(57)【要約】【課題】放熱性を向上させたＬＤモジュールを提供すること。【解決手段】半導体レーザ素子７と、半導体レーザ素子を支持する支持ブロック１０が設けられるステム４と、ステム４と組み合わされるケース３とを有する同軸型のパッケージ２と、光ファイバ１４と、レンズ系１１ａと、複数のリードピン６と、パッケージ及びレンズ系を覆うカバー部材１６，１７とを備えた半導体レーザモジュール１。カバー部材１７は、第２の面４ｂに接触する接触部１７ａを有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子を支持する支持ブロックが設けられるステムと、このステムと組み合わせて形成される内部の空間に前記支持ブロックを収容するケースとを有する同軸型のパッケージと、
前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入射する光ファイバと、
前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を前記光ファイバに結合させるレンズ系と、
前記ステムの前記支持ブロック側に面する第１の面から裏面の第２の面へと貫通する複数のリードピンと、
前記パッケージ及び前記レンズ系を覆うカバー部材と、
を備えた半導体レーザモジュールであって、
前記カバー部材は、前記第２の面に接触する接触部を有することを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記カバー部材は、前記第１，第２の面に隣接した外周面で前記パッケージと接触し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。
【請求項３】
前記カバー部材は、前記接触部に前記複数のリードピンを挿通する挿通孔が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項４】
前記カバー部材は、前記接触部の厚さが０．３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項５】
前記支持ブロックが、前記ステム上に設置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項６】
前記支持ブロックは、一端が前記ステムを貫通して前記第２の面へ露出し、前記カバー部材の接触部に接触していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項７】
前記支持ブロックは、熱伝導率が前記ステムよりも大きいことを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項８】
前記支持ブロックとステムとを一体化してステムベースと支持部とを有する支持部材とし、前記ステムベース上に前記支持部材よりも熱伝導率の小さいベース部材が固定され、前記ベース部材と前記ケースとが溶接されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項９】
前記光ファイバは、前記半導体レーザ素子との間で外部共振器を構成する回折格子が形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、同軸型パッケージを備えた半導体レーザモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ（ＬＤ）モジュールには、ＬＤ素子の温度制御素子（ＴＥＣ：  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｏｌｅｒ）を有さない同軸型のＬＤモジュールとして、キャンパッケージ内にＬＤ素子とモニタ用のフォトダイオードを収納すると共に、レンズ，光ファイバ及びカバーを備えたものが知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００３】
このような同軸型のＬＤモジュール、例えば、図５に示すＬＤモジュール２５は、ケース３とステム４を有する同軸型のパッケージ２内にＬＤ素子７とフォトダイオード８が収容され、カバー部材１５及びブーツ１８で覆って固定座３０に固定される。ＬＤモジュール２５は、複数のリードピン６によってＬＤ素子７やフォトダイオード８に電力を供給し、ＬＤ素子７から出射されるレーザ光をレンズ１１ａによって光ファイバ１４に結合している。ＬＤモジュール２５は、図５に示したように、ＴＥＣを有さないことから小型で安価であるという特徴を備えている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１５０９６４号公報（第３−５頁、図１）
【特許文献２】
特開２０００−３５３８４５号公報（第３−４頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の同軸型のＬＤモジュール２５は、ＬＤ素子７の温度を制御するＴＥＣを有していない。このため、ＬＤモジュール２５では、ＬＤ素子７の熱が、図５に矢印で示すように、ステム４からカバー部材１５の下部を通って固定座３０へと放熱される。しかし、ＬＤモジュール２５は、ステム４の外周面４ｃとカバー部材１５とが接触する面積が小さいうえ、ステム４の下面４ｂが開放されて熱伝導率の小さい空気と接触していることから放熱効率が低く、高い光出力で動作させた場合、又は、高温環境下で使用した場合、ＬＤ素子７の温度が上昇し過ぎる結果、光出力が低下したり、発振波長がシフトしたりするという問題があった。
【０００６】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、放熱性を向上させた半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明に係る半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を支持する支持ブロックが設けられるステムと、このステムと組み合わせて形成される内部の空間に前記支持ブロックを収容するケースとを有する同軸型のパッケージと、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入射する光ファイバと、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を前記光ファイバに結合させるレンズ系と、前記ステムの前記支持ブロック側に面する第１の面から裏面の第２の面へと貫通する複数のリードピンと、前記パッケージ及び前記レンズ系を覆うカバー部材と、を備えた半導体レーザモジュールであって、前記カバー部材は、前記第２の面に接触する接触部を有することを特徴とする。
【０００８】
請求項１の発明によれば、半導体レーザ素子において発生した熱をステムを通ってカバー部材へ放熱する経路としてカバー部材の接触部も利用するようにしている。
【０００９】
また、請求項２の発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記カバー部材は、前記第１，第２の面に隣接した外周面で前記パッケージと接触していることを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明によれば、半導体レーザ素子において発生した熱をカバー部材へ放熱する経路として前記第１，第２の面に隣接した外周面も利用するようにしている。
【００１１】
また、請求項３の発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記カバー部材は、前記接触部に前記複数のリードピンを挿通する挿通孔が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明によれば、ステムの第２の面と前記接触部とが接触するときに、複数の挿通孔をリードピン用の孔とし、他の部分を放熱経路としている。
【００１３】
また、請求項４の発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記カバー部材は、前記接触部の厚さが０．３ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明によれば、熱抵抗を低く抑えて放熱性を確保している。
【００１５】
また、請求項５の発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記支持ブロックが、前記ステム上に設置されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項５の発明によれば、半導体レーザ素子において発生した熱を、支持ブロック、ステムを通ってカバー部材へ放熱するようにしている。
【００１７】
また、請求項６の発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記支持ブロックは、一端が前記ステムを貫通して前記第２の面へ露出し、前記カバー部材の接触部に接触していることを特徴とする。
【００１８】
請求項６の発明によれば、半導体レーザ素子において発生した熱を、支持ブロックからカバー部材の接触部へ直接放熱するようにしている。
【００１９】
また、請求項７の発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記支持ブロックは、熱伝導率が前記ステムよりも大きいことを特徴とする。
【００２０】
請求項７の発明によれば、半導体レーザ素子において発生した熱を、効率良く接触して放熱するようにしている。
【００２１】
また、請求項８の発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記支持ブロックとステムとを一体化してステムベースと支持部とを有する支持部材とし、前記ステムベース上に前記支持部材よりも熱伝導率の小さいベース部材が固定され、前記ベース部材と前記ケースとが溶接されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項８の発明によれば、半導体レーザ素子からの熱を効率良く放熱すると同時に、ケースとベース部材との溶接を安定して行えるので、パッケージ内の気密性を確実、かつ、歩留まり良く確保することができる。
【００２３】
また、請求項９の発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記光ファイバは、前記半導体レーザ素子との間で外部共振器を構成する回折格子が形成されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項９の発明によれば、駆動電流の広い範囲に亘って発振波長を固定することができるようにしている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明に係るＬＤモジュールの好適な実施の形態について説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
まず、この発明のＬＤモジュールに係る実施の形態１について説明する。図１は、この発明の実施の形態１であるＬＤモジュール１の断面正面図である。ＬＤモジュール１は、図１に示すように、パッケージ２、複数のリードピン６、パッケージ２内に収容されるＬＤ素子７とフォトダイオード８、レンズホルダ１１、光ファイバ１４及びカバー部材１５を備え、ＬＤ素子７のための温度制御素子を有しない同軸型のＬＤモジュールである。
【００２７】
パッケージ２は、図１に示すように、ケース３とステム４を有する同軸型のキャンパッケージである。ケース３は、中央に形成された開口３ａの内側にウインドウガラス５が設けられている。ステム４は、第１の面となる上面４ａ、上面４ａの裏側に位置し、第２の面となる下面４ｂ並びに上面４ａ及び下面４ｂに隣接した外周面４ｃを有する円板状に成形されている。
【００２８】
複数のリードピン６は、図示しないが、ステム４を上面４ａから下面４ｂへと貫通し、ＬＤ素子７やフォトダイオード８に電力を供給する。ＬＤ素子７は、図１に示すように、ヒートシンク９を介して支持ブロック１０に設けられている。支持ブロック１０は、ステム４の上に設けられている。フォトダイオード８は、ＬＤ素子７直下のステム４上に設けられ、ＬＤ素子７のモニタ光を受光する。
【００２９】
ここで、支持ブロック１０は、熱伝導率がステム４よりも大きい素材を使用する。例えば、ステム４がケース３との溶接性に優れた鉄や鉄合金、例えば、ＫＯＶＡＲ（商標）（鉄−ニッケル−コバルト合金（Ｆｅ：５３％，Ｃｏ：１８ｗｔ％，Ｎｉ：２８ｗｔ％））の場合、支持ブロック１０は、ステム４よりも放熱性に優れた銅や銅合金、例えば、Ｃｕ−Ｗ等の高い熱伝導率を有する素材とする。支持ブロック１０をこのようにすることで、ステム４とケース３との溶接性およびＬＤ素子７から発生する熱の放熱性に優れたＬＤモジュール１を提供することができる。
【００３０】
レンズホルダ１１は、ＬＤ素子７から出射されたレーザ光を光ファイバ１４に結合させるレンズ１１ａを保持し、開口３ａを中央に配置してケース３に固定されている。そして、レンズホルダ１１の上部には、スリーブ１２が設けられている。光ファイバ１４は、端部にフェルール１３が取り付けられ、フェルール１３を介してスリーブ１２に固定されている。光ファイバ１４は、ＬＤ素子７との間で外部共振器を構成するファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）からなる回折格子１４ａがコア部分に形成されている。回折格子１４ａの位置は、フェルール１３の部分に限られず、フェルール１３の外部にあってもよい。
【００３１】
なお、光ファイバ１４は、回折格子１４ａを有しない構成であってもよい。
【００３２】
カバー部材１５は、図１に示すように、パッケージ２、レンズホルダ１１及びスリーブ１２を覆い、第１カバー１６と第２カバー１７とを有している。第１カバー１６と第２カバー１７は、ステンレス等を用いる。あるいは、少なくとも第２カバー１７は、銅合金やアルミニウム合金等の熱伝導率が高い材料を用いることがより好ましい。第１カバー１６は、パッケージ２のケース３、レンズホルダ１１及びスリーブ１２を覆う円筒状の部材で、上部にはブーツ１８が取り付けられ、下部には第２カバー１７が外嵌されている。ブーツ１８は、ゴムからなる略円錐状の部材で、フェルール１３から延出する光ファイバ１４を保護している。
【００３３】
第２カバー１７は、底面となる接触部１７ａと筒状部１７ｂとを有する有底円筒状の部材で、接触部１７ａには複数のリードピン６を個々に挿通する挿通孔１７ｃが複数設けられている。第２カバー１７は、挿通孔１７ｃにリードピン６を挿通し、ステム４の下面４ｂを接触部１７ａ上面に、外周面４ｃを筒状部１７ｂ内面に、それぞれ当接させて内部にステム４が配置される。接触部１７ａは、ステム４の下面４ｂと当接することで、ヒートシンク９，支持ブロック１０並びにステム４を介して伝導してくるＬＤ素子７の熱を固定座３０へと放熱させる。このため、ＬＤモジュール１は、カバーが接触部１７ａを有さず、ステム４の下面４ｂが露出している従来のＬＤモジュールに比べると放熱性が格段に向上したものとなる。
【００３４】
実施の形態１に係るＬＤモジュール１は、カバー部材１５の第２カバー１７にステム４の下面４ｂに接触する接触部１７ａが形成され、接触部１７ａは、挿通孔１７ｃの部分を除いてステム４の下面４ｂに接触している。しかも、ステム４は外周面４ｃが第２カバー１７の筒状部１７ｂ内面に当接している。このため、ＬＤモジュール１は、高温環境で使用した場合であっても、ＬＤ素子７から発生した熱が、図１に矢印で示すように、ヒートシンク９，支持ブロック１０を通りステム４の外周面４ｃから第２カバー１７の筒状部１７ｂに伝導し、固定座３０へ放熱される他、ステム４の下面４ｂから接触部１７ａを通って固定座３０へも放熱される。このため、ＬＤモジュール１は、従来のＬＤモジュールに比べて放熱性が改善され、高い光出力で動作させた場合、又は、高温環境下で使用した場合でも、光出力が低下したり、発振波長がシフトしたりすることを軽減できる。
【００３５】
従って、ＬＤモジュール１は、１４８０ｎｍ帯や９８０ｎｍ帯等の光ファイバ増幅器用のポンプレーザモジュールや、信号光源モジュールに適用することができる。
【００３６】
また、実施の形態１に係るＬＤモジュール１は、光ファイバ１４にＬＤ素子７との間で外部共振器を構成する回折格子１４ａを設けることによって、前述の放熱性の改善に伴う発振波長のシフトの抑制効果と相俟って広い駆動電流範囲および環境温度範囲に亘って発振波長を所望の値に固定することができる。
【００３７】
（実施例１，比較例１）
ここで、本発明のＬＤモジュール１を製造し、製造したロット中から無作為に５個抜き取り、２つの温度間での波長シフト量からその熱抵抗を評価する手法（２温度測定法と称する）によりＬＤ素子７と固定座３０との間の熱抵抗（℃／Ｗ）を測定した。その結果を表１の実施例１に関する欄にＳ１〜Ｓ５として示した。また、比較のため、第２カバー１７に接触部１７ａが形成されていないことを除き、ＬＤモジュール１と同一構造のＬＤモジュールを製造し、製造したロット中から抜き取った５個のＬＤモジュールについて同様に熱抵抗（℃／Ｗ）を測定した。その結果を表１の比較例１に関する欄にＳ１〜Ｓ５として示した。
【表１】
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【００３８】
表１に示す結果から明らかなように、カバー部材１５にステム４の下面４ｂに接触する接触部１７ａを設けると、パッケージ２におけるＬＤ素子７から発生する熱の放熱性が向上することが分かった。
【００３９】
このとき、カバー部材１５に設ける接触部１７ａの厚さ（ｍｍ）と熱抵抗（℃／Ｗ）との関係を有限要素法を用いて厚さ０〜１．５ｍｍの範囲でシミュレーションしたところ、図２に示す結果が得られた。ＬＤモジュール１においては、実用上の熱抵抗は、１７．５℃／Ｗ程度以下であれば良い。この観点から、カバー部材１５に設ける接触部１７ａは、厚さｔが０．３ｍｍ以上あればよく、より好ましくは１ｍｍ以上あればよいことが分かった。但し、あまり厚さが薄いと強度的な問題が生じ、また逆にあまり厚さｔが厚くなると、ＬＤモジュール１が大きくなってしまうため、接触部１７ａの厚さｔは実用上は０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以下が好ましい。
【００４０】
（実施の形態２）
次に、この発明のＬＤモジュールに係る実施の形態２について説明する。図３は、この発明の実施の形態２であるＬＤモジュールの断面正面図である。実施の形態１のＬＤモジュール１は、支持ブロック１０をステム４の上に設けたが、この実施の形態２では、支持ブロック１０は一端がステム４を貫通して下面４ｂへ露出し、第２カバー１７の接触部１７ａに接触している。このように構成すると、ＬＤモジュール１は、ＬＤ素子７の熱が熱伝導率の低いステム４を介することなく熱伝導率の高い支持ブロック１０を通って直接接触部１７ａから固定座３０へと放熱されるので、更に放熱性が向上する。
【００４１】
（実施の形態３）
次に、この発明のＬＤモジュールに係る実施の形態３について説明する。図４は、この発明の実施の形態３であるＬＤモジュール２０の主要部の構成を示す断面正面図である。実施の形態２のＬＤモジュール１は、支持ブロック１０は一端がステム４を貫通して下面４ｂへ露出したが、この実施の形態３のＬＤモジュール２０では、支持ブロック１０とステム４とを一体化して支持部材２１とし、支持部材２１とケース３との間にベース部材２２を配置している。支持部材２１及びベース部材２２は、ケース３と共にパッケージ２を形成している。
【００４２】
支持部材２１は、放熱性に優れたＣｕ−Ｗからなり、図４に示すように、ステムベース２１ａと支持部２１ｂとを有し、ステムベース２１ａは下面２１ｃが第２カバー１７の接触部１７ａと、外周面２１ｄが第２カバー１７の筒状部１７ｂ内面と、それぞれ当接し、支持部２１ｂはベース部材２２の中央に形成された孔を貫通して上方へ突出している。ベース部材２２は、支持部材２１よりも熱伝導率が小さく、ケース２３との溶接性に優れた材料、例えばＫＯＶＡＲ（登録商標）からなり、支持部材２１に対して銀ロウ付けされている。このため、ベース部材２２は、上面２２ａにケース３を抵抗溶接やＹＡＧレーザ等によって溶接する際の溶接性が良い。一方、ＬＤ素子７からの熱は、図５に矢印で示すように、放熱性に優れたＣｕ−Ｗからなる支持部材２１の支持部２１ｂからステムベース２１ａを通って第２カバー１７の接触部１７ａや外周面２１ｄを通って第２カバー１７の筒状部１７ｂに伝導し、固定座３０へ効率良く放熱される。このため、支持部材２１は、放熱性が良い。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を支持する支持ブロックが設けられるステムと、このステムと組み合わせて形成される内部の空間に前記支持ブロックを収容するケースとを有する同軸型のパッケージと、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入射する光ファイバと、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を前記光ファイバに結合させるレンズ系と、前記ステムの前記支持ブロック側に面する第１の面から裏面の第２の面へと貫通する複数のリードピンと、前記パッケージ及び前記レンズ系を覆うカバー部材とを備えた半導体レーザモジュールであって、前記カバー部材は、前記第２の面に接触する接触部を有することを特徴とするので、放熱性を向上させたＬＤモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１であるＬＤモジュールの構成を示す断面正面図である。
【図２】パッケージにおける接触部の厚さが０〜１．５ｍｍの範囲のときの熱抵抗のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２であるＬＤモジュールの構成を示す断面正面図である。
【図４】この発明の実施の形態３であるＬＤモジュールの主要部の構成を示す断面正面図である。
【図５】従来の同軸型のＬＤモジュールの構成を示す断面正面図である。
【符号の説明】
１  ＬＤモジュール
２  パッケージ
３  ケース
３ａ  開口
４  ステム
４ａ  上面
４ｂ  下面
４ｃ  周面
５  ウインドウガラス
６  リードピン
７  ＬＤ素子
８  フォトダイオード
９  ヒートシンク
１０  支持ブロック
１１  レンズホルダ
１１ａ  レンズ
１２  スリーブ
１３  フェルール
１４  光ファイバ
１４ａ  回折格子
１５  カバー部材
１６  第１カバー
１７  第２カバー
１７ａ  接触部
１７ｂ  筒状部
１７ｃ  挿通孔
１８  ブーツ
２０  ＬＤモジュール
２１  支持部材
２１ａ  ステムベース
２１ｂ  支持部
２１ｃ  下面
２１ｄ  外周面
２２  ベース部材
２２ａ  上面
３０  固定座
【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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