JPH0482287A - 電子冷却素子付半導体レーザモジュール - Google Patents
電子冷却素子付半導体レーザモジュールInfo
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- JPH0482287A JPH0482287A JP19495890A JP19495890A JPH0482287A JP H0482287 A JPH0482287 A JP H0482287A JP 19495890 A JP19495890 A JP 19495890A JP 19495890 A JP19495890 A JP 19495890A JP H0482287 A JPH0482287 A JP H0482287A
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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。
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、光通信用半導体レーザモジュールに係り、特
に半導体レーザに電子冷却素子が付属される場合でのパ
ッケージ構成に関するものである。
に半導体レーザに電子冷却素子が付属される場合でのパ
ッケージ構成に関するものである。
これまで、光通信用電子冷却素子付半導体レーザモジュ
ールに用いられているデュアルインライン形パッケージ
に関するものとしては、例えば特開昭６４−１０６８６
号公報に記載のものが知られている。
ールに用いられているデュアルインライン形パッケージ
に関するものとしては、例えば特開昭６４−１０６８６
号公報に記載のものが知られている。
これによる場合、パンケージの壁厚は１！ｌ１ｆｆ１前
後とされ、光ファイバが取り出されるパッケージ壁面と
対向するパッケージ外壁面には、外部ヒートシンク等に
取付されるための放熱用フランジが単に取付されたもの
となっている。
後とされ、光ファイバが取り出されるパッケージ壁面と
対向するパッケージ外壁面には、外部ヒートシンク等に
取付されるための放熱用フランジが単に取付されたもの
となっている。
ところで、これまでの電子冷却素子付半導体レーザモジ
ュールにおいては、気密端子を形成可能なそのパッケー
ジ材料は、気密封止用ガラスまたはセラミックの熱膨張
係数との関係上、一般にコバール、ニッケル合金等の低
熱伝導材に限定されており、高熱伝導材である銅やアル
ミニウム等はパッケージ材として使用され得ないものと
なっている。これがために、電子冷却素子からの熱は熱
抵抗が大とされたパッケージを介し放熱用フランジに伝
導されることになり、半導体レーザは十分に冷却され得
ないものとなっている。
ュールにおいては、気密端子を形成可能なそのパッケー
ジ材料は、気密封止用ガラスまたはセラミックの熱膨張
係数との関係上、一般にコバール、ニッケル合金等の低
熱伝導材に限定されており、高熱伝導材である銅やアル
ミニウム等はパッケージ材として使用され得ないものと
なっている。これがために、電子冷却素子からの熱は熱
抵抗が大とされたパッケージを介し放熱用フランジに伝
導されることになり、半導体レーザは十分に冷却され得
ないものとなっている。
また、以上の不具合に加え、広帯域化の点で不利となっ
ている。というのは、電子冷却素子はその高温側面が直
接的にパッケージ内壁面に取付されるが、これによって
その低温側に取付される半導体レーザのパッケージ内で
の収容位置もほぼ限定されることになるというものであ
る。したがって、パッケージに予め割付される高周波信
号（変調用）入力端子位置が半導体レーザの収容位置よ
り大きく離れて設定されている場合には、それら間の電
気長を最短とし得なく、これがためにインダクタンスが
増加し広帯域化の不利であるというものである。
ている。というのは、電子冷却素子はその高温側面が直
接的にパッケージ内壁面に取付されるが、これによって
その低温側に取付される半導体レーザのパッケージ内で
の収容位置もほぼ限定されることになるというものであ
る。したがって、パッケージに予め割付される高周波信
号（変調用）入力端子位置が半導体レーザの収容位置よ
り大きく離れて設定されている場合には、それら間の電
気長を最短とし得なく、これがためにインダクタンスが
増加し広帯域化の不利であるというものである。
本発明の目的は、半導体レーザが十分に冷却可とされた
電子冷却素子付半導体レーザモジュールを供するにある
。
電子冷却素子付半導体レーザモジュールを供するにある
。
また、本発明の他の目的は、接合部での繰返し熱応力の
緩和や疲労劣化の抑制が可とされた電子冷却素子付半導
体レーザモジュールを供するにある。
緩和や疲労劣化の抑制が可とされた電子冷却素子付半導
体レーザモジュールを供するにある。
更に、本発明の他の目的は、電気的高周波特性が良好と
された電子冷却素子付半導体レーザモジュールを供する
にある。
された電子冷却素子付半導体レーザモジュールを供する
にある。
上記目的は、電子冷却素子と放熱用フランジとの間に、
パッケージを貫通した状態で、高熱伝導部材を介在せし
めることで達成される。
パッケージを貫通した状態で、高熱伝導部材を介在せし
めることで達成される。
また、他の目的は、電子冷却素子高温側面がセラミンク
面である場合に、パッケージ、放熱用フランジ、高熱伝
導部材をそれぞれ特定の材料で以て構成することで達成
される。
面である場合に、パッケージ、放熱用フランジ、高熱伝
導部材をそれぞれ特定の材料で以て構成することで達成
される。
更に他の目的は、高熱伝導部材の長さを、高周波信号入
力端子位置と半導体レーザ位置との間の電気長が最短と
なるべく設定することで達成される。
力端子位置と半導体レーザ位置との間の電気長が最短と
なるべく設定することで達成される。
電子冷却素子からの熱を、パッケージを介しせしめるこ
となく高熱伝導部材を介し放熱用フランジに伝導せしめ
ようというものである。コバールよりなるパッケージの
その熱抵抗に比し高熱伝導部材のそれは十分小さいこと
から、電子冷却素子からの熱は効率的に外部に放熱され
ることで、半導体レーザはより効率的に冷却され得るも
のである。また、パッケージ材や電子冷却素子高温側面
材料を考慮し、高熱伝導部材や放熱用フランジを特定の
材料を以て構成する場合は、これら材料での熱膨張係数
はほぼ同一とされ、熱応力の緩和や、疲労の劣化抑制が
図れるものである。更に、高熱伝導部材の長さを、高周
波信号入力端子位置と半導体レーザ位置との間の電気長
が最短となるべく設定する場合は、インダクタンスが減
少されることで、高周波特性の劣化は最小限に抑えられ
るものである。
となく高熱伝導部材を介し放熱用フランジに伝導せしめ
ようというものである。コバールよりなるパッケージの
その熱抵抗に比し高熱伝導部材のそれは十分小さいこと
から、電子冷却素子からの熱は効率的に外部に放熱され
ることで、半導体レーザはより効率的に冷却され得るも
のである。また、パッケージ材や電子冷却素子高温側面
材料を考慮し、高熱伝導部材や放熱用フランジを特定の
材料を以て構成する場合は、これら材料での熱膨張係数
はほぼ同一とされ、熱応力の緩和や、疲労の劣化抑制が
図れるものである。更に、高熱伝導部材の長さを、高周
波信号入力端子位置と半導体レーザ位置との間の電気長
が最短となるべく設定する場合は、インダクタンスが減
少されることで、高周波特性の劣化は最小限に抑えられ
るものである。
以下、本発明を第１図、第２図により説明する。
第１図、第２図はそれぞれ本発明による電子冷却素子付
半導体レーザモジュールの横断面、縦断面を示したもの
である。図示のように、コバール材よりなるパッケージ
１には、例えば銅・インバー・銅からなるフランジ２が
Ａｇろう付けされているが、そのフランジ２にはまたパ
ッケージ１壁を貫通しパッケージ１内部に突出する状態
で、銅タングステン合金板材３が高熱伝導部材としてＡ
ｇろう付けされたものとなっている。この状態でのもの
が電子冷却素子付半導体レーザモジュール用パッケージ
と称されているものである。さて、半導体レーザ４はそ
の銅タングステン合金板材３の他端に間接的に取り付け
されるようになっている。半導体レーザ４は銅タングス
テン等の高熱伝導材料からなるステム５に半田付は固定
され、ステム５はまた電子冷却素子６に半田付は固定さ
れ、電子冷却素子６は更に銅タングステン合金板材３に
半田付固定される、といった具合にして取り付けされて
いるものである。
半導体レーザモジュールの横断面、縦断面を示したもの
である。図示のように、コバール材よりなるパッケージ
１には、例えば銅・インバー・銅からなるフランジ２が
Ａｇろう付けされているが、そのフランジ２にはまたパ
ッケージ１壁を貫通しパッケージ１内部に突出する状態
で、銅タングステン合金板材３が高熱伝導部材としてＡ
ｇろう付けされたものとなっている。この状態でのもの
が電子冷却素子付半導体レーザモジュール用パッケージ
と称されているものである。さて、半導体レーザ４はそ
の銅タングステン合金板材３の他端に間接的に取り付け
されるようになっている。半導体レーザ４は銅タングス
テン等の高熱伝導材料からなるステム５に半田付は固定
され、ステム５はまた電子冷却素子６に半田付は固定さ
れ、電子冷却素子６は更に銅タングステン合金板材３に
半田付固定される、といった具合にして取り付けされて
いるものである。
ところで、銅タングステン合金板材３は、パッケージ１
に複数取り付けされている入出力端子のうち、高周波信
号入力端子７の位置と半導体レーザ４位置との間の電気
長が最短となるべく、その長さが適当に設定される必要
があるものとなっている。これは、半導体レーザモジュ
ールの広帯域化の観点からすれば、高周波信号入力端子
７の位置と半導体レーザ４位置との間のインダクタンス
を低減化する必要があるからである。本例では図示の位
置に高周波信号入力端子７が位置されているが、−船釣
にはその位置は設計仕様の段階で定まり、必ずしも図示
のような位置には限定されないものとなっている。因み
に、その際、ステム５の長さ寸法を変更することで、結
果的に高周波信号入力端子７の位置と半導体レーザ４位
置との間の電気長が最短となるように設定することは、
冷却能力の観点からして好ましくないものとなっている
。ステム５の長さ寸法を大きくすれば、その分その表面
積が増大し、周囲空間から流入される伝達輻射熱により
吸熱量が増大することによって、電子冷却素子６による
冷却能力は低下されるからである。なお、ステム５には
他に各種の部品や、レンズを含む結合光学系が搭載され
たり、パッケージ１内部には光ファイバ端が導入される
が、パンケージコー壁の一部に設けられている開口部８
は、外部からの光ファイバ（図示せず）をパンケージ１
内部に導入するためのものである。また、本発明は半導
体レーザモジュールとしての電気的、光学的な動作には
直接関しなく、主にパンケージの構成、構造に関するも
のとなっていることから、その電気的、光学的な動作に
ついては説明を省略する。更に、第２図において、パン
ケージ１上部開口部は金属板の蓋によって覆われるよう
になっているが、図面の簡単化上その金属板は図示省略
されている。
に複数取り付けされている入出力端子のうち、高周波信
号入力端子７の位置と半導体レーザ４位置との間の電気
長が最短となるべく、その長さが適当に設定される必要
があるものとなっている。これは、半導体レーザモジュ
ールの広帯域化の観点からすれば、高周波信号入力端子
７の位置と半導体レーザ４位置との間のインダクタンス
を低減化する必要があるからである。本例では図示の位
置に高周波信号入力端子７が位置されているが、−船釣
にはその位置は設計仕様の段階で定まり、必ずしも図示
のような位置には限定されないものとなっている。因み
に、その際、ステム５の長さ寸法を変更することで、結
果的に高周波信号入力端子７の位置と半導体レーザ４位
置との間の電気長が最短となるように設定することは、
冷却能力の観点からして好ましくないものとなっている
。ステム５の長さ寸法を大きくすれば、その分その表面
積が増大し、周囲空間から流入される伝達輻射熱により
吸熱量が増大することによって、電子冷却素子６による
冷却能力は低下されるからである。なお、ステム５には
他に各種の部品や、レンズを含む結合光学系が搭載され
たり、パッケージ１内部には光ファイバ端が導入される
が、パンケージコー壁の一部に設けられている開口部８
は、外部からの光ファイバ（図示せず）をパンケージ１
内部に導入するためのものである。また、本発明は半導
体レーザモジュールとしての電気的、光学的な動作には
直接関しなく、主にパンケージの構成、構造に関するも
のとなっていることから、その電気的、光学的な動作に
ついては説明を省略する。更に、第２図において、パン
ケージ１上部開口部は金属板の蓋によって覆われるよう
になっているが、図面の簡単化上その金属板は図示省略
されている。
以上のようにしてパッケージ１を構成したうえ、半導体
レーザモジュールとしての動作をさせれば、電子冷却素
子６がその低温側より吸熱した熱量と、電子冷却素子６
自体で発生される熱量とは、その高温側より銅タングス
テン合金板材３を介しフランジ２の板厚方向に広がりを
以て伝導され、更にフランジ２外面を介し外部ヒートシ
ンクに効率的に放熱されることになるものである。これ
をより詳細に説明すれば以下のようである。
レーザモジュールとしての動作をさせれば、電子冷却素
子６がその低温側より吸熱した熱量と、電子冷却素子６
自体で発生される熱量とは、その高温側より銅タングス
テン合金板材３を介しフランジ２の板厚方向に広がりを
以て伝導され、更にフランジ２外面を介し外部ヒートシ
ンクに効率的に放熱されることになるものである。これ
をより詳細に説明すれば以下のようである。
即ち、電子冷却素子６の高温側温度Ｔｈとその低温側温
度Ｔ。どの温度差Δ丁は動作電流に依存することから、
ある動作電流で動作せしめた場合での低温側温度Ｔ、は
以下のように求められることになる。
度Ｔ。どの温度差Δ丁は動作電流に依存することから、
ある動作電流で動作せしめた場合での低温側温度Ｔ、は
以下のように求められることになる。
Ｔ０＝Ｔ、−△Ｔ ・・ （１）したがって
、低温側温度Ｔ０を低くするためには、高温側温度Ｔｈ
も低くする必要があることが判る。ここで、周囲温度を
Ｔ、とすれば、高温側温度Ｔ、は以下のように求められ
るようになっている。
、低温側温度Ｔ０を低くするためには、高温側温度Ｔｈ
も低くする必要があることが判る。ここで、周囲温度を
Ｔ、とすれば、高温側温度Ｔ、は以下のように求められ
るようになっている。
Ｔｈ＝Ｔ、＋ （Ｒ＋ ｒ） ・Ｑ−・ （２）
但し、Ｒ−電子冷却素子の高温側から外部ヒートシンク
に至る熱抵抗 ｒ＝ヒートシンクの放熱熱抵抗 Ｑ＝電子冷却素子の発熱量 である。
但し、Ｒ−電子冷却素子の高温側から外部ヒートシンク
に至る熱抵抗 ｒ＝ヒートシンクの放熱熱抵抗 Ｑ＝電子冷却素子の発熱量 である。
したがって、式（１）に式（２）を代入すれば、低温側
温度Ｔ、、即ち、半導体レーザ４の動作温度は以下のよ
うに決定されることになる。
温度Ｔ、、即ち、半導体レーザ４の動作温度は以下のよ
うに決定されることになる。
Ｔｃ＝Ｔ、＋（Ｒ＋ｒ） ・Ｑ−△丁・ （３）こ
れより熱抵抗Ｒが小さい程に低温側温度Ｔ。
れより熱抵抗Ｒが小さい程に低温側温度Ｔ。
は低く抑えられるものである。
以上、本発明による電子冷却素子付半導体レーザモジュ
ールについて説明したが、最後にその構成での熱伝導と
熱応力について簡単ながら考察すれば以下のようである
。
ールについて説明したが、最後にその構成での熱伝導と
熱応力について簡単ながら考察すれば以下のようである
。
即ち、先ず熱伝導に関しては、コバール材の熱伝導率は
１６．７Ｗ／ （ｍＫ）であるが、これに対し銅タング
ステン合金のそれは２７２す／（ｍＫ）であり、二の値
は銅のそれ（＝ ３９３１１／ （ｍＫ））に近い高熱
伝導特性となっている。一方、熱抵抗値Ｒで比較すれば
、コバール材のそれはＲ＝２．２９°Ｃ／Ｗ（７Ｘ１０
．７Ｘ１ｍｍ）であるのに対し、銅タングステン合金の
それはＲ＝０．３７℃／Ｗ （６Ｘ ６．５ Ｘ ３ｍ
ｍ）であり、銅タングステン合金板材３の長さ（板厚＝
３ｍｍ）がパッケージ１の壁厚（＝１ｍｍ）の３倍にな
ったとしても、従来構成に比し大幅に熱抵抗が低減され
るものである。したがって、同一の条件の下に、電子冷
却素子６が駆動された場合でも、周囲温度Ｔ、と低温側
温度Ｔｅとの間での温度差である実効的な冷却能力△Ｔ
’ （＝Ｔ、−Ｔｅ＝△Ｔ−（Ｒ＋ｒ）・Ｑ）は、従来
構成に比し大きくなり、その分冷却能力が改善され得る
ものである。因みに、電子冷却素子を１．４Ａで駆動し
た結果、実効的な冷却能力△Ｔ′として６０℃が得られ
、従来構成に比し冷却能力は約１０％改善された。
１６．７Ｗ／ （ｍＫ）であるが、これに対し銅タング
ステン合金のそれは２７２す／（ｍＫ）であり、二の値
は銅のそれ（＝ ３９３１１／ （ｍＫ））に近い高熱
伝導特性となっている。一方、熱抵抗値Ｒで比較すれば
、コバール材のそれはＲ＝２．２９°Ｃ／Ｗ（７Ｘ１０
．７Ｘ１ｍｍ）であるのに対し、銅タングステン合金の
それはＲ＝０．３７℃／Ｗ （６Ｘ ６．５ Ｘ ３ｍ
ｍ）であり、銅タングステン合金板材３の長さ（板厚＝
３ｍｍ）がパッケージ１の壁厚（＝１ｍｍ）の３倍にな
ったとしても、従来構成に比し大幅に熱抵抗が低減され
るものである。したがって、同一の条件の下に、電子冷
却素子６が駆動された場合でも、周囲温度Ｔ、と低温側
温度Ｔｅとの間での温度差である実効的な冷却能力△Ｔ
’ （＝Ｔ、−Ｔｅ＝△Ｔ−（Ｒ＋ｒ）・Ｑ）は、従来
構成に比し大きくなり、その分冷却能力が改善され得る
ものである。因みに、電子冷却素子を１．４Ａで駆動し
た結果、実効的な冷却能力△Ｔ′として６０℃が得られ
、従来構成に比し冷却能力は約１０％改善された。
また、熱応力に関していえば、銅タングステン合金、銅
・インバー・銅、コバール材それぞ九の熱膨張係数は、
６．０Ｘ１０ ’／”Ｃ１６，７１０−’／℃、５
．７ Ｘ １０− ’／℃であり、これらは互いに非常
に近い値となっている。一方、セラミック（電子冷却素
子はペルチェ効果素子がセラミックで挾まれたものとし
て構成）の熱膨張係数（＝ｆＥ、９Ｘ１０− ’／℃）
もそれら値に非常に近いものとなっており、このため電
子冷却素子６と銅タングステン合金板材３との間等で発
生する繰返し熱応力を緩和し得、その接合部での疲労劣
化は大幅に抑制され得るものである。
・インバー・銅、コバール材それぞ九の熱膨張係数は、
６．０Ｘ１０ ’／”Ｃ１６，７１０−’／℃、５
．７ Ｘ １０− ’／℃であり、これらは互いに非常
に近い値となっている。一方、セラミック（電子冷却素
子はペルチェ効果素子がセラミックで挾まれたものとし
て構成）の熱膨張係数（＝ｆＥ、９Ｘ１０− ’／℃）
もそれら値に非常に近いものとなっており、このため電
子冷却素子６と銅タングステン合金板材３との間等で発
生する繰返し熱応力を緩和し得、その接合部での疲労劣
化は大幅に抑制され得るものである。
以上説明したように、請求項１による場合は、半導体レ
ーザは十分に冷却可とされ、また、請求項２による場合
には、接合部各々での繰返し熱応力の緩和や疲労劣化の
抑制が図れ、更に、請求項３によれば、半導体レーザの
動作特性上、良好な高周波特性が得られることになる。
ーザは十分に冷却可とされ、また、請求項２による場合
には、接合部各々での繰返し熱応力の緩和や疲労劣化の
抑制が図れ、更に、請求項３によれば、半導体レーザの
動作特性上、良好な高周波特性が得られることになる。
第１図、第２図は、それぞれ本発明による電子冷却素子
付半導体レーザモジュールの横断面、縦断面を示す図で
ある。 １・・パンケージ、２・・フランジ、３・銅タングステ
ン合金板材、４・・半導体レーザ、６・電子冷却素子、
７・・高周波信号入力端子。 第 １ 図
付半導体レーザモジュールの横断面、縦断面を示す図で
ある。 １・・パンケージ、２・・フランジ、３・銅タングステ
ン合金板材、４・・半導体レーザ、６・電子冷却素子、
７・・高周波信号入力端子。 第 １ 図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、パッケージ内部に収容されている電子冷却素子付半
導体レーザからのレーザ光は光ファイバを介しパッケー
ジ外部に取り出される一方、電子冷却素子からの熱はパ
ッケージ外壁面に取付された放熱用フランジを介し外部
に放熱される構成の電子冷却素子付半導体レーザモジュ
ールであって、電子冷却素子高温側面と放熱用フランジ
との間に、パッケージを貫通した状態で、高熱伝導部材
を介在させてなる構成の電子冷却素子付半導体レーザモ
ジュール。 ２、電子冷却素子高温側面がセラミック面とされる場合
、パッケージ、放熱用フランジ、高熱伝導部材はそれぞ
れコバール、銅・インバー・銅、銅タングステン合金で
以て構成されている、請求項１記載の電子冷却素子付半
導体レーザモジュール。 ３、高熱伝導部材は該部材の長さが、パッケージに予め
割付されている高周波信号入力端子の位置と半導体レー
ザ位置との間の電気長が最短となるべく設定されている
、請求項１または２の何れかに記載の電子冷却素子付半
導体レーザモジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19495890A JPH0482287A (ja) | 1990-07-25 | 1990-07-25 | 電子冷却素子付半導体レーザモジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19495890A JPH0482287A (ja) | 1990-07-25 | 1990-07-25 | 電子冷却素子付半導体レーザモジュール |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0482287A true JPH0482287A (ja) | 1992-03-16 |
Family
ID=16333163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19495890A Pending JPH0482287A (ja) | 1990-07-25 | 1990-07-25 | 電子冷却素子付半導体レーザモジュール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0482287A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2404281A (en) * | 2003-07-25 | 2005-01-26 | Agilent Technologies Inc | Optoelectronic assembly with thermoelectric cooler |
| JP5188625B2 (ja) * | 2009-06-02 | 2013-04-24 | 三菱電機株式会社 | 半導体光変調装置 |
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-
1990
- 1990-07-25 JP JP19495890A patent/JPH0482287A/ja active Pending
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