JP4057302B2 - レーザダイオードモジュールからなる小型光源 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高出力光源、特に、高い密度で配置された、高光出力の複数個のレーザダイオードモジュールからなる小型光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、レーザダイオードモジュールは、光ファイバ通信、特に幹線系・ＣＡＴＶの信号光源やファイバアンプの励起光源として用いられている。このようなレーザダイオードモジュールは、高出力および安定動作を実現するために、ペルチェ素子を内蔵し、そのペルチェ素子上部に搭載された金属基板上にレーザダイオードチップ、フォトダイオードチップ、レンズ等の光学部品、サーミスタ素子、インダクタ、抵抗等の電気部品を配置している（以下、「クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール」という）。
なお、上述したペルチェ素子は、熱電半導体であり、直流の電流を流すと、ｐ型の半導体の場合には、電流の流れる方向に熱が運ばれ、ｎ型半導体の場合には電流と反対方向に熱が運ばれ、熱電半導体の両側で温度差が生じる。ペルチェ素子を使用した冷却システムは、上述した温度差を利用して、低温側を冷却に、高温側を放熱に使用している。
【０００３】
レーザダイオードモジュールは、上述したレーザダイオードチップの近傍に接着されたサーミスタ素子によってチップの温度を検出している。このように検出された温度値をフィードバックしてペルチェ素子を駆動させることにより、レーザダイオードチップが配置された金属基板全体を冷却して、レーザダイオードチップの温度を一定に保つ構造を備えている。
【０００４】
図１２に従来のレーザダイオードモジュール（クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール）を示す。図１２は、レーザダイオードモジュールの概略断面図を示す。レーザダイオードモジュールは、図１２に示すように、レーザダイオードチップ１１１およびヒートシンク１１２を搭載したマウント１１３と、モニター用フォトダイオードチップ１１４を搭載したチップキャリア１１５と、レンズホルダ１１６と、図示しない抵抗体、インダクタおよび回路基板等を接着した金属基板１１０ａと、ペルチェ素子１１７とを備えている。ペルチェ素子は、パッケージ放熱板１１８上に金属ソルダで固定されている。なお、ペルチェ素子１１７の上下には、セラミックス板１１９Ａ、１１９Ｂが配置される。
【０００５】
図１３は、図１２におけるレーザダイオードモジュールのＡ−Ａ'断面図である。図１３に示すように、レーザダイオードモジュールの主要部は、ヒートシンク１１２上にレーザダイオードチップ１１１の他にサーミスタ１２１を搭載し、ペルチェ素子１１７と金属基板１１０ａとを接着する金属ソルダとして、両者の熱膨張差を緩和するために、ソフトソルダ１２２を用いている。
上述した金属基板は、通常、銅タングステン（ＣｕＷ：銅の重量配分比１０〜３０％のものが存在）等の単一材質で形成されている。金属基板とペルチェ素子との接着は、両者の熱膨張差を緩和するために、インジウム錫（ＩｎＳｎ）などの低温ソフトソルダが用いられてきた。
【０００６】
しかし、近年、レーザダイオードモジュールの高出力化に伴い、レーザダイオードモジュールの冷却能力と温度環境信頼度（即ち、温度が変化した場合においても正常に機能を継続する能力）に対する要求が厳しくなっている。
冷却能力向上のためには、ペルチェ素子を大型化したり、上部に搭載する金属基板の高熱伝導材質化を図る必要がある。しかしながら、ペルチェ素子の冷却能力向上に伴う温調タイム（目的の温度に達するまでの時間）の短縮により、ペルチェ素子上部に搭載した金属基板への温度ストレスも大きくなる。そのため、ペルチェ素子と金属基板の熱膨張率差の影響が大きくなり、両者を接着するソフトソルダの摺動により亀裂剥離を生じさせるという問題が生じる。しかも、ソフトソルダ特有のハンダクリープ現象も顕著になる。
【０００７】
【発明が解決しょうとする課題】
上述したように、個々のレーザダイオードモジュールが更に高出力化し、ペルチェ素子を大型化すると、高い密度でレーザダイオードを配置することが困難になる。更に、高出力化した多数のレーザダイオードモジュールを高い密度で配置して使用すると、チップとペルチェ素子との間に配置される金属基板の熱伝導性を高めたり、熱膨張率の差を小さくするだけでは、レーザダイオードモジュールの高出力化、それらの高い密度の配置にともなって発生する熱を処理することができず、レーザダイオードモジュールの機能を損傷してしまうという問題点がある。
【０００８】
即ち、各レーザダイオードモジュール自体がサイズが小さい上に高発熱密度体であり、それらを複数個実装することが求められる光励起用光源または光信号光源として使用する場合には、レーザダイオードモジュールの熱を放熱することが困難であった。一方、光励起用光源または光信号光源は、更なる光出力の向上が求められており、従来の方法では、レーザダイオードモジュールのペルチェ素子による冷却が限界に達して、半導体素子の性能を１００％生かしきれない状態でしか、使用することができなくなっている。
【０００９】
更に、市場のニーズとして、光出力を向上させても、ペルチェ素子および半導体素子励起による消費電力を従来以下のままに維持したいという要望があり、光源内の放熱特性が非常に重要になってきている。
更に、レーザダイオードモジュールの他に、レーザダイオードモジュールを制御するための他の発熱素子（例えば、ＣＰＵ）を備えたレーザダイオードモジュール制御基板からの発熱の処理も要求されている。
上述したように、優れた放熱性能を備え、小さいスペースで多数のレーザダイオードが搭載されて、広帯域かつ利得が平坦な励起光源の出現が待望されている。
【００１０】
従って、この発明の目的は、従来の問題点を解決して、高い密度で配置された、高光出力の複数個のレーザダイオードモジュールからなる小型光源を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、励起光パワーの小さい波長（例えば、１４３７．９〜１４８７．８ｎｍ）については、小型のクーラレスダイオードモジュールを使用し、励起光パワーの大きな波長については、従来のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールを使用することにより、小さいスペースに励起光源を高い密度で配置することを可能にした。また、クーラレスダイオードモジュールの、レーザダイオードチップおよび光学機器を搭載する金属基板と均熱板とを直接熱的に接続し、更に、均熱板に所謂ヒートポンプとして機能する熱電変換素子を熱的に接続し、そして、熱電変換素子にヒートシンクを接続することによって、高い密度で配置されたレーザダイオードモジュールを一括冷却することができ、放熱特性を高めることができることが判明した。
【００１２】
更に、ヒートシンクとして、金属製のベースプレートと、ベースプレートの表面部に溝を形成し、放熱フィンを溝に挿入し、放熱フィンの両側部を機械的にカシメて固定するカシメフィン型ヒートシンクを使用することによって、フィンピッチを小さくして、多数の放熱フィンを備えたヒートシンクが得られ、放熱特性が一段と向上することが判明した。
上述したカシメフィン型ヒートシンクを使用して、上述したクーラレスレーザダイオードモジュール群をヒートシンクに熱的に接続するとともに、クーラ内蔵型レーザダイーオードモジュール群のそれぞれのレーザダイオードモジュールのペルチェ素子を上述したヒートシンクに熱的に接続することによって、優れた放熱性能を備え、小さいスペースで多数のレーザダイオードが搭載されて、広帯域かつ利得が平坦な励起光源を得ることができることが判明した。
更に、複数個のレーザダイオードモジュールを搭載する際の搭載方向、位置を自由に選択でき、設計の自由度を高めることができることが判明した。
【００１３】
この発明は、上記研究結果に基づいてなされたものであって、この発明の第１の態様は、（Ａ）レーザダイオードチップ、光学機器、前記レーザダイオードチップおよび前記光学機器を搭載する金属基板を備え、熱電変換素子を内蔵しない複数個のクーラレスレーザダイオードモジュール群と、
（Ｂ）レーザダイオードチップ、光学機器、前記レーザダイオードチップおよび前記光学機器を搭載する金属基板、前記金属基板と熱的に接続された熱電変換素子を備えた、複数個のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュール群と、
（Ｃ）前記クーラレスレーザダイオードモジュール群の前記金属基板に熱的に接続された共通均熱板と、
（Ｄ）前記共通均熱板に熱的に接続された共通熱電変換素子と、
を備えたレーザダイオードモジュールからなる光源である。
好ましくは、前記光源は、さらに、前記共通熱電変換素子に熱的に接続されるとともに前記クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールの前記熱電変換素子に熱的に接続された共通ヒートシンクを備える。
【００１４】
好ましくは、前記共通ヒートシンクは、ベースプレートと前記ベースプレート上にカシメによって固定された放熱フィンとからなる、カシメフィン型ヒートシンクで構成される。
【００１５】
好ましくは、前記放熱フィンは２種類の異なる金属からなっている。
【００１８】
好ましくは、前記共通均熱板はヒートパイプからなっている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
この発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源の態様について図面を参照しながら詳細に説明する。
この発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源は、高い密度で配置された、ペルチェ素子を内蔵しない複数個のクーラレスレーザダイオードモジュール、前記クーラレスレーザダイオードモジュールに熱的に接続する均熱板、前記均熱板に熱的に接続された熱電変換素子、および、前記熱電変換素子に接続されたヒートシンクを備えた、レーザダイオードモジュールからなる小型光源である。
【００２４】
更に、この発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源は、高い密度で配置された、レーザダイオードチップ、光学機器、前記レーザダイオードチップおよび前記光学機器を搭載する金属基板を備え、そして、ペルチェ素子を内蔵しない複数個のクーラレスレーザダイオードモジュール群、および、レーザダイオードチップ、光学機器、前記レーザダイオードチップおよび前記光学機器を搭載する金属基板、前記金属基板と熱的に接続されたペルチェ素子を備えた、複数個のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュール群からなる、レーザダイオードモジュールからなる小型光源である。
【００２５】
更に、この発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源は、複数個の前記クーラレスレーザダイオードモジュール群が搭載される第１のボード、複数個の前記クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール群が搭載される第２のボードを備えており、前記第１のボードおよび前記第２のボードが前記ヒートシンクに搭載され、前記クーラレスレーザダイオードモジュール群のそれぞれの前記金属板が前記均熱板、前記熱電変換素子を介して前記ヒートシンクに熱的に接続され、そして、前記クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール群のそれぞれの前記ペルチェ素子が前記ヒートシンクに熱的に接続されている、レーザダイオードモジュールからなる小型光源である。
【００２６】
図１は、この発明のレーザダイオードからなる小型光源の１つの態様を示す概略斜視図である。図２は、図１に示すこの発明のレーザダイオードからなる小型光源の主要部を示す分解図である。
図１に示す態様のこの発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源においては、７個のクーラレスレーザダイオードモジュール２が所定の位置に配置されたクーラレスレーザダイオードモジュール群が第１のボード３に搭載され、第１ボード３をコの字状に囲む第２ボード５の上に、片側に３個づつのクーラ内蔵型レーザダイオードモジュール４が所定の位置に配置されて、搭載されている。第１ボード３および第２ボード５の下方には、ベースプレート８およびベースプレートにカシメられた放熱フィン９からなるカシメフィン型ヒートシンクが配置されている。
【００２７】
上述したように、図１に示す態様においては、クーラレスレーザダイオードモジュール群と、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール群とを組合わせている。クーラレスレーザダイオードモジュール群の熱は、後述するように、金属基板、均熱板、熱電変換素子を介してヒートシンクに移動され、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール群は、ペルチェ素子を介して、ヒートシンクに移動され、放熱フィンによって所定位置に放熱される。
【００２８】
図３は、この発明のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールを示す図である。
図３に示すように、レーザダイオードモジュール１０は、レーザダイオードチップ１１、第１レンズ１２、第２レンズ１３、コア拡大ファイバ１４および気密ケース２０を備えている。レーザダイオードチップ１１は、第１レンズ１２との間に所定の間隔をおいて、金属基板２１上にチップキャリア２２を介して設けられている。金属基板２１は、気密ケース２０内に設けた温度制御用のペルチェ素子２３の上方に配置されている。金属基板２１は、主要部分が銅製で、第１レンズ１２を設置する部分がステンレス製の複合材である。金属基板２１は、チップキャリア２２を挟んで第１レンズ１２と対向する側にキャリア２４が固定され、チップキャリア２２のレーザダイオードチップ１１と対向する位置にモニタ用のフォトダイオード２４ａが設けられている。
【００２９】
第１レンズ１２は、レンズホルダ１２ａにコリメータレンズ１２ｂが保持されている。レンズホルダ１２ａは、金属基板２１に溶接固定されている。コリメータレンズ１２ｂは、高結合効率を得るために非球面レンズが使用されている。第２レンズ１３は、レンズホルダ１３ａに上下部分を削り出した球レンズ１３ｂが保持されている。レンズホルダ１３ａは、光軸に垂直な面内で位置調整して気密ケース２０の後述する挿着円筒２０ａに固定されている。
【００３０】
コア拡大ファイバ１４は、コアを拡大させた先端側が光軸に対して６°傾斜させて斜めに研磨されるとともに研磨面に反射防止コーティングが施され、先端側が金属筒１５内に接着されて保護されている。金属筒１５は、調整部材１６の最適位置に溶接固定されている。金属筒１５は、調整部材１６内でコア拡大ファイバ１４の光軸方向に沿って前後方向にスライドさせたり、光軸廻りに回転させることにって調整部材１６の最適位置に調整される。
【００３１】
図４は、この発明のクーラレスレーザダイオードモジュールを示す図である。図４に示すように、この発明のクーラレスレーザダイオードモジュールは、図３に示したペルチェ素子２３を内蔵していない。その他は、概ね、図３に示すレーザダイオードモジュールと同一である。即ち、レーザダイオードチップ１１および光学機器１２を搭載する金属基板２１の下面は、直接、気密ケース２０に接している。従って、図４に示すこの発明のクーラレスレーザダイオードモジュールは、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールに比較して、非常にコンパクトであり、高い密度で配置することができる。
【００３２】
図５は、この発明のクーラレスレーザダイオードモジュール群の詳細を説明する図である。図５に示すように、この発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源は、高い密度で配置された、レーザダイオードチップ、光学機器およびこれらを搭載する金属基板を備え、そして、ペルチェ素子を内蔵しない複数個のクーラレスレーザダイオードモジュール２、クーラレスレーザダイオードモジュール２に熱的に接続する均熱板６、均熱板６に熱的に接続された熱電変換素子７、および、熱電変換素子７に接続されたヒートシンク（図示しない）を備えている。即ち、クーラレスレーザダイオードモジュール２のレーザダイオードチップおよび光学機器を搭載する金属基板に、均熱板６が熱的に接続され（例えば、図５に示すように、クーラレスレーザダイオードモジュール２に対応するように設けられた凸部３６に金属基板が熱的に接続される）、更に、均熱板６に例えばペルチェ素子等の熱電変換素子が熱的に接続される。
【００３３】
図６は、図５に示したレーザダイオードモジュールからなる小型光源における熱の移動を示す図である。図６に示すように、クーラレスレーザダイオードモジュール２のレーザダイオードチップおよび光学機器を搭載する金属基板から均熱板６に熱が移動する。均熱板は、熱伝導性に優れた部材、または、ヒートパイプからなっており、複数個のクーラレスレーザダイオードモジュール２の熱を広い範囲に瞬時に拡散させる。均熱板６の下端面には熱電変換素子７が熱的に接続され、更に熱電変換素子７には、ベースプレート８およびベースプレートにカシメられた放熱フィン９からなるカシメフィン型ヒートシンクが熱的に接続されている。熱電変換素子７は、所謂ヒートポンプとして機能して、均熱板６に伝わった熱を、放熱特性に優れた、フィンピッチの小さい放熱フィンの数が多いカシメフィン型ヒートシンクに瞬時に移動し、放熱フィンから所定の位置に放熱する。
【００３４】
図２を参照して、図１に示す態様のこの発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源を詳細に説明する。図２の円内に示すように、レーザダイオードチップ、光学機器およびこれらを搭載する金属基板を備え、そして、ペルチェ素子を内蔵しないクーラレスレーザダイオードモジュール２が所定の位置に配置されたクーラレスレーザダイオードモジュール群が第１のボード３に搭載されている。クーラレスレーザダイオードモジュール２の下面に、均熱板６、熱電変換素子７、および、ベースプレート８およびベースプレートにカシメられた放熱フィン９からなるカシメフィン型ヒートシンクが、熱的に接続されて配置される。この際、上述したように、クーラレスレーザダイオードモジュール２に対応するように設けられた凸部３６に金属基板が熱的に接続される。
【００３５】
上述した第１ボード３をコの字状に囲む第２ボード５の両側に、複数個のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュール４が所定の位置に配置されて、搭載されている。第２ボード５の下方には、ベースプレート８およびベースプレートにカシメられた放熱フィン９からなるカシメフィン型ヒートシンクが配置されている。クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール４のペルチェ素子が熱的にカシメフィン型ヒートシンクに接続される。このようにクーラレスレーザダイオードモジュールおよびクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールが搭載されたヒートシンクのベースプレートの上方にケース３３およびケース蓋３４が配置される。
【００３６】
上述したクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールは、例えば、アルミニウム製のヒートシンクに、熱伝導グリス等のサーマルインターフェース材を介して取り付けられ、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールの熱を効率良く放熱する。
クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールの電気端子は、ヒートシンクに取り付けられた電気基板（第２のボード）にハンダ付けされる。
【００３７】
クーラレスレーザダイオードモジュールにおいては、例えば、銅またはアルミニウム等の熱伝導率に優れた材料を使用して作製したヒートスプレッダー（均熱板）にサーマルインターフェース材を介して取りつけた。均熱板は、銅またはアルミニウム製のヒートパイプを使用してもよい。均熱板のクーラレスレーザダイオードモジュールが取り付けられた面と反対側の面には、冷却用のペルチェ素子等の熱電変換素子を、サーマルインターフェス材を介して取りつける。このようにして、ミニレーザユニットを作製する。ミニレーザユニットは、サーマルインターフェースを介してヒートシンクに取り付けられる。
【００３８】
上述したように、均熱板は、一般に熱伝導率の高い材料を使用して作製されるので、熱を効率よく輸送することができ、結果として、均熱板全体における温度差が小さい。この原理を利用することによって、各クーラレスレーザダイオードモジュールの熱は、均熱板を通して、効率良く熱電変換素子（例えば、ペルチェ素子）に伝えることができる。ペルチェ素子に輸送された熱は、ヒートシンクによって、効率良く放熱される。なお、ペルチェ素子の冷却能力を調整することによって、ミニレーザダイオードモジュールの一括温調も可能になる。
【００３９】
更に、ミニレーザダイオードモジュールの電気端子は、均熱板に取り付けた電気基板（第１のボード）にハンダ付けされる。第１のボードは第２のボードに、コネクタによって電気的に接続される。ミニレーザダイオードモジュールへの電源供給は、第２のボードに取り付けられたコネクタによって、第２のボードを通じて行われる。
【００４０】
次ぎに、この発明におけるヒートシンクについて説明する。図７は、この発明いおいて使用するヒートシンクを説明する図である。図７に示すように、ヒートシンクは、ベースプレート８およびベースプレートにカシメられた放熱フィン９からなるカシメフィン型ヒートシンクである。即ち、ヒートシンクのベースプレート８の一方の面には、一定間隔（例えば、２ｍｍピッチ）で溝が形成されている。上述した溝にフィンプレート（例えば、厚さ０．４ｍｍ）を差し込み、ベースプレートの溝と溝の間の部分（３５で示す）をカシメることによって、ベースプレートとフィンプレートを固定させ、熱的に接続する。このように形成されたヒートシンクにおいては、従来の切削フィンでは５〜６ｍｍピッチが限界であり、押し出しヒートシンクでは１０ｍｍピッチが限界であるのに対して、上述したように、２ｍｍピッチが可能になり、放熱フィンを密に配置することができ、熱性能に優れたヒートシンクを得ることができる。
【００４１】
なお、放熱フィンとして２種類の異なる金属（例えば、銅およびアルミニウム）を使用することができる。レーザダイオードモジュールに対応する位置に熱伝導率の高い金属の放熱フィン（銅）を使用し、その他は他の金属（アルミニウム）を使用することによって、より熱性能に優れたヒートシンクを得ることができる。
【００４２】
この発明のレーザダイオードからなる小型光源の光特性は、信号帯域が１５３０ｎｍ〜１６０５ｎｍ（Ｃ、Ｌバンド）に対して、ＳＭＦ(Single Mode Fiber)で１０ｄＢの利得がえられるものであり、１３波長の励起光を必要とするものである。
図１１に示す表１に、励起中心波長および励起パワーを示す。このうち、必要励起パワーの小さい波長１４４４．８〜１４８７．８ｎｍについては、クーラレスレーザダイオードモジュールを使用し、それ以外の波長については、通常のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールを使用した。
【００４３】
なお、比較的小さい励起パワーで高い利得が得られるＤＣＦ増幅用の励起光源をターゲットとした場合には、クーラレスレーザダイオードモジュールとして、上述したミニレーザユニットのみで光源を形成することも可能である。
更に、第１のボード（ドーターボード）と第２のボード（マザーボード）との電気接続に、フレキシブル基板を使用することができる。
【００４４】
従来のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールを使用する光源においては、フットプリントが２７０ｍｍ×１５０ｍｍのモジュールに６個のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールが搭載されるだけであり、フットプリントが３００ｍｍ×２００ｍｍのモジュールに８個のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールが搭載されるだけであった。図８に、従来の光源のラマン利得を点線で示す。
これに対して、この発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源においては、フットプリントが２１５ｍｍ×１２０ｍｍのモジュールに１３個のレーザダイオードモジュールが搭載される。図８に、この発明の光源のラマン利得を実線で示す。
【００４５】
図８から明らかなように、従来の光源では広帯域に利得帯域を得ることができず、利得平坦度が０．６ｄＢと悪かった。これに対して、この発明の光源では、広帯域に利得帯域を得ることができ、利得平坦度が０．１ｄＢと優れていた。
図１０は、マザーボードとドータボードの間隙に部品を実装した例を示す図である。図１０に示すように、マザーボード（第２のボード）とドータボード（第１のボード）の間隙に光学部品を配置したり、レーザダイオードモジュール駆動・制御用の素子等を配置することも可能である。
【００４６】
この発明のレーザダイオードモジュールからなる光源は、光伝送システムにおける光励起用光源として使用される。更に、この発明のレーザダイオードモジュールからなる光源は、光伝送システムにおける光信号用光源として使用される。更に、この発明のラマン増幅器は、この発明のレーザダイオードモジュールからなる光源を用いるラマン増幅器である。
【００４７】
【実施例】
この発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源を実施例によって、説明する。
実施例１
図１に示すように、２１５ｍｍ×１２０ｍｍのフットプリントの中央部に、第１ボードに７個のクーラレスレーザダイオードモジュールを搭載し、その両側に、第２ボードにそれぞれ３個づつのクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールを搭載した。クーラレスレーザダイオードモジュールは、均熱板、ペルチェ素子を介してヒートシンクに熱的に接続し、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールは、ヒートシンクに熱的に接続した。各部材の間にはサーマルインターフェース材を配置した。
【００４８】
ヒートシンクは、ベースプレートおよびベースプレートにカシメられた放熱フィンからなるカシメフィン型ヒートシンクを使用した。即ち、ヒートシンクのベースプレート８の一方の面には、一定間隔（例えば、２ｍｍピッチ）で溝が形成されている。上述した溝にフィンプレート（例えば、厚さ０．４ｍｍ）を差し込み、ベースプレートの溝と溝の間の部分をカシメることによって、ベースプレートとフィンプレートを固定させ、熱的に接続した。
【００４９】
上述したこの発明のヒートシンクを使用したところ、冷却空気温度が４０℃、冷却空気風速１．０ｍ／ｓで、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールおよびクーラレスレーザダイオードモジュール群（ミニレーザユニット）からの発熱７６Ｗを効率良く冷却して、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールのケース温度、および、クーラレスレーザダイオードモジュール群（ミニレーザユニット）のペルチェ素子の高温側温度を、設定値である７０℃以下に保つことができた。
【００５０】
実施例２
図９に示すように、１５０ｍｍ×１６０ｍｍのフットプリントの中央部に、第１ボードに７個のクーラレスレーザダイオードモジュールを搭載し、その一方の側に、第２ボードに６個のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールを搭載した。クーラレスレーザダイオードモジュールは、均熱板、ペルチェ素子を介してヒートシンクに熱的に接続し、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールは、ヒートシンクに熱的に接続した。各部材の間にはサーマルインターフェース材を配置した。
【００５１】
ヒートシンクは、ベースプレートおよびベースプレートにカシメられた放熱フィンからなるカシメフィン型ヒートシンクを使用した。即ち、ヒートシンクのベースプレートの一方の面には、一定間隔（例えば、２ｍｍピッチ）で溝が形成されている。上述した溝にフィンプレート（例えば、厚さ０．４ｍｍ）を差し込み、ベースプレートの溝と溝の間の部分をカシメることによって、ベースプレートとフィンプレートを固定させ、熱的に接続した。
【００５２】
上述したこの発明のヒートシンクを使用したところ、冷却空気温度が４０℃、冷却空気風速１．０ｍ／ｓで、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールおよびクーラレスレーザダイオードモジュール群からの発熱７６Ｗを効率良く冷却して、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールのケース温度、および、クーラレスレーザダイオードモジュール群のペルチェ素子の高温側温度を、設定値である７０℃以下に保つことができた。
【００５３】
上述したように、この発明によると、超小型励起光源の使用環境条件の制限をなくすことができる。更に、小さいスペースで励起光源を多数搭載できるので、広帯域、利得超平坦型の超小型励起光源の実現が可能になる。更に、放熱特性が良く、且つ、安定しているので、光部品の温度特性を抑制することができ、光学特性の安定した超小型励起光源の実現が可能になる。更に、光特性の安定した超小型励起光源を安価で実現することが可能になる。
【００５４】
【発明の効果】
上述したように、この発明によると、高い密度で、自由度をもって配置された、薄型、高光出力の複数個のレーザダイオードモジュールからなる光源を提供することができ、コンパクトで、且つ、高い光出力が保持された光励起用光源または光信号光源を低消費電力のままで提供することができ、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明のレーザダイオードからなる小型光源の１つの態様を示す概略斜視図である。
【図２】図２は、図１に示すこの発明のレーザダイオードからなる小型光源の主要部を示す分解図である。
【図３】図３は、この発明のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールを示す図である。
【図４】図４は、この発明のクーラレスレーザダイオードモジュールを示す図である。
【図５】図５は、この発明のクーラレスレーザダイオードモジュール群の詳細を説明する図である。
【図６】図６は、図５に示したレーザダイオードモジュールからなる小型光源における熱の移動を示す図である。
【図７】図７は、この発明いおいて使用するヒートシンクを説明する図である。
【図８】図８は、この発明の光源および従来の光源のラマン利得を比較して示す図である。
【図９】図９は、この発明のレーザダイオードからなる小型光源の他の態様を示す図である。
【図１０】図１０は、マザーボードとドータボードの間隙に部品を実装した例を示す図である。
【図１１】図１１は、励起中心波長および励起パワーを示す表１である。
【図１２】図１２は、従来のレーザダイオードモジュールの概略断面を示す図である。
【図１３】図１３は、図１２におけるレーザダイオードモジュールのＡ−Ａ'断面図である。
【符号の説明】
１．この発明の光源
２．クーラレスレーザダイオードモジュール
３．第１のボード
４．クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール
５．第２のボード
６．均熱板
７．熱電変換素子
８．ベースプレート
９．放熱フィン
１０．クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール
１１．レーザダイオードチップ
１２．第１レンズ
１３．第２レンズ
１４．コア拡大ファイバ
１５．金属筒
１５．調整部材
２０．気密ケース
２１．ベース
２２．チップキャリア
２３．ペルチェ素子
２４．キャリア
３１．電気コネクタ
３２．励起光合波器
３３．ケース
３４．ケース蓋
３５．ベースプレートの溝と溝の間の部分
４２．クーラレスレーザダイオードモジュール
４３．第１のボード
４４．クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール
４５．第２のボード
４８．ベースプレート
４９．放熱フィン
【発明の属する技術分野】
本発明は、高出力光源、特に、高い密度で配置された、高光出力の複数個のレーザダイオードモジュールからなる小型光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、レーザダイオードモジュールは、光ファイバ通信、特に幹線系・ＣＡＴＶの信号光源やファイバアンプの励起光源として用いられている。このようなレーザダイオードモジュールは、高出力および安定動作を実現するために、ペルチェ素子を内蔵し、そのペルチェ素子上部に搭載された金属基板上にレーザダイオードチップ、フォトダイオードチップ、レンズ等の光学部品、サーミスタ素子、インダクタ、抵抗等の電気部品を配置している（以下、「クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール」という）。
なお、上述したペルチェ素子は、熱電半導体であり、直流の電流を流すと、ｐ型の半導体の場合には、電流の流れる方向に熱が運ばれ、ｎ型半導体の場合には電流と反対方向に熱が運ばれ、熱電半導体の両側で温度差が生じる。ペルチェ素子を使用した冷却システムは、上述した温度差を利用して、低温側を冷却に、高温側を放熱に使用している。
【０００３】
レーザダイオードモジュールは、上述したレーザダイオードチップの近傍に接着されたサーミスタ素子によってチップの温度を検出している。このように検出された温度値をフィードバックしてペルチェ素子を駆動させることにより、レーザダイオードチップが配置された金属基板全体を冷却して、レーザダイオードチップの温度を一定に保つ構造を備えている。
【０００４】
図１２に従来のレーザダイオードモジュール（クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール）を示す。図１２は、レーザダイオードモジュールの概略断面図を示す。レーザダイオードモジュールは、図１２に示すように、レーザダイオードチップ１１１およびヒートシンク１１２を搭載したマウント１１３と、モニター用フォトダイオードチップ１１４を搭載したチップキャリア１１５と、レンズホルダ１１６と、図示しない抵抗体、インダクタおよび回路基板等を接着した金属基板１１０ａと、ペルチェ素子１１７とを備えている。ペルチェ素子は、パッケージ放熱板１１８上に金属ソルダで固定されている。なお、ペルチェ素子１１７の上下には、セラミックス板１１９Ａ、１１９Ｂが配置される。
【０００５】
図１３は、図１２におけるレーザダイオードモジュールのＡ−Ａ'断面図である。図１３に示すように、レーザダイオードモジュールの主要部は、ヒートシンク１１２上にレーザダイオードチップ１１１の他にサーミスタ１２１を搭載し、ペルチェ素子１１７と金属基板１１０ａとを接着する金属ソルダとして、両者の熱膨張差を緩和するために、ソフトソルダ１２２を用いている。
上述した金属基板は、通常、銅タングステン（ＣｕＷ：銅の重量配分比１０〜３０％のものが存在）等の単一材質で形成されている。金属基板とペルチェ素子との接着は、両者の熱膨張差を緩和するために、インジウム錫（ＩｎＳｎ）などの低温ソフトソルダが用いられてきた。
【０００６】
しかし、近年、レーザダイオードモジュールの高出力化に伴い、レーザダイオードモジュールの冷却能力と温度環境信頼度（即ち、温度が変化した場合においても正常に機能を継続する能力）に対する要求が厳しくなっている。
冷却能力向上のためには、ペルチェ素子を大型化したり、上部に搭載する金属基板の高熱伝導材質化を図る必要がある。しかしながら、ペルチェ素子の冷却能力向上に伴う温調タイム（目的の温度に達するまでの時間）の短縮により、ペルチェ素子上部に搭載した金属基板への温度ストレスも大きくなる。そのため、ペルチェ素子と金属基板の熱膨張率差の影響が大きくなり、両者を接着するソフトソルダの摺動により亀裂剥離を生じさせるという問題が生じる。しかも、ソフトソルダ特有のハンダクリープ現象も顕著になる。
【０００７】
【発明が解決しょうとする課題】
上述したように、個々のレーザダイオードモジュールが更に高出力化し、ペルチェ素子を大型化すると、高い密度でレーザダイオードを配置することが困難になる。更に、高出力化した多数のレーザダイオードモジュールを高い密度で配置して使用すると、チップとペルチェ素子との間に配置される金属基板の熱伝導性を高めたり、熱膨張率の差を小さくするだけでは、レーザダイオードモジュールの高出力化、それらの高い密度の配置にともなって発生する熱を処理することができず、レーザダイオードモジュールの機能を損傷してしまうという問題点がある。
【０００８】
即ち、各レーザダイオードモジュール自体がサイズが小さい上に高発熱密度体であり、それらを複数個実装することが求められる光励起用光源または光信号光源として使用する場合には、レーザダイオードモジュールの熱を放熱することが困難であった。一方、光励起用光源または光信号光源は、更なる光出力の向上が求められており、従来の方法では、レーザダイオードモジュールのペルチェ素子による冷却が限界に達して、半導体素子の性能を１００％生かしきれない状態でしか、使用することができなくなっている。
【０００９】
更に、市場のニーズとして、光出力を向上させても、ペルチェ素子および半導体素子励起による消費電力を従来以下のままに維持したいという要望があり、光源内の放熱特性が非常に重要になってきている。
更に、レーザダイオードモジュールの他に、レーザダイオードモジュールを制御するための他の発熱素子（例えば、ＣＰＵ）を備えたレーザダイオードモジュール制御基板からの発熱の処理も要求されている。
上述したように、優れた放熱性能を備え、小さいスペースで多数のレーザダイオードが搭載されて、広帯域かつ利得が平坦な励起光源の出現が待望されている。
【００１０】
従って、この発明の目的は、従来の問題点を解決して、高い密度で配置された、高光出力の複数個のレーザダイオードモジュールからなる小型光源を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、励起光パワーの小さい波長（例えば、１４３７．９〜１４８７．８ｎｍ）については、小型のクーラレスダイオードモジュールを使用し、励起光パワーの大きな波長については、従来のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールを使用することにより、小さいスペースに励起光源を高い密度で配置することを可能にした。また、クーラレスダイオードモジュールの、レーザダイオードチップおよび光学機器を搭載する金属基板と均熱板とを直接熱的に接続し、更に、均熱板に所謂ヒートポンプとして機能する熱電変換素子を熱的に接続し、そして、熱電変換素子にヒートシンクを接続することによって、高い密度で配置されたレーザダイオードモジュールを一括冷却することができ、放熱特性を高めることができることが判明した。
【００１２】
更に、ヒートシンクとして、金属製のベースプレートと、ベースプレートの表面部に溝を形成し、放熱フィンを溝に挿入し、放熱フィンの両側部を機械的にカシメて固定するカシメフィン型ヒートシンクを使用することによって、フィンピッチを小さくして、多数の放熱フィンを備えたヒートシンクが得られ、放熱特性が一段と向上することが判明した。
上述したカシメフィン型ヒートシンクを使用して、上述したクーラレスレーザダイオードモジュール群をヒートシンクに熱的に接続するとともに、クーラ内蔵型レーザダイーオードモジュール群のそれぞれのレーザダイオードモジュールのペルチェ素子を上述したヒートシンクに熱的に接続することによって、優れた放熱性能を備え、小さいスペースで多数のレーザダイオードが搭載されて、広帯域かつ利得が平坦な励起光源を得ることができることが判明した。
更に、複数個のレーザダイオードモジュールを搭載する際の搭載方向、位置を自由に選択でき、設計の自由度を高めることができることが判明した。
【００１３】
この発明は、上記研究結果に基づいてなされたものであって、この発明の第１の態様は、（Ａ）レーザダイオードチップ、光学機器、前記レーザダイオードチップおよび前記光学機器を搭載する金属基板を備え、熱電変換素子を内蔵しない複数個のクーラレスレーザダイオードモジュール群と、
（Ｂ）レーザダイオードチップ、光学機器、前記レーザダイオードチップおよび前記光学機器を搭載する金属基板、前記金属基板と熱的に接続された熱電変換素子を備えた、複数個のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュール群と、
（Ｃ）前記クーラレスレーザダイオードモジュール群の前記金属基板に熱的に接続された共通均熱板と、
（Ｄ）前記共通均熱板に熱的に接続された共通熱電変換素子と、
を備えたレーザダイオードモジュールからなる光源である。
好ましくは、前記光源は、さらに、前記共通熱電変換素子に熱的に接続されるとともに前記クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールの前記熱電変換素子に熱的に接続された共通ヒートシンクを備える。
【００１４】
好ましくは、前記共通ヒートシンクは、ベースプレートと前記ベースプレート上にカシメによって固定された放熱フィンとからなる、カシメフィン型ヒートシンクで構成される。
【００１５】
好ましくは、前記放熱フィンは２種類の異なる金属からなっている。
【００１８】
好ましくは、前記共通均熱板はヒートパイプからなっている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
この発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源の態様について図面を参照しながら詳細に説明する。
この発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源は、高い密度で配置された、ペルチェ素子を内蔵しない複数個のクーラレスレーザダイオードモジュール、前記クーラレスレーザダイオードモジュールに熱的に接続する均熱板、前記均熱板に熱的に接続された熱電変換素子、および、前記熱電変換素子に接続されたヒートシンクを備えた、レーザダイオードモジュールからなる小型光源である。
【００２４】
更に、この発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源は、高い密度で配置された、レーザダイオードチップ、光学機器、前記レーザダイオードチップおよび前記光学機器を搭載する金属基板を備え、そして、ペルチェ素子を内蔵しない複数個のクーラレスレーザダイオードモジュール群、および、レーザダイオードチップ、光学機器、前記レーザダイオードチップおよび前記光学機器を搭載する金属基板、前記金属基板と熱的に接続されたペルチェ素子を備えた、複数個のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュール群からなる、レーザダイオードモジュールからなる小型光源である。
【００２５】
更に、この発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源は、複数個の前記クーラレスレーザダイオードモジュール群が搭載される第１のボード、複数個の前記クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール群が搭載される第２のボードを備えており、前記第１のボードおよび前記第２のボードが前記ヒートシンクに搭載され、前記クーラレスレーザダイオードモジュール群のそれぞれの前記金属板が前記均熱板、前記熱電変換素子を介して前記ヒートシンクに熱的に接続され、そして、前記クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール群のそれぞれの前記ペルチェ素子が前記ヒートシンクに熱的に接続されている、レーザダイオードモジュールからなる小型光源である。
【００２６】
図１は、この発明のレーザダイオードからなる小型光源の１つの態様を示す概略斜視図である。図２は、図１に示すこの発明のレーザダイオードからなる小型光源の主要部を示す分解図である。
図１に示す態様のこの発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源においては、７個のクーラレスレーザダイオードモジュール２が所定の位置に配置されたクーラレスレーザダイオードモジュール群が第１のボード３に搭載され、第１ボード３をコの字状に囲む第２ボード５の上に、片側に３個づつのクーラ内蔵型レーザダイオードモジュール４が所定の位置に配置されて、搭載されている。第１ボード３および第２ボード５の下方には、ベースプレート８およびベースプレートにカシメられた放熱フィン９からなるカシメフィン型ヒートシンクが配置されている。
【００２７】
上述したように、図１に示す態様においては、クーラレスレーザダイオードモジュール群と、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール群とを組合わせている。クーラレスレーザダイオードモジュール群の熱は、後述するように、金属基板、均熱板、熱電変換素子を介してヒートシンクに移動され、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール群は、ペルチェ素子を介して、ヒートシンクに移動され、放熱フィンによって所定位置に放熱される。
【００２８】
図３は、この発明のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールを示す図である。
図３に示すように、レーザダイオードモジュール１０は、レーザダイオードチップ１１、第１レンズ１２、第２レンズ１３、コア拡大ファイバ１４および気密ケース２０を備えている。レーザダイオードチップ１１は、第１レンズ１２との間に所定の間隔をおいて、金属基板２１上にチップキャリア２２を介して設けられている。金属基板２１は、気密ケース２０内に設けた温度制御用のペルチェ素子２３の上方に配置されている。金属基板２１は、主要部分が銅製で、第１レンズ１２を設置する部分がステンレス製の複合材である。金属基板２１は、チップキャリア２２を挟んで第１レンズ１２と対向する側にキャリア２４が固定され、チップキャリア２２のレーザダイオードチップ１１と対向する位置にモニタ用のフォトダイオード２４ａが設けられている。
【００２９】
第１レンズ１２は、レンズホルダ１２ａにコリメータレンズ１２ｂが保持されている。レンズホルダ１２ａは、金属基板２１に溶接固定されている。コリメータレンズ１２ｂは、高結合効率を得るために非球面レンズが使用されている。第２レンズ１３は、レンズホルダ１３ａに上下部分を削り出した球レンズ１３ｂが保持されている。レンズホルダ１３ａは、光軸に垂直な面内で位置調整して気密ケース２０の後述する挿着円筒２０ａに固定されている。
【００３０】
コア拡大ファイバ１４は、コアを拡大させた先端側が光軸に対して６°傾斜させて斜めに研磨されるとともに研磨面に反射防止コーティングが施され、先端側が金属筒１５内に接着されて保護されている。金属筒１５は、調整部材１６の最適位置に溶接固定されている。金属筒１５は、調整部材１６内でコア拡大ファイバ１４の光軸方向に沿って前後方向にスライドさせたり、光軸廻りに回転させることにって調整部材１６の最適位置に調整される。
【００３１】
図４は、この発明のクーラレスレーザダイオードモジュールを示す図である。図４に示すように、この発明のクーラレスレーザダイオードモジュールは、図３に示したペルチェ素子２３を内蔵していない。その他は、概ね、図３に示すレーザダイオードモジュールと同一である。即ち、レーザダイオードチップ１１および光学機器１２を搭載する金属基板２１の下面は、直接、気密ケース２０に接している。従って、図４に示すこの発明のクーラレスレーザダイオードモジュールは、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールに比較して、非常にコンパクトであり、高い密度で配置することができる。
【００３２】
図５は、この発明のクーラレスレーザダイオードモジュール群の詳細を説明する図である。図５に示すように、この発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源は、高い密度で配置された、レーザダイオードチップ、光学機器およびこれらを搭載する金属基板を備え、そして、ペルチェ素子を内蔵しない複数個のクーラレスレーザダイオードモジュール２、クーラレスレーザダイオードモジュール２に熱的に接続する均熱板６、均熱板６に熱的に接続された熱電変換素子７、および、熱電変換素子７に接続されたヒートシンク（図示しない）を備えている。即ち、クーラレスレーザダイオードモジュール２のレーザダイオードチップおよび光学機器を搭載する金属基板に、均熱板６が熱的に接続され（例えば、図５に示すように、クーラレスレーザダイオードモジュール２に対応するように設けられた凸部３６に金属基板が熱的に接続される）、更に、均熱板６に例えばペルチェ素子等の熱電変換素子が熱的に接続される。
【００３３】
図６は、図５に示したレーザダイオードモジュールからなる小型光源における熱の移動を示す図である。図６に示すように、クーラレスレーザダイオードモジュール２のレーザダイオードチップおよび光学機器を搭載する金属基板から均熱板６に熱が移動する。均熱板は、熱伝導性に優れた部材、または、ヒートパイプからなっており、複数個のクーラレスレーザダイオードモジュール２の熱を広い範囲に瞬時に拡散させる。均熱板６の下端面には熱電変換素子７が熱的に接続され、更に熱電変換素子７には、ベースプレート８およびベースプレートにカシメられた放熱フィン９からなるカシメフィン型ヒートシンクが熱的に接続されている。熱電変換素子７は、所謂ヒートポンプとして機能して、均熱板６に伝わった熱を、放熱特性に優れた、フィンピッチの小さい放熱フィンの数が多いカシメフィン型ヒートシンクに瞬時に移動し、放熱フィンから所定の位置に放熱する。
【００３４】
図２を参照して、図１に示す態様のこの発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源を詳細に説明する。図２の円内に示すように、レーザダイオードチップ、光学機器およびこれらを搭載する金属基板を備え、そして、ペルチェ素子を内蔵しないクーラレスレーザダイオードモジュール２が所定の位置に配置されたクーラレスレーザダイオードモジュール群が第１のボード３に搭載されている。クーラレスレーザダイオードモジュール２の下面に、均熱板６、熱電変換素子７、および、ベースプレート８およびベースプレートにカシメられた放熱フィン９からなるカシメフィン型ヒートシンクが、熱的に接続されて配置される。この際、上述したように、クーラレスレーザダイオードモジュール２に対応するように設けられた凸部３６に金属基板が熱的に接続される。
【００３５】
上述した第１ボード３をコの字状に囲む第２ボード５の両側に、複数個のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュール４が所定の位置に配置されて、搭載されている。第２ボード５の下方には、ベースプレート８およびベースプレートにカシメられた放熱フィン９からなるカシメフィン型ヒートシンクが配置されている。クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール４のペルチェ素子が熱的にカシメフィン型ヒートシンクに接続される。このようにクーラレスレーザダイオードモジュールおよびクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールが搭載されたヒートシンクのベースプレートの上方にケース３３およびケース蓋３４が配置される。
【００３６】
上述したクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールは、例えば、アルミニウム製のヒートシンクに、熱伝導グリス等のサーマルインターフェース材を介して取り付けられ、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールの熱を効率良く放熱する。
クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールの電気端子は、ヒートシンクに取り付けられた電気基板（第２のボード）にハンダ付けされる。
【００３７】
クーラレスレーザダイオードモジュールにおいては、例えば、銅またはアルミニウム等の熱伝導率に優れた材料を使用して作製したヒートスプレッダー（均熱板）にサーマルインターフェース材を介して取りつけた。均熱板は、銅またはアルミニウム製のヒートパイプを使用してもよい。均熱板のクーラレスレーザダイオードモジュールが取り付けられた面と反対側の面には、冷却用のペルチェ素子等の熱電変換素子を、サーマルインターフェス材を介して取りつける。このようにして、ミニレーザユニットを作製する。ミニレーザユニットは、サーマルインターフェースを介してヒートシンクに取り付けられる。
【００３８】
上述したように、均熱板は、一般に熱伝導率の高い材料を使用して作製されるので、熱を効率よく輸送することができ、結果として、均熱板全体における温度差が小さい。この原理を利用することによって、各クーラレスレーザダイオードモジュールの熱は、均熱板を通して、効率良く熱電変換素子（例えば、ペルチェ素子）に伝えることができる。ペルチェ素子に輸送された熱は、ヒートシンクによって、効率良く放熱される。なお、ペルチェ素子の冷却能力を調整することによって、ミニレーザダイオードモジュールの一括温調も可能になる。
【００３９】
更に、ミニレーザダイオードモジュールの電気端子は、均熱板に取り付けた電気基板（第１のボード）にハンダ付けされる。第１のボードは第２のボードに、コネクタによって電気的に接続される。ミニレーザダイオードモジュールへの電源供給は、第２のボードに取り付けられたコネクタによって、第２のボードを通じて行われる。
【００４０】
次ぎに、この発明におけるヒートシンクについて説明する。図７は、この発明いおいて使用するヒートシンクを説明する図である。図７に示すように、ヒートシンクは、ベースプレート８およびベースプレートにカシメられた放熱フィン９からなるカシメフィン型ヒートシンクである。即ち、ヒートシンクのベースプレート８の一方の面には、一定間隔（例えば、２ｍｍピッチ）で溝が形成されている。上述した溝にフィンプレート（例えば、厚さ０．４ｍｍ）を差し込み、ベースプレートの溝と溝の間の部分（３５で示す）をカシメることによって、ベースプレートとフィンプレートを固定させ、熱的に接続する。このように形成されたヒートシンクにおいては、従来の切削フィンでは５〜６ｍｍピッチが限界であり、押し出しヒートシンクでは１０ｍｍピッチが限界であるのに対して、上述したように、２ｍｍピッチが可能になり、放熱フィンを密に配置することができ、熱性能に優れたヒートシンクを得ることができる。
【００４１】
なお、放熱フィンとして２種類の異なる金属（例えば、銅およびアルミニウム）を使用することができる。レーザダイオードモジュールに対応する位置に熱伝導率の高い金属の放熱フィン（銅）を使用し、その他は他の金属（アルミニウム）を使用することによって、より熱性能に優れたヒートシンクを得ることができる。
【００４２】
この発明のレーザダイオードからなる小型光源の光特性は、信号帯域が１５３０ｎｍ〜１６０５ｎｍ（Ｃ、Ｌバンド）に対して、ＳＭＦ(Single Mode Fiber)で１０ｄＢの利得がえられるものであり、１３波長の励起光を必要とするものである。
図１１に示す表１に、励起中心波長および励起パワーを示す。このうち、必要励起パワーの小さい波長１４４４．８〜１４８７．８ｎｍについては、クーラレスレーザダイオードモジュールを使用し、それ以外の波長については、通常のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールを使用した。
【００４３】
なお、比較的小さい励起パワーで高い利得が得られるＤＣＦ増幅用の励起光源をターゲットとした場合には、クーラレスレーザダイオードモジュールとして、上述したミニレーザユニットのみで光源を形成することも可能である。
更に、第１のボード（ドーターボード）と第２のボード（マザーボード）との電気接続に、フレキシブル基板を使用することができる。
【００４４】
従来のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールを使用する光源においては、フットプリントが２７０ｍｍ×１５０ｍｍのモジュールに６個のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールが搭載されるだけであり、フットプリントが３００ｍｍ×２００ｍｍのモジュールに８個のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールが搭載されるだけであった。図８に、従来の光源のラマン利得を点線で示す。
これに対して、この発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源においては、フットプリントが２１５ｍｍ×１２０ｍｍのモジュールに１３個のレーザダイオードモジュールが搭載される。図８に、この発明の光源のラマン利得を実線で示す。
【００４５】
図８から明らかなように、従来の光源では広帯域に利得帯域を得ることができず、利得平坦度が０．６ｄＢと悪かった。これに対して、この発明の光源では、広帯域に利得帯域を得ることができ、利得平坦度が０．１ｄＢと優れていた。
図１０は、マザーボードとドータボードの間隙に部品を実装した例を示す図である。図１０に示すように、マザーボード（第２のボード）とドータボード（第１のボード）の間隙に光学部品を配置したり、レーザダイオードモジュール駆動・制御用の素子等を配置することも可能である。
【００４６】
この発明のレーザダイオードモジュールからなる光源は、光伝送システムにおける光励起用光源として使用される。更に、この発明のレーザダイオードモジュールからなる光源は、光伝送システムにおける光信号用光源として使用される。更に、この発明のラマン増幅器は、この発明のレーザダイオードモジュールからなる光源を用いるラマン増幅器である。
【００４７】
【実施例】
この発明のレーザダイオードモジュールからなる小型光源を実施例によって、説明する。
実施例１
図１に示すように、２１５ｍｍ×１２０ｍｍのフットプリントの中央部に、第１ボードに７個のクーラレスレーザダイオードモジュールを搭載し、その両側に、第２ボードにそれぞれ３個づつのクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールを搭載した。クーラレスレーザダイオードモジュールは、均熱板、ペルチェ素子を介してヒートシンクに熱的に接続し、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールは、ヒートシンクに熱的に接続した。各部材の間にはサーマルインターフェース材を配置した。
【００４８】
ヒートシンクは、ベースプレートおよびベースプレートにカシメられた放熱フィンからなるカシメフィン型ヒートシンクを使用した。即ち、ヒートシンクのベースプレート８の一方の面には、一定間隔（例えば、２ｍｍピッチ）で溝が形成されている。上述した溝にフィンプレート（例えば、厚さ０．４ｍｍ）を差し込み、ベースプレートの溝と溝の間の部分をカシメることによって、ベースプレートとフィンプレートを固定させ、熱的に接続した。
【００４９】
上述したこの発明のヒートシンクを使用したところ、冷却空気温度が４０℃、冷却空気風速１．０ｍ／ｓで、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールおよびクーラレスレーザダイオードモジュール群（ミニレーザユニット）からの発熱７６Ｗを効率良く冷却して、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールのケース温度、および、クーラレスレーザダイオードモジュール群（ミニレーザユニット）のペルチェ素子の高温側温度を、設定値である７０℃以下に保つことができた。
【００５０】
実施例２
図９に示すように、１５０ｍｍ×１６０ｍｍのフットプリントの中央部に、第１ボードに７個のクーラレスレーザダイオードモジュールを搭載し、その一方の側に、第２ボードに６個のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールを搭載した。クーラレスレーザダイオードモジュールは、均熱板、ペルチェ素子を介してヒートシンクに熱的に接続し、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールは、ヒートシンクに熱的に接続した。各部材の間にはサーマルインターフェース材を配置した。
【００５１】
ヒートシンクは、ベースプレートおよびベースプレートにカシメられた放熱フィンからなるカシメフィン型ヒートシンクを使用した。即ち、ヒートシンクのベースプレートの一方の面には、一定間隔（例えば、２ｍｍピッチ）で溝が形成されている。上述した溝にフィンプレート（例えば、厚さ０．４ｍｍ）を差し込み、ベースプレートの溝と溝の間の部分をカシメることによって、ベースプレートとフィンプレートを固定させ、熱的に接続した。
【００５２】
上述したこの発明のヒートシンクを使用したところ、冷却空気温度が４０℃、冷却空気風速１．０ｍ／ｓで、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールおよびクーラレスレーザダイオードモジュール群からの発熱７６Ｗを効率良く冷却して、クーラ内蔵型レーザダイオードモジュールのケース温度、および、クーラレスレーザダイオードモジュール群のペルチェ素子の高温側温度を、設定値である７０℃以下に保つことができた。
【００５３】
上述したように、この発明によると、超小型励起光源の使用環境条件の制限をなくすことができる。更に、小さいスペースで励起光源を多数搭載できるので、広帯域、利得超平坦型の超小型励起光源の実現が可能になる。更に、放熱特性が良く、且つ、安定しているので、光部品の温度特性を抑制することができ、光学特性の安定した超小型励起光源の実現が可能になる。更に、光特性の安定した超小型励起光源を安価で実現することが可能になる。
【００５４】
【発明の効果】
上述したように、この発明によると、高い密度で、自由度をもって配置された、薄型、高光出力の複数個のレーザダイオードモジュールからなる光源を提供することができ、コンパクトで、且つ、高い光出力が保持された光励起用光源または光信号光源を低消費電力のままで提供することができ、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明のレーザダイオードからなる小型光源の１つの態様を示す概略斜視図である。
【図２】図２は、図１に示すこの発明のレーザダイオードからなる小型光源の主要部を示す分解図である。
【図３】図３は、この発明のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュールを示す図である。
【図４】図４は、この発明のクーラレスレーザダイオードモジュールを示す図である。
【図５】図５は、この発明のクーラレスレーザダイオードモジュール群の詳細を説明する図である。
【図６】図６は、図５に示したレーザダイオードモジュールからなる小型光源における熱の移動を示す図である。
【図７】図７は、この発明いおいて使用するヒートシンクを説明する図である。
【図８】図８は、この発明の光源および従来の光源のラマン利得を比較して示す図である。
【図９】図９は、この発明のレーザダイオードからなる小型光源の他の態様を示す図である。
【図１０】図１０は、マザーボードとドータボードの間隙に部品を実装した例を示す図である。
【図１１】図１１は、励起中心波長および励起パワーを示す表１である。
【図１２】図１２は、従来のレーザダイオードモジュールの概略断面を示す図である。
【図１３】図１３は、図１２におけるレーザダイオードモジュールのＡ−Ａ'断面図である。
【符号の説明】
１．この発明の光源
２．クーラレスレーザダイオードモジュール
３．第１のボード
４．クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール
５．第２のボード
６．均熱板
７．熱電変換素子
８．ベースプレート
９．放熱フィン
１０．クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール
１１．レーザダイオードチップ
１２．第１レンズ
１３．第２レンズ
１４．コア拡大ファイバ
１５．金属筒
１５．調整部材
２０．気密ケース
２１．ベース
２２．チップキャリア
２３．ペルチェ素子
２４．キャリア
３１．電気コネクタ
３２．励起光合波器
３３．ケース
３４．ケース蓋
３５．ベースプレートの溝と溝の間の部分
４２．クーラレスレーザダイオードモジュール
４３．第１のボード
４４．クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール
４５．第２のボード
４８．ベースプレート
４９．放熱フィン
Claims (5)
- （Ａ）レーザダイオードチップ、光学機器、前記レーザダイオードチップおよび前記光学機器を搭載する金属基板を備え、熱電変換素子を内蔵しない複数個のクーラレスレーザダイオードモジュール群と、
（Ｂ）レーザダイオードチップ、光学機器、前記レーザダイオードチップおよび前記光学機器を搭載する金属基板、前記金属基板と熱的に接続された熱電変換素子を備えた、複数個のクーラ内蔵型レーザダイオードモジュール群と、
（Ｃ）前記クーラレスレーザダイオードモジュール群の前記金属基板に熱的に接続された共通均熱板と、
（Ｄ）前記共通均熱板に熱的に接続された共通熱電変換素子と、
を備えたレーザダイオードモジュールからなる光源。 - さらに、前記共通熱電変換素子に熱的に接続されるとともに前記クーラ内蔵型レーザダイオードモジュール群の前記熱電変換素子に熱的に接続された共通ヒートシンクを備えた請求項１に記載の光源。
- 前記共通ヒートシンクが、ベースプレートと前記ベースプレート上にカシメによって固定された放熱フィンとからなる、カシメフィン型ヒートシンクからなっている、請求項２に記載の光源。
- 前記放熱フィンが２種類の異なる金属からなっている、請求項３に記載の光源。
- 前記共通均熱板がヒートパイプからなっている請求項２に記載の光源。
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