(57)【要約】【課題】低コスト化及び小型化が図られ、かつ動作温度範囲内におけるレーザ特性の変化を抑えることができる半導体レーザモジュールを提供する。【解決手段】半導体レーザモジュール１では、発熱体１８の温度がキュリー温度Ｔｃを超える際に、発熱体１８の電気抵抗値が急峻に立ち上がるようになっている。したがって、半導体レーザモジュール１では、発熱体１８の発熱量の自発的な変化によって、動作温度が低温側と高温側との間で広範に変化したときのレーザダイオード１７の温度変化を低減でき、レーザダイオード１７の発振波長といった特性の変化を抑えることができる。発熱体１８の発熱量の変化にあたっては、発熱体１８に流れる電流量を制御するための回路を別途に設ける必要はなく、低コスト化及び小型化が図られる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、前記半導体レーザに熱的に接続され、外部からの電圧印加によって発熱する発熱体とを備えた半導体レーザモジュールであって、
前記発熱体は、前記半導体レーザモジュールの動作温度範囲内にキュリー温度を有する材料からなることを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記半導体レーザを搭載する搭載面を有するヒートシンクを更に備え、
前記発熱体は、前記搭載面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザモジュール。
【請求項３】
前記発熱体の材料は、チタン酸バリウムであることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザモジュール。
【請求項４】
前記半導体レーザの活性層は、ＡｌＧａＩｎＡｓを含む多重量子井戸構造を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体レーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザモジュールに関し、特に、広範な温度範囲で使用される光通信用の半導体レーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光伝送装置の低コスト化及び省スペース化のため、光通信用の半導体レーザモジュールの低コスト化及び小型化が求められている。従来、半導体レーザの光変換効率、高速性といった特性を広範な温度範囲下で確保するため、温度調節用のペルチェ素子が用いられていたが、このようなペルチェ素子は小型化の制約となっていた。
【０００３】
近年では、半導体レーザの活性層として、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料に代えてＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料が実用化されてきており、ペルチェ素子を用いずとも、高温領域において半導体レーザの所望の特性が得られるようになってきている。
【０００４】
ところで、半導体レーザを広範な温度範囲で動作させると、発振波長が温度によって変化してしまうという問題がある。そのため、半導体レーザモジュールの動作温度範囲を広くしようとする場合、その全範囲において半導体レーザの発振波長を規格値に収めることが課題となる。
【０００５】
そこで、例えば特許文献１に記載のレーザ送信機では、レーザと発熱体とを接続し、周囲温度が所定温度よりも低くなったときに発熱体に電流を供給して発熱させている。また、特許文献２に記載の半導体レーザモジュールでは、半導体レーザとサブマウントとの間に発熱体を設け、周囲温度の変化に応じて発熱体に流れる電流量を制御している。これにより、レーザが常に一定以上の温度を保つように制御され、発振波長の変化幅を小さくしている。
【特許文献１】特開平１０−６５２６９号公報
【特許文献２】特開２００１−９４２００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の半導体レーザモジュールのように、周囲温度の変化に応じて発熱体に流す電流量を制御する場合、所定の制御回路が必要となるため、コストの増加は避けられない。また、制御回路を設置するスペースを確保する分だけ小型化の点で不利となる。
【０００７】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、低コスト化及び小型化が図られ、かつ動作温度範囲内におけるレーザ特性の変化を抑えることができる半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題の解決のため、本発明に係る半導体レーザモジュールは、半導体レーザと、半導体レーザに熱的に接続され、外部からの電圧印加によって発熱する発熱体とを備えた半導体レーザモジュールであって、発熱体は、半導体レーザモジュールの動作温度範囲内にキュリー温度を有する材料からなることを特徴としている。
【０００９】
この半導体レーザモジュールでは、動作温度範囲において発熱体の温度がキュリー温度を超えてくると、発熱体の電気抵抗値が急激に立ち上がるようになっている。そのため、低温側で動作する場合には、十分な量の電流が発熱体に流れて発熱量が確保され、その一方で、高温側で動作する場合には、発熱体に流れる電流量が制限されて発熱量が抑えられる。したがって、この半導体レーザモジュールでは、発熱体の発熱量の自発的な変化によって、動作温度が低温側と高温側との間で広範に変化したときの半導体レーザの温度変化を低減でき、半導体レーザの特性の変化を抑えることができる。発熱体の発熱量の変化にあたっては、従来のように、周囲温度の変化に応じて発熱体に流れる電流量を制御するための回路を別途に設ける必要はなく、一定の電圧を発熱体に印加していればよいので、低コスト化及び小型化が図られる。
【００１０】
また、半導体レーザを搭載する搭載面を有するヒートシンクを更に備え、発熱体は、搭載面に設けられていることが好ましい。このような構成により、発熱体から半導体レーザへの熱伝導率を十分に確保できる。また、半導体レーザの放熱性が損なわれることもない。
【００１１】
また、発熱体の材料は、チタン酸バリウムであることが好ましい。この場合、半導体レーザモジュールの動作温度範囲に対してキュリー点温度を好適に設定できる。
【００１２】
また、半導体レーザの活性層は、ＡｌＧａＩｎＡｓを含む多重量子井戸構造を有していることが好ましい。実用化が進んできているＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料を用いた半導体レーザは、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いた半導体レーザに比べて、温度による発振波長の変化が大きい傾向がある。したがって、本発明は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料を用いた半導体レーザに適用する場合に特に好適となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る半導体レーザモジュールによれば、低コスト化及び小型化が図られ、かつ動作温度範囲内におけるレーザ特性の変化を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体レーザモジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザモジュールの縦断面図である。また、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。図１及び図２に示すように、半導体レーザモジュール１は、同軸型のパッケージ形状を有しており、ステム１０と、レンズキャップ１１と、リードピン１２ａ〜１２ｃと、ケースリードピン１３と、フォトダイオード１４と、サブマウント（ヒートシンク）１６と、レーザダイオード（半導体レーザ）１７と、発熱体１８とを備えて構成されている。
【００１６】
ステム１０は、円盤状のステムベース１０ａと、ステムベース１０ａの上面に立設された略直方体形状のステムブロック１０ｂとを有している。ステムベース１０ａ及びステムブロック１０ｂは、通常、共に金属製となっている。ステムベース１０ａには、当該ステムベース１０ａの中心から見て、約９０°の位相角をもって断面円形の貫通孔１０ｃが３つ形成されている。
【００１７】
レンズキャップ１１は、ステムブロック１０ｂを覆うようにしてステムベース１０ａの上面に固定されている。レンズキャップ１１の上壁の中央部分には、円形の開口部１１ａが形成されている。開口部１１ａには、球レンズ１９が嵌め込まれている。球レンズ１９は、レーザダイオード１７から出射するレーザ光を集光してレンズキャップ１１の外部に出力する。
【００１８】
リードピン１２ａ〜１２ｃは、金属によって形成され、ステムベース１０ａの貫通孔１０ｃにそれぞれ通されている。リードピン１２ａ〜１２ｃは、その先端部分が所定の長さだけステムベース１０ａの上面に突出した状態で、貫通孔１０ｃの内部に形成されたガラス封止材２０によってステムベース１０ａに固定されている。
【００１９】
ガラス封止材２０は、リードピン１２ａ〜１２ｃとステムベース１０ａとを互いに電気的に絶縁すると共に、レンズキャップ１１内の気密性を保つ機能を果たしている。一方、ケースリードピン１３は、ステムベース１０ａの下面においてリードピン１２ａ〜１２ｃと異なる位置に固定され、ステムベース１０ａと電気的に接続されている。
【００２０】
サブマウント１６は、ステムブロック１０ｂの前面上部に固定されている。サブマウント１６は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）といった高い熱伝導性を有する材料によって形成されている。サブマウント１６の前面は、レーザダイオード１７及び発熱体１８を搭載する搭載面１６ａとなっており、矩形の金属膜２１ａ，２１ｂが互いに離間して形成されている。金属膜２１ａ，２１ｂの材料には、例えばＮｉ／Ａｕ、或いはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕが用いられる。
【００２１】
フォトダイオード１４は、ステムベース１０ａの上面中央部分に設けられた金属製のマウント２２上に固定されている。フォトダイオード１４は、導線２４を介してリードピン１２ｂに接続されている。これにより、リードピン１２ｂからは、レーザダイオード１７の背面から出射するレーザの光出力モニタ電流が出力される。
【００２２】
レーザダイオード１７は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ系の多重量子井戸構造が活性層（図示しない）に用いられた波長１．３μｍ帯の分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）である。レーザダイオード１７のカソードは、導線２４によって金属膜２１ｂと電気的に接続され、この金属膜２１ｂ及び金属膜２１ｂから伸びる導線２４によってリードピン１２ａと電気的に接続されている。また、レーザダイオード１７のアノードは、導線２４によってビア２５と電気的に接続され、ビア２５を介してステム１０と電気的に接続されている。
【００２３】
発熱体１８は、例えばチタン酸バリウムを主成分とする材料を焼結することにより、金属膜２１ａの表面に矩形の薄膜状に形成されている。発熱体１８は、金属膜２１ａを介してレーザダイオード１７と熱的に接続されている。また、発熱体１８の一方の端子は、導線２４によってリードピン１２ａと電気的に接続され、他方の端子は、ステム１０と電気的に接続されている。
【００２４】
この発熱体１８が有する電気抵抗値の温度依存性を図３に示す。図３は、発熱体１８が有する電気抵抗値の温度依存性の一例を示す図である。横軸は発熱体１８の温度、縦軸（左）は発熱体の電気抵抗値、縦軸（右）は発熱体に一定の電圧を印加したときの発熱量である。
【００２５】
同図に示すように、発熱体１８では、キュリー温度Ｔｃに到達するまでは電気抵抗値がほぼ０となっており、キュリー温度Ｔｃを超えると電気抵抗値が急峻に立ち上がっている。したがって、発熱体１８に一定の電圧を印加した場合、発熱体１８の温度がキュリー温度Ｔｃに到達するまでは、発熱体１８に所定量の電流がながれ、一定の発熱量が確保される。また、発熱体１８の温度がキュリー温度Ｔｃに到達すると、発熱体１８に流れる電流量が急激に低下し、これに伴って発熱体１８の発熱量はほぼ０まで減少する。
【００２６】
図４は、半導体レーザモジュール１の電気的な配線を示す概略図である。図４に示すように、リードピン１２ａには、発熱体１８の一端が接続され、リードピン１２ｂには、フォトダイオード１４のアノードが接続されている。また、リードピン１２ｃには、レーザダイオード１７のカソードが接続されている。ケースリードピン１３には、発熱体１８の他端、フォトダイオード１４のカソード、及びレーザダイオード１７のアノードが共通して接続されている。
【００２７】
これらのリードピン１２ａ〜１２ｃ、及びケースリードピン１３を介して、レーザダイオード１７には変調信号が入力され、フォトダイオード１４からは光出力モニタ電流が出力される。また、発熱体１８には、電圧印加回路３０によって一定の電圧が印加される。
【００２８】
続いて、上述した構成を有する半導体レーザモジュール１の作用について、図５を参照しながら説明する。
【００２９】
図５において、横軸は半導体レーザモジュール１の動作温度を示している。横軸に示す温度Ｔ１からＴ２までが、半導体レーザモジュール１に予め設定された動作温度範囲である。動作温度範囲における最低温度Ｔ１は、例えば−４０℃と設定され、最高温度Ｔ２は、例えば８５℃と設定されている。動作温度は、半導体レーザモジュール１の外郭よりも外側の温度（周囲温度）で規定される。一方、縦軸は、レーザダイオード１７及び発熱体１８の温度を示している。レーザダイオード１７の温度は、当該レーザダイオード１７が搭載されているサブマウント１６の温度で規定している。
【００３０】
この図５において、グラフＡは、発熱体１８に電圧を印加しなかった場合の半導体レーザモジュール１の動作温度とレーザダイオード１７の温度との関係を示すグラフである。グラフＡに示すように、半導体レーザモジュール１の動作温度がＴ１であるとき、レーザダイオード１７は既に発熱しているため、その温度はＴ１よりも僅かに高いＴ１’となっている。
【００３１】
半導体レーザモジュール１の動作温度が上昇していくと、これに伴ってレーザダイオード１７の温度はほぼ線形に上昇する。そして、半導体レーザモジュール１の動作温度がＴ２に達したときには、レーザダイオード１７の温度はＴ２よりも僅かに高いＴ２’となる。
【００３２】
一方、グラフＢは、発熱体１８に一定の電圧を印加した場合の半導体レーザモジュール１の動作温度とレーザダイオード１７の温度との関係を示すグラフである。また、グラフＣは、グラフＢの場合における発熱体１８の温度を示すグラフである。発熱体１８のキュリー温度Ｔｃは、Ｔ１とＴ２との間に設定されている。
【００３３】
グラフＢ，Ｃに示すように、発熱体１８の温度がキュリー温度Ｔｃよりも小さい場合、発熱体１８の電気抵抗値はほぼ０である。このため、電圧印加回路３０から一定の電圧が印加されることによって発熱体１８に十分な量の電流が流れ、発熱体１８が発熱する。したがって、半導体レーザモジュール１の動作温度がＴ１であるとき、レーザダイオード１７の温度は、Ｔ１’よりも更に高いＴ３となる。
【００３４】
例えば発熱体１８の発熱量が約０．３３Ｗであり、サブマウント１６と半導体レーザモジュール１の外側との熱抵抗が約６０Ｋ／Ｗである場合、Ｔ３は、Ｔ１’よりも更に約２０℃程度高い温度となる。なお、発熱体１８の温度Ｔ４は、上記熱抵抗の場合では、Ｔ３よりも更に約２０℃程度高い温度となる。
【００３５】
半導体レーザモジュール１の温度がＴ１から上昇していくと、これに伴って、発熱体１８の温度も上昇する。発熱体１８の温度がキュリー温度Ｔｃに達すると、発熱体１８の電気抵抗値が急峻に立ち上がるため（図３参照）、発熱体１８に流れる電流量が急激に低下し、これに伴って発熱体１８の発熱量が減少する。したがって、発熱体１８の温度はＴｃの近傍でほぼ一定に保たれる。
【００３６】
発熱体１８の温度がＴｃの近傍で一定に保たれる領域では、半導体レーザモジュール１の温度が上昇していくにつれて、発熱体１８の発熱量が減少するため、レーザダイオード１７の温度は、発熱体１８に電圧を印加しなかった場合の温度（グラフＡ）に徐々に近づいていく。
【００３７】
半導体レーザモジュール１の動作温度が更に高くなると、発熱体１８には殆ど電流が流れなくなり、発熱量がほぼ０となる。レーザダイオード１７の温度は、発熱体１８に電圧を印加しなかった場合の温度（グラフＡ）とほぼ一致するようになる。半導体レーザモジュール１の動作温度がＴ２に達したとき、レーザダイオード１７の温度は、発熱体１８に電流を流さないときの温度Ｔ２’とほぼ一致する。
【００３８】
このように、半導体レーザモジュール１の動作温度がＴ１からＴ２まで変化させると、発熱体１８に電圧を印加しない場合には、レーザダイオード１７の温度はＴ１’からＴ２’までΔｔ１だけ変化する。これに対し、発熱体１８に一定の電圧を印加する場合には、レーザダイオード１７の温度は、Ｔ３からＴ２’までΔｔ２だけ変化する。その変化量は、Ｔ３がＴ１’よりも高い分だけ低減されることとなる。
【００３９】
以上説明したように、半導体レーザモジュール１では、発熱体１８の温度がキュリー温度Ｔｃを超える際に、発熱体１８の電気抵抗値が急峻に立ち上がるようになっている。そのため、発熱体１８に電圧印加回路３０から一定の電圧を印加していれば、半導体レーザモジュール１が低温側で動作する場合には、十分な量の電流が発熱体１８に流れて発熱量が確保され、その一方で、高温側で動作する場合には、発熱体１８に流れる電流量が制限されて発熱量が抑えられる。
【００４０】
したがって、この半導体レーザモジュール１では、発熱体１８の発熱量の自発的な変化によって、動作温度が低温側と高温側との間で広範に変化したときのレーザダイオード１７の温度変化を低減でき、レーザダイオード１７の発振波長といった特性の変化を抑えることができる。発熱体１８の発熱量の変化にあたっては、従来のように、周囲温度の変化に応じて発熱体１８に流れる電流量を制御するための回路を別途に設ける必要はなく、低コスト化及び小型化が図られる。
【００４１】
また、半導体レーザモジュール１では、サブマウント１６の搭載面１６ａに、レーザダイオード１７と発熱体１８とが設けられている。このような構成により、発熱体１８からレーザダイオード１７への熱伝導率を十分に確保できる。レーザダイオード１７の放熱性が損なわれることもない。
【００４２】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上述した実施形態では、レーザダイオード１７と発熱体１８とを同一のサブマウント１６に搭載しているが、レーザダイオード１７と発熱体１８とは熱的に接続されていればよく、例えば発熱体１８をレーザダイオード１７に集積して設けるようにしてもよい。この場合、少ない発熱量でレーザダイオード１７の加熱を行うことが可能となり、低消費電力化を実現できる。
【００４３】
また、半導体レーザモジュール１は、同軸型のモジュールを例示したが、同軸型に限られず、例えばバタフライ型のモジュールであってもよい。バタフライ型のパッケージの内部に、レーザ駆動回路や光出力制御回路を設けてもよい。さらには、フォトダイオード１４から出力される光出力モニタ電流に基づいてレーザダイオード１７の光出力を一定に保つように制御する制御回路等を更に設けた光送信器モジュールとしてもよい。レーザダイオード１７の光出力を取り出すために、球レンズ１９で集光された光と結合する光ファイバを設けてもよく、光受信器を集積し、光送受信モジュールとしてもよい。
【００４４】
レーザダイオード１７は、活性層としてＡｌＧａＩｎＡｓを含む多重量子井戸構造を有するものを用いたが、ＩｎＧａＡｓＰを含む多重量子井戸構造のものであっても同様の効果を得られる。また、レーザダイオード１７は、ＤＦＢレーザに限られず、垂直共振器型面発光レーザやファブリペローレーザを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す縦断面図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】発熱体における電気抵抗値の温度依存性を示す図である。
【図４】図１に示した半導体レーザモジュールの電気的な配線を示す概略図である。
【図５】半導体レーザモジュールの作用を説明する図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…半導体レーザモジュール、１６…サブマウント（ヒートシンク）、１６ａ…搭載面、１７…レーザダイオード（半導体レーザ）、１８…発熱体、３０…電圧印加回路、Ｔ１…最低温度、Ｔ２…最高温度、Ｔｃ…キュリー温度。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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