JP3540237B2 - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザモジュールに関し、特に、該半導体レーザモジュールに搭載した半導体レーザの精密な温度制御を可能とする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】
光通信市場では、インターネット等の急増に伴う通信回線容量の急激な増大要求に対して、従来の光通信装置における時分割伝送（ＴＤＭ：Time Division Multiplex ）方式では対応できなくなってきたため、波長分割伝送（Ｄ−ＷＤＭ：Dense-Wavelength Division Multiplex ）方式を採用して１本の光ファイバあたりの通信回線容量を大幅に増大させてきている。このＤ−ＷＤＭ方式では、異なる信号をそれぞれの波長の送信光源で送信しており、ＩＴＵ−Ｔ（International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector）により送信光源の波長とその間隔が定められている。Ｄ−ＷＤＭシステムの立ち上げ当初は１６波長の波長多重で通信容量を確保してきたが、最近では６４波長、８０波長、９６波長、１２８波長とますます波長の多重度をあげてかつそれぞれの波長間隔を小さくして通信容量の増大を図っている。また、Ｄ−ＷＤＭ方式の普及に同期して光ファイバ増幅器を用いて、伝送距離を飛躍的に向上させた光通信システムが主流になりつつある。
【０００３】
このような状況の中で、従来の光通信システムと比較してＤ−ＷＤＭ送信方式では送信光源や光ファイバ増幅器の励起光源に要求される特性・安定性がより厳しくなってきている。具体的には、従来の送信光源においては発振波長の安定性が問われることが少なかったが、波長多重度が増加して波長間隔が狭くなっているＤ−ＷＤＭシステムでは、重要なパラメータの１つとなっている。光ファイバ増幅器の励起光源においても、伝送距離を更に増大させるために１つの光源あたりの光出力向上が強く望まれてきており、発熱源となる半導体レーザの放熱をいかに確保するかが重要となってきている。すなわち、半導体レーザの温度制御手法が送信光源の発振波長の安定性を左右し、あるいは励起光源の動作温度を下げる効果となって、Ｄ−ＷＤＭシステムに要求される半導体レーザモジュールにとってキーポイントとなってきている。
【０００４】
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ半導体レーザモジュールの構成を説明するための、金属ケースの上蓋を取り外した状態を示す平面図と断面図である。
図１に示すように、従来の半導体モジュールは、金属ケース１０１内に、温度制御用のペルチエ素子１０３が取り付けられ、ペルチエ素子１０３上に金属ベース１０５が固着され、その上には、フォトダイオード１０６、サーミスタ基板１１４、ヒートシンク１１３および第１レンズ１０７が固着されている。そして、サーミスタ基板１１４とヒートシンク１１３上にはそれぞれサーミスタ１０４と半導体レーザ１０２がソルダ等に用いて固着されている。また、サーミスタ基板１１４とヒートシンク１１３もソルダ等により金属ベース１０５に固着されている。金属ケース１０１の側面には第１レンズ１０７と光ファイバ１０９に光結合された第２レンズ１０８が取り付けられている。
また、金属ケース１０１の側面部には、半導体レーザモジュールの外部装置（図示しない）との電力、信号の授受のための外部リード１１０が取り付けられる。モジュール内には、ペルチエ素子１０３への電力の供給を行うための電力ライン１１２と各部を接続するワイヤ１１１が設けられる。
【０００５】
半導体レーザ１０２より出射された光は、第１レンズ１０７、第２レンズ１０８を介して光ファイバ１０９に入射される。半導体レーザ１０２の出力はその後方においてフォトダイオード１０６によりモニタされ、半導体レーザの出力が常に所定のレベルに留まるようにフィードバックがかけられている。
【０００６】
従来の半導体レーザモジュールは、半導体レーザ１０２の動作温度の安定化のために、金属ケースより流入する熱量（輻射熱とワイヤ１１１、電力ライン１１２を介した伝導熱）等により変化する温度をサーミスタ１０４にて検出して、サーミスタの温度が常に一定（通常は２５℃）となるようにペルチエ素子１０３を動作させるという方法を用いている。サーミスタ１０４は周囲の温度に対応した抵抗値を示し、その抵抗値によって温度が検出される。そして検出された温度によって駆動回路（図示しない）でペルチエ素子に供給する電流の大きさ、方向が決定され、外部リード１１０、電力ライン１１２を介して供給される。これにより、ペルチエ素子は供給される電流の向きによって冷却または過熱の両方の制御が可能であるため、半導体レーザモジュール内の半導体レーザを一定温度に制御することが可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の半導体レーザの温度制御では下記のような問題が生じる。
半導体レーザが搭載されるヒートシンクの厚さをｔ、面積をＳ、熱伝導率をｋとし、サーミスタが搭載されるサーミスタ基板の厚さをｔ′、面積をＳ′、熱伝導率をｋ′として金属ケース１０１の温度変動に伴って半導体レーザおよびサーミスタに流入する熱をＷ、Ｗ′、半導体レーザの動作に伴う発熱量をｗ、金属ベース１０５の温度をＴＬ、半導体レーザ、サーミスタの温度をそれぞれＴｈ、Ｔｈ′とすると、熱平衡状態においては次式（１）、（２）が成立する。
ｋ ・Ｓ （Ｔｈ −ＴＬ）／ｔ ＝Ｗ＋ｗ ・・・（１）
ｋ′・Ｓ′（Ｔｈ′−ＴＬ）／ｔ′＝Ｗ′ ・・・（２）
ここで、ＷとＷ′とは比例関係にあるので、（２）式はａを比例定数として次のように表すことができる。
ｋ′・Ｓ′（Ｔｈ′−ＴＬ）／ｔ′＝ａＷ ・・・（３）
【０００８】
上述したように、従来の半導体レーザモジュールにおいては、半導体レーザの動作温度の制御方法として、単にサーミスタの抵抗値を検出し、その抵抗値が２５℃相当となるようにペルチエ素子を動作させている。したがって、上式の（１）、（３）に記載されているサーミスタ−金属ベース間と半導体レーザ−金属ベース間の熱抵抗に差が生じる場合には、たとえサーミスタの抵抗値（すなわち温度）を２５℃に制御しても半導体レーザの動作温度は２５℃とは異なってしまう。例えばヒートシンクとして大きさ８００μｍ×１０００μｍ、厚さ２２０μｍのＡｌＮ（熱伝導率１４０Ｗ／ｍＫ）を使用し、サーミスタ基板として１０００μｍ×１４００μｍ、厚さ２５０μｍのアルミナ（熱伝導率１７Ｗ／ｍＫ）を用いた場合を想定すると、上式のｋ・Ｓ／ｔ（サーミスタ基板の場合はｋ′・Ｓ′／ｔ′）の項はＡｌＮのヒートシンクの方がアルミナに比較して約５．３倍熱伝導が良いことが分かる。
【０００９】
実際に半導体レーザを低出力領域（ｗ＝０と仮定の場合に相当）で動作させ、ケース温度Ｔｃを７０℃、サーミスタ温度（Ｔｈ′）が２５℃となるように温度制御を行った場合には、半導体レーザの発振波長は約０．０５ｎｍ短く観測されており、用いた分布帰還型半導体レーザの温度に対する発振波長変動は約０．１ｎｍ／℃程度であることから半導体レーザは約２４．５℃に制御されていることがわかる。Ｄ−ＷＤＭシステムに一般的に要求されるケース温度の変動幅は０〜７０℃程度であり、このケース温度変動に対する半導体レーザの発振波長変動は１ｐｍ／℃程度が見込まれているので、０〜７０℃の全温度範囲を考えれば０．０７ｎｍの波長変動が起こる。最近の９６波長のＤ−ＷＤＭシステムにおける波長間隔は０．４ｎｍとなっているため、経時的な半導体レーザの波長変動をも考慮すれば、ケース温度変動に起因する発振波長の変動は決して小さな変動ではない。
【００１０】
以上のように、従来の半導体レーザモジュールの温度制御手法としてはサーミスタ自身の温度を検出し、サーミスタ自身の温度を制御するものであって、ペルチエ素子の上面からサーミスタまでの熱抵抗とペルチエ素子の上面と半導体レーザまでの熱抵抗の差が考慮されていないので、ケース温度の変動に伴って半導体レーザの温度に変動が生じ、発振波長の変動や半導体レーザの不安定動作を招き易いという問題を有していた。
本発明の目的は、上記問題を鑑みなされたものであって、半導体レーザの負荷を考慮にいれてかかる半導体レーザモジュールのサーミスタ−ペルチエ素子と半導体レーザ−ペルチエ素子間の熱抵抗を調整することで、ケース温度の変動に伴う半導体レーザの動作温度の変動を抑制して、安定動作が可能な半導体レーザモジュールを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザモジュールは、ケース内に配置された温度制御素子と、前記温度制御素子上に配置された金属ベースと、前記金属ベース上に搭載されたヒートシンクと、前記ヒートシンク上に搭載された半導体レーザと、前記金属ベース上に搭載されたサーミスタ基板と、前記サーミスタ基板上に搭載された温度検出素子とを備えた半導体レーザモジュールにおいて、前記サーミスタ基板は各々熱抵抗が異なる複数のサーミスタ基板であり、動作条件に合わせてその中の一つのサーミスタ基板を選択してその上に前記温度検出素子が搭載されていることを特徴としている。
また、もう一つの本発明の半導体レーザは、ケース内に配置された温度制御素子と、前記温度制御素子上に配置された金属ベースと、前記金属ベース上に搭載されたヒートシンクと、前記ヒートシンク上に搭載された半導体レーザと、前記金属ベース上に搭載された台座と、前記台座上に搭載されたサーミスタ基板と、前記サーミスタ基板上に搭載された温度検出素子とを備えた半導体レーザモジュールにおいて、前記台座は各々熱抵抗が異なる複数の台座であり、動作条件に合わせてその中の一つの台座を選択してその上に前記サーミスタ基板が搭載されていることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について実施例に即して図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例を説明するための半導体レーザモジュールの平面図と断面図である。本実施例の半導体レーザモジュールの基本的な構成は従来例とのそれと同様であるので、重複する説明は省略する。
本発明の第１の実施例における半導体レーザモジュールにおいて、半導体レーザが搭載されるヒートシンクの厚さをｔ、面積をＳ、熱伝導率をｋとし、サーミスタが搭載されるサーミスタ基板の厚さをｔ′、面積をＳ′、熱伝導率をｋ′として、金属ケース１０１より半導体レーザおよびサーミスタに流入する熱量をそれぞれＷ、ａＷ、半導体レーザの動作に伴う発熱量をｗ、金属ベース１０５の温度をＴＬ、半導体レーザ、サーミスタの温度をそれぞれＴｈ、Ｔｈ′とすると熱平衡状態においては次式が成立する。
ｋ ・Ｓ （Ｔｈ −ＴＬ）／ｔ ＝Ｗ＋ｗ ・・・（１）
ｋ′・Ｓ′（Ｔｈ′−ＴＬ）／ｔ′＝ａＷ ・・・（３）
【００１３】
これらのパラメータの内、半導体レーザを搭載するヒートシンクは、熱伝導率が良く熱膨張率が半導体レーザと近いことが望まれるため材料としての制限が有るが、面積、厚さについては設計上の余裕が有り、調整することが可能である。また、サーミスタ基板についてもサーミスタの熱膨張率による制限は考えられるが、材料、面積、厚さについては設計余裕が比較的大きい。
具体的に半導体レーザの発熱量ｗ（消費電力量）が小さく半導体レーザあるいはサーミスタに流入する熱量に比較してほぼ無視できる動作条件（ｗ〜０）においては、上記（１）、（３）式をｗ＝０として下記のように変形することができる。
ａ｛ｋ・Ｓ（Ｔｈ−ＴＬ）／ｔ｝＝ｋ′・Ｓ′（Ｔｈ′−ＴＬ）／ｔ'・・・（４）
【００１４】
ここで、温度と発振波長、抵抗値が既知のサンプルの半導体レーザとサーミスタとを用い、金属ケースの温度を変化させてＴｈとＴｈ′とを測定することにより、同一種の半導体レーザとサーミスタとを組み合わせた際のａの値を実験的に求めることができる。したがって、このａを用いて、金属ケースより半導体レーザ、サーミスタに流入する熱量Ｗ、Ｗ′に依存することなくＴｈ＝Ｔｈ′つまりａ・ｋ・Ｓ／ｔ＝ｋ′・Ｓ′／ｔ′となるようなヒートシンク、サーミスタ基板の熱伝導率（ｋ、ｋ′）、面積（Ｓ、Ｓ′）、厚さ（ｔ、ｔ′）を選択することが可能である。実際に、従来の例ではヒートシンク材料としてＡｌＮ（熱伝導率１４０Ｗ／ｍＫ）、サーミスタ基板材料としてアルミナ（熱伝導率１７Ｗ／ｍＫ）を用いており、熱伝導としてはヒートシンクの方が８．２倍程度良好となるが、面積、厚さを調整することにより、半導体レーザ−金属ベース間の熱抵抗をサーミスタ−金属ベース間の熱抵抗のａ倍とすることが可能であり、半導体レーザモジュールのケース温度の全変動範囲内において半導体レーザの動作温度を一定に保つことが可能になる。
【００１５】
［第２の実施例］
一方、金属ケースの温度変動によって半導体レーザ、サーミスタに流入する熱量Ｗに対して半導体レーザの発熱量ｗ（消費電力量）が無視できない場合においては、上記（１）、（３）式を変形して、
ｋ・Ｓ（Ｔｈ−ＴＬ）ｔ′／ｋ′・Ｓ′（Ｔｈ′−ＴＬ）ｔ＝（Ｗ＋ｗ）／ａＷ・・・（５）
となることから、半導体レーザ温度（Ｔｈ）とサーミスタ温度（Ｔｈ′）は一意的には決定することが出来ない。すなわち（５）式の右辺は金属ケースの温度変動によって流入するＷと半導体レーザの発熱量ｗの比に依存するため、半導体レーザモジュールの全動作温度範囲にわたって半導体レーザ温度（Ｔｈ）とサーミスタ温度（Ｔｈ′）が同一となるようなｋ、Ｓ、ｔを選択することは不可能となる。
【００１６】
しかしながら、ａの値は第１の実施例の場合と同様に実験的に求めることができ、また、半導体レーザに供給される電力（ｗ）はアプリケーションによってほぼ決められるのでｗを一定（例えば定格電流値）とし、半導体レーザモジュールを全動作温度範囲の最高温度である最高動作温度（Ｔｃｍａｘ）で動作させる場合には、半導体レーザ温度（Ｔｈ）とサーミスタ温度（Ｔｈ′）を同一にするようなｋ、Ｓ、ｔとｋ′、Ｓ′、ｔ′の組み合わせを選択することは可能である。すなわち、（５）式の右辺のＷをＴｃｍａｘでの熱量と特定すれば、等式を成り立たせるためのｋ、Ｓ、ｔとｋ′、Ｓ′、ｔ′の組み合わせが求まる。この場合に、全動作温度範囲内においてＴｈ≦Ｔｈ′すなわち常に半導体レーザはサーミスタ温度よりも低い温度（≦２５℃）で動作する傾向が認められ、全動作温度範囲内において安定した動作を確保することが可能になる。
【００１７】
［第３の実施例］
先の第２の実施例は、ｗ≠０の場合において、半導体レーザモジュールの最高動作温度（Ｔｃｍａｘ）で半導体レーザ温度（Ｔｈ）とサーミスタ温度（Ｔｈ′）を同一とするｋ、Ｓ、ｔとｋ′、Ｓ′、ｔ′の組み合わせを求めるものであったが、半導体レーザの発熱が比較的小さい場合には、半導体レーザ温度（Ｔｈ）とサーミスタ温度（Ｔｈ′）の調整を最高動作温度の条件下に限定する必要はなく、例えば全動作温度範囲でサーミスタ温度（Ｔｈ′）と半導体レーザ温度（Ｔｈ）の差のＴｈ′−Ｔｈが最小となるように、熱伝導率（ｋ、ｋ′）、面積（Ｓ、Ｓ′）、厚さ（ｔ、ｔ′）を調整することもできる。
【００１８】
すなわち、本実施例においては、温度の発振波長との関係が既知の半導体レーザと温度と抵抗値の関係が既知のサーミスタとを用いて、全動作温度範囲内で動作させ、サーミスタ温度（Ｔｈ′）と半導体レーザ温度（Ｔｈ）の差の絶対値：｜Ｔｈ′−Ｔｈ｜の積算値（積分値）が最小となるように、ヒートシンクとサーミスタ基板の熱伝導率（ｋ、ｋ′）、面積（Ｓ、Ｓ′）、厚さ（ｔ、ｔ′）を求め、この組み合わせを採用する。
本実施例によれば、半導体レーザは動作電流の上限を超えることなく安定したレーザ出力を得られる。
【００１９】
［第４の実施例］
図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の第４の実施例の半導体レーザモジュールの構成を示す、上蓋を除去した状態の平面図と概略断面図である。図２において、図１の部分と同等の部分には下２桁が共通する参照番号が付せられているので、重複する説明は省略する。本実施例においては、金属ベース２０５上に互いに熱抵抗の異なる台座２１５Ａ、２１５Ｂが設けられており、一方の台座２１５Ｂ上にサーミスタ基板２１４とサーミスタ２０４とが積層されて取り付けられている。このように第４の実施例では、サーミスタ基板が選択された適当な台座上に固着されている点が他の実施例と異なっている。
【００２０】
図３（ａ）、（ｂ）は、図２（ａ）、（ｂ）の部分的拡大図である。図３に示すように、第４の実施例では、台座２１５Ａは、台座２１５Ｂと並んで金属ベース２０５上に取り付けられているが、その上には何も取り付けられていない。すなわち、実際に使用されているのは台座２１５Ｂのみである。図示した例では台座は２個設けられているが、互いに熱抵抗の異なる３個以上の台座を設け、その内の１個を選択してその上にサーミスタ基板とサーミスタを設けるようにしてもよい。ここで、材料、面積、厚さがそれぞれ異なる台座を複数個設け、それぞれの熱伝導率をｋｉ、面積をＳｉ、厚さをｔｉ（ｉ＝１、２、３…）とし、ｋｉ、Ｓｉ、ｔｉの台座を使用するものとすると熱平衡状態時の式（３）は、
（Ｔｈ′−ＴＬ）／（ｔｉ／ｋｉ・Ｓｉ＋ｔ′／ｋ′・Ｓ′）＝ａＷ・・・（３′）
と変形することが出来る。したがって台座を持った金属ベース、サーミスタ基板、ヒートシンク等の共通の部材を用いて半導体レーザモジュールを構成し、特定の動作温度（Ｔｃ）で半導体レーザ温度（Ｔｈ）とサーミスタ温度（Ｔｈ′）が同一となるように、半導体レーザの発熱量ｗを考慮して選択した台座にサーミスタ基板を搭載することで、半導体レーザモジュールを全動作温度範囲内で安定動作させることが可能となる。
【００２１】
以上好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において適宜の変更が可能なものである。例えば、第４の実施例においては半導体レーザ温度とサーミスタ温度を同一にするための手段としてサーミスタ基板に加えて複数の台座を設けることを説明したが、サーミスタ−金属ベース間の熱抵抗を調整する選択肢の一つとして特定の台座を用いずにサーミスタ基板そのものを用いてその面積、厚さを調整することも可能である。また、台座を複数用いる場合、必ずしもそれぞれの台座の材料、面積、厚さをすべて異ならせる必要はなく、例えば厚さのみを異ならせてもよい。また、第１〜第３の実施例と第４の実施例とを組み合わせてもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による半導体レーザモジュールは、金属ベースからサーミスタまでの熱抵抗と金属ベースから半導体レーザまでの熱抵抗とを調整して半導体レーザをほぼサーミスタ温度にて動作させるようにしたものであるので、半導体レーザの発振波長を常に安定した値に保持することが可能になる。従って、本発明の半導体レーザモジュールを採用することにより、波長間隔の狭いＤ−ＷＤＭ方式の光通信システムを安定して運用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例および本発明の第１〜第３の実施例を説明するための半導体レーザモジュールの平面図と断面図。
【図２】本発明第４の実施例を示す半導体レーザモジュールの平面図と断面図。
【図３】図２の部分的拡大図。
【符号の説明】
１０１、２０１ 金属ケース
１０２、２０２ 半導体レーザ
１０３、２０３ ペルチエ素子
１０４、２０４ サーミスタ
１０５、２０５ 金属ベース
１０６、２０６ フォトダイオード
１０７、２０７ 第１レンズ
１０８、２０８ 第２レンズ
１０９、２０９ 光ファイバ
１１０、２１０ 外部リード
１１１、２１１ ワイヤ
１１２、２１２ 電力ライン
１１３、２１３ ヒートシンク
１１４、２１４ サーミスタ基板
２１５Ａ、２１５Ｂ 台座

Claims (6)

1. ケース内に配置された温度制御素子と、前記温度制御素子上に配置された金属ベースと、前記金属ベース上に搭載されたヒートシンクと、前記ヒートシンク上に搭載された半導体レーザと、前記金属ベース上に搭載されたサーミスタ基板と、前記サーミスタ基板上に搭載された温度検出素子とを備えた半導体レーザモジュールにおいて、前記サーミスタ基板は各々熱抵抗が異なる複数のサーミスタ基板であり、動作条件に合わせてその中の一つのサーミスタ基板を選択してその上に前記温度検出素子が搭載されていることを特徴とする半導体レーザモジュール。
2. ケース内に配置された温度制御素子と、前記温度制御素子上に配置された金属ベースと、前記金属ベース上に搭載されたヒートシンクと、前記ヒートシンク上に搭載された半導体レーザと、前記金属ベース上に搭載された台座と、前記台座上に搭載されたサーミスタ基板と、前記サーミスタ基板上に搭載された温度検出素子とを備えた半導体レーザモジュールにおいて、前記台座は各々熱抵抗が異なる複数の台座であり、動作条件に合わせてその中の一つの台座を選択してその上に前記サーミスタ基板が搭載されていることを特徴とする半導体レーザモジュール。
3. 前記ケースより前記半導体レーザと前記温度検出素子とに流入する熱量の比が、前記半導体レーザから前記金属ベースまでの熱抵抗と前記温度検出素子から前記金属ベースまでの熱抵抗との比の逆数にほぼ等しい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。
4. 半導体レーザモジュールの動作最高温度を選択して、そのときに前記半導体レーザと前記温度検出素子との温度がほぼ一致するようになされた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。
5. 半導体レーザモジュールを規定された動作温度範囲内にて動作させたときの前記半導体レーザと前記温度検出素子との温度差の絶対値の積算値が最低となるようにな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。
6. 前記半導体レーザに定格の電流を供給する条件の下で上記の条件が満たされていることを特徴とする請求項４または５記載の半導体レーザモジュール。

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