WO2010109701A1 - 半導体レーザモジュールおよび抑制部材 - Google Patents

半導体レーザモジュールおよび抑制部材 Download PDF

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semiconductor laser
laser module
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linear expansion
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賢悟 村主
俊雄 木村
智一 向原
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Furukawa Electric Co Ltd
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    • H01S5/024—Arrangements for thermal management
    • H01S5/02438—Characterized by cooling of elements other than the laser chip, e.g. an optical element being part of an external cavity or a collimating lens

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser module and a suppressing member that can suppress the fluctuation of the lock wavelength by suppressing the deviation of the optical axis.
  • the semiconductor laser module includes many components such as a semiconductor laser element, a condenser lens, a photodetector for monitoring output light, a temperature control element such as a Peltier element, and an isolator.
  • output light from a semiconductor laser element is condensed by a condensing lens to be parallel light, and then guided to an optical fiber through an isolator and guided in the optical fiber for a desired application. I am serving.
  • the optical axis in particular, the optical axis between the condenser lens and the isolator is strictly adjusted. It is necessary to When the optical axis shift occurs, for example, the light emitted from the condenser lens is scattered by a part of the isolator, and the light coupling efficiency is lowered. Therefore, the lens holder and the isolator that hold the condenser lens are shared. Some are fixedly arranged on a fixing member (see Patent Document 1).
  • a beam splitter is provided on the optical axis from the condenser lens to the optical fiber, and a part of the laser beam is branched by this beam splitter.
  • the light is filtered by a wavelength filter such as an etalon, and the light output of the filtered wavelength is monitored by a photodetector to perform wavelength lock control.
  • a Peltier element as a temperature control element arranged at the bottom of the semiconductor laser module has a temperature difference between the upper part and the lower part of the Peltier element itself, causing warpage in the horizontal direction. This warpage causes the optical axis of the monitor optical axis. Deviation occurs. In this case, even if the beam splitter and etalon are arranged on a common fixing member, warpage caused by the difference in linear expansion coefficient between the Peltier element and the fixing member, or warpage caused by the temperature distribution of the fixing member, is further fixed.
  • the member is composed of layers made of a plurality of materials, warpage caused by the difference in linear expansion coefficient between the respective layers occurs, and as a result, a large optical axis shift occurs. Further, when the optical axis deviation is the optical axis of the reflected light of the beam splitter, the deviation angle of the beam splitter appears as an optical axis deviation having a double deviation angle.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the optical axis angle and the wavelength shift amount when the optical axis angle is 0 ° when the optical axis is perpendicular to the etalon input surface.
  • the wavelength shift amount increases beyond the proportional relationship. For example, when the initial angle of the etalon is 1.4 °, the wavelength shift amount is ⁇ 200 pm. Lock control cannot be performed.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor laser module and a suppressing member that can suppress the deviation of the optical axis.
  • a semiconductor laser module has a plurality of optical elements optically coupled to each other via at least one base on the temperature control element.
  • the distortion of the at least one base is suppressed on at least a part of the strain portion of the at least one base in order to suppress the distortion accompanying the temperature change of the at least one base.
  • a suppression member having a linear expansion coefficient of a size that compensates for the linear expansion coefficient of the at least one base is disposed.
  • the at least one base includes a first base on which a semiconductor laser element is mounted, at least one optical element, and the first base. And a second base loaded on one base, and the suppression member is disposed on the surface of the first base and / or the second base.
  • the magnitude relationship between the linear expansion coefficient of the first base and the linear expansion coefficient of the second base, and the second base is opposite.
  • the integrated value of the linear expansion coefficient of the first base and the layer thickness of the first base is on the second base. It is characterized by being substantially equal to or smaller than the integrated value of the linear expansion coefficient of the arranged restraining member and the layer thickness of the restraining member.
  • the semiconductor laser module according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the suppression member is disposed on a surface where the optical element does not exist and has a shape for suppressing the distortion.
  • the end portion to which the optical element of the second base is fixed is stacked on the first base with a single-beam structure.
  • another semiconductor laser module is a semiconductor laser module in which a plurality of optical elements are arranged via a plurality of bases above the temperature control element, and at least one of the plurality of bases.
  • One base has a linear expansion coefficient that suppresses the distortion of the other base in order to suppress the distortion caused by the temperature change of the other base of the at least one base included in the plurality of bases. It is the suppression layer which has.
  • a suppression member for suppressing distortion associated with a temperature change of the plurality of bases is further disposed on a surface of the plurality of bases. It is characterized by.
  • the semiconductor laser module according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the temperature control element and the base on the temperature control element are in contact with each other at a central portion.
  • the semiconductor laser module according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, an optical element is further disposed above the suppression member.
  • a heat dissipation structure is provided above the suppression member.
  • the suppressing member according to the present invention is a suppressing member that suppresses warping of the base that causes warping due to a temperature change, and provides a difference in the linear expansion coefficient of the base. It is characterized by suppressing warping of the base by compensating.
  • the base when the base is placed on the temperature control element arranged at the bottom, the warp caused by the difference in linear expansion coefficient between the temperature control element and the base, the base due to this temperature distribution
  • a base in which a plurality of plate-like members having two or more layers having different linear expansion coefficients are stacked on the temperature control element, warpage of the plywood of the base due to the difference in the linear expansion coefficient occurs.
  • warping is likely to occur on the base on the temperature control element.
  • this warpage suppressing structure suppresses the warpage of the base on the temperature control element, it is possible to prevent the optical axis from being shifted between the optical components.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a semiconductor laser module according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an oblique view of the longitudinal section of the semiconductor laser module shown in FIG.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser module shown in FIG.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a modification of the semiconductor laser module shown in FIG.
  • FIG. 5 is an oblique view of a longitudinal section of a semiconductor laser module according to Embodiment 2 of the present invention.
  • 6 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser module shown in FIG.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a modification of the semiconductor laser module shown in FIG. FIG.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing a configuration of Comparative Example 1 corresponding to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing a configuration of Comparative Example 2 corresponding to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the Y-direction position dependency of the Z-direction displacement amount according to the conventional example, the comparative example 1, and the comparative example 2.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship between the wavelength shift amount and the optical axis angle.
  • a rigid member is used to suppress warping.
  • simply stiffening merely increases the warpage depending on the size of the linear expansion coefficient.
  • the inventors of the present invention studied the coefficient of linear expansion of a member causing warpage, and suppressed members having a linear expansion coefficient that can compensate for the difference in the coefficient of linear expansion of the member. It was discovered that warpage can be effectively suppressed by using it as a member.
  • the present invention is based on this discovery. DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
  • preferred embodiments of a semiconductor laser module and a suppressing member according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a semiconductor laser module according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an oblique view of the longitudinal section of the semiconductor laser module shown in FIG.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser module shown in FIG. 1 to 3, in this semiconductor laser module 1, a Peltier element 2 as a temperature control element is fixedly disposed at the bottom of a housing 20.
  • a bonding member 3 made of alumina is bonded to the entire upper surface of the Peltier element 2.
  • a plate-like base 4 made of copper tungsten is joined to the entire upper surface of the joining member 3, and a step is formed at one end in the longitudinal direction of the base 4.
  • a laser element 6 is arranged.
  • An etalon 9 that performs wavelength filtering, a support portion 10 that supports the etalon 9, and a photodetector 11 that detects light that has been wavelength-filtered by the etalon 9 are mounted.
  • the base 4, the base 5, and the suppressing member 22 are plate-like members each having a different linear expansion coefficient.
  • copper tungsten of the base 4 is 6.65 ⁇ 10 ⁇ 06 (/ ° C. )
  • FeNiCo alloy of the base 5 is 4.85 ⁇ 10 -06 (/ °C)
  • adjacent plate-like member are different linear expansion coefficient
  • the material of each layer is preferably strong against shearing, and as a restraining member, it is necessary that the linear expansion coefficient has a linear expansion coefficient that compensates for the linear expansion coefficient of other layers. More preferably.
  • the magnitude of the linear expansion coefficient may be, for example, a plate-like member having an expansion coefficient of large ⁇ small ⁇ large in the order of the base 4 ⁇ the base 5 ⁇ the suppressing member 22, You may laminate
  • FIG. even if the plywood structure is composed of a plurality of layers, the plywood structure only needs to have a relationship that compensates for each thermal expansion coefficient.
  • Each plate-like member cancels the warp and suppresses the warp, and even if the Peltier element 2 including the joining member 3 is warped, the base 5 and / or the restraining member 22 are less likely to warp, and the beam splitter.
  • the optical axis shift between 8 and the etalon 9 hardly occurs. Further, as described above, not only the suppression of warpage due to the thermal expansion of the base 4 and the base 5 but also the suppression member 22 so as to compensate for the warpage caused by the Peltier element 2, the joining member 3, the base 4 and the base 5. May be selected. Thereby, wavelength lock control can be performed with high accuracy.
  • the suppressing member 22 can be disposed at a place where an optical element such as the beam splitter 8 on the base 5 is not disposed.
  • a shape corresponding to the temperature distribution on the base may be taken so as to give a large suppressing effect to the suppressing member 22.
  • the thicknesses of the base 4, the base 5, and the suppressing member 22 are determined by the joining state between the plate-like members and the expansion coefficient. That is, the thicknesses of the adjacent plate-like members are set so that the multiplication value of the volume of the surface where the plate-like members are in contact with the linear expansion coefficient substantially matches.
  • the integrated value of the plywood structure and the linear expansion coefficient of the portion where the suppressing member 22 is arranged are close to the integrated value of the thickness of the suppressing member 22 and the linear expansion coefficient, or the integrated value related to the suppressing member is You may set so that it may be a little small. Therefore, for example, as shown in FIG. 3, when the expansion coefficient of the suppression member 22 is smaller than the linear expansion coefficient of the base 4, the thickness of the suppression member 22 is thicker than the thickness of the base 4. It is preferable to use the suppressed member 22a.
  • the base 4, the base 5, and the suppressing member 22 may be formed by further forming each plate-like member by a plurality of layers of plate-like members.
  • the expansion coefficient may be substantially the same.
  • three or more layers of plate-like members having different linear expansion coefficients including the suppressing member 22 may be laminated so as to compensate for warpage.
  • a layer for compensating warpage may be newly inserted into the plate-like structure.
  • the restraining member 22 of the present invention can be provided on the surface to suppress warpage.
  • the optical element such as the etalon 29 may be mounted not only on the base 5 but also on the suppressing member 22. Furthermore, all the optical elements may be mounted on the suppressing member 22. Further, a heat dissipation structure may be provided on the suppression member 22.
  • FIG. 5 is an oblique view of a longitudinal section of a semiconductor laser module according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser module shown in FIG. 5 and 6, in the semiconductor laser module 21, a base 24 corresponding to the base 4 is joined to the joining member 3 only at a substantially central portion of the Peltier element 2, and the semiconductor laser element 6 is mounted. The end side and the end side on which the beam splitter 8 and the etalon 9 are mounted are not joined to the joining member 3.
  • the region where the semiconductor laser element 6 is mounted on the base 24 is in a cantilever structure and is in a floating state, and the beam splitter 8 and the etalon 9 on the base 25 corresponding to the base 5 are mounted.
  • the end region thus formed becomes a cantilever structure and is in a floating state.
  • a recess is formed on the base 24, and a convex portion is formed on the base 25, and these recesses and protrusions are fitted.
  • the base 24 is slid in the Y direction and coupled to the base 25.
  • this fitting structure may also be formed between the joining member 3 and the base 24.
  • This fitting can also be designed like a dovetail guide structure.
  • the connecting portion between the Peltier element 2 and the base 24 is only at the central portion, the warp of the joint surface of the Peltier element 2 itself affects only the central portion, even if the Peltier element 2 is warped. Even if it occurs, the influence of the warp of the Peltier element 2 on the plywood structure including the bases 24 and 25 is minimized. In this case, the linear expansion coefficient between the bases of the plywood structure may be simply taken into consideration.
  • the end portion on which the beam splitter 8 and the etalon 9 or the semiconductor laser 6 are mounted has a cantilever structure, and no warpage occurs on the end side, so that the optical axis shift is less likely to occur. Will be.
  • an optical element such as the etalon 29 may be mounted on the suppression member 22 as in the first embodiment.
  • FIG. 8 shows the structure of Comparative Example 1 corresponding to the first embodiment.
  • the etalon 29 is provided on the base 5 at a position shifted from the optical axis between the condenser lens 7 and the beam splitter 8.
  • FIG. 9 shows a comparative example 2 having a cantilever structure corresponding to the second embodiment, and the etalon 29 is placed on the base 25 between the condenser lens 7 and the beam splitter 8. It is provided at a position shifted from the axis.
  • a suppression member 22 is provided on the bases 5 and 25.
  • both Comparative Examples 1 and 2 form a plywood structure using a plate member having a three-layer structure.
  • the semiconductor laser element 6, the beam splitter 8, and the etalon 29 are provided on a base as a plate member having a single layer structure.
  • FIG. 10 is a diagram showing the amount of displacement in the Z direction relative to the base-Y direction for Comparative Examples 1 and 2 corresponding to Embodiments 1 and 2 and the conventional example.
  • Curves L0, L1, and L2 show the ⁇ Y direction position dependency of the Z direction displacement amount according to the conventional example, the comparative example 1, and the comparative example 2, respectively.
  • a large Z-direction displacement of about 15 ⁇ m is generated at the center.
  • Comparative Example 1 a Z-direction displacement of about 5 ⁇ m is generated at the center.
  • the Z direction displacement of about 10 ⁇ m is relatively generated. Therefore, in the first and second comparative examples, the amount of displacement in the Z direction can be reduced as compared with the conventional example.
  • the Y direction angle of the etalon 29 located in the center is substantially 0, whereas in Comparative Example 2, the Y direction angle of the etalon 29 located in the center is Y of the beam splitter 8. It is almost the same value as the direction angle and is tilted in the same direction. That is, in Comparative Example 2, since the displacement of the beam splitter 8 and the etalon 29 has the same inclination, the relative displacement amount (relative displacement angle) between the beam splitter 8 and the etalon 29 is extremely small. I understand that.
  • the Y-direction displacement angle of the beam splitter 8 is 0.19 °
  • the etalon 29 has a Y-direction displacement angle of 0.01 °.
  • the relative displacement angle in the Y direction between the beam splitter 8 and the etalon 29 is 0.18 °.
  • the Y-direction displacement angle of the beam splitter 8 is 0.09 °
  • the etalon 29 has a Y-direction displacement angle of 0.00 °.
  • the beam splitter 8 and the etalon 29 The relative displacement angle in the Y direction is 0.09 °.
  • the Y-direction displacement angle of the beam splitter 8 is 0.07 °
  • the etalon 29 has a Y-direction displacement angle of 0.03 °.
  • the beam splitter 8 and the etalon 29 The relative displacement angle in the Y direction is 0.04 °.
  • the Y-direction displacement angle refers to an inclination angle with respect to the Y-axis that is generated by displacement of the optical element in the Z direction.
  • the semiconductor laser module and the suppressing member according to the present invention are suitable for applications such as a light source for optical communication.

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Abstract

　筐体２０底部に配置されるペルチェ素子２の上部に膨張係数が異なる２層以上の複数の板状部材である基台４，５を重ね合わせ、少なくとも最上層の基台５の一部領域に該最上層の基台５と異なる膨張係数を有した抑制部材２２をさらに設け、基台５および／または抑制部材２２に光学素子を配置する。これによって、ペルチェ素子２にそりが発生しようとする場合であっても、基台４、基台５、および抑制部材２２の合板構造によってそりの発生を抑えるため、基台４および抑制部材２２にそりが発生し難く、ビームスプリッタ８とエタロン９との間の光軸ずれが発生し難くなる。

Description

半導体レーザモジュールおよび抑制部材
　この発明は、光軸のズレを抑制することによって、ロック波長の変動を抑えることができる半導体レーザモジュールおよび抑制部材に関するものである。
　半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子、集光レンズ、出力光をモニタする光検出器、ペルチェ素子などの温度制御素子、アイソレータなどの多くの構成部品を備えている。この半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子からの出力光を、集光レンズで集光して平行光とした後、アイソレータを介して光ファイバに導き、光ファイバ内を導波して所望の用途に供している。
　ここで、半導体レーザモジュールでは、多くの構成部品によって半導体レーザ素子から光ファイバに至る光経路が形成されるため、光軸、特に、集光レンズとアイソレータとの間の光軸は厳密に調整される必要がある。ここで光軸ずれが生じると、例えば、集光レンズから出射した光がアイソレータの一部によってけられ、光の結合効率が低下するため、集光レンズを保持するレンズホルダおよびアイソレータとを共通の固定部材上に固定配置するものがある（特許文献１参照）。
特開２００１－１９４５６３号公報
　光軸のずれの影響の一例を示すと、半導体レーザモジュールでは、集光レンズから光ファイバに至る光軸上にビームスプリッタを設け、このビームスプリッタによってレーザ光の一部を分岐し、この分岐した光に対してエタロンなどの波長フィルタによってフィルタリングし、フィルタリングされた波長の光出力を光検出器でモニタし、波長ロック制御を行うようにしている。
　ここで、ビームスプリッタからエタロンまでの光軸にずれが生じると、波長ロック制御を精度高く行うことができない。特に半導体レーザモジュールの底部に配置された温度制御素子としてのペルチェ素子は、ペルチェ素子自体の上部と下部とで温度差が生じるため、水平方向にそりが生じ、このそりによってモニタ光軸の光軸ずれが発生する。この場合、ビームスプリッタおよびエタロンを共通の固定部材上に配置しても、ペルチェ素子と固定部材との線膨張係数の違いに起因するそりが、あるいは固定部材の温度分布により生じるそりが、さらに固定部材が複数の材料からなる層から構成されている場合はそれぞれの層の線膨張係数の差に起因するそりが生じ、結果として、大きな光軸ずれが発生する。また、この光軸ずれは、ビームスプリッタの反射光の光軸である場合、ビームスプリッタのずれ角度は、２倍のずれ角度をもった光軸ずれとして現れることになる。
　図１１は、光軸がエタロン入力面に垂直な状態のときの光軸角度を０°とした場合における光軸角度に対する波長シフト量の関係を示した図である。図１１において、光軸角度が小さな場合には大きな波長シフト量を示さないが、光軸角度が大きくなるにしたがって、波長シフト量は比例関係を超えて増大する。たとえば、エタロンの初期角度が１．４°のときの波長シフト量は－２００ｐｍであり、０．２°の角度ずれが生じると、１００ｐｍという大きな波長シフト量のずれとして現れ、許容範囲内の波長ロック制御を行うことができない。
　そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、温度制御素子の上に配置された固定部材のそりを抑制し、固定部材の上部に配置された光学素子間に形成された光路の光軸のずれを抑えることができる半導体レーザモジュールおよび抑制部材を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、温度制御素子の上部に少なくとも一つの基台を介して、光結合された複数の光学素子が配置された半導体レーザモジュールにおいて、前記少なくとも一つの基台の温度変化に伴う歪みを抑制するために、前記少なくとも一つの基台の歪み部分の少なくとも一部上に、前記少なくとも一つの基台の歪みを抑制するために、前記少なくとも一つの基台の線膨張係数を補償する大きさの線膨張係数を有する抑制部材を配置したことを特徴とする。
　また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記少なくとも一つの基台は、半導体レーザ素子を搭載する第１の基台と、少なくとも一つの前記光学素子を搭載し、かつ前記第１の基台上に積載された第２の基台とを含み、前記第１の基台および／または前記第２の基台の表面に前記抑制部材が配置されていることを特徴とする。
　また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記第１の基台の線膨脹係数と前記第２の基台の線膨脹係数との大小関係と、前記第２の基台の線膨脹係数と前記抑制部材の線膨脹係数との大小関係とが逆の関係にあることを特徴とする。
　また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記第１の基台の線膨脹係数と前記第１の基台の層厚との積算値は、前記第２の基台上に配置された前記抑制部材の前記線膨脹係数と該抑制部材の層厚との積算値とほぼ等しいか、あるいは、より小さいことを特徴とする。
　また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記抑制部材は前記光学素子の存在しない表面に配置され、前記歪みを抑制する形状をとることを特徴とする。
　また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記第２の基台の光学素子を固定した端部は片もち梁構造で前記第１の基台上に積載されていることを特徴とする。
　また、この発明にかかる別の半導体レーザモジュールは、温度制御素子の上部に複数の基台を介して、複数の光学素子が配置された半導体レーザモジュールにおいて、前記複数の基台の中の少なくとも一つの基台は、前記複数の基台に含まれる該少なくとも一つの基台の他の基台の温度変化に伴う歪みを抑制するために、該他の基台の歪みを抑制する線膨脹係数を有する抑制層であることを特徴とする。
　また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記複数の基台の表面に、前記複数の基台の温度変化に伴う歪みを抑制するための抑制部材がさらに配置されていることを特徴とする。
　また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記温度制御素子とその上の基台とは中央部において接触していることを特徴とする。
　また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記抑制部材の上部にはさらに光学素子が配置されていることを特徴とする。
　また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記抑制部材の上部には放熱構造が設けられている。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる抑制部材は、温度変化によって反りを生じる基台のそりを抑制する抑制部材であって、基台の線膨脹係数の差異を補償することによって基台のそりを抑制することを特徴とする。
　この発明によれば、底部に配置される温度制御素子上に、基台が載置されると、温度制御素子と基台の間の線膨張係数の差により生じるそり、この温度分布による基台のそり、あるいは温度制御素子上に線膨張係数が異なる２層以上の複数の板状部材を重ね合わせた基台を用いると、その線膨張係数の差による基台の合板のそりが生じるが、これらの基台の上にさらにそりを抑制するための抑制部材を設ける、あるいはそりの抑制用の抑制層を合板構造にさらに挿入することによって、温度制御素子上の基台にそりが発生しようとしても、このそりの抑制構造によって温度制御素子上の基台のそりの発生を抑制するので、光学部品間の光軸ずれの発生を防止することができる。
図１は、この発明の実施の形態１である半導体レーザモジュールの構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示した半導体レーザモジュールの縦断面を斜めからみた図である。 図３は、図１に示した半導体レーザモジュールの縦断面図である。 図４は、図１に示した半導体レーザモジュールの変形例の構成を示す縦断面図である。 図５は、この発明の実施の形態２である半導体レーザモジュールの縦断面を斜めからみた図である。 図６は、図５に示した半導体レーザモジュールの縦断面図である。 図７は、図５に示した半導体レーザモジュールの変形例の構成を示す縦断面図である。 図８は、この発明の実施の形態１に対応した比較例１の構成を示す縦断面図である。 図９は、この発明の実施の形態２に対応した比較例２の構成を示す縦断面図である。 図１０は、従来例、比較例１、および比較例２によるＺ方向変位量のＹ方向位置依存性を示す図である。 図１１は、光軸角度に対する波長シフト量の関係を示す図である。
　一般的には反りの抑制には剛性の強い部材が使われている、しかしながら温度変化によってそりが生じる場合には単に剛性が高いだけではその線膨脹係数の大きさによって逆にそりを助長してしまう場合もある。本件発明者らは温度変化によるそりを抑制するためにはそりを生じている部材の線膨脹係数を検討して、その部材の線膨脹係数の差異を補償し得る線膨脹係数を有する部材を抑制部材として用いることによって効果的にそりを抑制できることを発見した。本発明はこの発見に基づく。以下、図面を参照して、この発明にかかる半導体レーザモジュールおよび抑制部材の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
　図１は、この発明の実施の形態１である半導体レーザモジュールの構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した半導体レーザモジュールの縦断面を斜めからみた図である。さらに、図３は、図１に示した半導体レーザモジュールの縦断面図である。図１～図３において、この半導体レーザモジュール１は、筐体２０の底部に温度制御素子としてのペルチェ素子２が固定配置される。このペルチェ素子２の上部全面には、アルミナからなる接合部材３が接合される。さらに、接合部材３の上部全面には銅タングステンからなる板状の基台４が接合され、この基台４の長手方向の一方の端部には段部が形成され、この段部には半導体レーザ素子６が配置される。
　基台４の段部以外の領域には、ＦｅＮｉＣｏ合金、たとえばコバール（Kovar、登録商標）からなる板状の基台５が設けられ、この基台５の上部には、半導体レーザ素子６から出力されたレーザ光を集光して平行光に変換する集光レンズ７、この平行光に対するアイソレータ機能を有し、平行光の一部を分岐するビームスプリッタ８、ビームスプリッタ８によって分岐された光を波長フィルタリングするエタロン９、エタロン９を支持する支持部１０、およびエタロン９によって波長フィルタリングされた光を検出する光検出器１１が搭載されている。さらに、基台５の上部であって、集光レンズ７、ビームスプリッタ８、エタロン９、支持部１０、および光検出器１１が搭載された領域以外の領域にアルミナからなる板状の抑制部材２２が設けられる。なお、開口部１２には、光ファイバなどを取り付けるフェルールなどが挿入される。
　ここで、基台４、基台５、および抑制部材２２は、それぞれが異なる線膨張係数を有する板状部材であり、たとえば、基台４の銅タングステンは６．６５×１０－０６（／℃）、基台５のＦｅＮｉＣｏ合金は４．８５×１０－０６（／℃）、抑制部材２２のアルミナは７．２０×１０－０６（／℃）で、隣り合う板状部材が異なる線膨張係数を有するものであり、各板状部材が重ね合わされた合板構造を有する。各層の材料はせん断に強いものが好ましく、また抑制部材としては、線膨張係数が他の層の線膨張係数を補償する線膨張係数を持っていることが必要であるが、剛性の高い材料であるとさらに好ましい。ここで抑制部材２２がない従来の場合は、基台４より基台５の線膨張係数が小さいのでそりを生じることとなる。しかしながら、本件発明によればさらに、ＦｅＮｉＣｏ合金（コバール）よりも線膨張係数の大きいアルミナを抑制部材としてＦｅＮｉＣｏ合金（コバール）の基台５上に設けているので基台５の上下で線膨張係数の違いがバランスし、そりが解消される。線膨張係数の大きさは基台の材質により、たとえば、基台４→基台５→抑制部材２２の順に、大→小→大の膨張係数を有する板状部材を積層してもよいし、基台４→基台５→抑制部材２２の順に、小→大→小の膨張係数を有する板状部材を積層してもよい。また合板構造は複数の層からなっても、それぞれの熱膨張係数が補償されるような関係になっていれば良い。各板状部材は、互いにそりを相殺して抑える作用が生じ、接合部材３を含むペルチェ素子２にそりが生じても、基台５および／または抑制部材２２にそりが生じ難くなり、ビームスプリッタ８とエタロン９との間の光軸ずれが発生し難くなる。また、上述のように基台４と基台５の熱膨張によるそりの抑制だけではなく、ペルチェ素子２、接合部材３、基台４および基台５によって生じるそりを補償するように抑制部材２２を選択しても良い。これによって、波長ロック制御を精度高く行うことができる。なお、抑制部材２２は、基台４および基台５のみの２層構造に関して、基台５上のビームスプリッタ８などの光学素子の配置されていない場所に配置することができる。また、抑制部材２２の配置されない部分のそりを抑制するために、抑制部材２２により大きな抑制効果を与えように、基台上の温度分布に対応した形状をとっても良い。
　ここで、基台４、基台５、および抑制部材２２の厚さは、各板状部材間の接合状態および膨張係数によって決定される。すなわち、隣接する各板状部材が、各板状部材間が接する面の体積と線膨張係数との乗算値が略一致するように厚さが設定される。単純化して、抑制部材２２が配置される部分の合板構造の厚みと線膨張係数の積算値と抑制部材２２の厚みと線膨張係数の積算値が近づくように、あるいは抑制部材に関わる積算値が若干小さいように設定してもよい。このため、たとえば、図３に示すように、抑制部材２２の膨張係数が、基台４の線膨張係数に比して小さい場合には、抑制部材２２の厚さを基台４の厚さより厚くした抑制部材２２ａとすることが好ましい。
　また、基台４、基台５、および抑制部材２２は、各板状部材をさらに複数層の板状部材によって形成されるようにしてもよい。この場合、膨張係数が略同じであってもよい。要は、抑制部材２２を含めた、線膨張係数が異なる３層以上の板状部材が相互にそりを補償するように積層されるようにすればよい。ここで板状構造には新たにそりを補償するための層を挿入しても良い。さらに基台が一層だったとしても、その熱分布によりそりが生じる場合には本発明の抑制部材２２をその表面に設けてそりを抑制することもできる。
　なお、図４に示すように、エタロン２９などの光学素子は、基台５上のみならず、抑制部材２２上に搭載するようにしてもよい。さらに、抑制部材２２上に全ての光学素子を搭載するようにしてもよい。また、抑制部材２２上に放熱構造を設けてもよい。
（実施の形態２）
　図５は、この発明の実施の形態２である半導体レーザモジュールの縦断面を斜めからみた図である。また、図６は、図５に示した半導体レーザモジュールの縦断面図である。図５および図６において、この半導体レーザモジュール２１は、基台４に対応する基台２４が、ペルチェ素子２の略中央部分のみにおいて接合部材３に接合するとともに、半導体レーザ素子６が搭載される端部側およびビームスプリッタ８およびエタロン９が搭載される端部側が接合部材３に接合しないようにしている。これによって、基台２４上の半導体レーザ素子６が搭載される領域は、片持ち梁構造となって浮いた状態となり、基台５に対応する基台２５上のビームスプリッタ８およびエタロン９が搭載される端部領域も片持ち梁構造となって浮いた状態となる。
　なお、基台２４には凹部が、基台２５には下に凸部が形成されており、これらの凹凸が嵌合するようになっている。この嵌合構造は、基台２４がＹ方向にスライドして基台２５に結合するようになっている。もちろん、この嵌合構造は、接合部材３と基台２４との間にも形成してもよい。また、この嵌合はアリ溝ガイド構造のように設計することもできる。
　この実施の形態２では、上述した片持ち梁構造としているため、基台２４と基台２５の線熱膨張係数の違いによるそりがこの領域では発生しない。また、ペルチェ素子２と基台２４との接続部分は中央部のみとなっているので、ペルチェ素子２自体の接合面のそりが影響するのは、中央部分のみとなり、たとえペルチェ素子２にそりが発生したとしても、基台２４，２５を含む合板構造へのペルチェ素子２のそりの影響が最小限に抑えられる。この場合は単純に合板構造の基台間の線膨張係数を考慮すればよい。この例では特に、ビームスプリッタ８およびエタロン９、あるいは半導体レーザ６が搭載される端部が片持ち梁構造となっており、端部側にそりが発生しないので、光軸ずれが一層発生し難くなることになる。
　なお、図７に示すように、実施の形態１と同様に、エタロン２９などの光学素子を抑制部材２２上に搭載するようにしてもよい。
（実施例）
　ここで、上述した実施の形態１，２および従来との比較について説明する。図８は、実施の形態１に対応した比較例１の構造を示し、エタロン２９を基台５上であって集光レンズ７とビームスプリッタ８との間で光軸からずれた位置に設けている。また、図９は、実施の形態２に対応して片持ち梁構造をもたせた比較例２を示し、エタロン２９を基台２５上であって集光レンズ７とビームスプリッタ８との間で光軸からずれた位置に設けている。なお、比較例１，２の双方とも、基台５、２５上には、抑制部材２２を設けている。すなわち、比較例１，２ともに３層構造の板状部材による合板構造を形成している。なお、従来例としては、単層構造の板状部材としての基台上に、半導体レーザ素子６、ビームスプリッタ８、およびエタロン２９を設ける。
　図１０は、実施の形態１，２に対応した比較例１，２および従来例に対する基台－Ｙ方向に対するＺ方向の変位量を示す図である。曲線Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ従来例、比較例１、比較例２によるＺ方向変位量の－Ｙ方向位置依存性を示している。図１０に示すように、従来例では、１５μｍ程度の大きなＺ方向変位が中央部に生成する。これに対し、比較例１では、５μｍ程度のＺ方向変位が中央部に生成する。また、比較例２では、相対的に１０μｍ程度のＺ方向変位が生成している。したがって、比較例１，２では、従来例に比してＺ方向の変位量を小さくすることができる。
　また、比較例１では、中央部に位置するエタロン２９のＹ方向角度がほぼ０であるのに対し、比較例２では、中央部に位置するエタロン２９のＹ方向角度が、ビームスプリッタ８のＹ方向角度とほぼ同じ値で、かつ同じ方向に傾いている。すなわち、比較例２では、ビームスプリッタ８とエタロン２９との変位が同じ傾きとなっているため、ビームスプリッタ８とエタロン２９との間の相対的な変位量（相対的変位角度）が極めて小さくなることがわかる。
　具体的に、図１０を参照すると、従来例では、ビームスプリッタ８のＹ方向変位角度は、０．１９°であり、エタロン２９のＹ方向変位角度は、０．０１°であり、この結果、ビームスプリッタ８とエタロン２９との間のＹ方向相対的変位角度は、０．１８°となる。また、比較例１では、ビームスプリッタ８のＹ方向変位角度は、０．０９°であり、エタロン２９のＹ方向変位角度は、０．００°であり、この結果、ビームスプリッタ８とエタロン２９との間のＹ方向相対的変位角度は、０．０９°となる。さらに、比較例２では、ビームスプリッタ８のＹ方向変位角度は、０．０７°であり、エタロン２９のＹ方向変位角度は、０．０３°であり、この結果、ビームスプリッタ８とエタロン２９との間のＹ方向相対的変位角度は、０．０４°となる。なお、Ｙ方向変位角度とは、光学素子のＺ方向への変位によって生じる、Ｙ軸に対する傾斜角度をいう。
　したがって、この比較例１，２では、ビームスプリッタ８とエタロン２９との間の相対的な光軸ずれの発生を小さくすることができ、特に比較例２では、この相対的な光軸ずれを極めて小さくすることができ、精度の高い波長ロックを行うことができる。
　この発明に係る半導体レーザモジュールおよび抑制部材は、光通信用の光源等の用途に適している。
　１，２１　半導体レーザモジュール
　２　ペルチェ素子
　３　接合部材
　４，５，２４，２５　基台
　６　半導体レーザ素子
　７　集光レンズ
　８　ビームスプリッタ
　９，２９　エタロン
　１０　支持部
　１１　光検出器
　１２　開口部
　１９　接合部
　２０　筐体
　２２，２２ａ　抑制部材

Claims (12)

  1. 　温度制御素子の上部に少なくとも一つの基台を介して、光結合された複数の光学素子が配置された半導体レーザモジュールにおいて、
    　前記少なくとも一つの基台の温度変化に伴う歪みを抑制するために、前記少なくとも一つの基台の歪み部分の少なくとも一部上に、前記少なくとも一つの基台の歪みを抑制するために、前記少なくとも一つの基台の線膨張係数を補償する大きさの線膨張係数を有する抑制部材を配置したことを特徴とする半導体レーザモジュール。
  2. 　前記少なくとも一つの基台は、半導体レーザ素子を搭載する第１の基台と、少なくとも一つの前記光学素子を搭載し、かつ前記第１の基台上に積載された第２の基台とを含み、前記第１の基台および／または前記第２の基台の表面に前記抑制部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
  3. 　前記第１の基台の線膨脹係数と前記第２の基台の線膨脹係数との大小関係と、前記第２の基台の線膨脹係数と前記抑制部材の線膨脹係数との大小関係とが逆の関係にあることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザモジュール。
  4. 　前記第１の基台の線膨脹係数と前記第１の基台の層厚との積算値は、前記第２の基台上に配置された前記抑制部材の前記線膨脹係数と該抑制部材の層厚との積算値とほぼ等しいか、あるいは、より小さいことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザモジュール。
  5. 　前記抑制部材は前記光学素子の存在しない表面に配置され、前記歪みを抑制する形状をとることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
  6. 　前記第２の基台の光学素子を固定した端部は片もち梁構造で前記第１の基台上に積載されていることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
  7. 　温度制御素子の上部に複数の基台を介して、複数の光学素子が配置された半導体レーザモジュールにおいて、
    　前記複数の基台の中の少なくとも一つの基台は、前記複数の基台に含まれる該少なくとも一つの基台の他の基台の温度変化に伴う線膨張係数の差異から生じる歪みを抑制するために、該他の基台の歪みを抑制する線膨脹係数を有する抑制層であることを特徴とする半導体レーザモジュール。
  8. 　前記複数の基台の表面に、前記複数の基台の温度変化に伴う歪みを抑制するための抑制部材が配置されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザモジュール。
  9. 　前記温度制御素子とその上の基台とは中央部周辺のみにおいて接触していることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
  10. 　前記抑制部材の上部にはさらに光学素子が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
  11. 　前記抑制部材の上部には放熱構造が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
  12. 　温度変化によって反りを生じる基台のそりを抑制する抑制部材であって、基台の線膨脹係数の差異を補償することによって基台のそりを抑制することを特徴とする抑制部材。
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