JP3686784B2 - 半導体レーザ素子搭載用サブキャリアおよび半導体レーザモジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子を搭載するための半導体レーザ素子搭載用サブキャリアおよびこれを使用した光通信用の半導体レーザモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信用の半導体レーザモジュールに使用される半導体レーザ素子は、その発振波長や光出力等が半導体レーザ素子の温度により変化する。
【０００３】
したがって、半導体レーザ素子を安定して作動させるためには、半導体レーザ素子の温度を所定の温度に制御することが必要となる。
【０００４】
このような半導体レーザ素子の温度制御は、従来より半導体レーザ素子の温度を測定するための測温素子と、この測温素子が測定した半導体レーザ素子の温度情報を基に半導体レーザ素子の冷却または加熱を行なうためのペルチェ素子とにより行なわれている。
【０００５】
そして、このような測温素子およびペルチェ素子は、半導体レーザ素子とともに気密封止が可能なパッケージ内に収められて半導体レーザモジュールを構成する。
【０００６】
ここで、従来の半導体レーザモジュールを図４に断面図で示す。
【０００７】
従来の半導体レーザモジュールは、基体21と蓋体22とから成るパッケージの内部にペルチェ素子23および半導体レーザ素子24ならびに測温素子25を気密に収容して成る。なお、半導体レーザ素子24および測温素子25は、これらを搭載するためのサブキャリア26の上に配置されている。
【０００８】
パッケージを構成する基体21は、酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックスや銅−タングステン合金・鉄―ニッケルーコバルト合金等の金属から成り、主として平板状の底板部21ａと枠状の側壁部21ｂとから構成されている。
【０００９】
基体21の底板部21ａの上面にはペルチェ素子23が搭載固定されており、このペルチェ素子23の上面には、半導体レーザ素子24および測温素子25が半導体レーザ素子搭載用サブキャリア26の上に配置された状態で搭載されている。
【００１０】
また、基体21の側壁部21ｂには、鉄−ニッケル合金や鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属から成るパイプ27が取着されており、このパイプ27の内部には光ファイバ28が挿通されている。
【００１１】
光ファイバ28は、その先端が半導体レーザ素子24と対向するように配置されており、これにより半導体レーザ素子24から発生する光を光ファイバ28を介して外部に伝送することができるようになっている。
【００１２】
さらに、基体21の底板部21ａまたは側壁部21ｂには、リード端子29が固定されており、このリード端子29には、ペルチェ素子23や半導体レーザ素子24・測温素子25が電気的に接続されている。
【００１３】
また、蓋体22は、鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の金属から成る平板であり、基体21の側壁部21ｂの上面に例えばシーム溶接法により接合されることにより、基体21と蓋体22とから成るパッケージ内部にペルチェ素子23および半導体レーザ素子24ならびに測温素子25を気密に封止している。
【００１４】
この従来の半導体レーザモジュールにおいて使用される半導体レーザ素子搭載用サブキャリア26について、図５を基に、より詳細に説明する。
【００１５】
図５は、図４におけるサブキャリア26とその上に配置された半導体レーザ素子24および測温素子25とを示す斜視図である。
【００１６】
サブキャリア26は、例えば酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成る基板30の上面の一端側に半導体レーザ素子24を搭載するための金属薄膜から成る搭載部31を有している。搭載部31を構成する金属薄膜は、例えばチタン膜−白金膜−金膜からなる３層構造の金属薄膜である。この金属薄膜から成る搭載部31の上に半導体レーザ素子24が例えば金−錫合金から成るろう材を介して固定されている。サブキャリア26はまた、その裏面にも例えばチタン膜−白金膜−金膜からなる３層構造の金属薄膜（図示せず）が略全面に被着されており、この裏面の金属薄膜とペルチェ素子23とをろう付けすることによりサブキャリア26がペルチェ素子23上に固着されている。
【００１７】
他方、測温素子25は、例えば珪窒化モリブデン等の抵抗体材料の薄膜から成り、基板30の上面の他端側にジグザグ状のパターンに屈曲して設けられている。この測温素子25は、温度によってその電気抵抗値が変化する。そして、この測温素子25の電気抵抗値の変化をリード端子29を介して外部の制御回路に伝え、この制御回路からの指示でペルチェ素子23を作動させることにより半導体レーザ素子24を所定の温度に制御している。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の半導体レーザモジュールにおいては、測温素子25がサブキャリア26の上面の一端側にジグザグ状に屈曲したパターンに配設されているので、測温素子25と半導体レーザ素子24との距離が長いものとなってしまい、半導体レーザ素子24の温度変化に対する測温素子25の抵抗変化の追従性が劣るとともに、このジグザグ状に屈曲したパターンの測温素子25が半導体レーザ素子24からの熱を一つの方向からのみ受けることとなるため、測温素子25への熱の伝達が不均一なものとなり易く、そのため、迅速でかつ高精度な温度制御を行なうことが困難であるという問題点を有していた。
【００１９】
また同時に、ジグザグ状に屈曲したパターンの測温素子25はサブキャリア26上に大きな領域を占有するので、サブキャリア26が大型化し、その結果、これを搭載するペルチェ素子やパッケージも大型化してしまうという問題点も有していた。
【００２０】
本発明はかかる従来の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、半導体レーザ素子から測温素子までの距離を短いものとするとともに半導体レーザ素子から測温素子への熱の伝達を略均一なものとし、迅速でかつ高精度な温度制御を行なうことが可能な半導体レーザ素子搭載用サブキャリアおよび半導体レーザモジュールを提供することにある。
【００２１】
また、本発明の他の目的は、測温素子がサブキャリア上で大きな領域を占有することがない、小型の半導体レーザ素子搭載用サブキャリアおよびこれを用いた小型の半導体レーザモジュールを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ素子搭載用サブキャリアは、基板上に半導体レーザ素子が搭載される金属膜を有するとともに該金属膜直下の領域に測温素子が部分的に形成されていることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の半導体レーザモジュールは、基体と蓋体とから成るパッケージの内部に、前記基体の上に搭載されたペルチェ素子と、該ペルチェ素子の上に搭載された本発明の半導体レーザ素子搭載用サブキャリアと、該サブキャリア上に搭載された半導体レーザ素子とを気密に収容して成ることを特徴とするものである。
【００２４】
本発明の半導体レーザ搭載用サブキャリアによれば、半導体レーザ素子が搭載される搭載部の直下に測温素子を埋設していることから、測温素子から半導体レーザ素子までの距離を短いものとして温度変化に対する測温素子の抵抗変化の追従性を優れたものとすることができるとともに、半導体レーザ素子の熱をその直下で略均一に受けることができる。同時に、測温素子がサブキャリア上で大きな領域を占有することもない。
【００２５】
また、上述のサブキャリアを使用した本発明の半導体レーザモジュールによれば、サブキャリア中に埋設された測温素子により半導体レーザ素子の温度を追従性に優れ、かつ正確に測定することができ、その情報を基にペルチェ素子を迅速かつ高精度に作動させることができる。さらに、小型のサブキャリアを収容するので、その分、これを搭載するペルチェ素子やパッケージも小さくてすみ、モジュールを小型化することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付の図面を基に詳細に説明する。
【００２７】
図１は本発明の半導体レーザ搭載用サブキャリアおよびこれを使用した半導体レーザモジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。本発明の半導体レーザモジュールは、基体１と蓋体２とから成るパッケージの内部にペルチェ素子３・半導体レーザ素子４・測温素子５を気密に収容して成る。なお、測温素子５は、本発明の半導体レーザ素子搭載用サブキャリア６の中に埋設されている。
【００２８】
パッケージを構成する基体１は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体・ガラスセラミックス等のセラミックス材料、あるいは銅を含浸させたタングステン多孔質体や鉄−ニッケル合金・鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属から成り、主として略平板状の底板部１ａと枠状の側壁部１ｂとから構成されている。
【００２９】
なお、底板部１ａと側壁部１ｂとは同じ材料から形成されていてもよいし、互いに異なる材料から形成されていてもよい。ただし、底板部１ａと側壁部１ｂとを互いに異なる材料で形成する場合には、両者の熱膨張係数の差ができるだけ小さいものとなる組み合わせを選択することが好ましい。
【００３０】
基体１の底板部１ａの上面には、ペルチェ素子３が搭載固定されている。ペルチェ素子３は、半導体レーザ素子４を所定の温度に冷却または加熱するための熱ポンプとして機能し、測温素子５により測定した半導体レーザ素子４の温度情報を基に半導体レーザ素子４が所定の温度となるように冷却または加熱する。
【００３１】
そして、このペルチェ素子３の上面には、半導体レーザ素子搭載用サブキャリア６が搭載固定されており、このサブキャリア６上には半導体レーザ素子４配置されている。
【００３２】
サブキャリア６は、図２に斜視図で示すように、酸化アルミニウム質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体・ガラスセラミックス等の電気絶縁性の材料から成る四角平板状の２層の絶縁層７ａ・７ｂを積層一体化して成る基板７の上面に半導体レーザ素子４を搭載するための搭載部８を有するとともに、この搭載部８直下で絶縁層７ａと７ｂとの間に半導体レーザ素子４の温度を測定するための測温素子５を埋設して成る。なお、サブキャリア７は、下層の絶縁層７ｂの一端部が上層の絶縁層７ａから突出しており、この突出した部位の上面に測温素子５の両端部が導出している。また、基板７の下面には、サブキャリア６をペルチェ素子３に接合するための接合用金属層（図示せず）が被着されている。
【００３３】
基板７は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等のセラミック粉末に適当な有機バインダ・溶剤を添加混合して得た泥漿を従来周知のドクターブレード法を採用してシート状となすことにより絶縁層７ａ・７ｂとなる２枚のセラミックグリーンシートを準備するとともに、これらのシートに適当な打ち抜き加工や切断加工を施した後、上下に積層し、これを約1600℃の温度で焼成することによって製作される。
【００３４】
なお、基板７は、窒化アルミニウム質焼結体や炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体で形成しておくと、これらの材料はその熱伝導率が40Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いため、サブキャリア６上に搭載される半導体レーザ素子４とペルチェ素子３との間の熱の伝達を良好に行なうことができ、半導体レーザ素子４の温度制御を迅速に行なうことが可能となる。
【００３５】
また、基板７の上面に配設された搭載部８は、基板７に半導体レーザ素子４を固着するための下地金属として機能し、その上面には半導体レーザ素子４が金−錫合金等の低融点ろう材を介して取着される。
【００３６】
搭載部８は、例えば基板７の側からチタン膜−白金膜−金膜からなる３層構造の金属薄膜から形成されている。チタン膜は、基板７に対する密着金属であり、厚みが100 〜2000オングストローム程度である。また、白金膜はチタン膜中のチタンが金膜に拡散するのを防止するバリア層であり、厚みが500 〜10000 オングストローム程度である。さらに、金膜は、搭載部８に半導体レーザ素子２を取着する際のろう材との濡れ性を向上させるためのものであり、厚みが1000〜50000 オングストローム程度である。
【００３７】
なお、このような搭載部８となるチタン膜・白金膜・金膜は、スパッタリング法やイオンプレーティング法・蒸着法等の従来周知の薄膜成形技術を採用することによって、これらの金属膜を基板７の上面に被着させるとともに従来周知のフォトリソグラフィー技術を採用して所定のパターンにエッチングすることによって形成される。
【００３８】
また、基板７の搭載部８直下に埋設された測温素子５は、半導体レーザ素子４の温度を測定するための測温抵抗体であり、例えばタングステン−モリブデンや白金等の抵抗温度係数（ＴＣＲ）が1000ｐｐｍ／℃以上の抵抗体材料から成る。
【００３９】
測温素子５は、例えばタングステン−モリブデンから成る場合であれば、10〜90重量％のタングステン粉末および10〜90重量％のモリブデン粉末に適当な有機バインダ・溶剤を添加混合して得た抵抗体ペーストを基板７となるセラミックグリーンシートに従来周知のスクリーン印刷法を採用して所定のパターンに印刷塗布するとともに、これを前記セラミックグリーンシートと同時に焼成することによって基板７の搭載部８直下に埋設されるようにして形成される。なお、測温素子５の電気抵抗を高いものとするとともにその熱膨張係数を調整するために、前記抵抗体ペースト中に基板７となるセラミックグリーンシートに含有されるセラミック粉末を５〜30重量％程度含有させてもよい。
【００４０】
そして、本発明のサブキャリア６においては、測温素子５が基板７内部で搭載部８直下に埋設されていることが重要である。
【００４１】
測温素子５は、その両端部を基板７の表面に導出させるようにして、搭載部８との間に0.01〜１ｍｍの間隔をあけて搭載部８の直下に埋設されており、これにより半導体レーザ素子４の下面からの熱を短い距離で略均一に受けることができ、迅速かつ精度の高い測温が可能となるのである。
【００４２】
また、測温素子５は、搭載部８との間に0.01〜１ｍｍの間隔をあけて搭載部８の直下に埋設させただけなので、従来のように基板７の上面に形成した場合と比較して基板７上に大きな領域を占有することがない。その結果、サブキャリア６を小型化することができる。同時に、サブキャリア６を搭載するペルチェ素子３およびパッケージもその分小さいものとすることができるので半導体レーザモジュールを小型化することができる。
【００４３】
なお、測温素子５は、搭載部８との間隔が0.01ｍｍ未満となると、搭載部８との間に電気的な短絡を引き起こす危険性がある。他方、１ｍｍを超えると、搭載部８に搭載される半導体レーザ素子４から測温素子５までの距離が長いものとなり、半導体レーザ素子４の温度の変化に対する追従性が鈍いものとなるとともに、測温素子５を設けるために基板７が厚いものとなり、大型化してしまう傾向にある。したがって、測温素子５と搭載部８との間隔は、0.01〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００４４】
また、測温素子５は、その厚みが５〜50μｍ程度である。測温素子５の厚みが５μｍ未満であると、測温素子５に断線が発生する恐れが高くなる。他方、50μｍを超えると、測温素子５の電気抵抗値が小さなものとなり過ぎて、測温抵抗体としての感度が低いものとなる。
【００４５】
さらに、測温素子５で基板７の表面に導出した両端部には、外部の制御回路に電気的に接続される端子９が接続されている。
【００４６】
端子９は、基板７の上面に測温素子５の両端部を覆うようにして、例えば、搭載部８を構成する金属薄膜と同じ構成の金属薄膜を被着させて成る。このような端子９は、例えば予め基板７の内部に測温素子５となる抵抗体材料を、その両端部が基板７の上面に露出するようにして形成するとともに、その上を覆うようにして搭載部８および端子９となる金属膜を被着させ、この金属膜を搭載部８および端子部９の部分が残るようにエッチングすることにより搭載部８と同時に形成すればよい。
【００４７】
また、基板７の下面に被着させた接合用金属層は、搭載部８を構成する金属薄膜と同じ構成の金属薄膜から形成すればよい。
【００４８】
一方、基体１の側壁１ｂには、これを貫通するようにして鉄−ニッケル合金や鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属から成るパイプ10が取着固定されている。
【００４９】
パイプ10は、パッケージに光ファイバ11を固定するためのものであり、その内部に光ファイバ11が挿通固定される。
【００５０】
光ファイバ11は、その先端が半導体レーザ素子４と対向するようにして配置されており、これにより半導体レーザ素子４から発生する光を光ファイバ11を介して外部に伝送することができるようになっている。
【００５１】
さらに、基体１の底板部１ａまたは側壁部１ｂには、鉄−ニッケル合金や鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属から成るリード端子12がパッケージの外部に突出するようにして設けられている。
【００５２】
このリード端子12は、基体１の底板部１ａまたは側壁部１ｂを貫通するようにして設けられることにより、あるいは基体１の内部から外部に導出する配線導体に接合されることによりパッケージの内部と外部とを電気的に接続することを可能としている。そして、このリード端子12には、パッケージ内部のペルチェ素子３や半導体レーザ素子４・測温素子５が電気的に接続されている。
【００５３】
他方、蓋体２は、鉄−ニッケル合金や鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属から成る略平板であり、基体１の側壁部１ｂの上面に例えばシーム溶接することにより接合されている。そして、これにより基体１と蓋体２とから成るパッケージの内部にペルチェ素子３および半導体レーザ素子４ならびに測温素子５等が気密に封止されている。なお、蓋体２をシーム溶接により側壁部１ｂに接合する場合であって、側壁部１ｂがセラミックス材料や銅を含浸させたタングステン多孔質体から成る場合であれば、側壁部１ｂの上面に鉄−ニッケル合金や鉄−ニッケル−コバルト合金から成る金属枠体をシーム溶接のための下地金属部材として予め取着させておく必要がある。
【００５４】
かくして、本発明の半導体レーザ素子搭載用サブキャリアおよび半導体レーザモジュールによれば、迅速かつ高精度の測温が可能となるとともに、小型のサブキャリアおよび小型の半導体レーザモジュールを提供することができる。
【００５５】
なお、本発明の半導体レーザ素子搭載用サブキャリアおよび半導体レーザモジュールは上述の実施の形態の一例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更が可能である。例えば、上述の実施の形態の一例では、サブキャリア６の搭載部８および端子部９を形成する金属薄膜は、密着金属としてチタンを、バリア層として白金を使用したが、密着金属としては、クロムやニクロム・タンタル等を使用してもよく、またバリア層としては、パラジウムやニクロム・チタン−タングステン合金等を用いてもよい。
【００５６】
さらに、上述の実施の形態の一例では、サブキャリア６は、基板７を構成する下層の絶縁層７ｂの一端部を上層の絶縁層７ａから突出させ、その突出した部位の上面に測温素子５の両端部を導出させるとともに、この両端部に端子部９を接続させたが、サブキャリア６は、図３に斜視図で示すように、上下の絶縁層７ａ・７ｂを同じ大きさとし、測温抵抗体５を基板７の表面に導出させずにおくとともに、基板７を構成する上層の絶縁層７ａに端子部９を設け、この端子部９を絶縁層７ａに設けたビア導体Ｖを介して測温素子５に接続するようになしてもよい。なお、ビア導体Ｖは、タングステンやモリブデン・白金・銅・銀・銀−パラジウム等の金属粉末メタライズで形成すればよく、例えばタングステンから成る場合であれば、絶縁層７ａとなるセラミックグリーンシートに貫通孔を形成するとともにこの貫通孔内にタングステンペーストを充填し、これをセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって形成すればよい。
【００５７】
またさらに、サブキャリア６の搭載部８の上面に半導体レーザ素子４を取着するための、例えば金−錫合金から成るろう材を、スパッタリング法等を採用して所定の厚みに被着させてもよい。この場合には、搭載部８に半導体レーザ素子４を搭載する際にろう材を配置する手間を省くことができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ搭載用サブキャリアによれば、半導体レーザ素子が搭載される搭載部の直下に測温素子を埋設していることから、半導体レーザ素子までの距離を短いものとして温度変化に対する測温素子の抵抗変化の追従性を優れたものとすることができるとともに、半導体レーザ素子の熱を略均一に受けることができ、迅速かつ高精度の測温が可能となる。同時に、測温素子がサブキャリア上で大きな領域を占有することもなく、サブキャリアを小型化することができる。
【００５９】
また、上述のサブキャリアを使用した本発明の半導体レーザモジュールによれば、サブキャリアの基板の搭載部直下に埋設した測温素子により半導体レーザ素子の温度を追従性に優れ、かつ正確に測定することができ、その情報を基にペルチェ素子を迅速かつ高精度に作動させることができるので、パッケージ内部の半導体レーザ素子の温度を常に定温として半導体レーザ素子に所定の波長の光を安定して発振させることができる。さらに、小型のサブキャリアを収容するので、その分、これを搭載するペルチェ素子やパッケージも小さくてすみ、小型のモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザモジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体レーザモジュールに使用される本発明の半導体レーザ素子搭載用サブキャリアを示す斜視図である。
【図３】本発明の半導体レーザ素子搭載用サブキャリアの実施の形態の別の例を示す斜視図である。
【図４】従来の半導体レーザモジュールを示す断面図である。
【図５】図４に示す半導体レーザモジュールに使用される半導体レーザ素子搭載用サブキャリアを示す斜視図である。
【符号の説明】
１・・・・・・基体
２・・・・・・蓋体
３・・・・・・ペルチェ素子
４・・・・・・半導体レーザ素子
５・・・・・・測温素子
６・・・・・・サブキャリア
７・・・・・・基板
８・・・・・・搭載部

Claims (2)

1. 基板上に半導体レーザ素子が搭載される金属膜を有するとともに該金属膜直下の領域に測温素子が部分的に形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子搭載用サブキャリア。
2. 基体と蓋体とから成るパッケージの内部に、前記基体の上に搭載されたペルチェ素子と、該ペルチェ素子の上に搭載された請求項１記載の半導体レーザ素子搭載用サブキャリアと、該サブキャリア上に搭載された半導体レーザ素子とを気密に収容して成ることを特徴とする半導体レーザモジュール。

Images