(57)【要約】【課題】低コストのモジュール制作及び小型ＯＳＡへの装着が可能であるマイクロ熱電冷却素子を備える光通信用レーザーダイオードモジュールを提供する。【解決手段】光通信用レーザーダイオードモジュールは、側壁体を有するハウジング３０、ハウジングの上面に配置されるヒートシンク３２、ヒートシンクの上面に配置される超格子マイクロ冷却器４０、超格子マイクロ冷却器の上面に配置され、レーザービームを発生するレーザーダイオード３５と、レーザーダイオードから放射される光を電流に変換するフォトダイオード３７、ヒートシンクの上面に配置され、レーザーダイオードから放射されるレーザービームを集光する集光素子３８と、から構成される。【選択図】    図３
2004214671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁体を有するハウジングと、
前記ハウジングの上面に配置されるヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に配置される超格子マイクロ冷却器と、
前記超格子マイクロ冷却器の上面に配置され、レーザービームを発生するレーザーダイオードと、
前記レーザーダイオードから放射される光を電流に変換するフォトダイオードと、
前記ヒートシンクの上面に配置され、前記レーザーダイオードから放射される前記レーザービームを集光する集光素子と、から構成されることを特徴とする光通信用レーザーダイオードモジュール。
【請求項２】
超格子マイクロ冷却器は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上部に形成された超格子構造の半導体層と、
前記半導体層上に形成されたキャップ層と、
前記キャップ層及び前記バッファ層の上部にそれぞれ形成されたコンタクト層と、からなる請求項１記載の光通信用レーザーダイオードモジュール。
【請求項３】
超格子構造の半導体層は、ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ層またはＳｉＧｅ／Ｓｉ層からなる請求項２記載の光通信用レーザーダイオードモジュール。
【請求項４】
レーザーダイオードは、超格子マイクロ冷却器のコンタクト層上に配置される請求項２記載の光通信用レーザーダイオードモジュール。
【請求項５】
コンタクト層が金属層からなる請求項２〜４のいずれか１項に記載の光通信用レーザーダイオードモジュール。
【請求項６】
超格子マイクロ冷却器は、マイクロマシン技術（ＭＥＭＳ）を利用したマイクロ熱電冷却器である請求項１記載の光通信用レーザーダイオードモジュール。
【請求項７】
ハウジングから突出した複数のリードをさらに備える請求項１記載の光通信用レーザーダイオードモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信用レーザーダイオードモジュールに関し、特に、超格子マイクロ冷却器を利用した光通信用レーザーダイオードモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体レーザー素子は、Ｐ−Ｎ接合構造を基本にし、量子電子(Quantum electron)概念を含む半導体素子である。特に、半導体レーザーダイオードは、電子−正孔の再結合によって発生する減少エネルギーに対応する光を発振する。電子−正孔の再結合は、半導体物質で構成された薄膜、つまり、活性層に電流を注入することによって人為的に誘導される。
【０００３】
半導体レーザーダイオードは、Ｈｅ-ＮｅまたはＮｄ-ＹＡＧレーザーのような固体レーザーに比べてサイズが小さく、電流調節を通して光の強度を調節することができるという特徴を有する。このような特徴を有する半導体レーザーダイオードは、低出力及び短波長の場合、光記録装置及び及び光再生装置の光源として利用される。さらに、長波長の場合は、光通信用の光源として使用される。また、高出力の場合は、Ｎｄ-ＹＡＧレーザーのような固体レーザー装置の励起装置として使用される。
【０００４】
光通信モジュールの場合、波長制御が非常に重要な要素であり、適切な波長制御を実現するためには、光モジュールの駆動時に発生する熱及び周囲温度による温度上昇をパッケージの外部に迅速に放出することのできる追加的な構造が必要になる。
【０００５】
その結果、このような要求に従って、光素子の動作時に発生する熱を外部に迅速に放出することのできる多数のパッケージ方法及びパッケージ構造が提案されている。
【０００６】
レーザーダイオードモジュールは、ヘッドに固定される光源であるレーザーダイオード、レーザーダイオードを冷却するための冷却装置、レーザーダイオードの出力を検知する光検出器(photo detector)及びヘッド全体の温度を検知する温度検知器のような付随的な装置を有する１つの集積体である。
【０００７】
通常、半導体レーザーダイオードモジュールは、レーザーダイオードチップ(Laser Diode Chip)が搭載されるヒートシンク(Heat Sink)に、熱電冷却器(Thermoelectric Cooler: ＴＥＣ)のような冷却装置、熱を感知するサーミスタ(thermistor)、及びチップから光を検知するフォトダイオードを備える。
【０００８】
図１は、従来の光通信用レーザーダイオードモジュールの構成を概略的に示す断面図であり、図２は、熱電冷却素子の構成を示す図である。
【０００９】
図１を参照すると、光通信用レーザーダイオードモジュールの下面には側方へ突出した複数のリード(図示せず)が備わり、光通信用レーザーダイオードモジュールの上面には所定の高さで突出した側壁が形成されているハウジング１０が、レーザーダイオードモジュールの基本フレームを構成している。さらに、熱電冷却素子(ＴＥＣ)１１は、ハウジング１０の上面の中央部に冷却側面が上方を向くように固定され、熱電冷却素子１１の上部、つまり、冷却側面には、レーザーダイオード１５からの熱を吸収するための所定の高さのヒートシンク１２が備わる。また、ヒートシンク１２上にはサブマウント(sub mount/mounter)１３が備わり、サブマウント１３上には、第１サブマウント１４によって支持されるレーザーダイオード１５及び第２サブマウント１６によって支持されるフォトダイオード１７が固定されている。さらに、レーザーダイオード１５から出射されるレーザービームを集光するためのレンズ１８がサブマウント１３上に配置される。
【００１０】
熱電冷却素子(ＴＥＣ)１１は、図２に示すように、冷却側面(cold side: active cooling)２１と排出側面(hot side: heat rejection)２２との間に多数(２０個ないし５０個)のＰ形及びＮ形のピン２３を備える構造を有する。
【００１１】
このような従来の熱電冷却素子は、複数のピンを手動で組み立てるので、製造工程が複雑で製造コストが高くなることにより、低コストのモジュールの実現が難しいという改善点をかかえる。さらに、従来の熱電冷却素子は、サイズが大きくて、光送／受信器(Ｔｘ／Ｒｘ)に必要なミニ−プラット(mini-plat)及びＴＯ−ＣＡＮパッケージなどの小型ＯＳＡ(Optical Subassembly)に装着できないという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、低コストのモジュール制作及び小型ＯＳＡへの装着が可能であるマイクロ熱電冷却素子を備える光通信用レーザーダイオードモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような目的を達成するための本発明による光通信用レーザーダイオードモジュールは、多数のリードと、側壁体を有するハウジングと、このハウジングの上面に配置されるヒートシンクと、このヒートシンクの上面に配置される超格子マイクロ冷却器と、この超格子マイクロ冷却器の上面に配置され、レーザービームを発生するレーザーダイオードと、このレーザーダイオードから放射される光を電流に変換するフォトダイオードと、ヒートシンクの上面に配置され、レーザーダイオードから放射されるレーザービームを集光する集光素子と、から構成される。
【００１４】
その超格子マイクロ冷却器は、半導体基板と、この半導体基板上に形成されたバッファ層と、このバッファ層の上部に形成された超格子構造の半導体層と、この半導体層上に形成されたキャップ層と、そのキャップ層及びバッファ層の上部にそれぞれ形成されるコンタクト層と、から構成することができる。さらに、超格子構造を有する半導体層は、ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ層またはＳｉＧｅ／Ｓｉ層とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による光通信用レーザーダイオードモジュールは、冷却素子として既存の熱電冷却素子の代わりに超格子マイクロ冷却器を適用することによって、以下のような多くの効果を得ることができる。
【００１６】
第１に、製造工程が簡単で、低価格の冷却モジュールの制作が可能であり、価格競争力を向上させられる。第２に、ＬＣタイプのようにマイクロモジュールの内部に冷却形ＯＳＡを装着することができる。第３に、ＴＯ−１８CANパッケージなどをサブマウントとして活用することができるので、小型モジュールの制作が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。図面中、同一な構成要素及び部分には、可能な限り同一な符号及び番号を共通使用するものとする。下記の説明において、本発明の要旨のみを明確にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。
【００１８】
図３は、本発明による光通信用レーザーモジュールを示す概略的な断面図であり、図４は、本発明による光通信用レーザーダイオードモジュールに適用されるマイクロ熱電冷却素子の断面図である。図５は、図４の素子の高倍率顕微鏡写真である。
【００１９】
図３を参照すると、本発明の光通信用レーザーモジュールは、複数のリード(図示せず)、側壁体を有するハウジング３０、ヒートシンク３２、超格子マイクロ冷却器(superlattice microcooler)４０、レーザーダイオード３５、サブマウント３６、フォトダイオード３７、及び集光素子３８から構成される。
【００２０】
ヒートシンク３２は、ハウジングの上面に配置され、ヒートシンク３２上に配置された光素子から発散される熱を吸収する。
【００２１】
超格子マイクロ冷却器４０は、ヒートシンク３２の上面に配置され、レーザーダイオード３５の駆動時に発生する熱を冷却する。超格子マイクロ冷却器４０は、図４に示すような構造を有する。
【００２２】
図４を参照すると、本例の超格子マイクロ冷却器４０は、Ｓｉ(silicon)基板４１、Ｓｉ基板４１上に形成されたバッファ層４２、バッファ層４２の上部に形成されたＳｉＧｅ／Ｓｉ超格子層(super lattice)４３、超格子層４３上に形成されたＳｉＧｅキャップ層４４、及びＳｉＧｅキャップ層４４及びバッファ層４２の上部にそれぞれ形成された金属層からなるコンタクト層４５から構成される。
【００２３】
ＳｉＧｅ／Ｓｉ超格子層４３は、１００ｘ(10nm SiGe/10nm Si)で構成され、２μｍ程度の厚さを有し、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy: ＭＢＥ)工程によって形成することができる。このような超格子層の例として、ＳｉＧｅ／Ｓｉ以外にＳｉＧｅＣ／Ｓｉがある。
【００２４】
図３及び図４を参照すると、レーザーダイオード３５は超格子マイクロ冷却器４０のコンタクト層４５上に配置され、コンタクト層４５にワイヤボンディング(wire bonding)を介して０．３Ａの電流を流すと、超格子層４３の冷却作用によってレーザーダイオード３５の駆動時に発生する熱を効果的に冷却させることができる。
【００２５】
図３を参照すると、フォトダイオード３７は、ヒートシンク３２の上面に配置されたサブマウント３６上に固定され、レーザーダイオード３５から放射される光を受信して電流に変換する。
【００２６】
集光素子３８は、ヒートシンク３２の上面に配置され、レーザービームを集光する機能を遂行する。
【００２７】
本発明の詳細な説明においては具体的な実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲内で様々な変形が可能であるということは当然のことである。例えば、本発明の他の実施例としては、マイクロマシン技術(Micro Electromechanical System: ＭＥＭＳ)を利用したマイクロ熱電冷却器(micro-TEC)を活用して局部冷却することによって、前述した本発明の実施形態と同様に小型モジュールに適用することができ、これに対する詳細適用技術は、前述した方法と同一の構造を有する。
【００２８】
このように本発明の範囲は上記の実施形態によって限られるべきではなく、本発明の範囲内で様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来の光通信用レーザーダイオードモジュールを示す概略的断面図。
【図２】図１に示す熱電冷却素子の構成を示す図。
【図３】本発明による光通信用レーザーダイオードモジュールを示す概略的断面図。
【図４】本発明による光通信用レーザーダイオードモジュールに適用された超格子マイクロ冷却器の構成を示す断面図。
【図５】図４の素子の高倍率顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００３０】
３０  ハウジング
３２  ヒートシンク
３５  レーザーダイオード
３６  サブマウント
３７  フォトダイオード
３８  集光素子
４０  超格子マイクロ冷却器
４１  シリコン基板
４２  バッファ層
４３  超格子層
４４  キャップ層
４５  コンタクト層
【図１】
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【図２】
2004214671.tif 000004
【図３】
2004214671.tif 000005
【図４】
2004214671.tif 000006
【図５】
2004214671.tif 000007