
0)等の金属材質を使用した場合でも、ケースとペルチ
ェの接合部分にかかる熱応力を緩和することとなり、冷
却能力特性を向上できる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図により説明する。
て図により説明する。
【0016】(実施形態1)図1は、本発明の実施形態
1に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。
1に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。
【0017】図1において、ケース5にキャップ17が
取付けられ、キャップ17内に半導体レーザ装置の構成
部品が内装されている。すなわち、ケース5上には、冷
却能力を有するペルチェ素子6が搭載されている。
取付けられ、キャップ17内に半導体レーザ装置の構成
部品が内装されている。すなわち、ケース5上には、冷
却能力を有するペルチェ素子6が搭載されている。
【0018】ペルチェ素子6上には、キャリア3とレン
ズホルダ11とがBiSuやInPbAgなどのソルダ
12により接合されている。
ズホルダ11とがBiSuやInPbAgなどのソルダ
12により接合されている。
【0019】半導体レーザ1は、キャリア3上にヒート
シンク2を介してマウントされ、フォトダイオード4
は、半導体レーザ1からの後方出力光をモニタするため
にキャリア3上にマウントされている。キャリア3に
は、熱伝導率の高い30%銅タングステンを用いてい
る。さらに半導体レーザ1からの出射光の光軸上には、
集光用のレンズ7,アイソレータ8,ピグテール10が
配設されている。レンズ7,アイソレータ8はレンズホ
ルダ11に保持され定位置に設置され、ピグテール10
は、レンズホルダ11に取付けられたスライドリング9
に保持され定位置に設置されている。したがって、半導
体レーザ1からの出射光は、レンズ7,アイソレータ8
を介してピグテール10に入射する。
シンク2を介してマウントされ、フォトダイオード4
は、半導体レーザ1からの後方出力光をモニタするため
にキャリア3上にマウントされている。キャリア3に
は、熱伝導率の高い30%銅タングステンを用いてい
る。さらに半導体レーザ1からの出射光の光軸上には、
集光用のレンズ7,アイソレータ8,ピグテール10が
配設されている。レンズ7,アイソレータ8はレンズホ
ルダ11に保持され定位置に設置され、ピグテール10
は、レンズホルダ11に取付けられたスライドリング9
に保持され定位置に設置されている。したがって、半導
体レーザ1からの出射光は、レンズ7,アイソレータ8
を介してピグテール10に入射する。
【0020】さらに本発明の実施形態1においては、ペ
ルチェ素子6をケース5上に搭載するにあたって、これ
らを一体に接合するのではなく、熱応力吸収機構を介し
てペルチェ素子6をケース5上に搭載したことを特徴と
している。
ルチェ素子6をケース5上に搭載するにあたって、これ
らを一体に接合するのではなく、熱応力吸収機構を介し
てペルチェ素子6をケース5上に搭載したことを特徴と
している。
【0021】図1に示す実施形態1では、熱応力吸収機
構として、磁力による吸引作用を利用した構造のものを
用いている。具体的に説明すると、ペルチェ素子6の下
面には、フェライト(CoFe2O4またはNiFe
2O4)13aを厚さ2μmに塗布し、一方、ケース5の
上面には、フェライト(CoFe2O4またはNiFe2
O4)13bを厚さ2μmに塗布し、層状のフェライト
13aと13bとの間にIn薄膜14を介してケース5
上にペルチェ素子6を搭載している。
構として、磁力による吸引作用を利用した構造のものを
用いている。具体的に説明すると、ペルチェ素子6の下
面には、フェライト(CoFe2O4またはNiFe
2O4)13aを厚さ2μmに塗布し、一方、ケース5の
上面には、フェライト(CoFe2O4またはNiFe2
O4)13bを厚さ2μmに塗布し、層状のフェライト
13aと13bとの間にIn薄膜14を介してケース5
上にペルチェ素子6を搭載している。
【0022】フェライト13aと13bは、予め外部磁
場を印加することにより、お互いに吸引するように磁化
されているため、互いに吸引するフェライト13aと1
3bとの磁力により、ペルチェ素子6はケース5の定位
置に保持される。またペルチェ素子6とケース5との間
には、非常に柔らかい厚さ1μmのIn薄膜14が介装
されており、In薄膜14が緩衝材として作用する。
場を印加することにより、お互いに吸引するように磁化
されているため、互いに吸引するフェライト13aと1
3bとの磁力により、ペルチェ素子6はケース5の定位
置に保持される。またペルチェ素子6とケース5との間
には、非常に柔らかい厚さ1μmのIn薄膜14が介装
されており、In薄膜14が緩衝材として作用する。
【0023】実施形態1において、ペルチェ素子6は、
フェライト13aと13bとの磁力によりケース5に保
持されているため、ペルチェ素子6とケース5との接合
部分における水平方向の自由度は、半田材で固定した場
合よりも高いこととなる。
フェライト13aと13bとの磁力によりケース5に保
持されているため、ペルチェ素子6とケース5との接合
部分における水平方向の自由度は、半田材で固定した場
合よりも高いこととなる。
【0024】したがって、ペルチェ素子6とケース5と
の熱膨張差により、ペルチェ素子6とケース5との接合
部分に熱応力が加わったとしても、その熱応力は、磁気
吸引し合った2つのフェライト13a,13bが水平方
向にずれることにより吸収され、ペルチェ素子6とケー
ス5との間の機械的ストレスが緩和される。このため、
ペルチェ素子6を熱応力による破壊から保護することが
でき、半導体レーザ1の動作を安定に保つことができ
る。
の熱膨張差により、ペルチェ素子6とケース5との接合
部分に熱応力が加わったとしても、その熱応力は、磁気
吸引し合った2つのフェライト13a,13bが水平方
向にずれることにより吸収され、ペルチェ素子6とケー
ス5との間の機械的ストレスが緩和される。このため、
ペルチェ素子6を熱応力による破壊から保護することが
でき、半導体レーザ1の動作を安定に保つことができ
る。
【0025】(実施形態2)図2は、本発明の実施形態
2に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。
2に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。
【0026】実施形態1では、熱応力吸収機構としてフ
ェライト13a,13bを用いたが、実施形態2では、
バネ16を用いている。
ェライト13a,13bを用いたが、実施形態2では、
バネ16を用いている。
【0027】図2において、半導体レーザ1,ヒートシ
ンク2,キャリア3,フォトダイオード4,レンズ7,
アイソレータ8,レンズホルダ11等がペルチェ素子6
に保持された構成は、実施形態1と共通しているが、実
施形態2は、ペルチェ素子6をケース5上に水平方向に
移動可能に配設し、キャップ17に一端が固定されたバ
ネ16のバネ力をペルチェ素子6に作用させ、そのバネ
力をもってペルチェ素子6をケース5上に圧着させてい
る。
ンク2,キャリア3,フォトダイオード4,レンズ7,
アイソレータ8,レンズホルダ11等がペルチェ素子6
に保持された構成は、実施形態1と共通しているが、実
施形態2は、ペルチェ素子6をケース5上に水平方向に
移動可能に配設し、キャップ17に一端が固定されたバ
ネ16のバネ力をペルチェ素子6に作用させ、そのバネ
力をもってペルチェ素子6をケース5上に圧着させてい
る。
【0028】実施形態2において、ペルチェ素子6は、
バネ16のバネ力をもってケース5上に圧着されている
ため、ペルチェ素子6とケース5との接合部分における
水平方向の自由度は、半田材で固定した場合よりも高い
こととなる。
バネ16のバネ力をもってケース5上に圧着されている
ため、ペルチェ素子6とケース5との接合部分における
水平方向の自由度は、半田材で固定した場合よりも高い
こととなる。
【0029】したがって、ペルチェ素子6とケース5と
の熱膨張差により、ペルチェ素子6とケース5との接合
部分に熱応力が加わったとしても、その熱応力は、バネ
16のバネ力が作用したままペルチェ素子6がケース5
上で水平方向にずれることによって吸収され、ペルチェ
素子6とケース5との間の機械的ストレスが緩和され、
ペルチェ素子6が熱応力による破壊から保護され、半導
体レーザ1の動作を安定に保つことができる。
の熱膨張差により、ペルチェ素子6とケース5との接合
部分に熱応力が加わったとしても、その熱応力は、バネ
16のバネ力が作用したままペルチェ素子6がケース5
上で水平方向にずれることによって吸収され、ペルチェ
素子6とケース5との間の機械的ストレスが緩和され、
ペルチェ素子6が熱応力による破壊から保護され、半導
体レーザ1の動作を安定に保つことができる。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ペ
ルチェ素子とケースとの接合を、半田材に代えて、熱応
力吸収機構を用いて実施したため、熱応力をペルチェ素
子とケースとの相対変位により吸収することができ、ペ
ルチェ素子とケースとの間に加わる機械的ストレスを緩
和して、ペルチェ素子を熱応力による破壊から保護し、
半導体レーザの動作を安定に保つことができる。
ルチェ素子とケースとの接合を、半田材に代えて、熱応
力吸収機構を用いて実施したため、熱応力をペルチェ素
子とケースとの相対変位により吸収することができ、ペ
ルチェ素子とケースとの間に加わる機械的ストレスを緩
和して、ペルチェ素子を熱応力による破壊から保護し、
半導体レーザの動作を安定に保つことができる。
【0031】さらに、ペルチェ素子とケースとは分離さ
れた構造であるため、ペルチェ素子,ケース,キャリア
の材質を熱膨張率がほぼ等しくする必要がなく、キャリ
アに熱伝導率の高い金属材料を用いて、半導体レーザの
発熱を効率よく放熱することができる。
れた構造であるため、ペルチェ素子,ケース,キャリア
の材質を熱膨張率がほぼ等しくする必要がなく、キャリ
アに熱伝導率の高い金属材料を用いて、半導体レーザの
発熱を効率よく放熱することができる。
【図1】本発明の実施形態1を示す断面図である。
【図2】本発明の実施形態2を示す断面図である。
【図3】従来例を示す断面図である。
1 半導体レーザ 2 ヒートシンク 3 キャリア 4 フォトダイオード 5 ケース 6 ペルチェ素子 7 レンズ 8 アイソレータ 9 スライドリング 10 ピグテール 11 レンズホルダ 12 ソルダ 13a,13bフェライト 15 Inソルダ 16 バネ 17 キャップ
Claims (1)
- 【請求項1】 ケースと、ペルチェ素子と、熱応力吸収
機構とを有する半導体レーザ装置であって、 ケースは、装置の機枠をなすものであり、 ペルチェ素子は、半導体レーザを調温するものであっ
て、前記ケースに取付けられるものであり、 熱応力吸収機構は、前記ペルチェ素子と前記ケースとの
間を相対変位可能に磁気吸引力により接合し、 熱応力により前記ペルチェ素子に作用する機械的ストレ
スを緩和するものであることを特徴とする半導体レーザ
装置。
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