(57)【要約】【課題】  キャン型パッケージ内に収容されたレーザダイオードを十分に冷却することが可能で、低消費電力で、特性が安定した信頼性の高い小型のレーザダイオードモジュールを提供する。【解決手段】  キャン型のパッケージ３内にレーザダイオード１を収容し、該レーザダイオード１を冷却する熱電冷却モジュール４を、レーザダイオード１に直接または熱伝導性部材を介して接する態様で設けて前記パッケージ３内に収容する。例えばパッケージ３のベース８に、レーザダイオード載置台１０を設けてレーザダイオード１の固定部１２を設け、この固定部１２に、熱電冷却モジュール４を介してレーザダイオード１を固定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャン型のパッケージと、該パッケージ内に収容されたレーザダイオードと、該レーザダイオードを冷却する熱電冷却モジュールとを有し、該熱電冷却モジュールは前記レーザダイオードに直接または熱伝導性部材を介して接する態様で前記パッケージ内に収容されていることを特徴とするレーザダイオードモジュール。
【請求項２】
キャン型のパッケージはレーザダイオードの固定部を備えたベースと、レーザダイオードの固定領域を覆う態様で前記ベースに固定されるキャップ部とを有し、前記レーザダイオードの固定部は前記ベース上に突出形成されたレーザダイオード載置台の、前記ベースの面と交わる方向の面に形成されており、レーザダイオードは熱電冷却モジュールを介して前記レーザダイオードの固定部に固定されていることを特徴とする請求項１記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項３】
熱電冷却モジュールは、上下に間隔を介して対向配置された基板と、該基板間に設けられて基板面に沿って互いに間隔を介して複数配列された熱電変換素子と、前記上下の基板の対向表面にそれぞれ複数配列形成されて前記複数の熱電変換素子を電気的に接続する電極とを有し、前記上下の基板はそれぞれ矩形状に形成されてその両辺がそれぞれ４ｍｍ以下と成していることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項４】
キャン型のパッケージはレーザダイオードの固定部を備えたベースと、レーザダイオードの固定領域を覆う態様で前記ベースに固定されるキャップ部とを有し、前記ベースの外縁部と前記キャップ部の側周部の少なくとも一方にはパッケージ内の熱をパッケージ外部に放熱しやすくする複数の凹凸部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載のレーザ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、光通信あるいは光情報機器に用いられるレーザダイオードモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信あるいは光情報機器用としてレーザダイオードが用いられており、レーザダイオードをキャン（ＣＡＮ）型パッケージ内に収容して成るレーザダイオードモジュールがある（例えば非特許文献１参照。）。
【０００３】
例えば図５に示すように、キャン型パッケージ３は、レーザダイオード１の固定部を備えたベース８と、レーザダイオード１の固定領域を覆う態様でベース８に固定されるキャップ部９とを有しており、キャップ部９には、レーザダイオードから発信される光を透過させる光透過部１１が形成されている。
【０００４】
レーザダイオード１は発光源であり、その発光効率によるが、通常、レーザダイオード１に投入される投入電力の５０％以上が熱になる。したがって、発光出力の大きいレーザダイオード１は発熱量も大きいのが一般的である。従来、上記のようなキャン型パッケージ３を備えたレーザダイオードモジュールは、発熱量が比較的小さいレーザダイオード１を収容して形成されており、熱電素子等による冷却を行わずに、キャン型パッケージ２を通しての熱の自然な流れで放熱する、いわゆるＵＮ−ＣＯＯＬＥＤ（非冷却）方式のレーザダイオードモジュールを形成していた。
【０００５】
【非特許文献１】オプトデバイス応用ノウハウ、ｐ４９−５０  谷善平  編著  ＣＱ出版社
【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、近年、情報機器の高密度化要求に伴い、例えば青色レーザダイオード等の高出力のレーザダイオード１が用いられるようになったり、通信の容量増大に伴う出力増等が求められるようになったりしてきており、キャン型のレーザダイオードモジュールにも高出力のレーザダイオード１を適用することが要求されるようになった。そうなると、従来のＵＮ−ＣＯＯＬＥＤ方式のレーザダイオードモジュールでは冷却が不十分となり、冷却の効率化が求められるようになった。
【０００７】
そこで、キャン型パッケージ３の外側にヒートシンクを設け、レーザダイオード１の熱を、キャン型パッケージ３を通して外部のヒートシンクに伝達し、冷却する構成も適用されるようになったが、ヒートシンクを設けてレーザダイオードモジュールを形成すると、モジュールが大型化してしまうといった問題があった。また、ヒートシンクを設けても、冷却が不十分な場合があり、この場合、冷却不足によりレーザダイオード１の寿命劣化や特性不安定化等が発生するといった問題もあった。
【０００８】
一方で、一般的にレーザダイオード１の出力が大きく、より多くの冷却を要するものでは、ＴＥＣ（熱電冷却モジュール）をレーザダイオードチップの上に搭載し、全体を納める、いわゆる、箱形バタフライパッケージ式のものがあった。しかし、この方式では、ピン配線等の実装上、ＣＡＮ型と異なる設計を必要としたり、光ファイバとＬＤ発光源での光軸合わせが難しかったり、寸法的に大きなものになってしまうといった課題があった。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、キャン型パッケージ内に収容されたレーザダイオードを十分に冷却することが可能で、特性が安定し、信頼性が高く、消費電力の少ない小型のレーザ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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、キャン型のパッケージと、該パッケージ内に収容されたレーザダイオードと、該レーザダイオードを冷却する熱電冷却モジュールとを有し、該熱電冷却モジュールは前記レーザダイオードに直接または熱伝導性部材を介して接する態様で前記パッケージ内に収容されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１１】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記キャン型のパッケージはレーザダイオードの固定部を備えたベースと、レーザダイオードの固定領域を覆う態様で前記ベースに固定されるキャップ部とを有し、前記レーザダイオードの固定部は前記ベース上に突出形成されたレーザダイオード載置台の、前記ベースの面と交わる方向の面に形成されており、レーザダイオードは熱電冷却モジュールを介して前記レーザダイオードの固定部に固定されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１２】
さらに、第３の発明は、上記第１または第２の発明の構成に加え、前記熱電冷却モジュールは、上下に間隔を介して対向配置された基板と、該基板間に設けられて基板面に沿って互いに間隔を介して複数配列された熱電変換素子と、前記上下の基板の対向表面にそれぞれ複数配列形成されて前記複数の熱電変換素子を電気的に接続する電極とを有し、前記上下の基板はそれぞれ矩形状に形成されてその両辺がそれぞれ４ｍｍ以下と成している構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１３】
さらに、第４の発明は、上記第１乃至第３のいずれか一つの発明の構成に加え、前記キャン型のパッケージはレーザダイオードの固定部を備えたベースと、レーザダイオードの固定領域を覆う態様で前記ベースに固定されるキャップ部とを有し、前記ベースの外縁部と前記キャップ部の側周部の少なくとも一方にはパッケージ内の熱をパッケージ外部に放熱しやすくする複数の凹凸部が設けられている構成をもって課題を解決する手段としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のレーザダイオードモジュールによれば、キャン型のパッケージ内に収容されたレーザダイオードを冷却する熱電冷却モジュールが、レーザダイオードに直接または熱伝導性部材を介して接する態様で前記パッケージ内に収容されているので、レーザダイオードから発する熱を熱電冷却モジュールによって効率的に冷却することができ、特性が安定し、信頼性の高いレーザダイオードモジュールを実現できる。また、熱電冷却モジュールはパッケージ内に収容されているので、レーザダイオードモジュールが大型化することはなく、小型のレーザダイオードモジュールを実現できる。
【００１５】
また、本発明において、キャン型のパッケージのベースに形成されたレーザダイオード載置台にレーザダイオードの固定部を設け、この固定部に、熱電冷却モジュールを介してレーザダイオードを固定した構成においては、熱電冷却モジュールによりレーザダイオードから発する熱を効率的に冷却でき、例えばレーザダイオード載置台を介して外部に放熱できる。
【００１６】
さらに、本発明において、熱電冷却モジュールの上下の基板をそれぞれ矩形状に形成し、その両辺をそれぞれ４ｍｍ以下と成した構成によれば、小型の熱電冷却モジュールにより、レーザダイオードから発する熱を効率的に冷却可能な小型のレーザダイオードモジュールを容易に実現できる。
【００１７】
さらに、本発明において、キャン型のパッケージのベースの外縁部と前記キャップ部の側周部の少なくとも一方にはパッケージ内の熱をパッケージ外部に放熱しやすくする複数の凹凸部が設けられている構成によれば、パッケージ内の熱をパッケージ外部により効率的に放熱できるレーザダイオードモジュールを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態例のレーザダイオードモジュールは、キャン型のパッケージ３と、該パッケージ３内に収容されたレーザダイオード１とを有しており、この実施形態例のレーザダイオードモジュールの特徴的は、レーザダイオード１を冷却する熱電冷却モジュール４を有し、該熱電冷却モジュール４がレーザダイオード１に直接接する態様でパッケージ３内に収容されていることである。
【００２０】
なお、本実施形態例では、パッケージ３の光透過部１１にはレンズ２３が設けられている。このように、キャン型パッケージ３は、光透過部１１にレンズ２３を設けて形成してもよい。
【００２１】
本実施形態例において、レーザダイオード１の固定部１２は、前記ベース８上に突出形成されたブロック状のレーザダイオード載置台１０に形成されており、レーザダイオード１の固定部１２は、ベース８の面と交わる方向の面に形成されている。レーザダイオード１は熱電冷却モジュール４を介して前記レーザダイオードの固定部１２に固定されている。レーザダイオード載置台１０およびベース８は熱伝導性部材であるコバールにより形成され、キャップ部９もコバールにより形成されている。
【００２２】
なお、パッケージ３のベース８は、例えば直径が５．６ｍｍ、厚みが１．２ｍｍに形成され、キャップ９の深さ（図１（ｂ）のＤ）は例えば２．３ｍｍに形成されている。また、レーザダイオード１には、リード線２９を介して外部端子２１が接続されており、熱電冷却モジュール４には、リード線２８を介して外部端子２０が接続されている。
【００２３】
また、本実施形態例において、熱電冷却モジュール４は、図２（ａ）、（ｂ）に示すようなペルチェモジュールであり、上下に間隔を介して対向配置された基板６，７と、該基板６，７間に設けられて基板面に沿って互いに間隔を介して複数立設配列された熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と、前記上下の基板６，７の対向表面１６，１７にそれぞれ複数配列形成されて前記複数の熱電変換素子を電気的に接続する電極２とを有している。なお、図２（ａ）は電極２を省略して示している。上下の基板６，７はそれぞれ矩形状に形成されており、その両辺の長さ（図２（ａ）のＡ、Ｂ）がそれぞれ２ｍｍであり、４ｍｍ以下の値と成している。
【００２４】
基板６，７は、電気絶縁性を有する電気絶縁性基板であり、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックにより形成されている。基板６と基板７は、電極２の位置を互いにずらした状態で対向表面（電極形成面）１６，１７を対向させて配置されており、前記熱電変換素子５が対応する電極２を介して直列に接続されている。なお、電極２上には図示されていない半田が形成されて該半田を介して熱電変換素子５が電極２上に固定されている。
【００２５】
ペルチェモジュールにおいて、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、ペルチェ素子として一般的に知られており、Ｐ型半導体により形成されたＰ型（ｐ型）の熱電変換素子５ａと、Ｎ型（ｎ型）半導体により形成されたＮ型の熱電変換素子５ｂとを有する。Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂは交互に配置され、電極２を介して直列に接続されてＰＮ素子対が形成されている。
【００２６】
Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂは、それぞれ、例えばビスマス・テルル等の金属間化合物にアンチモン、セレン等の元素を添加することにより形成されている。
【００２７】
熱電冷却モジュール４において、前記外部端子２０、リード端子２８を介して電極２に電流を流すと、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂに電流が流れて、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との接合部（界面）で冷却・加熱効果が生じる。つまり、前記接合部を流れる電流の方向によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果が生じる。
【００２８】
このペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部、例えば上端部が冷却せしめられると、基板６が冷却側基板と成し、基板６の上側に設けられた部材が基板６を介して冷却（吸熱）される。
【００２９】
つまり、本実施形態例において、レーザダイオード１から発する熱は、熱電冷却モジュール４によって効率的に冷却される。また、この場合、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の他方の端部、つまり、下端部は発熱し、基板７は放熱側基板となり、この基板７から放熱される熱は、レーザダイオード載置台（ステム）１０を介し、ベース８またはキャップ部９を介してパッケージ外部に放熱される。
【００３０】
本実施形態例によれば、熱電冷却モジュール４をレーザダイオード１に直接接する態様でパッケージ３内に収容しているので、レーザダイオード１から発する熱を熱電冷却モジュール４によって効率的に冷却して、この熱をパッケージ外部に放熱することができ、特性が安定した信頼性の高いレーザダイオードモジュールを実現できる。また、本実施形態例のレーザダイオードモジュールは、２ｍｍ角の熱電冷却モジュール４をパッケージ３内に収容しているので、レーザダイオードモジュールが大型化することはなく、小型のレーザダイオードモジュールを実現できる。
【００３１】
図３には、本発明に係るレーザダイオードモジュールの第２実施形態例が示されている。第２実施形態例は、上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されている。なお、第２実施形態例では、第１実施形態例に比べ、熱電冷却モジュール４の基板６，７の面積を比較的広く形成し、熱電冷却モジュール４の高さを低く形成している。また、パッケージ３に、レンズを設けずに、平板状のガラス部材等を光透過部１１に設けている。
【００３２】
第２実施形態例も上記第１実施形態例とほぼ同様の効果を奏することができる。
【００３３】
図４（ａ）、（ｂ）には、本発明に係るレーザダイオードモジュールの第３実施形態例が示されている。第３実施形態例のレーザダイオードモジュールは上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されており、第３実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、キャン型のパッケージ３の前記キャップ部８の側周部に、パッケージ３内の熱をパッケージ外部に放熱しやすくする複数の凹凸部が設けられていることであり、この実施形態例では複数の放熱フィン１４を設けて凹凸部を形成している。なお、この例では、レーザダイオード載置台１０の下面を斜めに形成している。
【００３４】
第３実施形態例は以上のように構成されており、第３実施形態例は、キャップ部９の側周部に複数の凹凸部を形成することにより、パッケージ３内の熱をパッケージ外部に放熱しやすくすることができるので、熱電冷却モジュール４の放熱側の基板７から放熱される熱を、レーザダイオード載置台１０を介してキャップ部９からパッケージ外部に効率的に放熱でき、レーザダイオード１から発する熱を、熱電冷却モジュール４によって、より効率的に冷却することができる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施形態例に限定されることはなく、様々な態様を採り得る。例えば、上記各実施形態例では、キャン型のパッケージ３のベース８、キャップ部９、レーザダイオード載置台１０を、いずれもコバールにより形成したが、これらの形成材料は特に限定されるものではなく、例えば金属等の適宜の材料により形成されるものである。
【００３６】
また、上記各実施形態例では、熱電冷却モジュール４の基板６，７の両辺をそれぞれ２ｍｍに形成したが、熱電冷却モジュール４の大きさは、パッケージ３やレーザダイオード１の大きさに対応させて適宜設定されるものである。
【００３７】
また、熱電冷却モジュール４の基板６，７の形状も特に限定されるものでなく、適宜設定されるものであり、例えば円盤状、楕円状、長円形状、矩形状の角部に丸みが形成された形状等、レーザダイオード１の形状に対応させて、様々な形状を適用できる。この場合も、熱電冷却モジュール４の大きさは適宜設定されるものであり、例えば基板６，７の形状を円盤状とする場合、５ｍｍφ以下と成すと、レーザダイオードモジュールの小型化を容易に実現できるので好ましい。
【００３８】
さらに、上記第３実施形態例では、キャン型のパッケージ３のキャップ部８の側周部に、パッケージ３内の熱をパッケージ外部に放熱しやすくする複数の凹凸部を設けたが、キャップ部８の側周部とベース９の外縁部の少なくとも一方に上記複数の凹凸部を設けることにより、パッケージ内の熱を、より効率的にパッケージ外部に放熱することができる。また、凹凸部は、上記第３実施形態例のようなフィン形状に限定されることはなく、適宜設定されるものである。
【００３９】
さらに、上記各実施形態例では、レーザダイオード載置台１０をブロック状に形成したが、レーザダイオード載置台１０は板状に形成してもよい。
【００４０】
さらに、上記各実施形態例では、熱電冷却モジュール４をレーザダイオード１に直接接するようにしたが、熱電冷却モジュール４とレーザダイオード１との間に、熱伝導性が良好なグリース等の熱伝導性部材を設け、熱伝導性部材を介して熱電冷却モジュール４とレーザダイオード１とを接する態様としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係るレーザダイオードモジュールの第１実施形態例を模式的に示す分解説明図（ａ）と断面説明図（ｂ）である。
【図２】上記実施形態例のレーザダイオードモジュールに適用される熱電冷却モジュールを模式的に示す斜視説明図（ａ）と側面説明図（ｂ）である。
【図３】本発明に係るレーザダイオードモジュールの第２実施形態例を模式的に示す断面説明図である。
【図４】本発明に係るレーザダイオードモジュールの第３実施形態例を模式的に示す斜視説明図（ａ）と断面説明図（ｂ）である。
【図５】キャン型パッケージ内にレーザダイオードを収容して成るレーザダイオードモジュールの外観を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  レーザダイオード
２  電極
３  パッケージ
４  熱電冷却モジュール
５，５ａ，５ｂ  熱電変換素子
６，７  基板
８  ベース
９  キャップ部
１０  レーザダイオード載置台
１４  放熱フィン
【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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