(57)【要約】【課題】同軸型半導体レーザモジュールにおいて、半導体レーザ駆動時の発熱を外部へ放熱して周囲環境温度が高温下でも安定したレーザ発振を可能とする。【解決手段】  半導体レーザ１と、半導体レーザ１を搭載する絶縁性基板２と、複数のリード線７が貫通固定された円形状の金属ステム３と、該金属ステム３に固定され上記絶縁性基板２を搭載する支持台とから構成された同軸型半導体レーザモジュールであって、  上記支持台は、半導体レーザ駆動時の熱が上記絶縁性基板を介して外部へ放熱されるヒートシンクであり、上記金属ステムに貫通して接合されていることを特徴とする同軸型半導体レーザモジュール。【選択図】図１
2005072322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、
半導体レーザを搭載する絶縁性基板と、
複数のリード線が貫通固定された円形状の金属ステムと、
該金属ステムに固定され上記絶縁性基板を搭載する支持台とから構成された同軸型半導体レーザモジュールであって、
上記支持台は、高熱伝導率を有する金属からなり、上記支持台が上記金属ステムを貫通して上記絶縁基板を搭載する側とは反対側に突出させたことを特徴とする同軸型半導体レーザモジュール。
【請求項２】
上記支持台は、平板形状とすることを特徴とする請求項１記載の同軸型半導体レーザモジュール。
【請求項３】
上記絶縁性基板を窒化アルミニウムから構成するとともに、上記支持台を銅タングステンから構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の同軸型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、光通信に利用される光トランシーバに小型で高密度に実装される同軸型半導体レーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の同軸型半導体レーザモジュールは例えば特許文献１に開示されており、その内部構造を図４で説明する。
【０００３】
図４は同軸型半導体レーザモジュールの中央横断面図である。簡単のため、モニタ用ＰＤ（フォトダイオード）や配線用ワイヤ、外部接続用リードなどは省略する。
【０００４】
同軸型半導体レーザモジュールは、半導体レーザ１、円形状の金属ステム３、金属ステム３に予め銀ろう材などにより接合した支持台１５、先端にレンズ９が取り付けられたレンズキャップ１０、レンズキャップ１０を収納し、一方側が金属ステム３に接合されるスリーブ１１、スリーブ１１の他方側に接合されるフェルールホルダ１４とから構成されている。
【０００５】
半導体レーザ１は、絶縁体で、かつ放熱性の高い窒化アルミニウム材から成る絶縁性基板２上に半田等により搭載固定されている。絶縁性基板２は支持台１５上に搭載固定されている。
【０００６】
金属ステム３は貫通孔５を有し、貫通孔５には外部から半導体レーザ１への通電用のリード線７が挿通されて絶縁用の低融点ガラス６により気密封止固定されている。リード線７及び基板上をＡｕワイヤ８により接続し、半導体レーザ１への通電が可能となる。
【０００７】
一般に金属ステム３は直径φ５．６ｍｍ、厚さ１〜１．５ｍｍ、支持台１５は長さ２ｍｍ×幅２ｍｍ×厚さ２ｍｍなどのブロック形状から成り、共に鉄材又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ材により形成されている。
【０００８】
光ファイバ１２を保持したフェルール１３は、光ファイバ１２がレンズ９の集光位置に光軸調芯されており、フェルールホルダ１４に挿入固定されている。
【特許文献１】特開平１０−９６８３９号公報参照
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図４に示す従来の同軸型半導体レーザモジュールでは、半導体レーザ１の駆動時に発生する熱は絶縁性基板２及び支持台１５を介して金属ステム３に至るが、金属ステム３の外周は円形上であるため、外部へ放熱するための平板状の放熱板（不図示）に接合する際、その当接面積は微小な面積部分であり、その面積部分のみから熱が放熱板に伝導するようになる。
【００１０】
このとき、支持台１５及び金属ステム３を形成している材料として一般的に鉄材やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ材が用いられるが、一般的な鉄材の熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・ｋ程度、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ材の熱伝導率が２１．５Ｗ／ｍ・ｋ程度といずれも絶縁性基板２を形成している窒化アルミニウム材の１６０Ｗ／ｍ・ｋに比べて１／２以下の低い熱伝導率であるため、上述のように放熱板と金属ステム３が微小な当接面であるならば半導体レーザ１から発熱する熱を効率的に放熱するのは困難で、半導体レーザ１の温度が上昇し、特に周囲環境温度が７０℃以上の高温下で安定したレーザ発振が不可能となるという課題があった。
【００１１】
本発明の目的は、上述の課題に鑑みて案出されたものであり、半導体レーザを駆動した際の発熱を効率的に外部へ放熱することができ、周囲が高温下の環境温度でも安定したレーザ発振を可能とした同軸型半導体レーザ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】
【００１２】
上記課題に鑑みて本発明は、半導体レーザと、
半導体レーザを搭載する絶縁性基板と、
複数のリード線が貫通固定された円形状の金属ステムと、
該金属ステムに固定され上記絶縁性基板を搭載する支持台とから構成された同軸型半導体レーザモジュールであって、
上記支持台は、高熱伝導率を有する金属からなり、上記支持台が上記金属ステムを貫通して上記絶縁基板を搭載する側とは反対側に突出させたことを特徴とする同軸型半導体レーザモジュールを提供する。
【００１３】
また、上記支持台は平板形状とすることを特徴とする。
【００１４】
さらに、上記絶縁性基板を窒化アルミニウムから構成するとともに、上記支持台を銅タングステンから構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の構成によれば、上記支持台は高熱伝導率を有する金属が用いられており、この支持台が金属ステムを貫通して絶縁基板を搭載する側とは反対側に突出させたことにより、その支持台の突出側の突出した長さだけ外部の放熱板や筐体と当接させることができ、これにより、半導体レーザの発熱を絶縁性基板及び支持台を介して効率よく外部へ放熱する事ができるものである。その結果、半導体レーザの温度上昇を抑制し、周囲環境温度が高温下においても安定したレーザ発振を得ることを可能とした同軸型半導体レーザモジュールを提供することができる。
【００１６】
また、支持台は平板形状を有するために、当接面積を増大させることが可能で、表面積も大きくなって放熱の効率を更に高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図によって説明する。
【００１８】
なお、従来技術と同じものについては同じ符号を用いるものとする。
【００１９】
図１は、本発明の同軸型半導体レーザモジュールの中央横断面図である。
【００２０】
本発明の同軸型半導体レーザモジュールは、半導体レーザ１と、絶縁性基板２と、リード線７が貫通固定された金属ステム３と、絶縁性基板２を搭載する支持台４とからなる。
【００２１】
また、金属ステム３には先端にレンズ９が取り付けられたレンズキャップ１０、レンズキャップ１０を収納し、一方側が金属ステム３に抵抗溶接により接合されるスリーブ１１、スリーブ１１の他方側に接合されるフェルールホルダ１４とから構成されている。
【００２２】
さらに、フェルールホルダ１４は貫通孔内に光ファイバ１２の端部が嵌入したフェルール１３を保持するように構成されている。
【００２３】
絶縁性基板２は、放熱性の高い窒化アルミニウムからなり、半導体レーザ１を搭載する上面には図示しないメタライズが施され、Ａｕワイヤ８によりリード線７と接続して半導体レーザ１への電流供給を可能としている。なお、絶縁性基板２は半田等により支持台４上に搭載固定されている。
【００２４】
支持台４は、平板形状からなり金属ステム３を貫通して絶縁性基板２を搭載する側とは反対側に突出させて金属ステム３に接合固定されている。この支持台４と金属ステム３との接合には銀ろう材などが用いられている。
【００２５】
支持台４の材質としては、絶縁性基板２を形成している窒化アルミニウムとほぼ同等の熱膨張係数及び熱伝導率を有する銅タングステン材などが好ましい。この支持台４は、半導体レーザ１の駆動時に発生する熱が絶縁性基板２を介して金属ステム３の反対側に突出した側から外部へ放熱するヒートシンクとして機能する。
【００２６】
ここで、支持台４の熱抵抗Ｒは以下の式で表される。
【００２７】
Ｒ＝ｔ／（λ・Ａ）（ｔは支持台４の厚さ、λは熱伝導率、Ａは表面積）
上式から表面積Ａを大きくとることができれば、熱抵抗Ｒを小さくすることができ放熱の効率を高め、熱抵抗Ｒを極小化させることが可能である。また、半導体レーザ１を絶縁性基板２に搭載すると、半導体レーザ１の下面である搭載面は電極面となり、その搭載面と垂直の端面が発光面となるので、光ファイバ１２の端面に直接出射できるためにも半導体レーザ１及び絶縁性基板２を水平に搭載する必要がある。従って、これらを総合して考察すると、支持台４を平板形状にすると半導体レーザ１、絶縁性基板２を水平に搭載でき、かつ、放熱の効率を高める表面積Ａを極大化できる構造となる。
【００２８】
しかも、支持台４に銅タングステン材を用いる場合の熱伝導率は、鉄材の約２倍の１６２Ｗ／ｍ・ｋであり、これを用いることにより、絶縁性基板２と支持台４との熱膨張係数の差がないために半導体レーザ１の接合部の熱応力ひずみなどで傾斜することなく直接光ファイバ１２端面に出射でき、しかも、クラックを生じることもないので高い信頼性を有するものである。しかも、支持台４に銅タングステン材を用いる場合には、鉄材からなる支持台４に比べて熱抵抗Ｒが約１／５０に低減される。
【００２９】
光ファイバ１２はフェルール１３に接着剤により固定され、フェルール１３はフェルールホルダ１４に挿通されて、レンズ９の集光位置に光ファイバ１２の光軸調芯された後、フェルール１３はフェルールホルダ１４に、フェルールホルダ１４はスリーブ１１にＹＡＧレーザ溶接固定されている。光ファイバ１２を固定するフェルール１３部は、光レセプタクルであっても良い。また、レンズ９と光ファイバ１２間に半導体レーザ１への反射戻り光を抑止する光アイソレータを設置しても良い。
【００３０】
金属ステム３の具体的構成は図２に示している。図２は、金属ステム３のリード線７、支持台４及び光ファイバ１２を配置する側とは反対側から見た斜視図である。
【００３１】
金属ステム３は円形状に形成されており、貫通孔５が設けられ、貫通孔５のほぼ中心にリード線７が挿入されて低融点ガラス６により気密封止固定されている。
【００３２】
また、使用される金属ステム３の外径はφ５．６ｍｍ×幅１．５ｍｍであり、貫通固定された支持台４の大きさは、長さ６ｍｍ×幅２ｍｍ×厚さ２ｍｍの平板形状で、長さ６ｍｍのうち２．５ｍｍが半導体レーザモジュールの外部に突出されている。
【００３３】
また、突出した支持台４の下面を図示しない金属から成る外部筐体や放熱板へ接続するようになっている。
【００３４】
このようにして本発明の同軸型半導体レーザモジュールは、金属ステム３に支持台４を貫通固定して、半導体レーザ１駆動時の発熱を絶縁性基板２及び支持台４を介して外部へ放熱する事ができ、半導体レーザ１の温度上昇を抑制し、周囲環境温度が高温下においても安定したレーザ発振を得ることが可能となる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明実施例として図１及び図２に示す同軸型半導体レーザモジュールを作製した。
【００３６】
図１において、鉄材から成る円形の金属ステム３に銅タングステン材から成る板状の支持台４を銀ろう材により貫通固定した。上記支持台４を避けるように貫通孔５を設け、貫通孔５のほぼ中心にリード線７を挿通して低融点ガラス６により気密封止固定した。
【００３７】
半導体レーザ１は窒化アルミニウム材から成る絶縁性基板２上にＡｕ／Ｓｎ半田により搭載固定し、絶縁性基板２は支持台４上に同じくＡｕ／Ｓｎ半田により搭載固定した。半導体レーザ１への電流供給用にリード線７と絶縁性基板２上をＡｕワイヤ８により接続した。
【００３８】
半導体レーザ１の出射光を集光するレンズ９は予め低融点ガラスによりステンレス材から成るレンズキャップ１０に固定されており、レンズキャップ１０は、金属ステム３に抵抗溶接固定した。レンズキャップ１０の外側にはステンレス材から成るスリーブ１１を金属ステム３に抵抗溶接固定した。
【００３９】
光ファイバ１２はステンレス材から成るフェルール１３に接着固定されており、レンズ９の集光位置に光軸調芯した後、フェルールホルダ１４と共にスリーブ１１にＹＡＧレーザ溶接固定した。
【００４０】
図２において、鉄材材から成る金属ステム３の外径はφ５．６ｍｍ×幅１．５ｍｍであり、貫通固定された支持台４の大きさは、長さ６ｍｍ×幅２ｍｍ×厚さ２ｍｍで長さ６ｍｍのうち２．５ｍｍが半導体レーザモジュールの外部に突出している。支持台４の突出部は、金属製の外部筐体に当接して構成した。
【００４１】
次に従来の同軸型半導体レーザモジュールを作製した。図４と同様に支持台４が突出させない構造とする以外は本実施例と同様の構成とした。
【００４２】
図３に従来の同軸型半導体レーザモジュールと本実施例による同軸型半導体レーザモジュールの周囲環境温度が７０℃の時の光ファイバ出力特性を比較して示す。
【００４３】
従来の同軸型半導体レーザモジュールでは、周囲環境温度が７０℃の際、半導体レーザ１の温度が８０℃まで上昇してしまい、発振しきい値電流が増加すると共に、光ファイバ出力も１ｍＷ程度で飽和状態であったが、本実施例による場合は、半導体レーザ１の温度が７５℃に抑えられ、光ファイバ出力が２ｍＷ以上の安定した発振状態が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の同軸型半導体レーザモジュールを示す横断面図である。
【図２】本発明の同軸型半導体レーザモジュールにおける金属ステムの斜視図である。
【図３】従来の同軸型半導体レーザモジュールと本発明実施例の同軸型半導体レーザモジュールの光ファイバ出力特性図である。
【図４】従来の同軸型半導体レーザモジュールを示す横断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…半導体レーザ
２…絶縁性基板
３…金属ステム
４…ヒートシンク
５…貫通孔
６…低融点ガラス
７…リード線
８…Ａｕワイヤ
９…レンズ
１０…レンズキャップ
１１…スリーブ
１２…光ファイバ
１３…フェルール
１４…フェルールホルダ
【図１】
2005072322.tif 000003
【図２】
2005072322.tif 000004
【図３】
2005072322.tif 000005
【図４】
2005072322.tif 000006