JPWO2005048421A1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

本発明の半導体レーザ装置は、水平方向の上面（Ｓ）を備えるベース部（２）と、垂直方向の素子配置面（７）を有するとともにベース部（２）の上面（Ｓ）よりも上方に位置するヒートシンク部（３）と、素子配置面（７）に固定される半導体レーザ素子（４）とを備え、半導体レーザ素子（４）の直下に位置するベース部（２）に窪み（９）を設け、この窪み（９）に半導体レーザ素子（４）の一部を配置した。素子配置面（７）は、窪み（９）の内側面よりも内方向に位置している。

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。

ＤＶＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ、Ｂｌｕ−Ｒａｙ Ｄｉｓｋ用途等の半導体レーザ素子は、高出力化が要求されている。半導体レーザ装置は、その半導体レーザ素子から発生する熱を放熱するために、半導体レーザ素子を放熱性の良いヒートシンクに直接あるいはサブマウントを介して取り付けている。前記ヒートシンクは、素子配置面が垂直になるように、円盤状のベースの上面に固定されている。ベースの上面には、半導体レーザ素子の直下に位置するように窪みが形成されている。この窪みは、特許文献１に記載されているように、モニター用の受光素子を配置するため、あるいは、サブマウントを兼ねる受光素子の信号取り出し用のリードピンを配置するために専ら用いられている。

半導体レーザ素子の高出力化には、半導体レーザ素子の共振器長を長くすることが有効である。半導体レーザ素子の長さが長くなるのに対応してヒートシンクの高さを高くするように変更したが、半導体レーザ素子の発光点位置に変化がでるので、標準的な規格に適合しないという問題や装置の形状が大型化するという問題があった。また、ベースの厚さを薄くすることも検討したが、ベースを薄くすることによって熱容量が減少し、放熱特性が悪化するという問題が生じる。

そこで、特許文献２には、半導体レーザ素子の一部がベースの上面に設けられた窪みに入り込むように配置することにより、半導体レーザ素子の発光点位置を変えずに、より長い半導体レーザ素子を搭載可能とした半導体レーザ装置が開示されている。

しかしながら、ヒートシンクがベースと別体に構成されている場合、ヒートシンクの取り付け時の誤差によって、素子配置面と窪みの内側面が面一にならず、素子配置面が窪みの外方向に位置すると、半導体レーザ素子あるいはサブマウントの後端部が窪みの内側面に優先的に接してヒートシンクとの間に隙間が生じ、この隙間によって放熱経路が狭まり放熱特性が悪化するおそれがあった。また、ヒートシンク部とベース部が一体形成されている場合でも、プレス加工、研磨等の素子配置面の後加工により、素子配置面のうちベースの上側部分が下側部分よりもくぼんでしまい、段差が形成されることがある。この場合、別体に構成されている場合と同様に半導体レーザ素子あるいはサブマウントがヒートシンクと密着せず、放熱特性が悪化してしまう。
特開２００１−２６７６７４号公報 特開２００４−１７９４９４号公報

本発明はかかる点に鑑みなされたもので、共振器長が長い半導体レーザ素子を発光点位置に変更を加えることなく、且つ放熱特性を低下させることなく搭載可能な高出力化に適した半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の半導体レーザ装置は、水平方向の上面を備えるベース部と、垂直方向の素子配置面を有するとともにベース部の上面よりも上方に位置するヒートシンク部と、素子配置面に固定される半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の直下に位置するベース部の上面に設けられ、半導体レーザ素子の一部を配置する窪みとを備える半導体レーザ装置において、ヒートシンク部は、素子配置面が窪みの内側面よりも内方向に位置するようにベース部に取り付けられることを特徴とする。

また本発明は、上記構成の半導体レーザ装置において、前記窪みは、前記半導体レーザ素子に電圧を供給する複数のリードピンを円周上に含む円によって囲まれる範囲内に設けられていることとした。

また本発明は、上記構成の半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子は、サブマウントを介して前記ヒートシンク部に固定され、前記窪みに前記サブマウントの一部が配置されていることとした。

また本発明は、上記構成の半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子の長さは、前記ヒートシンク部の高さ寸法よりも長いこととした。

また本発明は、上記構成の半導体レーザ装置において、前記ベース部と前記ヒートシンク部は１つの部材で構成されていることとした。

また本発明は、上記構成の半導体レーザ装置において、前記窪みの底面は粗面であることとした。

また本発明は、上記構成の半導体レーザ装置において、前記窪みの底面は傾斜面であることとした。

本発明の第一実施形態の半導体レーザ装置を示す断面図である。 本発明の第一実施形態の半導体レーザ装置を示す平面図である。 本発明の第二実施形態の半導体レーザ装置を示す断面図である。 本発明の第三実施形態の半導体レーザ装置を示す断面図である。 本発明の第四実施形態の半導体レーザ装置を示す断面図である。 本発明の第五実施形態の半導体レーザ装置を示す断面図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ装置
２ ベース部
３ ヒートシンク部
４ 半導体レーザ素子
８ サブマウント
９ 窪み
１２、１３ リードピン

以下、本発明の実施形態をキャンタイプの半導体レーザ装置を例に取り、図面を参照して説明する。図１は本発明の第一実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図（図２のＩ−Ｉに沿った断面）、図２は第一実施形態の半導体レーザ装置の一部を切り欠いた状態の平面図である。

半導体レーザ装置１は、ベース部２とヒートシンク部３と半導体レーザ素子４を備えている。ベース部２とヒートシンク部３は、キャップ５とともに半導体レーザ素子４を装着するパッケージ６を構成する。

ベース部２は、放熱性に優れる部材、例えば鉄、銅などの金属製で、一定な厚さを有している。ベース部２の上面は水平方向に延び、上面外周部分が光ピックアップなどの光学装置に取り付ける際の取り付け基準面Ｓとして用いられる。ベース部２の平面形状は、半導体レーザ素子４の光軸Ｘを中心とする円形としているが、四角形など、他の平面形状に変更することもできる。

ヒートシンク部３は、放熱性に優れる部材、例えば鉄、銅などの金属製で、熱容量を高めるために一定の体積を有している。ヒートシンク部３の高さは、ベース部２の上面にある基準面Ｓを基準として１．２７ｍｍ程度に設定されている。ヒートシンク部３の垂直方向を向いた側面の１つが、半導体レーザ素子４を配置するための素子配置面７として利用される。この素子配置面７とベース部２の上面は直交状態（垂直）に保持される。ヒートシンク部３は前記ベース部２の上面に半田などの導電性接合剤を用いて固定されるので、ベース部２の基準面Ｓよりも上方に位置する。

素子配置面７には、半導体レーザ素子４が固定されている。半導体レーザ素子４は、その光軸Ｘが素子配置面７と平行になるように固定される。ヒートシンク部３に半導体レーザ素子４を直接固定することもできるが、この例では、半導体レーザ素子４の長さと同等の長さ（同じ長さ、あるいは若干短いか若干長い長さ）のサブマウント８を介して固定している。サブマウント８は、半導体レーザ素子４とヒートシンク部３の間の応力緩和、放熱効果などを目的にして用いられ、半導体レーザ素子４と同様の特性を持った半導体、例えば、シリコンや窒化アルミなどの半導体で構成することができる。サブマウント８の半導体レーザ素子４が配置される側の面には、必要に応じて半導体レーザ素子４への通電用の各種の電極（素子配置用やワイヤボンド用の電極）を形成することができる。サブマウント８に受光素子を一体形成することもできるが、副レーザ光のモニターを行わないこの例では、サブマウント８に受光素子を備えていない。

半導体レーザ素子４の直下に位置するベース部２の上面領域には、半導体レーザ素子４の一部（下部）を挿入して配置するための窪み９が形成されている。窪み９の面積は、半導体レーザ素子４の下面が入るに十分な広さに設定されている。この例では、半導体レーザ素子４とそれを載置するためのサブマウント８を一体に備えるので、このサブマウント８の下面も入るに十分な広さに設定されている。

半導体レーザ素子４の長さは、ヒートシンク部３の高さ寸法よりも長くしている。通常、半導体レーザ素子４の長さは１ｍｍ以下の０．３〜０．７ｍｍであるが、この例では、高出力化に対応してヒートシンク部３の高さ寸法（１．２７ｍｍ）よりも長い１．５ｍｍ前後の長さのものを用いている。

本実施形態では、半導体レーザ素子４の高出力化に対応して半導体レーザ素子４の長さをヒートシンク部３の高さ寸法よりも長くしているが、ベース部２に窪み９を設けてその中に半導体レーザ素子４の一部を配置しているので、半導体レーザ素子４の長さの増加分を窪み９で吸収することができ、半導体レーザ素子４の発光点位置を従前と同じ高さ（１．２７ｍｍ）に保つことができる。よって従来の半導体レーザ装置との互換性を保つことができる。

ベース部２の窪み９の深さは、半導体レーザ素子４の長さと、ヒートシンク部３の高さ寸法との相違分を吸収するに十分な深さに設定される。この例では、窪み９の深さをベース部２を貫通しない範囲の深さ（例えば０．３〜１ｍｍの範囲）に設定しているが、ベース部２を貫通するように窪み９を設けることもできる。

ベース部２には、半導体レーザ素子４を覆うように筒状のキャップ５が取り付けられている。キャップ５は、ベース部２に溶接が可能な金属製で、レーザ光を取り出すための窓１０が形成されている。窓１０は、ガラスなどの光透過性の蓋１１によって覆われている。ベース部２とキャップ５によって囲まれた領域は密閉されるので、半導体レーザ素子４の特性が外気との接触によって変化することを防止することができる。半導体レーザ素子４の特性が変化しない場合など、必要に応じてキャップ５の装着を省略することもできる。

ベース部２には、半導体レーザ素子４へ通電するための複数のリードピン１２、１３が取り付けられている。リードピンの１つ（１２）は、ベース部２に溶接などによって固定されている。他のリードピン（１３）は、ベース部２に絶縁材料１４を介在して固定されている。リードピン１２、１３と半導体レーザ素子４との間は、金線などのワイヤボンド配線などを介在して電気的に接続される。

ベース部２に予めヒートシンク部３、リードピン１２、１３が取り付けられたパッケージ６が用意され、そのヒートシンク部３に、サブマウント８と一体化された半導体レーザ素子４が取り付けられた後、半導体レーザ素子４に対するワイヤボンド配線が施され、最後にキャップ５が取り付けられて半導体レーザ装置１が完成する。

このような構成の半導体レーザ装置１は、リードピン１２、１３を介して所定の電圧を加えると、半導体レーザ素子４が発光動作し、半導体レーザ素子４の上面から矢印Ｘで示す方向にレーザ光が発生する。半導体レーザ素子４から発生した熱は、サブマウント８、ヒートシンク部３を介してベース部２、キャップ５、リードピン１２、１３に伝えられ、外部に放熱される。

この実施形態の半導体レーザ装置１は、半導体レーザ素子４が発する光をモニターする受光素子を備えていないので、必要であれば、半導体レーザ装置１を組み込む光学装置にモニター用の受光素子が組み込まれる。

本実施形態では、ヒートシンク部３の素子配置面７が、窪み９の内側面よりも若干内方向に位置するように、ベース部２に取り付けられている。半導体レーザ素子４から発生する熱を効率良く放熱するためには、放熱経路を広く確保して放熱特性を改善する必要がある。そのため、サブマウント８（サブマウント８がない場合は半導体レーザ素子４）をヒートシンク部３（素子配置面７）とベース部２（窪み９の内側面）に同時に接することができるように、ヒートシンク部３の素子配置面７と窪み９の内側面を面一に配置することが望ましい。

しかし、ベース部２あるいはヒートシンク部３の寸法誤差や、取り付け時の誤差によって、ヒートシンク部３の素子配置面７が窪み９の内側面よりも外方向に位置すると、サブマウント８（若しくは半導体レーザ素子４）の下端が窪み９の内側面に優先的に接することとなり、サブマウント８（若しくは半導体レーザ素子４）の裏面と素子配置面７の間に空隙が生じる。この空隙によって放熱経路が狭まり、放熱特性が悪化するおそれがある。

本実施形態の構成とすることにより、ベース部２あるいはヒートシンク部３の寸法誤差や、取り付け誤差の発生が懸念される場合であっても、常にヒートシンク部３の素子配置面７とサブマウント８（若しくは半導体レーザ素子４）を密着させた状態で取り付けることが可能となり、半導体レーザ素子４から発生する熱の放熱経路を安定して確保することができる。素子配置面７から窪み９の内側面までの距離は、前述したような誤差が積算されて最大となった時にでも、なお素子配置面７が窪み９の内方向に位置するように設定しておくことが好ましい。

尚、窪み９の面積が広くなりすぎると、窪み９の容積が増加する分だけベース部２の体積が減少し、熱容量も減少して放熱効果が低下してしまう。そのため、本実施形態においては、窪み９の面積を、円周上に複数のリードピン１２、１３を含む円Ｃによって囲まれる範囲内に収まるように設定している。

次に、本発明の第二実施形態を図面を参照して説明する。図３は、第二実施形態の半導体レーザ装置（キャップを外した状態）の断面図である。第一実施形態では、窪み９の底面１５をベース部２の上面と平行な面としているが、本実施形態では、窪み９の底面１５をベース部２の上面に対して傾斜した面としている。ベース部２、ヒートシンク部３及び半導体レーザ素子４など他の部分の構成は第一実施形態と共通であり、説明を省略する。

半導体レーザ素子４は、その下面からもレーザ光（副レーザ光）が出射するため、副レーザ光が窪み９の底面で反射して元の位置に戻る、いわゆる戻り光によるノイズが発生する。底面１５を傾斜面とし、副レーザ光を斜め方向に反射する構成とすることにより、副レーザ光が元の位置に戻ることを防止することができる。

次に、本発明の第三実施形態を図面を参照して説明する。図４は、第三実施形態の半導体レーザ装置（キャップを外した状態）の断面図である。本実施形態では、窪み９の底面１５をベース部２の上面に比べて粗面としている。ベース部２、ヒートシンク部３及び半導体レーザ素子４など他の部分の構成は第一実施形態と共通であり、説明を省略する。底面１５を粗面とし、副レーザ光を乱反射する構成とすることにより、第二実施形態と同様に戻り光による影響を効果的に抑制することができる。

次に、本発明の第四実施形態を図面を参照して説明する。図５は、第四実施形態の半導体レーザ装置（キャップを外した状態）の断面図である。先の実施形態は、ベース部２とヒートシンク部３を別々の部材とし、後で接合して一体化しているが、本実施形態では、ベース部２とヒートシンク部３を当初から一体のものとして構成している。他の部分の構成は第一実施形態と共通であり、説明は省略する。

本実施形態では、予めベース部２とヒートシンク部３を同じ部材で一体構成しておき、ヒートシンク部３の背面側（図５の左方向）からプレス加工などにより加圧することにより、素子配置面７を窪み９の内側面よりも内方向（図５の右方向）に移動させている。当初から一体のものを用いるので、先の実施形態に比べて接合部分の位置ずれや接合不良を防止することができ、放熱特性が良好になるとともに、組み立て工程の削減も図ることができる。なお、本実施形態においても、第二、第三実施形態と同様に、窪み９の底面１５を傾斜面あるいは粗面として戻り光による影響を抑制する構成としても良い。

次に、本発明の第五実施形態を図面を参照して説明する。図６は、第五実施形態の半導体レーザ装置（キャップを外した状態）の断面図である。先の第四実施形態では、半導体レーザ素子４及びサブマウント８の下端が窪み９内に挿入されているが、本実施形態では、サブマウント８の下端のみが窪み９内に配置され、半導体レーザ素子４の下面はベース部２の基準面Ｓと面一に構成している。他の部分の構成は第四実施形態と共通であり、説明は省略する。

本実施形態の構成とすることにより、ヒートシンク３とサブマウント８との接触面積を広くして放熱経路を確保するとともに、半導体レーザ装置１の組み立て時に、ベース部２の基準面Ｓに平行な１方向にスライドさせるだけで半導体レーザ素子４をサブマウント８に取り付けることができ、半導体レーザ素子４を基準面Ｓに対し平行方向と垂直方向の２方向に移動させる必要のある第四実施形態の構成に比べて組み立て作業性が向上する。

その他、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、ヒートシンク部３の高さや半導体レーザ素子４の長さ、窪み９の深さなどの寸法は例示であり、半導体レーザ装置の仕様により上記以外の数値に適宜変更することができる。

本発明は、半導体レーザ素子の直下に位置するベース部に窪みを設け、ヒートシンク部の素子配置面が、窪みの内側面よりも若干内方向に位置するように、ベース部に取り付けたので、常に素子配置面とサブマウント（若しくは半導体レーザ素子）を密着させた状態で取り付けることが可能となり、高出力化の目的などで寸法が長くなった半導体レーザ素子であっても、発光点位置に変更を加える必要がないため従来の標準的な規格に適合させることができ、且つ半導体レーザ素子から発生する熱の放熱経路を安定して確保することができる。

また、ベース部に設けられる窪みの面積が広くなると、ベース部の熱容量が減少して放熱効果が低下してしまうが、半導体レーザ素子に電圧を供給する複数のリードピンを円周上に含む円によって囲まれる範囲内に窪みを設けることにより、ベース部の体積を確保して熱容量の低下を抑制することができる。

また、半導体レーザ素子を固定するサブマウントの一部も窪みに配置することにより、半導体レーザ装置の高さ寸法の増加を抑制することができる。

また、半導体レーザ素子の長さを、ヒートシンク部の高さ寸法よりも長くすることにより、高出力化に有効な構造とすることができる。

また、ベース部とヒートシンク部を１つの部材で構成することにより、放熱特性を良好にするとともに組み立て工程数の削減を図ることができる。

また、窪みの底面を粗面あるいは傾斜面とすることにより、半導体レーザ素子の後方から出射する副レーザ光の戻り光による影響を効果的に抑制することができる。

Claims (7)

1. 水平方向の上面を備えるベース部と、垂直方向の素子配置面を有するとともに前記ベース部の上面よりも上方に位置するヒートシンク部と、前記素子配置面に固定される半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の直下に位置する前記ベース部の上面に設けられ、前記半導体レーザ素子の一部を配置する窪みとを備える半導体レーザ装置において、
   前記ヒートシンク部は、前記素子配置面が前記窪みの内側面よりも内方向に位置するように前記ベース部に取り付けられている。
2. 請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
   前記窪みは、前記半導体レーザ素子に電圧を供給する複数のリードピンを円周上に含む円によって囲まれる範囲内に設けられている。
3. 請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
   前記半導体レーザ素子は、サブマウントを介して前記ヒートシンク部に固定され、前記窪みに前記サブマウントの一部が配置されている。
4. 請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
   前記半導体レーザ素子の長さは、前記ヒートシンク部の高さ寸法よりも長い。
5. 請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
   前記ベース部と前記ヒートシンク部は１つの部材で構成されている。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体レーザ装置において、
   前記窪みの底面は粗面である。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体レーザ装置において、
   前記窪みの底面は傾斜面である。

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