JP6838326B2 - 発光素子モジュール、原子発振器、電子機器および移動体 - Google Patents

発光素子モジュール、原子発振器、電子機器および移動体 Download PDF

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Description

本発明は、発光素子モジュール、原子発振器、電子機器および移動体に関するものである。
ペルチェ素子を用いて発光素子の温度を調節する発光素子モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような発光素子モジュールの一例である特許文献１に記載のレーザー発光装置は、半導体レーザー素子（発光素子）と、ペルチェ効果を利用した電子冷熱素子（ペルチェ素子）と、これらを収納しているパッケージと、を有する。ここで、半導体レーザー素子は、電子冷熱素子を介してパッケージの内面に取り付けられている。そして、電子冷熱素子により半導体レーザー素子の温度が調整される。また、半導体レーザー素子からの光は、パッケージに設けられたウインドウを介して外部へ出力される。
特開平７−１０４３３２号公報
特許文献１に記載のレーザー発光装置では、環境温度が高温となったとき、パッケージ全体の温度が極めて高くなり、パッケージからの熱の放射により半導体レーザー素子の温度が変動し、それに伴って、半導体レーザー素子からの光の波長が変動してしまうという問題があった。
ここで、パッケージの外部の温度が半導体レーザー素子の目標温度よりも高いとき、電子冷熱素子のパッケージの壁面側の温度が高温となって、パッケージが加熱される。従来では、パッケージの放熱性が悪いため、パッケージの温度が半導体レーザー素子の温度に対して極めて高くなり、その結果、前述したような問題が生じる。
本発明の目的は、高温下であっても、ペルチェ素子を用いて発光素子の温度変動を低減することができる発光素子モジュールを提供すること、また、かかる発光素子モジュールを備える優れた信頼性を有する原子発振器、電子機器および移動体を提供することにある。
上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の発光素子モジュールは、ペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子上に配置されている発光素子と、
前記ペルチェ素子が配置されているベース、および、前記ベースに接合され、前記ペルチェ素子および前記発光素子を収納している内部空間を前記ベースとの間に形成しているリッドを有するパッケージと、を備え、
前記パッケージの外部の温度をＴｓとし、前記発光素子の温度をＴｖとし、前記ベースの温度をＴｃ１とし、前記リッドの温度をＴｃ２としたとき、
Ｔｖ＜Ｔｓなる関係を満たす条件下で、Ｔｓ＜Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たすことを特徴とする。
このような発光素子モジュールによれば、Ｔｖ＜Ｔｓなる関係を満たす条件下であっても、Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たすため、発光素子とリッドとの温度差を低減することができる。したがって、発光素子モジュールの設置環境が高温となっても、リッドから発光素子への熱の放射（輻射）を低減することができる。このようなことから、高温下であっても、ペルチェ素子を用いて発光素子の温度変動を低減することができる。
本発明の発光素子モジュールでは、前記リッドは、前記ベースとは反対側に突出している突出部を有することが好ましい。
これにより、リッドのベースとは反対側の面の面積を大きくして、リッドの放熱性を高めることができる。そのため、比較的簡単な構成で、Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たし、かつ、ベースの温度（Ｔｃ１）とリッドの温度（Ｔｃ２）との差を大きくすることができる。
本発明の発光素子モジュールでは、前記リッドは、前記発光素子からの光を透過させる窓部を有し、
前記窓部が前記突出部に設けられていることが好ましい。
これにより、窓部と発光素子との離間距離を大きくすることができる。そのため、窓部から発光素子への熱の放射を低減することができる。また、突出部を有効利用して窓部を設けることができる。そのため、リッド全体と発光素子との間の距離を大きくする場合に比べて、発光素子モジュールの小型化を図ることができる。
本発明の発光素子モジュールでは、前記リッドは、前記突出部を支持している第１部分と、前記ベースに接合されている第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間に位置し、前記第１部分よりも厚さが薄い第３部分と、を有することが好ましい。
これにより、第３部分の厚さを薄くして、第３部分の熱抵抗を高めることができる。そのため、リッドのベースとの接合部である第２部分から第１部分への熱の伝達を低減することができる。また、第１部分の厚さを厚くして、リッドの必要な機械的強度を確保することができる。さらに、リッドとベースとを接合する際に第１部分に生じる応力を低減して、窓部と突出部との接合部の破壊を低減することもできる。
本発明の発光素子モジュールでは、前記第２部分の厚さは、前記第１部分の厚さよりも薄いことが好ましい。
これにより、リッドとベースとの接合をシーム溶接等により容易に行うことができる。
本発明の発光素子モジュールでは、前記内部空間は、大気圧よりも減圧されていることが好ましい。
これにより、パッケージの外部の温度変化により発光素子の温度が変動するのを効果的に低減することができる。また、このように内部空間が減圧されている場合、リッドから発光素子への熱の放射の影響が顕著となる。そのため、このような場合に、Ｔｖ＜Ｔｓなる関係を満たす条件下で、Ｔｓ＜Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たすことは、特に有用である。
本発明の発光素子モジュールでは、前記リッドの構成材料の熱伝導率は、前記ベースの構成材料の熱伝導率よりも高いことが好ましい。
これにより、リッドの放熱性を高めるとともに、ベースの熱抵抗を高めることができる。そのため、比較的簡単な構成で、Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たし、かつ、ベースの温度（Ｔｃ１）とリッドの温度（Ｔｃ２）との差を大きくすることができる。
本発明の原子発振器は、本発明の発光素子モジュールを備えることを特徴とする。
このような原子発振器によれば、高温下であっても、ペルチェ素子を用いて発光素子の温度変動を低減することができる。そのため、発光素子からの光の波長変動を低減し、当該光を利用して優れた発振特性を有する原子発振器を実現することができる。
本発明の原子発振器では、前記リッドの外表面の少なくとも一部に接触して配置されている放熱性を有する放熱部材を備えることが好ましい。
これにより、リッドからの放熱を多くすることができる。そのため、比較的簡単な構成で、Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たし、かつ、ベースの温度（Ｔｃ１）とリッドの温度（Ｔｃ２）との差を大きくすることができる。
本発明の電子機器は、本発明の発光素子モジュールを備えることを特徴とする。
このような電子機器によれば、高温下であっても、ペルチェ素子を用いて発光素子の温度変動を低減することができる。
本発明の移動体は、本発明の発光素子モジュールを備えることを特徴とする。
このような移動体によれば、高温下であっても、ペルチェ素子を用いて発光素子の温度変動を低減することができる。
本発明の実施形態に係る原子発振器を示す概略図である。 図１に示す原子発振器の断面側面図である。 図２に示す原子発振器の平面図である。 図２および図３に示す原子発振器が備える発光素子モジュールの断面図である。 図４に示す発光素子モジュールの平面図である。 図４に示す発光素子モジュールが備えるリッドの平面図である。 図４に示す発光素子モジュールの熱の伝達経路での位置と温度との関係を示すグラフである。 ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。 本発明の移動体の一例を示す図である。
以下、本発明の発光素子モジュール、原子発振器、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．原子発振器
まず、本発明の原子発振器（本発明の発光素子モジュールを備える原子発振器）について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る原子発振器を示す概略図である。
図１に示す原子発振器１０は、アルカリ金属原子に対して特定の異なる波長の２つの共鳴光を同時に照射したときに当該２つの共鳴光がアルカリ金属原子に吸収されずに透過する現象が生じる量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器である。なお、この量子干渉効果による現象は、電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象とも言う。
この原子発振器１０は、図１に示すように、発光素子モジュール１と、原子セルユニット２０と、発光素子モジュール１と原子セルユニット２０との間に設けられている光学系ユニット３０と、発光素子モジュール１および原子セルユニット２０の作動を制御する制御ユニット５０と、を備える。以下、まず、原子発振器１０の概略について説明する。
発光素子モジュール１は、ペルチェ素子２と、発光素子３と、温度センサー４と、を備える。発光素子３は、周波数の異なる２種の光を含んでいる直線偏光の光ＬＬを出射する。また、温度センサー４は、発光素子３の温度を検出する。また、ペルチェ素子２は、発光素子３の温度を調節（発光素子３を加温または冷却）する。
光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１と、レンズ３０２と、１／４波長板３０３と、を備える。減光フィルター３０１は、前述した発光素子３からの光ＬＬの強度を減少させる。また、レンズ３０２は、光ＬＬの放射角度を調整する（例えば光ＬＬを平行光とする）。また、１／４波長板３０３は、光ＬＬに含まれる周波数の異なる２種の光を直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換する。
原子セルユニット２０は、原子セル２０１と、受光素子２０２と、ヒーター２０３と、温度センサー２０４と、コイル２０５と、を備える。
原子セル２０１は、光透過性を有し、原子セル２０１内には、アルカリ金属が封入されている。アルカリ金属原子は、互いに異なる２つの基底準位と励起準位とからなる３準位系のエネルギー準位を有する。原子セル２０１には、発光素子３からの光ＬＬが減光フィルター３０１、レンズ３０２および１／４波長板３０３を介して入射する。そして、受光素子２０２は、原子セル２０１を通過した光ＬＬを受光し、検出する。
ヒーター２０３は、原子セル２０１内のアルカリ金属を加熱し、そのアルカリ金属の少なくとも一部をガス状態とする。また、温度センサー２０４は、原子セル２０１の温度を検出する。コイル２０５は、原子セル２０１内のアルカリ金属に所定方向の磁場を印加し、そのアルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させる。このようにアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、前述したような円偏光の共鳴光対がアルカリ金属原子に照射されると、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位のうち、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数を他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に多くすることができる。そのため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が増大し、所望のＥＩＴ信号が大きくなり、その結果、原子発振器１０の発振特性を向上させることができる。
制御ユニット５０は、温度制御部５０１と、光源制御部５０２と、磁場制御部５０３と、温度制御部５０４と、を備える。温度制御部５０１は、温度センサー２０４の検出結果に基づいて、原子セル２０１内が所望の温度となるように、ヒーター２０３への通電を制御する。また、磁場制御部５０３は、コイル２０５が発生する磁場が一定となるように、コイル２０５への通電を制御する。また、温度制御部５０４は、温度センサー４の検出結果に基づいて、発光素子３の温度が所望の温度（温度領域内）となるように、ペルチェ素子２への通電を制御する。
光源制御部５０２は、受光素子２０２の検出結果に基づいて、ＥＩＴ現象が生じるように、発光素子３からの光ＬＬに含まれる２種の光の周波数を制御する。ここで、これら２種の光が原子セル２０１内のアルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数差の共鳴光対となったとき、ＥＩＴ現象が生じる。また、光源制御部５０２は、前述した２種の光の周波数の制御に同期して安定化するように発振周波数が制御される電圧制御型水晶発振器（図示せず）を備えており、この電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）の出力信号を原子発振器１０の出力信号（クロック信号）として出力する。
以上、原子発振器１０の概略について説明した。以下、図２および図３に基づいて、原子発振器１０のより具体的な構成について説明する。
図２は、図１に示す原子発振器の断面側面図である。図３は、図２に示す原子発振器の平面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図２中の上側を「上」、下側を「下」ともいう。
図２に示すように、原子発振器１０は、発光素子モジュール１と、原子セルユニット２０と、発光素子モジュール１を保持している光学系ユニット３０と、原子セルユニット２０および光学系ユニット３０を一括して支持している支持部材４０と、発光素子モジュール１および原子セルユニット２０に電気的に接続されている制御ユニット５０と、これらを収納しているパッケージ６０と、を備えている。
発光素子モジュール１は、ペルチェ素子２と、発光素子３と、温度センサー４と、これらを収納しているパッケージ５と、を有している。なお、発光素子モジュール１については、後に詳述する。
光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１と、レンズ３０２と、１／４波長板３０３と、これらを保持しているホルダー３０４と、を有している。ここで、ホルダー３０４は、両端が開口した貫通孔３０５を有する。この貫通孔３０５は、光ＬＬの通過領域であり、貫通孔３０５内には、減光フィルター３０１、レンズ３０２および１／４波長板３０３がこの順で配置されている。図３に示すように、減光フィルター３０１は、光軸ａを法線とする面に対して傾斜した姿勢で、図示しない接着剤等によりホルダー３０４に対して固定されている。レンズ３０２および１／４波長板３０３は、それぞれ、光軸ａを法線とする面に沿った姿勢で、図示しない接着剤等によりホルダー３０４に対して固定されている。また、貫通孔３０５の減光フィルター３０１側（図２中の左側）の端部には、図示しない取付部材により発光素子モジュール１が取り付けられている。このようなホルダー３０４は、例えば、アルミニウム等の金属材料で構成されており、放熱性を有する。これにより、発光素子モジュール１の放熱を効率的に行うことができる。
なお、光学系ユニット３０は、発光素子３からの光ＬＬの強度、放射角度等によっては、減光フィルター３０１およびレンズ３０２のうちの少なくとも一方を省略することができる。また、光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１、レンズ３０２および１／４波長板３０３以外の光学素子を有していてもよい。また、減光フィルター３０１、レンズ３０２および１／４波長板３０３の配置順は、図示の順に限定されず、任意である。
原子セルユニット２０は、原子セル２０１と、受光素子２０２と、ヒーター２０３と、温度センサー２０４と、コイル２０５と、これらを収納しているパッケージ２０６と、を備える。
原子セル２０１内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。また、原子セル２０１内には、必要に応じて、アルゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。
図示しないが、原子セル２０１は、例えば、柱状の貫通孔を有する胴体部と、その胴体部の貫通孔の両開口を封鎖して気密封止された内部空間を形成している１対の窓部と、を有する。ここで、１対の窓部のうち、一方の窓部には、原子セル２０１内へ入射する光ＬＬが透過し、他方の窓部には、原子セル２０１内から出射した光ＬＬが透過する。したがって、各窓部の構成材料としては、光ＬＬに対する透過性を有していればよく、特に限定されないが、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられる。一方、胴体部の構成材料としては、特に限定されず、金属材料、樹脂材料、ガラス材料、シリコン材料、水晶等が挙げられるが、加工性や各窓部との接合の観点から、ガラス材料、シリコン材料を用いるのが好ましい。また、胴体部と各窓部との接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、特に限定されないが、例えば、直接接合法、陽極接合法等を用いることができる。
受光素子２０２は、原子セル２０１に対して発光素子モジュール１とは反対側に配置されている。この受光素子２０２としては、原子セル２０１内を透過した光ＬＬ（共鳴光対）の強度を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）が挙げられる。
ヒーター２０３は、図示しないが、例えば、前述した原子セル２０１上に配置されているか、または、金属等の熱伝導性部材を介して原子セル２０１に接続されている。このヒーター２０３としては、原子セル２０１（より具体的には原子セル２０１内のアルカリ金属）を加熱することができれば、特に限定されないが、例えば、発熱抵抗体を有する各種ヒーター、ペルチェ素子等が挙げられる。
温度センサー２０４は、図示しないが、例えば、原子セル２０１またはヒーター２０３の近傍に配置されている。この温度センサー２０４としては、原子セル２０１またはヒーター２０３の温度を検出することができれば、特に限定されないが、例えば、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーが挙げられる。
コイル２０５は、図示しないが、例えば、原子セル２０１の外周に沿って巻回して設けられているソレノイド型のコイル、または、原子セル２０１を介して対向するヘルムホルツ型の１対のコイルである。このコイル２０５は、原子セル２０１内に光ＬＬの光軸ａに沿った方向（平行な方向）の磁場を発生させる。これにより、原子セル２０１内のアルカリ金属原子の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップをゼーマン分裂により拡げて、分解能を向上させ、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。なお、コイル２０５が発生する磁場は、直流磁場または交流磁場のいずれかの磁場であってもよいし、直流磁場と交流磁場とを重畳させた磁場であってもよい。
パッケージ２０６は、図示しないが、例えば、板状の基体と、この基体に接合されている蓋体と、を備え、これらの間に、前述した原子セル２０１、受光素子２０２、ヒーター２０３、温度センサー２０４およびコイル２０５を収納している気密空間を形成している。ここで、基体は、原子セル２０１、受光素子２０２、ヒーター２０３、温度センサー２０４およびコイル２０５を直接的または間接的に支持している。また、基体の外表面には、受光素子２０２、ヒーター２０３、温度センサー２０４およびコイル２０５に電気的に接続されている複数の端子が設けられている。一方、蓋体は、一端部が開口した有底筒状をなし、その開口が基体により塞がれている。また、蓋体の他端部（底部）には、光ＬＬに対する透過性を有する窓部２０７が設けられている。
このようなパッケージ２０６の基体および蓋体の窓部以外の部分の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、セラミックス、金属等が挙げられる。また、窓部２０７の構成材料としては、例えば、ガラス材料等が挙げられる。また、基体と蓋体との接合方法としては、特に限定されないが、例えば、ろう接、シーム溶接、エネルギー線溶接（レーザー溶接、電子線溶接等）等が挙げられる。また、パッケージ２０６内は、大気圧よりも減圧されていることが好ましい。これにより、簡単かつ高精度に、原子セル２０１の温度を制御することができる。その結果、原子発振器１０の特性を向上させることができる。
支持部材４０は、板状をなし、その一方の面上には、前述した原子セルユニット２０および光学系ユニット３０が載置されている。この支持部材４０は、光学系ユニット３０のホルダー３０４の下面の形状に沿った設置面４０１を有する。この設置面４０１には、段差部４０２が形成されている。この段差部４０２は、ホルダー３０４の下面の段差部と係合して、ホルダー３０４が原子セルユニット２０側（図２中右側）へ移動するのを規制する。同様に、支持部材４０は、原子セルユニット２０のパッケージ２０６の下面の形状に沿った設置面４０３を有する。この設置面４０３には、段差部４０４が形成されている。この段差部４０４は、パッケージ２０６の端面（図２中左側の端面）と係合して、パッケージ２０６が光学系ユニット３０側（図２中左側）へ移動するのを規制する。
このように、支持部材４０により原子セルユニット２０および光学系ユニット３０の相対的な位置関係を規定することができる。そして、発光素子モジュール１がホルダー３０４に対して固定されているため、原子セルユニット２０および光学系ユニット３０に対する発光素子モジュール１の相対的な位置関係も規定されることとなる。ここで、パッケージ２０６およびホルダー３０４は、それぞれ、図示しないネジ等の固定部材により、支持部材４０に対して固定されている。また、支持部材４０は、図示しないネジ等の固定部材により、パッケージ６０に対して固定されている。また、支持部材４０は、例えば、アルミニウム等の金属材料で構成されており、放熱性を有する。これにより、発光素子モジュール１の放熱を効率的に行うことができる。
図３に示すように、制御ユニット５０は、回路基板５０５と、回路基板５０５上に設けられている２つのコネクター５０６ａ、５０６ｂと、発光素子モジュール１に接続されているリジット配線基板５０７ａと、原子セルユニット２０に接続されているリジット配線基板５０７ｂと、コネクター５０６ａとリジット配線基板５０７ａとを接続しているフレキシブル配線基板５０８ａと、コネクター５０６ｂとリジット配線基板５０７ｂとを接続しているフレキシブル配線基板５０８ｂと、回路基板５０５を貫通している複数のリードピン５０９と、を有する。
ここで、回路基板５０５には、ＩＣ（Integrated Circuit）チップ（図示せず）が設けられ、このＩＣチップが前述した温度制御部５０１、光源制御部５０２、磁場制御部５０３および温度制御部５０４として機能する。また、回路基板５０５は、前述した支持部材４０が挿通されている貫通孔５０５１を有する。また、回路基板５０５は、複数のリードピン５０９を介してパッケージ６０に対して支持されている。複数のリードピン５０９は、それぞれ、パッケージ６０の内外を貫通しており、回路基板５０５に電気的に接続されている。
なお、回路基板５０５と発光素子モジュール１とを電気的に接続する構成、および、回路基板５０５と原子セルユニット２０とを電気的に接続する構成は、図示のコネクター５０６ａ、５０６ｂ、リジット配線基板５０７ａ、５０７ｂおよびフレキシブル配線基板５０８ａ、５０８ｂに限定されず、それぞれ、他の公知のコネクターおよび配線であってもよい。
パッケージ６０は、例えば、コバール等の金属材料で構成されており、磁気シールド性を有する。これにより、外部磁場が原子発振器１０の特性に悪影響を与えるのを低減することができる。なお、パッケージ６０内は、減圧されていてもよいし、大気圧であってもよい。
（発光素子モジュールの詳細な説明）
図４は、図２および図３に示す原子発振器が備える発光素子モジュールの断面図である。図５は、図４に示す発光素子モジュールの平面図である。図６は、図４に示す発光素子モジュールが備えるリッドの平面図である。図７は、図４に示す発光素子モジュールの熱の伝達経路での位置と温度との関係を示すグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図４中の上側を「上」、下側を「下」ともいう。
発光素子モジュール１は、図４に示すように、ペルチェ素子２、発光素子３および温度センサー４と、これらを収納しているパッケージ５と、を有している。
パッケージ５は、上面に開放する凹部５１１を有するベース５１と、ベース５１に接合され、凹部５１１の開口（上部開口）を塞ぐリッド５２とを有し、ベース５１とリッド５２との間に、ペルチェ素子２、発光素子３および温度センサー４を収納している気密空間である内部空間Ｓを形成している。このようなパッケージ５内は、減圧（真空）状態であることが好ましい。これにより、パッケージ５の外部の温度変化がパッケージ５内の発光素子３や温度センサー４等に与える影響を低減し、パッケージ５内の発光素子３や温度センサー４等の温度変動を低減することができる。なお、パッケージ５内は、減圧状態でなくともよく、また、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されていてもよい。
ベース５１の構成材料としては、特に限定されないが、絶縁性を有し、かつ、内部空間Ｓを気密空間とするのに適した材料、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等の酸化物系セラミックス、窒化珪素、窒化アルミ、窒化チタン等の窒化物系セラミックス、炭化珪素等の炭化物系セラミックス等の各種セラミックスなどを用いることができる。
また、ベース５１は、凹部５１１の底面よりも上側であっても、凹部５１１の底面の外周を囲むように形成されている段差部５１２を有している。この段差部５１２の上面には、図５に示すように、接続電極６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、６２ｅ、６２ｆが設けられている。これらの接続電極６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、６２ｅ、６２ｆ（以下、「接続電極６２ａ〜６２ｆ」ともいう）は、それぞれ、ベース５１を貫通する図示しない貫通電極を介して、ベース５１の下面に設けられた外部実装電極６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅ、６１ｆ（以下、「外部実装電極６１ａ〜６１ｆ」ともいう）に電気的に接続されている。
接続電極６２ａ〜６２ｆおよび外部実装電極６１ａ〜６１ｆ等の構成材料としては、特に限定されず、例えば、金（Ａｕ）、金合金、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、銀（Ａｇ）、銀合金、クロム（Ｃｒ）、クロム合金、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の金属材料が挙げられる。
また、ベース５１の上端面には、中間部材として、枠状（環状）のシールリング５３が設けられている。このシールリング５３は、例えば、コバール等の金属材料で構成され、ろう付け等によりベース５１に対して接合されている。このようなシールリング５３を介してベース５１にシーム溶接等によりリッド５２が接合されている。また、シールリング５３を比較的熱伝導率の低い金属材料で構成することもできる。この場合には、ベース５１側からの熱がリッド５２側へ伝わるのを抑制することができ、後述するＴｃ２＜Ｔｃ１を達成しやすくなる。
図４および図６に示すように、リッド５２は、板状をなす本体部５４と、本体部５４上に設けられている筒状の突出部５５と、突出部５５の開口を塞いでいる窓部５６と、を有している。
本体部５４は、突出部５５を支持している第１部分５４ａと、ベース５１（より具体的にはシールリング５３を介してベース５１）に接合されている第２部分５４ｂと、第１、第２部分５４ａ、５４ｂ間を繋いでいる第３部分５４ｃと、を有している。ここで、第２、第３部分５４ｂ、５４ｃの厚さｔ２、ｔ３は、それぞれ、第１部分５４ａの厚さｔ１よりも薄くなっている。また、第２部分５４ｂの厚さｔ２および第３部分５４ｃの厚さｔ３は、互いに等しい。本実施形態では、本体部５４の厚さｔ２の外周部を平面視でシールリング５３の内周縁５３１を境界として２つの部分に分けて捉えたとき、その２つの部分のうち、外側の部分が第２部分５４ｂであり、外側の部分が第３部分５４ｃであるとも言える。また、第１部分５４ａの外周部は、第３部分５４ｃに向けて厚さが連続的に薄くなっており、これにより、第１部分５４ａの上面および下面が第３部分５４ｃの上面および下面と連続的に繋がっている。また、第１部分５４ａには、その厚さ方向に貫通している孔５４１が形成されている。この孔５４１は、発光素子３からの光ＬＬの少なくとも一部を通過させる。このような本体部５４の構成材料としては、特に限定されないが、金属材料が好適に用いられ、その中でも、ベース５１の構成材料と線膨張係数が近似する金属材料を用いることが好ましい。したがって、例えば、ベース５１をセラミックス基板とした場合には、本体部５４の構成材料としてはコバール等の合金を用いることが好ましい。
突出部５５は、その内側に、前述した本体部５４の孔５４１に連通している孔５５１と、孔５５１に対して孔５４１とは反対側で孔５５１に連通している孔５５２と、を有している。これら孔５５１、５５２は、それぞれ、発光素子３からの光ＬＬの少なくとも一部を通過させる。ここで、孔５５２の幅（径）は、孔５５１の幅（径）よりも大きくなっており、これにより、孔５５１と孔５５２との間には、段差部５５３が形成されている。この段差部５５３は、前述した本体部５４の板面に対して傾斜角度θで傾斜している。また、図６に示すように、突出部５５の外周面には、円筒面に沿った１対の曲面部５５５と、この１対の曲面部５５５間に設けられている平坦な１対の平坦部５５４と、を有する。１対の平坦部５５４は、平面視で本体部５４の第１部分５４ａの外形に沿っており、これにより、前述した本体部５４の第３部分５４ｃを確保している。また、このような１対の平坦部５５４を設けることで、ベース５１とリッド５２との溶接が容易となる。また、１対の曲面部５５５を設けることで、突出部５５の必要な機械的強度を確保することができる。
このような突出部５５の構成材料としては、本体部５４の構成材料と異なっていてもよいが、本体部５４の構成材料と線膨張係数が近似する金属材料を用いることが好ましく、本体部５４の構成材料と同じであることがより好ましい。また、突出部５５は、本体部５４とは別体で形成され、公知の接合方法により接合してもよいし、金型等を用いて本体部５４と一体（一括）して形成してもよい。
孔５５２の内部には、光ＬＬを透過する板状の部材で構成された窓部５６が設置されている。窓部５６は、前述した段差部５５３上に公知の接合法により接合され、前述した突出部５５の孔５５１の孔５５２側の開口を塞いでいる。ここで、前述したように段差部５５３が本体部５４の板面５４０に対して傾斜角度θで傾斜しているため、窓部５６の面５６０も、本体部５４の板面５４０に対して傾斜角度θで傾斜している。かかる傾斜角度θは、特に限定されないが、５度以上４５度以下であることが好ましい。これにより、比較的簡単な構成で窓部５６の必要な光学特性を発揮させつつ、発光素子３からの光ＬＬが窓部５６の下面（面５６０）および上面で反射して戻り光として発光素子３に入射して発光素子３の特性に悪影響を与えることを低減することができる。この窓部５６は、発光素子３からの光ＬＬに対する透過性を有する。このような窓部５６の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、ガラス材料等が挙げられる。なお、窓部５６は、レンズ、減光フィルター等の光学部品であってもよい。また、窓部５６は、本体部５４の板面５４０に対して傾斜せずに平行となるように設置されていてもよい。
このようなリッド５２は、図４に示すように、本体部５４および突出部５５が前述した光学系ユニット３０のホルダー３０４に係合して位置決めされる。より具体的には、本体部５４の板面がホルダー３０４の位置決め面３０６に当接することで、発光素子３の光軸ａ方向でのリッド５２および発光素子モジュール１の位置決めがなされる。また、突出部５５がホルダー３０４の貫通孔３０５内に挿入された状態で突出部５５の側面（より具体的には、前述した１対の曲面部５５５）が貫通孔３０５の内壁面に当接することで、発光素子３の光軸ａに対して垂直な方向でのリッド５２および発光素子モジュール１の位置決めがなされる。また、このように本体部５４および突出部５５がホルダー３０４に接触することで、金属材料で構成されている放熱性のホルダー３０４からの放熱によりリッド５２の温度を低減することもできる。
このようなパッケージ５のベース５１の凹部５１１の底面には、ペルチェ素子２が配置されている。ペルチェ素子２は、ベース５１に対して例えば接着剤により固定されている。ペルチェ素子２は、図４に示すように、１対の基板２１、２２と、これらの基板２１、２２間に設けられている接合体２３と、を有する。基板２１、２２は、それぞれ、金属材料、セラミックス材料等の熱伝導性に優れる材料で構成されている。また、基板２１、２２の表面には、それぞれ、必要に応じて、絶縁膜が設けられている。このような基板２１の下面は、パッケージ５のベース５１に固定され、一方、基板２１の上面には、図５に示すように、１対の端子２４、２５が設けられている。また、基板２２は、１対の端子２４、２５を露出するように設けられている。そして、１対の端子２４、２５は、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である配線８１ａ、８１ｂを介して、パッケージ５に設けられた接続電極６２ａ、６２ｂに電気的に接続されている。接合体２３は、１対の端子２４、２５からの通電によりペルチェ効果を生じる互いに異なる２種の金属または半導体の接合体を複数含んで構成されている。
このようなペルチェ素子２は、接合体２３で生じるペルチェ効果により、基板２１、２２のうち、一方の基板が発熱側、他方が吸熱側となる。ここで、ペルチェ素子２は、供給される電流の向きにより、基板２１が発熱側となるとともに基板２２が吸熱側となる状態と、基板２１が吸熱側となるとともに基板２２が発熱側となる状態と、を切り換えることができる。そのため、環境温度の範囲が広くても、発光素子３等を所望の温度（目標温度）に温度調節することができる。これにより、温度変化による悪影響（例えば光ＬＬの波長変動）をより低減することができる。ここで、発光素子３の目標温度（Ｔｖ）は、発光素子３の特性に応じて決められるものであり、特に限定されないが、例えば、３０℃以上４０℃以下程度である。発光素子３の温度をこの目標温度に保つべく、温度センサー４からの情報に基づいて、ペルチェ素子２を適時作動させ、発光素子３を加温したり冷却したりする。
また、ペルチェ素子２は、基板２２の上面に設けられている金属層２６を有する。この金属層２６は、例えば、アルミニウム、金、銀等の熱伝導性に優れる金属で構成されており、この金属層２６の上面には、発光素子３、温度センサー４および中継部材７１、７２が配置されている。
発光素子３は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザーである。半導体レーザーは、直流バイアス電流に高周波信号を重畳して（変調を掛けて）用いることにより、波長の異なる２種の光を出射させることができる。この発光素子３は、図示しない１対の端子を有しており、この１対の端子は、一方の端子が駆動信号用の端子であり、他方の端子が接地用の端子である。駆動信号用の端子は、配線８２ａ、中継部材７１および配線８２ｂを介して、パッケージ５に設けられた接続電極６２ｃに電気的に接続されている。一方、接地用の端子は、配線８２ｃ、金属層２６および配線８２ｄを介して、パッケージ５に設けられた接続電極６２ｄに電気的に接続されている。
温度センサー４は、例えば、サーミスタ、熱電対等の温度検出素子である。この温度センサー４は、図示しない１対の端子を有しており、この１対の端子は、一方の端子が検出信号用の端子であり、他方の端子が接地用の端子である。検出信号用の端子は、配線８３ａ、中継部材７２および配線８３ｂを介して、パッケージ５に設けられた接続電極６２ｅに電気的に接続されている。一方、接地用の端子は、金属層２６および配線８３ｃを介して、パッケージ５に設けられた接続電極６２ｆに電気的に接続されている。
配線８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄ、８３ａ、８３ｂ、８３ｃは、それぞれ、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である。ここで、配線８２ｂが複数のワイヤー配線で構成されている。これにより、配線８２ｂの電気抵抗を小さくし、発光素子３に供給する駆動信号の損失を低減することができる。同様の観点から、配線８２ｃ、８２ｄもそれぞれ複数のワイヤー配線で構成されている。
中継部材７１は、絶縁性を有する基部７１１と、基部７１１の上面に設けられている導電性の配線層７１２と、を有している。基部７１１は、例えば、セラミックス材料で構成されている。この基部７１１の下面には、図示しない金属層が接合されているとともに、この金属層がろう材等の接合材（図示せず）を介して金属層２６に接合されている。また、配線層７１２は、前述した接続電極６２ａ〜６２ｆ等と同様の材料で構成されている。また、配線層７１２は、長手形状をなし、基部７１１の上面の一部に形成されている。これにより、配線層７１２と金属層２６との間の静電容量を小さくし、発光素子３に供給する駆動信号として高周波信号を用いても、駆動信号の損失を低減することができる。また、基部７１１の大きさをある程度確保し、その結果、中継部材７１を実装しやすくすることができる。
このような中継部材７１を経由して、発光素子３と接続電極６２ｃ、６２ｄとの電気的な接続を行うことにより、配線８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄもペルチェ素子２により温度調節される。そのため、かかる配線８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄの温度変動が低減され、それに伴って、発光素子３の温度変動も低減することができる。
中継部材７２は、前述した中継部材７１と同様に構成することができる。ただし、温度センサー４には高周波信号を用いないため、中継部材７２が有する配線層は、基部の上面の全域にわたって設けられていてもよい。
このような中継部材７２を経由して、温度センサー４と接続電極６２ｅ、６２ｆの電気的接続を行うことにより、配線８３ａ、８３ｂ、８３ｃもペルチェ素子２により温度調節される。そのため、かかる配線８３ａ、８３ｂ、８３ｃの温度変動が低減され、それに伴って、温度センサー４の温度変動も低減することができる。すなわち、温度センサー４が接続電極６２ｅ、６２ｆからの熱の影響を受け難くすることができる。そのため、温度センサー４の検出精度を高めることができ、その結果、発光素子３の温度を高精度に制御することができる。
以上説明したように構成されている発光素子モジュール１は、前述したように、ペルチェ素子２と、ペルチェ素子２上に配置されている発光素子３と、ペルチェ素子２および発光素子３を収納しているパッケージ５と、を備えている。ここで、パッケージ５は、ペルチェ素子２が配置されているベース５１、および、ベース５１に接合され、ペルチェ素子２および発光素子３を収納している内部空間Ｓをベース５１との間に形成しているリッド５２を有する。なお、図示の実施形態では、リッド５２は、ベース５１に対し間接的に（シールリング５３のような中間部材を介して）接合されているが、リッド５２がベース５１に直接接合されていてもよい。
そして、パッケージ５の外部の温度をＴｓとし、発光素子３の温度をＴｖとし、ベース５１の温度をＴｃ１とし、リッド５２の温度をＴｃ２としたとき、Ｔｖ＜Ｔｓなる関係を満たす条件下で、Ｔｓ＜Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たす。すなわち、パッケージ５の外部の温度Ｔｓが発光素子３の温度Ｔｖ（設定温度）よりも高くなった条件下において、リッド５２の温度Ｔｃ２がベース５１の温度Ｔｃ１よりも低くなるように、パッケージ５が構成されている。
このような発光素子モジュール１によれば、Ｔｖ＜Ｔｓなる関係を満たす条件下であっても、Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たすため、発光素子３とリッド５２との温度差を低減することができる。したがって、発光素子モジュール１の設置環境が高温となっても、リッド５２から発光素子３への熱の放射（輻射）を低減することができる。このようなことから、高温下であっても、ペルチェ素子２を用いて発光素子３の温度変動を低減することができる。なお、「発光素子３の温度Ｔｖ」は、前述した温度制御部５０４による温度制御の設定温度である。また、「ベース５１の温度Ｔｃ１」は、ベース５１の最も温度が低い部分の温度である。同様に、「リッド５２の温度Ｔｃ２」は、リッド５２の最も温度が低い部分の温度である。
ここで、リッド５２の温度Ｔｃ２とベース５１の温度Ｔｃ１との温度差（Ｔｃ１−Ｔｃ２）は、５℃以上３０℃以下であることが好ましく、１０℃以上２０℃以下であることがより好ましい。これにより、パッケージ５の設計を容易なものとしつつ、リッド５２から発光素子３への熱の放射（輻射）を効果的に低減することができる。また、パッケージ５の外部の温度は、ペルチェ素子２の下面の温度よりも低いことが好ましい。これにより、発光素子モジュール１の構成を簡単化しつつ、Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たすことができる。また、Ｔｖ＜Ｔｓなる関係を満たす条件下におけるペルチェ素子２の下面と上面との温度差（下面の温度−上面の温度）は、４０℃以上６０℃以下であることが好ましい。これにより、パッケージ５の外部の温度が６０℃程度の高温であっても、発光素子３を適温に維持することができる。
本実施形態では、前述したように、リッド５２は、ベース５１とは反対側に突出している突出部５５を有する。これにより、リッド５２のベース５１とは反対側の面の面積を大きくして、リッド５２の放熱性を高めることができる。すなわち、突出部５５が放熱フィンのように作用する。そのため、比較的簡単な構成で、Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たし、かつ、ベース５１の温度（Ｔｃ１）とリッド５２の温度（Ｔｃ２）との差を大きくすることができる。
より具体的に説明すると、Ｔｖ＜Ｔｓなる関係を満たす条件下では、発光素子３を冷却してＴｖを下げるためにペルチェ素子２の上面側（リッド５２側）を低温とするので、ペルチェ素子２の下面側（ベース５１側）が高温となり、その熱が図４中の二点鎖線で示す熱の伝達経路Ｑに沿って、ベース５１からリッド５２に伝達される。ここで、伝達経路Ｑは、ペルチェ素子２から窓部５６へ向かって、ペルチェ素子２の下面にある位置Ｐ１、ベース５１の底部にある位置Ｐ２、ベース５１とシールリング５３との境界部にある位置Ｐ３、リッド５２とシールリング５３との境界部にある位置Ｐ４、リッド５２の本体部５４にある位置Ｐ５、突出部５５と窓部５６との境界部にある位置Ｐ６、および、窓部５６にある位置Ｐ７をこの順で通る。発光素子モジュール１では、図７中の線分Ａで示すように、位置Ｐ１からＰ４までの間、および、位置Ｐ５から位置Ｐ６までの間で温度が低下していく。これにより、Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たし、リッド５２の温度Ｔｃ２と発光素子の温度Ｔｖとの差（ΔＴＡ）を小さくすることができる。なお、図７では省略しているが、位置Ｐ７の温度は位置Ｐ６の温度よりも低くなる。
これに対し、仮にリッド５２が単なる板状であると、リッド５２の放熱性が悪く、また、リッド５２の温度が均一となる。ここで、リッド５２の放熱性が悪いと、ベース５１およびリッド５２の温度も高くなる。また、ベース５１の最も温度が低い部分は、ベース５１のリッド５２との接合部となるため、図７中二点鎖線の線分Ｂで示すように、リッド５２の温度Ｔｃ２´は、ベース５１の温度Ｔｃ１´と等しくなる。そのため、リッド５２の温度Ｔｃ２´と発光素子の温度Ｔｖとの差（ΔＴＢ）が大きくなってしまう。
また、リッド５２は、発光素子３からの光ＬＬを透過させる窓部５６を有し、窓部５６が突出部５５に設けられている。これにより、窓部５６と発光素子３との離間距離を大きくすることができる。そのため、窓部５６から発光素子３への熱の放射を低減することができる。また、突出部５５を有効利用して窓部５６を設けることができる。そのため、リッド５２全体と発光素子３との間の距離を大きくする場合に比べて、発光素子モジュール１の小型化を図ることができる。
さらに、リッド５２は、突出部５５を支持している第１部分５４ａと、ベース５１に接合されている第２部分５４ｂと、第１部分５４ａと第２部分５４ｂとの間に位置し、第１部分５４ａよりも厚さが薄い第３部分５４ｃと、を有する。これにより、第３部分５４ｃの厚さｔ３を薄くして、第３部分５４ｃの熱抵抗を高めることができる。そのため、リッド５２のベース５１との接合部である第２部分５４ｂから第１部分５４ａへの熱の伝達を低減することができる。また、第１部分５４ａの厚さｔ１を厚くして、リッド５２の必要な機械的強度を確保することができる。さらに、リッド５２とベース５１とを接合する際に第１部分５４ａに生じる応力を低減して、窓部５６と突出部５５との接合部の破壊を低減することもできる。
また、第３の部分５４ｃの幅は、特に限定されないが、第２部分５４ｂの幅に対して０．３倍以上２倍以下であることが好ましく、０．５倍以上１．５倍以下であることが好ましい。これにより、リッド５２の必要な機械的強度を確保しつつ、第３部分５４ｃの熱抵抗を高めることができる。
ここで、第２部分５４ｂの厚さｔ２は、第１部分５４ａの厚さｔ１よりも薄い。これにより、リッド５２とベース５１との接合をシーム溶接等により容易に行うことができる。特に、本実施形態では、第２部分５４ｂの厚さｔ２が第３部分５４ｃの厚さｔ３と等しい。これにより、リッド５２の製造が容易となるとともに、リッド５２をベース５１に接合する際に位置ずれを生じても、不本意な応力が生じるのを低減することができる。
また、リッド５２の構成材料の熱伝導率は、ベース５１の構成材料の熱伝導率よりも高いことが好ましい。これにより、リッド５２の放熱性を高めるとともに、ベース５１の熱抵抗を高めることができる。そのため、比較的簡単な構成で、Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たし、かつ、ベース５１の温度（Ｔｃ１）とリッド５２の温度（Ｔｃ２）との差を大きくすることができる。
また、パッケージ５の内部空間Ｓは、大気圧よりも減圧されていることが好ましい。これにより、パッケージ５の外部の温度変化により発光素子３の温度が変動するのを効果的に低減することができる。また、このように内部空間Ｓが減圧されている場合、リッド５２から発光素子３への熱の放射の影響が顕著となる。そのため、このような場合に、Ｔｖ＜Ｔｓなる関係を満たす条件下で、Ｔｓ＜Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たすことは、特に有用である。
以上説明したような原子発振器１０は、前述したような発光素子モジュール１を備える。これにより、高温下であっても、ペルチェ素子２を用いて発光素子３の温度変動を低減することができる。そのため、発光素子３からの光の波長変動を低減し、当該光を利用して優れた発振特性を有する原子発振器１０を実現することができる。
また、原子発振器１０は、リッド５２の外表面の少なくとも一部に接触して配置されている放熱性を有する「放熱部材」であるホルダー３０４を備える。これにより、リッド５２からの放熱を多くすることができる。そのため、比較的簡単な構成で、Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たし、かつ、ベース５１の温度（Ｔｃ１）とリッド５２の温度（Ｔｃ２）との差を大きくすることができる。
２．電子機器
以上説明したような発光素子モジュール１および原子発振器１０は、各種電子機器に組み込むことができる。以下、本発明の電子機器について説明する。
図８は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
図８に示す測位システム１１００は、ＧＰＳ衛星１２００と、基地局装置１３００と、ＧＰＳ受信装置１４００とで構成されている。
ＧＰＳ衛星１２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置１３００は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ１３０１を介してＧＰＳ衛星１２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置１３０２と、この受信装置１３０２で受信した測位情報をアンテナ１３０３を介して送信する送信装置１３０４とを備える。
ここで、受信装置１３０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明の原子発振器１０（発光素子モジュール１）を備える電子機器である。また、受信装置１３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置１３０４により送信される。
ＧＰＳ受信装置１４００は、ＧＰＳ衛星１２００からの測位情報をアンテナ１４０１を介して受信する衛星受信部１４０２と、基地局装置１３００からの測位情報をアンテナ１４０３を介して受信する基地局受信部１４０４とを備える。
以上のような測位システム１１００が備える「電子機器」である受信装置１３０２は、前述した発光素子モジュール１を備える。これにより、高温下であっても、ペルチェ素子２を用いて発光素子３の温度変動を低減することができる。そのため、受信装置１３０２の設置環境によらず、優れた特性を発揮させることができる。
なお、本発明の発光素子モジュールを備える電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、ディジタルスチルカメラ、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター）、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送、携帯電話基地局等に適用することができる。
３．移動体
図９は、本発明の移動体の一例を示す図である。
この図において、移動体１５００は、車体１５０１と、４つの車輪１５０２とを有しており、車体１５０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪１５０２を回転させるように構成されている。このような移動体１５００には、原子発振器１０（発光素子モジュール１）が内蔵されている。
以上のような移動体１５００は、前述した発光素子モジュール１を備える。これにより、高温下であっても、ペルチェ素子２を用いて発光素子３の温度変動を低減することができる。特に、自動車のような移動体は、発光素子モジュール１の設置環境が高温となりやすい。そのため、このような発光素子モジュール１を用いることは特に有用である。
以上、本発明の発光素子モジュール、原子発振器、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、前述した実施形態では、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果を利用してセシウム等を共鳴遷移させる原子発振器に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、これに限定されず、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用してルビジウム等を共鳴遷移させる原子発振器にも適用可能である。
また、前述した実施形態では、本発明の発光素子モジュールを原子発振器に用いた場合を例に説明したが、これに限定されず、発光素子を用いるあらゆるデバイスに用いることができる。例えば、本発明の発光素子モジュールは、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。
１…発光素子モジュール、２…ペルチェ素子、３…発光素子、４…温度センサー、５…パッケージ、１０…原子発振器、２０…原子セルユニット、２１…基板、２２…基板、２３…接合体、２４…端子、２５…端子、２６…金属層、３０…光学系ユニット、４０…支持部材、５０…制御ユニット、５１…ベース、５２…リッド、５３…シールリング、５４…本体部、５４ａ…第１部分、５４ｂ…第２部分、５４ｃ…第３部分、５５…突出部、５６…窓部、６０…パッケージ、６１ａ…外部実装電極、６１ｂ…外部実装電極、６１ｃ…外部実装電極、６１ｄ…外部実装電極、６１ｅ…外部実装電極、６１ｆ…外部実装電極、６２ａ…接続電極、６２ｂ…接続電極、６２ｃ…接続電極、６２ｄ…接続電極、６２ｅ…接続電極、６２ｆ…接続電極、７１…中継部材、７２…中継部材、８１ａ…配線、８１ｂ…配線、８２ａ…配線、８２ｂ…配線、８２ｃ…配線、８２ｄ…配線、８３ａ…配線、８３ｂ…配線、８３ｃ…配線、８３ｄ…配線、２０１…原子セル、２０２…受光素子、２０３…ヒーター、２０４…温度センサー、２０５…コイル、２０６…パッケージ、２０７…窓部、３０１…減光フィルター、３０２…レンズ、３０３…１／４波長板、３０４…ホルダー（放熱部材）、３０５…貫通孔、３０６…位置決め面、４０１…設置面、４０２…段差部、４０３…設置面、４０４…段差部、５０１…温度制御部、５０２…光源制御部、５０３…磁場制御部、５０４…温度制御部、５０５…回路基板、５０６ａ…コネクター、５０６ｂ…コネクター、５０７ａ…リジット配線基板、５０７ｂ…リジット配線基板、５０８ａ…フレキシブル配線基板、５０８ｂ…フレキシブル配線基板、５０９…リードピン、５１１…凹部、５１２…段差部、５３１…内周縁、５４０…板面、５４１…孔、５５１…孔、５５２…孔、５５３…段差部、５５４…平坦部、５５５…曲面部、５６０…面、７１１…基部、７１２…配線層、１１００…測位システム、１２００…ＧＰＳ衛星、１３００…基地局装置、１３０１…アンテナ、１３０２…受信装置、１３０３…アンテナ、１３０４…送信装置、１４００…ＧＰＳ受信装置、１４０１…アンテナ、１４０２…衛星受信部、１４０３…アンテナ、１４０４…基地局受信部、１５００…移動体、１５０１…車体、１５０２…車輪、５０５１…貫通孔、ＬＬ…光、Ｐ１…位置、Ｐ２…位置、Ｐ３…位置、Ｐ４…位置、Ｐ５…位置、Ｐ６…位置、Ｐ７…位置、Ｑ…伝達経路、Ｓ…内部空間、ｔ１…厚さ、ｔ２…厚さ、ｔ３…厚さ、Ｔｃ１…温度、Ｔｃ２…温度、Ｔｃ１´…温度、Ｔｃ２´…温度、Ｔｓ…温度、Ｔｖ…温度、ａ…光軸、θ…傾斜角度

Claims (8)

  1. ペルチェ素子と、
    前記ペルチェ素子上に配置されている発光素子と、
    前記ペルチェ素子が配置されているベース、および、前記ベースに接合され、前記ペルチェ素子および前記発光素子を収納している内部空間を前記ベースとの間に形成しているリッドを有するパッケージと、を備え、
    前記リッドは、前記ベースとは反対側に突出している突出部と、
    前記突出部に設けられ、前記発光素子からの光を透過させる窓部と、
    前記突出部を支持している第１部分と、
    前記ベースに接合されている第２部分と、
    前記第１部分と前記第２部分との間に位置し、前記第１部分よりも厚さが薄い第３部分と、を有し、
    前記パッケージの外部の温度をＴｓとし、前記発光素子の温度をＴｖとし、前記ベースの温度をＴｃ１とし、前記リッドの温度をＴｃ２としたとき、
    Ｔｖ＜Ｔｓなる関係を満たす条件下で、Ｔｓ＜Ｔｃ２＜Ｔｃ１なる関係を満たすことを特徴とする発光素子モジュール。
  2. 前記第２部分の厚さは、前記第１部分の厚さよりも薄い請求項１に記載の発光素子モジュール。
  3. 前記内部空間は、大気圧よりも減圧されている請求項１または２に記載の発光素子モジュール。
  4. 前記リッドの構成材料の熱伝導率は、前記ベースの構成材料の熱伝導率よりも高い請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光素子モジュール。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光素子モジュールを備えることを特徴とする原子発振器。
  6. 前記リッドの外表面の少なくとも一部に接触して配置されている放熱性を有する放熱部材を備える請求項５に記載の原子発振器。
  7. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光素子モジュールを備えることを特徴とする電子機器。
  8. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光素子モジュールを備えることを特徴とする移動体。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019193238A (ja) * 2018-04-27 2019-10-31 セイコーエプソン株式会社 原子発振器および周波数信号生成システム
CN111585165A (zh) 2019-02-15 2020-08-25 日亚化学工业株式会社 发光装置的制造方法、发光装置、或基部
US11815588B2 (en) * 2019-07-05 2023-11-14 University Of Electronic Science And Technology Of China Room-temperature semiconductor maser and applications thereof
CN110247288B (zh) * 2019-07-05 2024-02-13 电子科技大学 常温半导体脉泽及其应用
US11533101B1 (en) * 2022-02-08 2022-12-20 Quantum Valley Ideas Laboratories Communicating information using photonic crystal masers
US11469566B1 (en) 2022-02-08 2022-10-11 Quantum Valley Ideas Laboratories Generating electromagnetic radiation from a photonic crystal maser
US11402479B1 (en) 2022-02-08 2022-08-02 Quantum Valley Ideas Laboratories Communicating information using photonic crystal transceivers

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04105572U (ja) * 1991-02-26 1992-09-10 ソニー株式会社 レーザ装置
JPH07104332A (ja) 1993-09-30 1995-04-21 Sony Corp レーザ光発生装置
JP2003101122A (ja) * 2001-09-20 2003-04-04 Komatsu Ltd 半導体レーザモジュール
JP4795739B2 (ja) * 2005-07-15 2011-10-19 富士フイルム株式会社 レーザパッケージ及びレーザモジュール
US7856038B2 (en) * 2006-03-27 2010-12-21 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Light-emitting module installing thermo-electric controller
JP2007324234A (ja) * 2006-05-30 2007-12-13 Sumitomo Electric Ind Ltd 発光モジュール
JP4702315B2 (ja) * 2007-03-29 2011-06-15 ヤマハ株式会社 半導体レーザモジュール
JP5375279B2 (ja) * 2008-06-18 2013-12-25 セイコーエプソン株式会社 原子発振器
JP2013182954A (ja) * 2012-02-29 2013-09-12 Sumitomo Electric Device Innovations Inc 光通信モジュール
CN104303380A (zh) * 2012-05-01 2015-01-21 三菱电机株式会社 半导体封装件
JP6413362B2 (ja) * 2013-06-21 2018-10-31 日亜化学工業株式会社 光源装置及び光源装置を用いた光学エンジン
JP6218106B2 (ja) * 2013-06-28 2017-10-25 株式会社リコー 光学モジュール、光走査装置、画像形成装置、及び光学モジュールの製造方法
KR101788540B1 (ko) * 2013-08-12 2017-10-20 한국전자통신연구원 온도 제어 장치를 가진 광송신 모듈 및 그 제조 방법
US9625671B2 (en) * 2013-10-23 2017-04-18 Lasermax, Inc. Laser module and system
JP6303481B2 (ja) * 2013-12-20 2018-04-04 セイコーエプソン株式会社 発光素子モジュール、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体
JP6225812B2 (ja) * 2014-04-18 2017-11-08 日亜化学工業株式会社 発光装置
JP6379755B2 (ja) * 2014-07-07 2018-08-29 株式会社リコー 光源モジュール、光走査装置、画像形成装置、及び光源モジュールの製造方法
JP6296024B2 (ja) * 2015-08-28 2018-03-20 日亜化学工業株式会社 半導体レーザ装置

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