JPH031587A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光通信システムの光源などとして利用される
半導体レーザ装置に関するものであり、特に伝送速度Ｉ
Ｇｂ／ｓ以上の超高速光通信システムの光源として利用
される電子冷却素子を内蔵した半導体レーザ装置に関す
る。

（従来の技術） 光通信システムの光源などとして利用される半導体レー
ザ装置は、閾値デバイスであるため、温度上昇に伴って
急激な光出力の低下や劣化が生ずる。また、周囲温度の
変化は、発振特性の変化、例えばモードホッピングある
いは、中心波長シフトを引き起こす。このため、半導体
レーザ装置を光通信システム用光源として使用する場合
、発振特性や光出力の変化は伝送特性上大きな問題とな
る。

従来、この種の問題を解決するために半導体レーザ装置
内部に電子冷却素子を有し、半導体レーザ素子及びレー
ザ光モニタ素子を一定温度に制御する方法がとられてい
る。

すなわち、第３図に示すように、半導体レーザ素子３１
と、レーザ光モニタ素子３４と、光ファイバ３６への結
合レンズ３３と、温度検出用サーミスタ３２とがレーザ
搭載ブロック３５の所定箇所に搭載され、電子冷却素子
４３がレーザ搭載ブロック３５の底面部と金属製の気密
パフケージ３７の底面部との間に配置され、半田付けに
よって互いに密着固定される。

レーザ搭載ブロック３５上に搭載された半導体レーザ素
子３１、レーザ光モニタ素子３４及び温度検出用サーミ
スタ３２の各端子は、気密パフケージ７の各信号端子に
第４図の平面図に示すようにワイヤで接続される。ここ
で、ワイヤ４０はレーザ素子３１のアノードと変調信号
の供給される入力端子間を接続するためのものである。

また、レーザ搭載ブロック３５への熱の流入を抑制して
電子冷却効率を高めるために、レーザ搭載ブロック３５
と気密パッケージ３７の接地端子との間の電気的接続は
、直径５０μｍ程度の金などを素材する２本の接地用ワ
イヤ３８．３９を介して行われれる。

従って、電気的にはレーザ搭載ブロック３５が接地用ワ
イヤ３８．３９に寄生するインダクタンスを介して気密
パッケージ３７の接地端子に接続されることになる。ま
たレーザ搭載ブロック３５と気密パフケージ３７の底面
との間に介在される電子冷却素子４３は、サーモエレメ
ントとこのサーモエレメントを保持する２枚の基板（通
常アルミナセラミックス）とによって構成されるため、
レーザ搭載ブロック３５は上記接地用ワイヤ３８゜３９
の寄生インダクタンスと、電子冷却素子４３のインピー
ダンスとを介して気密パンケージ３７に接地されること
になる。

従って、第３図と第４図に示す構造の従来の半導体レー
ザ装置の電気的な等価回路は、第５図に示すようなもの
となる。第５図中−点鎖線内は半導体レーザ素子３１の
等価回路であり、破線内はレーザ搭載ブロック３５を含
めた気密パンケージ３７内の等価回路、破線外は気密パ
ッケージ３７外部の等価回路である。半導体レーザ素子
３１のアノードはボンディングワイヤ４０の寄生インダ
クタンスしｂｌ、接地用ワイヤ３８．３９の寄生インダ
クタンスＬｗｌ及び気密パッケージ３７の実装時のリー
ドインダクタンスＬｅｌを介して電気的に接地される。

同様に、レーザ搭載ブロック３５の仮想接地点は電子冷
却素子４３のインピーダンスＺｐを介して気密パッケー
ジに接地される。

実験的に求められるインピーダンスＺｐは、第６図に示
すようなものとなる。Ｌｌ、Ｃ２及びＲ２はサーモエレ
メント自体に基づくものであり、Ｌｌと０２による並列
共振周波数は信号帯域よりも十分高い５〜６ＧＨｚの近
傍にあり、従って通常の信号帯域ではインダクタンスＬ
１によって短絡された状態となる。また、ＣＩ、Ｒ１は
両側の基板に基づくものであり、３〜４ＧＨｚ程度の周
波数範囲では寄生容量Ｃ１が支配的になる。この寄生容
量ＣＩは電子冷却素子４３の寸法にもよるが、６ｍｍｘ
６ｍｍ程度の典型的なものでは、約４〜５ｐＦ程度の値
となる。一方、レーザ搭載ブロック３５と気密パッケー
ジ３７との間の接地用ワイヤと外部リードに寄生するイ
ンダクタンスＬｗｌ＋Ｌｅｌは、典型的には３〜４ｎＨ
程度になる。

この結果、レーザ搭載ブロック３５、従って半導体レー
ザ素子のアノードの接地が電子冷却素子４３に寄生する
寄生容量Ｃ１と、レーザ搭載ブロック３５と気密パフケ
ージ３７とを接続する接地用ワイヤ及び気密パッケージ
３７のリードに寄生する寄生インダクタンス（１ｗｌ＋
Ｌｅｌ）との並列回路を介して接地されるため、これら
による並列共振周波数ｆｒは、 ｆｒ ＝１／　（２ｙｃ　　（Ｌｗｌ＋Ｌｅｌ）Ｃ１・　・　
・　（１） となる。

ここで、（Ｌｗｌ＋Ｌｅｌ）が３ｎＨ，Ｃ１が５ｐＦの
場合、ｆｒは約１．３ＧＨｚとなり、第７図に示すよう
に、この並列共振周波数において、小信号周波数特性が
劣化するという欠点がある。

特に、光通信システム用光源として使用する場合、（１
）式の並列共振周波数ｆｒがベースバンド内に存在する
とレーザ駆動信号の信号スペクトラムの欠落が生じ、変
調された光出力波形の立上り／立下り部分のジッタが極
めて大きくなる。この結果、実用的にはｆｒ以下の伝送
速度でないと使用できないという欠点があり、Ｉ　Ｇ　
ｂ　／　ｓを超える光通信システムへの適用を困難にし
ていた。

従来、このような電子冷却素子を有する半導体レーザ装
置において、Ｉ　Ｇ　ｂ　／　ｓを超える超高速領域ま
で変調を可能にする方策として、各端子のリード長と内
部の配線長を２〜３ｍｍ程度まで短縮することにより個
別の寄生インダクタンスを極力低減すると共に、レーザ
搭載ブロック５と気密パフケージ７との間の接地用ワイ
ヤの本数を増加させて総合の寄生インダクタンスを更に
減少させようとする試みが報告されている。これの詳細
については、ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　　Ｌｉ
ｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏ　−１ｏｇｙ、　Ｖｏｌ
　ＬＴ−５，Ｎｏ、１０．１９８７　ｐｐ１４０３〜１
４１１）に掲載されたｒＤｕａｌ−ＩＮ−Ｌｉｎｅ　　
ＬＡＳＥＲＤｉｏｄｅ　Ｍｏｄｕ−Ｉｅ　ｆｏｒ　Ｆｉ
ｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ　Ｔｒａｎｓｍｉｓ−ｓｉｏｎ　Ｕ
ｐ　ｔｏ　４Ｇｂ／ｓ　Ｊと題するＨ、Ｎａｋａｎｏの
論文を参照されたい。

（発明が解決しようとする課題） 上記従来の半導体レーザ装置では、個別の接地用ワイヤ
の長さを短縮すると共にこれらの本数を増加させること
によって総合の寄生インダクタンスを減少させ、電気特
性の改善を行っている。この結果、電子冷却素子から接
地用ワイヤを介して半導体レーザ素子に還流する熱量が
増加し、冷却効率が著しく劣化するという問題がある。

特に、並列共振周波数ｆｒと総合の寄生インダクタンス
Ｌとが（１）式に示すように１／、／＝王の関係にある
点を考慮すれば、接地用ワイヤの本数の増加による高周
波特性の改善が冷却効率の大幅な低下をもたらすことが
明らかである。

（課題を解決するための手段） 本発明の半導体レーザ装置は、電子冷却素子の冷却側と
放熱側の各基板を高誘電率セラミックス板と金属板との
積層構造とすることにより並列共振時のインピーダンス
を低下させて電気特性の劣化を防止するように構成され
ている。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザ装置の
構成を示す断面図であり、１は半導体レーザ素子、２は
温度検出用サーミスタ、３は結合レンズ、４はレーザ光
モニター素子、５はレーザ搭載ブロック、６は光ファイ
バ、７は気密パフケージである。また、８．１０は高誘
電率セラミックス板、９．１１は金属板、１２はサーモ
エレメント、１３は電子冷却素子である。

半導体レーザ素子と、温度検出用サーミスタ２と、光フ
ァイバ６への結合レンズ３とは、レーザ搭載ブロック５
の所定の位置に搭載される。レーザ搭載ブロック５の底
面は電子冷却素子１３の冷却側基板の表面に半田付けに
よって固着され、この電子冷却素子の放熱側基板表面は
金属製の気密パフケージ７の底面に半田付けによって固
着される。

電子冷却素子１３の冷却側基板は、一方のサーモエレメ
ントを接続する配線パターンを形成すると共に他方の面
にメタライズパターンを形成した高誘電率セラミックス
板８と、金属板９との積層構造として形成される。同様
に、電子冷却素子１３の放熱側基板は、一方の面にサー
モエレメントを接続する配線パターンを形成すると共に
他方の面にメタライズパターンを形成した高誘電率セラ
ミックス板１０と、金属板１１との積層構造として形成
される。上記冷却側基板と放熱側基板の間にサーモエレ
メントを介在させ、接触面間にロウ付けを行うことによ
り電子冷却素子１３が形成される。

本実施例では、高誘電率セラミックスとしてチタン酸バ
リウム（’ＢａＴｉ０３）を用いた。このチタン酸バリ
ウムは、冷却側と放熱側の基板として従来使用されてき
たアルミナセラミックスに比べて数百倍乃至千倍程度の
誘電率を有するが、熱伝導率は従来のアルミナセラミッ
クスの約１１５程度と低い値に留まる。このため、従来
の電子冷却素子と同等の基板厚み（０，６ｍｍ前後）で
は、冷却効率が相当程度低下する。従って、熱抵抗値を
従来のアルミナセラミックス基板の場合と同等の値に近
づけるために、高誘電率セラミックス板８と１０の厚み
を０．１５ｍｍに低減すると共に、この厚みの低減に伴
う機械的強度の低下を補うために銅タングステンなどを
素材とする金属板９．１１との密着固定による積層構造
が採用されている。

従来の電子冷却素子は、６ｍｍｘ６ｍｍ程度の寸法のも
ので、約５ｐＦの寄生容量を有する。−方、本実施例の
チタン酸バリウムの高誘電率セラミックス板と金属板と
の積層構造から成る基板を用いた電子冷却素子では、寄
生容量が約６０００ｐＦ程度まで増加する。従来の半導
体レーザ装置では、接地用ワイヤ及びリードに寄生する
インダクタンス（Ｌｗｌ　＋Ｌｅ　１）と寄生容量Ｃ１
による並列共振のために、第７図に示したような小信号
変調特性の不具合が生じる。

一方、並列共振時のインピーダンスＺ１は近似的に以下
のようになる。

２１＃　（Ｌｗｌ＋Ｌｅ　１）／　（Ｒ１・Ｃ１）・・
・・　（２） 従って、冷却素子１３の寄生容量Ｃ１の増加に伴い、（
１）式に示される並列共振周波数は低下するものの、（
２）式に示される並列共振時のインピーダンスが大幅に
減少する。本実施例では、電子冷却素子１３の寄生容量
を従来よりも１２００倍程度に増加させて共振時のイン
ピーダンスを低下させることにより、並列共振に伴う電
気特性上の不具合がほぼ完全に解消され、第２図に示す
ように、変調特性上はとんど問題ない程度まで改善でき
た。

一方、冷却効率に関しても、チタン酸バリウムの高誘電
率セラミックス板の厚みを低減してアルミナセラミック
ス基板を使用した従来品と同等の熱抵抗にすることによ
り、従来品と同等の冷却効率が実現できた。

なお、本実施例では、高誘電率セラミックスとして、チ
タン酸バリウムを用いたが１００以上の誘電率を持つも
のであれば、他の適宜な高誘電率セラミックスを使用し
てもよい。

また、高誘電率セラミックス板の厚みは素材の熱抵抗や
許容される冷却効率に応じて他の適宜な値を選択でき、
本実施例の０．１５　ｍｍに限定されるものではない。

（発明の効果） 以上説明したように本発明は、半導体レーザ装置に内蔵
する電子冷却素子の冷却側と放熱側の各基板として高誘
電率セラミックス板と金属板との製層構造を採用し、電
子冷却素子の寄生容量を増加させる構成であるから、寄
生インダクタンスと寄生容量の並列共振に起因する接地
インピーダンスが大幅に低下し、変調特性を改善できる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の半導体レーザ装置の構成を
示す断面図、第２図は第１図の半導体レーザ装置による
小信号周波数特性の改善効果を示す特性図、第３図は従
来の半導体レーザ装置の構成を示す断面図、第４図は第
１図と第３図の半導体レーザ装置の内部結線を例示する
平面図、第５図は第１図と第３図の半導体レーザ装置の
等価回路を示す図、第６図は第１図と第３図の電子冷却
素子の等価回路を示す図、第７図は第３図の従来装置の
小信号周波数特性を示す特性図である。 １・・・半導体レーザ素子、２・・・温度検出用サーミ
スタ、３・・・結合レンズ、４・・・レーザ光モニタ素
子、５・・・レーザ搭載ブロック、・光ファイバ、７・
・・気密パッケージ、０・・・高誘電率セラミックス板
、９．１・金属板、１２・・・サーモエレメント、・・
電子冷却素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 パッケージの底面に固定された放熱側基板と半導体レー
   ザ素子を搭載するブロックの底面に固定される冷却側基
   板とを有する電子冷却素子を内蔵する半導体レーザ装置
   において、 前記電子冷却素子の各基板は、誘電率１００以上の高誘
   電率セラミックス板と金属板との積層構造から成ること
   を特徴とする半導体レーザ装置。