(57)【要約】【課題】高出力でありながら、小型で且つ安価な半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。【解決手段】一対の面を備えた板状に形成され、一方の面に支柱３ａを設けたベース３と、前記支柱に固定された半導体レーザ５と、前記半導体レーザから出射された光を伝送するための光ファイバ７と、前記半導体レーザから出射された光を前記光ファイバに集光するためのレンズ６と、前記半導体レーザと前記レンズと前記光ファイバとを覆い、前記ベースの前記一方の面の一部を端面とする円筒状のカバー１１とを備えた半導体レーザモジュールにおいて、半導体レーザモジュール１は、熱伝導性の良い材質から成り、断面がＬ字形の形状を有し、且つＬ字の一辺を成す面は前記ベースの他方の面に取り付けられるステム２を備え、半導体レーザ５から発生する熱をステム２を通じて放熱する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の面を備えた板状に形成され、一方の面に支柱（３ａ）を設けたベース（３）と、
前記支柱に固定された半導体レーザ（５）と、
前記半導体レーザから出射された光を伝送するための光ファイバ（７）と、
前記半導体レーザから出射された光を前記光ファイバに集光するためのレンズ（６）と、
前記半導体レーザと前記レンズと前記光ファイバとを覆い、前記ベースの前記一方の面の一部を端面とする円筒状のカバー（１１）とを備えた半導体レーザモジュールにおいて、
熱伝導性の良い材質から成り、断面がＬ字形の形状を有し、且つＬ字の一辺を成す面は前記ベースの他方の面に取り付けられるステム（２）を備えていることを特徴とする半導体レーザモジュール（１）。
【請求項２】
前記ステムは、材質が銅とタングステンとの混合物を含む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】
前記ステムは、２つのネジ取付用貫通穴（２ｄ）を備え、且つ前記２つのネジ取付用貫通穴の中心の間隔が８．９±０．２ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体レーザモジュール。
【請求項４】
自己を他の部材に取り付ける取付面（２ｂ）を基準とした全高が、７．８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体レーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信装置などに用いる半導体レーザモジュールに関する。
【従来の技術】
従来、半導体レーザモジュールにおいて、パッケージの形状は、バタフライ型と同軸型とが知られている。その中で高出力用半導体レーザモジュールについては、バタフライ型が用いられてきた。
以下、バタフライ型パッケージを用いた従来の半導体レーザモジュールの概略構成を、図７を用いて説明する。図７（ａ），（ｂ）は、各々、バタフライ型パッケージを用いた従来の半導体レーザモジュールの平断面図、側断面図を示す。金属材料で形成されたケース２１内の底壁の上面に温度制御ユニット２２が固定されている。この温度制御ユニット２２の上面に金属製の基板２３が固定されている。この基板２３の上面に支持部材２５を介して半導体レーザ２４が取り付けられている。さらに、基板２３の上面にはレンズホルダ２９を介してレンズ２８が固定されている。また、基板２３の上面において半導体レーザ２４を挟んだレンズ２８の反対側には、半導体レーザ２４から出力される光の強度をモニタするフォトダイオード（ＰＤ）２６が支持部材２７を介して取り付けられている。ケース２１の側壁には、レンズ２８と対向する位置に円形の窓３０が設けられている。この窓３０の先に光ファイバ３１が固定具によって固定されている。
このように構成された半導体レーザモジュールにおいて、半導体レーザ２４から出射された光は、レンズ２８によって集光され、光ファイバ３１の端面に入射される。入射された光は光ファイバ３１を通って外部に供給される。
半導体レーザ２４は、光を出射すると同時に多大な熱を発生する。半導体レーザ２４の光出力特性は温度依存性を持ち、半導体レーザ２４自体の温度が上昇すると、出射される光の波長や強度が変化する問題が生じる。また、半導体レーザ２４やレンズ２８を支持する部材が熱変形を起こし、半導体レーザ２４、レンズ２８、光ファイバ３１の各光軸がずれ、外部に供給される光出力の強度が低下する問題が生じる。
図９は、半導体レーザの出力の中心波長の温度依存性を示したグラフであり、図１０は、半導体レーザの出力の温度依存性を示したグラフである。これらのグラフから分かるように、半導体レーザは温度依存性を持っている。
このような問題を回避するために、効率的に放熱もしくは冷却する構造が必要となり、通常、ペルチェ素子のような温度制御ユニット２２を用いて冷却する。半導体レーザ２４で発生した熱は、基板２３を介して温度制御ユニット２２で吸収し、温度制御ユニット２２を介してケース２１の底壁から半導体レーザモジュール外に放熱させるようにしている。
なお、本発明に関連する技術として、下記特許文献１，２などが報告されている。
下記特許文献１の発明には、バタフライ型パッケージを採用し、温度制御ユニットとしてペルチェ素子を用いた半導体レーザモジュールの構成が開示されている。
下記特許文献２の発明には、同軸型パッケージを採用した半導体レーザモジュールの構成が開示されている。
【特許文献１】
特開昭６３−２２０５９３
【特許文献２】
特開昭６１−７０５１６
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バタフライ型パッケージを用いた半導体レーザモジュールには次に述べるような問題点があった。まず、バタフライ型パッケージを採用した半導体レーザモジュールは温度制御ユニットを用いているため、温度制御ユニット自体のコストとそれをモジュールに組み込む作業とが発生することから、高価なものとなっていた。また、温度制御ユニットを内蔵しており、温度制御ユニット自体の外形が放熱を効果的に行なうために大きくなってしまうことと、モジュール内部の部品配置の自由度が制限されることとから、モジュール自体の小型化が困難であるという問題があった。
ところで、前述のように、バタフライ型パッケージ以外では、同軸型パッケージがある。図８（ａ），（ｂ）は、各々、同軸型パッケージを用いた半導体レーザモジュールの側面図、底面図を示す。
同軸型パッケージを用いたモジュールは、モジュールを取り付ける際、ユーザの装置の基板や筐体の取付面に対して光軸が垂直となるように固定される。また、モジュールは先端より光ファイバが引き出される構造となっており、光ファイバは、特性上、折り曲げることができないため、ゆるやかな円弧を描くように取り回しを行なわなければならない。
従って、同軸型パッケージを用いたモジュールを組み込んだ装置は、モジュールの高さと光ファイバの取り回しのための空間の確保とを考慮する必要があり、基板に対して垂直方向の高さを低くすることができなかった。
さらに、同軸型パッケージは、基板取付部の材質が、熱伝導性の低いステンレス（ＳＵＳ）で構成されており、且つ温度制御ユニットを内蔵しないため、発熱の大きい高出力の半導体レーザを実装することができなかった。
本発明は、上記の問題点を解決すべくなされたものであり、高出力でありながら、小型で且つ安価な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】
上記課題を解決するために、本件の第１の発明の半導体レーザモジュールは、一対の面を備えた板状に形成され、一方の面に支柱を設けたベースと、前記支柱に固定された半導体レーザと、前記半導体レーザから出射された光を伝送するための光ファイバと、前記半導体レーザから出射された光を前記光ファイバに集光するためのレンズと、前記半導体レーザと前記レンズと前記光ファイバとを覆い、前記ベースの前記一方の面の一部を端面とする円筒状のカバーとを備えた半導体レーザモジュールにおいて、熱伝導性の良い材質から成り、断面がＬ字形の形状を有し、且つＬ字の一辺を成す面は前記ベースの他方の面に取り付けられるステムを備えている。
このような構成としたので、半導体レーザから発生する熱を、ベースおよびステムを介して半導体レーザモジュール外部に効率良く放熱することができ、温度制御ユニットを必要としないため、モジュールを小型化することができる。また、温度制御ユニットに係るコストを省くことができるため、半導体レーザモジュール全体の製造費を低減できる。さらには、温度制御ユニットを駆動するための電力が不要となるため、半導体レーザモジュール全体の消費電力を低減できる。また、第２の発明では、上述した半導体レーザモジュールにおいて、ステムは、材質が材質が銅とタングステンとの混合物を含んでいる。このように、熱伝導性の良い材質である銅とタングステンとの混合物をステムに用いることで、基板に熱を伝え易くなり、放熱効果を高めることができる。
また、第３の発明では、上述した第１の発明および第２の発明の半導体レーザモジュールにおいて、２つのネジ取付用貫通穴を備え、且つ前記２つのネジ取付用貫通穴の中心の間隔が８．９±０．２ｍｍである。このような構成とすることで、従来のバタフライ型パッケージを用いた半導体レーザモジュールを使用して装置を構成してきたユーザが、容易に本発明の半導体レーザモジュールに置き換えることができる。
また、第４の発明では、上述した第１の発明および第２の発明の半導体レーザモジュールにおいて、自己を他の部材に取り付ける取付面を基準とした全高が、７．８ｍｍ以下である。このような半導体レーザモジュールとすることで、従来のバタフライ型パッケージと同じもしくは小さい全高とすることができ、従来のバタフライ型パッケージを用いた半導体レーザモジュールを使用して装置を構成してきたユーザが、容易に本発明の半導体レーザモジュールに置き換えることができる。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ），（ｂ）は、各々、本発明による半導体レーザモジュールの平断面図、側面図を示し、図１（ｃ）は同図（ａ）の矢印Ａによる矢視図である。また、図２は、後述するステム２とベース３とを分離した場合の斜視図である。なお、図２では、リード端子１３の図示を省略している。
ステム２は、断面がＬ字形を成している。Ｌ字の一辺は、後述のベース３に取り付けられるベース取付面２ａである。ベース取付面２ａには、ベース３を固定するためのネジ穴２ｃが設けられている。ベース取付面２ａに垂直な、Ｌ字の他方の一辺は、ユーザの装置の基板や筐体に取り付けて固定するためのモジュール本体固定面２ｂであり、ネジで固定するためのネジ取付用貫通穴２ｄを２つ有する。
ベース３は板状に形成されており、一方の面はステム２と接して取り付けられる。ベース３にはネジ穴３ｃが設けられ、ベース３のネジ穴３ｃとステム２のネジ穴２ｃとを通して、ネジ４によってステム２とベース３とが一体に固定される。固定の際は、ステム２とベース３との接触面に、熱伝導性の良いシリコングリス等を挟んで固定することが望ましい。また、ネジを用いる代わりに、熱伝導性の良い接着剤を用いて、ステム２とベース３とを固定しても良い。
ベース３には、前記一方の面と対を成す他方の面の垂直方向に支柱３ａが形成されている。また、ベース３には、後述のカバー１１との溶接部位に、ドーナツ状のリング３ｂが形成されている。支柱３ａには、発光素子である半導体レーザ（ＬＤ）５が、半導体レーザ５からの光出力をモニタするフォトダイオード（ＰＤ）１２とともに取り付けられており、さらに前記接合面と垂直方向に、順にレンズ６、光ファイバ７が位置する。レンズ６は、レンズキャップ８によって固定されている。レンズ６は、非球面レンズを用いることにより、半導体レーザ５からの全出射光を集光でき、且つレンズ径を最小にすることができる。光ファイバ７は、スリーブ９及びフェルール１０によって固定されている。また、これらは保護のため、円筒状のカバー１１により覆われている。
カバー１１の材質に、ＹＡＧ溶接可能なステンレス（ＳＵＳ）等を用いるとともに、ベース３のカバー溶接部位である前述のリング３ｂの材質に、ＹＡＧ溶接可能なコバール（ＦｅＮｉＣｏ）等を用いて、ＹＡＧ溶接によってカバー１１をベース３に固定することにより、接着剤を用いて固定を行なった場合の、接着剤のタレを考慮した無駄な高さを削除することができる。
ベース３は、外部より半導体レーザ５やフォトダイオード１２に電気的に接続するためのリード端子１３を備え、リード端子１３の先端はステム２に設けられた貫通穴を通して突き出される。なお、リード端子１３とステム２とが電気的に短絡しないように、貫通穴の部分では、リード端子１３は絶縁性の物質によって周囲を保護されている。
ステム２は、主な材質に銅とタングステンの混合物である銅・タングステン（Ｃｕ−Ｗ）を使用し、加工方法として金属粉末射出成形（ＭＩＭ）を用いて製造される。Ｃｕ−Ｗは、従来用いられてきたステンレス（ＳＵＳ）と比較して、熱伝導性が優れていることが特徴である。また、銅・タングステンの代わりに、銅・モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）などの他の熱伝導性の良い材質を用いても良い。
図３は、材質にＳＵＳとＣｕ−Ｗとを用いた場合の比較の一例として、筐体に半導体レーザを取り付け、半導体レーザに通電した状態での、入力電力−温度上昇の特性を示したグラフである。グラフから分かるように、例えば、温度上昇５０℃において、半導体レーザへの入力電力は、筐体にＳＵＳを用いた場合は１００ｍＷなのに対し、筐体にＣｕ−Ｗを用いた場合では１４５ｍＷとなっており、熱伝導性の良いＣｕ−Ｗを用いた方が効率的に放熱を行なえている。
この様に構成された本発明の半導体レーザモジュールにおいて、
外部からリード端子１３に供給される駆動電流により、半導体レーザ５から光が出射され、レンズ６を介して光ファイバ７の端部７ａに入射される。その光は、光ファイバ７を通して外部へ供給される。
半導体レーザ５は光を出射する際、大量の熱を発生する。その熱は支柱３ａを通じてベース３へと伝わり、さらにステム２から、半導体レーザモジュール１が取り付けられた、ユーザの装置の基板や筐体に伝導されて放熱される。前述したように、ステム２は熱伝導性の良い材質で構成されており、ベース３から受けた熱を、効率的にユーザの装置の基板や筐体に伝導することができる。
このようにして、半導体レーザ５から発生する熱を半導体レーザモジュールの外部に効率的に放熱することにより、半導体レーザ５の温度上昇を抑え、光出力の低下を抑制する。
なお、ベース３も同様に、主な材質にＣｕ−ＷあるいはＣｕ−Ｍｏを用いることで、ステム２への熱の伝導性を高め、より効率的に放熱を行なえる。
図４は、本発明による半導体レーザモジュールの一実施例における、駆動電流−光ファイバ出力端での光出力の特性を示したグラフである。
この実施例は、出射光の波長λ＝９８０ｎｍにおいて光出力Ｐｏ＝９０ｍＷを得るように実施されたものであり、半導体レーザモジュールのケース（カバー）温度Ｔｃ＝−５℃〜＋７０℃の範囲においてそれを実現している。
なお、本発明の半導体レーザモジュールにおいては、温度制御ユニットを備えていないため、温度制御ユニット自体の消費電力が発生しない。このため、半導体レーザモジュール全体の消費電力を低減することができる。
また、前述のように、レンズ６に非球面レンズを用いてレンズ径を最小にすることと、カバー１１をベース３に固定する方法としてＹＡＧ溶接を用いて接着剤のタレを考慮した無駄な高さを削除することとにより、モジュール本体固定面２ｂを基準としたモジュールの全高を、７．８ｍｍ以下に抑えることが可能となった。
（第２の実施の形態）
ステム２の形状は、図２に示したような形状の他に、図５のような形状としても良い。図５の形状では、ネジ取付用貫通穴２ｄを備えた２つのモジュール本体固定面２ｂの間にリブ２ｅを設けたものである。リブ２ｅを設けることにより、ステム２の機械的強度を高めることができ、さらにユーザの装置の基板や筐体との接触面積が増えるので、ユーザの装置の基板や筐体に熱を伝え易くなり、放熱効果を高めることができる。
さらに、基板に固定するためのネジ取付用貫通穴２ｄは、Ｍ２のネジが貫通可能なように穴径φ＝２．５ｍｍ程度、２つの穴の中心の間隔をおよそ８．９ｍｍとしても良い。このようにした場合、従来用いられてきたバタフライ型パッケージの取付寸法と互換性を持たせることができるので、バタフライ型パッケージを用いた半導体レーザモジュールを使用して装置を構成してきたユーザが、容易に本発明の半導体レーザモジュールに置き換えることができる。
（第３の実施の形態）
リード端子１３の形状は、図１に示したような形状の他に、ユーザの使用形態に応じて、図６のように、取り付ける基板に向かってＬ字に折り曲げ、ユーザの装置の基板に直接半田付けできるような形状としても良い。このような形状とした場合、ユーザは、あらかじめ配線がパターンされた基板に本発明の半導体レーザモジュールを取り付ける際に、リード端子１３を直接半田付けできるので、配線作業の手間を低減することができる。
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体レーザモジュールにおいては、次のような効果を得ることができる。断面がＬ字形の形状を有し、Ｌ字の一辺は前記ベースの前記カバー外部側の面に取り付けられるステムを備える構成としたので、温度制御ユニットを必要としないため、モジュールを小型化することができる。
また、モジュールが取り付けられる面に対する垂直方向の高さを低くすることができ、ユーザの装置を小型化できる。
また、温度制御ユニットに係るコストを省くことができるため、半導体レーザモジュール全体の製造費を低減できる。
さらには、温度制御ユニットを駆動するための電力が不要となるため、半導体レーザモジュール全体の消費電力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施の形態の半導体レーザモジュールの全体構成を示す図
【図２】本発明による第１の実施の形態の半導体レーザモジュールの、ベースとステムとを分離した場合の斜視図
【図３】筐体に異なる材質を用いた場合の、半導体レーザの入力電力−温度上昇の特性図
【図４】本発明による半導体レーザモジュールの一実施例における、駆動電流−光ファイバ出力端での光出力の特性図
【図５】本発明の第２の実施の形態による半導体レーザモジュールのステムの斜視図
【図６】本発明の第３の実施の形態による半導体レーザモジュールの側面図
【図７】従来のバタフライ型パッケージを用いた半導体レーザモジュールの全体構成を示す図
【図８】従来の同軸型パッケージを用いた半導体レーザモジュールの全体構成を示す図
【図９】半導体レーザ出力の中心波長の温度依存性の特性図
【図１０】半導体レーザ出力の温度依存性の特性図
【符号の説明】
１・・・半導体レーザモジュール、２・・・ステム、２ａ・・・ベース取付面、２ｂ・・・モジュール本体固定面、２ｃ・・・ネジ穴、２ｄ・・・ネジ取付用貫通穴、３・・・ベース、３ａ・・・支柱、３ｂ・・・リング、３ｃ・・・ネジ穴、４・・・ネジ、５・・・半導体レーザ、６・・・レンズ、７・・・光ファイバ、８・・・レンズキャップ、９・・・スリーブ、１０・・・フェルール、１１・・・カバー、１２・・・フォトダイオード、１３・・・リード端子。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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