JPH08179170A - 熱電子冷却素子付半導体レーザモジュール - Google Patents

熱電子冷却素子付半導体レーザモジュール

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JPH08179170A
JPH08179170A JP32440994A JP32440994A JPH08179170A JP H08179170 A JPH08179170 A JP H08179170A JP 32440994 A JP32440994 A JP 32440994A JP 32440994 A JP32440994 A JP 32440994A JP H08179170 A JPH08179170 A JP H08179170A
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JP
Japan
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semiconductor laser
package
cooling element
lens
thermoelectric cooling
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JP32440994A
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English (en)
Inventor
Tsuyoshi Tanaka
強 田中
Satoshi Aoki
聰 青木
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】光アイソレータ3と一体化したレンズ4は、外
部放熱フィンへ取付けのためのフランジ7を底板に有す
るパッケージ8の壁にAgろう付けされたホルダ9に挿
入され、はんだにより気密封止固定される。パッケージ
8の内側には、サイズ5.5×6.5×6.5mmの銅タングス
テン合金により形成されたヒートシンク10が、ホルダ9
と対抗する側の内壁面11と底面12にAgろう付け固定さ
れる。 【効果】安価にでき、また、光ファイバ出力変動量を約
50%低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【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、広い動作温度範囲の下で安定
な光出力を得ることを必要とする半導体レーザモジュー
ルに関する。
【0002】
【従来の技術】光通信用の半導体レーザモジュールに関
する従来技術として、特開平4-3484号,特開平6-82659
号及び特開平6-120609号公報等に記載された技術が知ら
れている。
【0003】特開平4-3484号公報では、光アイソレータ
及び第二レンズを保持するための保持部材を半導体レー
ザからの出射光に対し光軸調整した後、パッケージにY
AG溶接固定している。この場合、パッケージに対する
光結合系の固定点が多い上、パッケージ本体の剛性も低
い。このため、環境温度変化による接合部の劣化による
光軸ずれ、あるいは外部放熱フィン等へ取付け用フラン
ジをねじ締め付け時、パッケージひずみによる光軸ずれ
が発生し、光出力変動が著しい。
【0004】特開平6-82659号公報では、モジュールを
外部放熱フィンあるいは基板へ取付けるためのフランジ
部をパッケージ本体の材質と比較して縦弾性係数の低い
材質で形成することにより、ねじ締め付け時のパッケー
ジのひずみを低減し、光結合系の光軸ずれを抑制したも
のである。この場合、パッケージ底板をパッケージ本体
部とねじ止め用フランジ部とを分割してそれぞれ異なる
材料により形成し、Agろう付け等の手段によって接合
している。このため、パッケージの価格はハイコストと
なる。
【0005】特開平6-120609号公報では、半導体レー
ザ,レンズ,光アイソレータ,光ファイバを一体化し、
その全てを熱電子冷却素子にて温度制御できる状態でパ
ッケージに収容することで、環境温度変化によって発生
する光軸ずれを防止している。この場合、熱電子冷却素
子により冷却する母体は、通常の半導体レーザ及びレン
ズを搭載したステムに比し、大きさが約3倍となり、パ
ッケージ内雰囲気を介する熱伝達量及び輻射熱量等によ
る流入熱量が増加し、モジュールの冷却能力が劣化する
ため、熱電子冷却素子の消費電力が増大する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術に示した
3例では、パッケージの剛性が低い、高価である、モジ
ュールの冷却能力が劣化し、熱電子冷却素子の消費電力
が増大する等、それぞれに特有の課題を有している。
【0007】本発明の目的は、これらの課題を全て解決
したモジュール構造とし、広い動作温度範囲の下で安定
な光出力を得る熱電子冷却素子付半導体レーザモジュー
ルを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、半導体レーザモジュールのパッケージにレ
ンズを挿入固定するための保持部材を有し、且つ熱電子
冷却素子を固定するためのヒートシンクをパッケージ内
部の前記保持部材と対抗する側の壁とパッケージ底部に
接触する形で設置し、半導体レーザが搭載されたステム
を搭載固定した熱電子冷却素子を前記半導体レーザを発
光させながら光ファイバ間との光軸調整を行った後、前
記ヒートシンクにはんだ付け固定する。
【0009】
【作用】パッケージにレンズを挿入固定するための保持
部材を有し、且つ熱電子冷却素子を固定するためのヒー
トシンクをパッケージ内部の保持部材と対抗する側の壁
とパッケージ底部に接触する形で設置することでパッケ
ージ本体の剛性が高まり、パッケージのフランジ部を分
割構成とするよりも安価にできる。また、熱電子冷却素
子上に搭載するステムも可能な限り小さくできるため、
モジュールの冷却能力が損なわれずに済む。
【0010】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1ないし図4に
より説明する。
【0011】図1は、光アイソレータを内蔵した本発明
熱電子冷却素子付半導体レーザモジュールの構成を示す
縦断面図である。
【0012】半導体レーザ1より出射したビームはレン
ズ2により平行光又は擬似平行光に変換され、外部反射
戻り光防止用の光アイソレータ3を介しレンズ4により
集光され、フェルール5で保持された光ファイバ6に入
射し、光結合される。光アイソレータ3と一体化したレ
ンズ4は、外部放熱フィンへ取付けのためのフランジ7
を底板に有するパッケージ8の壁にAgろう付けされた
ホルダ9に挿入し、はんだにより気密封止固定してい
る。パッケージ8の内側には、サイズ5.5×6.5×6.5m
mの銅タングステン合金により形成されたヒートシンク
10が、ホルダ9と対抗する側の内壁面11と底面12(フラ
ンジ7上)にAgろう付け固定されている。
【0013】半導体レーザ1は、レンズ2と半導体レー
ザ1の後方出射光をモニタするモニタ用フォトダイオー
ド13と半導体レーザ1の温度を検出するサーミスタ14と
共にステム15上に搭載固定している。
【0014】ステム15を温度制御用熱電子冷却素子16に
搭載し、図2に示すように、ステム15にはV溝17が設け
られており、そのV溝17を剛性の高い鋼材で形成した治
具18で嵌め込むようにして掴み、半導体レーザ1を発光
させながらレンズ4とレンズ2の光軸が合う位置に位置
調整した後、熱電子冷却素子16をヒートシンク10にはん
だ付け固定している。
【0015】フェルール5を保持するフェルールホルダ
19を光軸に対し直行方向に、フェルール5を光軸方向に
位置調整後、フェルールホルダ19をパッケージ8に設け
られたホルダ9に、フェルール5をフェルールホルダ19
にそれぞれはんだ付け固定している。
【0016】パッケージ8本体の材質は一般にコバール
材が用いられ、その熱膨張係数は5.7×10~6である。接
合部に発生する繰返し熱応力による疲労劣化を抑制する
ため、パッケージ8にAgろう付けしているホルダ9
は、本体と同一のコバール材を採用し、パッケージ8の
底板部となるフランジ7とヒートシンク10には熱膨張係
数がコバール材に非常に近い6.0×10~6を有し、且つ、
放熱効率を高めるため熱伝導率が272W/m・Kでコ
バール材の16.7W/m・Kに比し、約16倍の銅タン
グステン合金を採用している。また、ヒートシンク10の
サイズは光軸方向のパッケージ8の長さに対し約1/
3、光軸方向と直行するパッケージ8の幅に対し、約3
/5としている。このことから、パッケージ8全体の剛
性が高まり、フランジ7に設けられたねじ穴部20を外部
放熱フィンへの取付けの際、異物介入、または基板への
取付けの際、基板のたわみ等によるねじ締め付け時のパ
ッケージひずみが発生せず、光軸がずれることがない。
従来例の特開平6-82659号公報のようにフランジ7をパ
ッケージ8本体の底板部とねじ穴部20を形成する部分を
分割し、異材料により構成するよりパッケージ組立が簡
単であることから安価にできる。
【0017】環境温度変化による光出力の変動量の測定
方法は、半導体レーザ1の後方出射光をモニタするフォ
トダイオード13のモニタ電流値を一定に保つよう制御し
(A-PC;Auto Power Control)、サーミスタ14の抵抗
値を一定に保つよう熱電子冷却素子16を制御(ATC;
Auto Temperature Control)しつつ恒温槽等により周囲
温度を変化させ、その際の光ファイバ出力値を読み取
り、最大値と最小値の幅を変動量とする。図3に従来例
の特開平4-3484号公報による半導体レーザモジュールの
光ファイバ出力変動量のヒストグラムを図4に本発明に
よる半導体レーザモジュールの光ファイバ出力変動量の
ヒストグラムを比較して示す(数量は各々20台)。周囲
温度は25℃(6分放置)→−20℃(30分放置)→25
℃(6分放置)→65℃(30分放置)→25℃と変化させ
た。規定の温度に達するまでの時間はそれぞれ30分と
しており、半導体レーザ1の温度は25℃、モニタ電流
値は光ファイバの出力が1mW一定となる値に設定,制
御している。図3の従来例では、光ファイバ出力変動量
の平均値0.32dB、標準偏差0.15dBであるのに
対し、図4の本発明品では、平均値0.15dB、標準
偏差0.12dBとなっており、ホルダ9をパッケージ
8にAgろう付けし、光軸ずれの要因となる固定点を減
少させたことで約50%の改善を達成した。
【0018】熱電子冷却素子16を冷却動作、すなわち、
半導体レーザ1が搭載されたステム15(低温側)を冷却
する動作をさせた場合、熱電子冷却素子16が吸熱した熱
量と熱電子冷却素子16の発生するジュール熱が、ヒート
シンク10及びフランジ7(高温側)を介し、外部放熱フ
ィンへ放熱される。半導体レーザモジュールの冷却能力
は、高温側の温度と低温側温度の差で表される。従来例
の特開平6-120609号公報の場合、半導体レーザから光フ
ァイバに至る光学系全てを熱電子冷却素子の低温側に搭
載する構造であり、その母体の表面積は、本発明のステ
ム15の表面積(約70mm2)に比し、約3倍になるであろ
うことが想像できる。パッケージ内壁面からの熱伝達量
1はパッケージ内雰囲気の熱伝導率λ、ステム表面積
A、空間の間隔量d、パッケージ温度Tp、低温側温度
Tcを用いてQ1=λ・A・(Tp−Tc)/dより求めら
れ、また、パッケージ内壁面からの輻射熱量Q2は、輻
射率ε、ステファンボルツマン定数σ、ステム表面積
A、パッケージ温度Tp、低温側温度Tcを用いてQ2
=ε・σ・(Tp4−Tc4)・Aより求められ、ステム表面
積に比例している。熱電子冷却素子の消費電力を統一し
た場合、Q1及びQ2の増大により、低温側温度は上昇
し、半導体レーザモジュールの冷却能力が劣化する。本
発明ではステム15の表面積を従来例特開平6-120609号公
報の場合の約1/3に留めることでこれを防止してい
る。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、安価で剛性の高いパッ
ケージを形成し、環境温度変化による光ファイバ出力の
変動量を約50%低減できる上、冷却能力の劣化を防止
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の構成を示す断面図。
【図2】本発明の一実施例のステム及び熱電子冷却素子
のパッケージ内ヒートシンクへの取付け方法を示す斜視
図。
【図3】従来例の半導体レーザモジュールの光ファイバ
出力変動量の特性図。
【図4】本発明の一実施例による半導体レーザモジュー
ルの光ファイバ出力変動量の特性図。
【符号の説明】
1…半導体レーザ、2,4…レンズ、3…光アイソレー
タ、5…フェルール、6…光ファイバ、7…フランジ、
8…パッケージ、9…ホルダ、10…ヒートシンク、11…
内壁面、12…底面、13…モニタ用フォトダイオード、14
…サーミスタ、15…ステム、16…熱電子冷却素子、19…
フェルールホルダ、20…ねじ穴部。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体レーザの温度を制御する熱電子冷却
    素子と、前記半導体レーザの出射光を平行光または擬似
    平行光に変換する第一レンズと、前記第一レンズにより
    変換された平行光または擬似平行光を集光する第二レン
    ズと、前記第一レンズと前記第二レンズにより前記半導
    体レーザと光結合された光ファイバと、構成部品を収
    納,固定し、外部放熱フィン等への取付け用フランジを
    底部に有するパッケージとから成る半導体レーザモジュ
    ールにおいて、前記パッケージは前記第二レンズを挿入
    固定するための保持部材を有し、前記熱電子冷却素子を
    固定するためのヒートシンクを前記パッケージの内部の
    前記保持部材と対抗する側の壁と前記パッケージの底部
    に接触する形で設置したことを特徴とする熱電子冷却素
    子付半導体レーザモジュール。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記保持部材は前記パ
    ッケージと同一あるいは前記パッケージに近い熱膨張係
    数を有する材料により形成され、前記ヒートシンクは前
    記パッケージに近い熱膨張係数を有し、200W/m・
    K以上の熱伝導率を有する材料により形成されている熱
    電子冷却素子付半導体レーザモジュール。
  3. 【請求項3】請求項1または2において、前記半導体レ
    ーザと前記半導体レーザの光軸に一致させる位置に前記
    第一レンズが機械的寸法合わせにより搭載されたステム
    を熱電子冷却素子上に搭載固定し、前記ステムが搭載固
    定された前記熱電子冷却素子を前記ステム上の前記半導
    体レーザを発光させた状態で前記第二レンズ及び前記光
    ファイバへの光軸調整後、前記パッケージ内に設置され
    た前記ヒートシンク上にはんだ付け固定した熱電子冷却
    素子付半導体レーザモジュール。
  4. 【請求項4】請求項1,2または3において、前記保持
    部材に光アイソレータが挿入固定された熱電子冷却素子
    付半導体レーザモジュール。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7277244B2 (en) 2005-06-17 2007-10-02 Fujifilm Corporation Lens barrel for image taking lens
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JP2012163902A (ja) * 2011-02-09 2012-08-30 Sumitomo Electric Ind Ltd 光モジュール

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