JP4914766B2 - 同軸型半導体レーザモジュール - Google Patents

Description

本発明は、パッケージを内部に備えた同軸型半導体レーザモジュールに関する。

半導体レーザモジュールには、半導体レーザの温度調整素子を有さない同軸型半導体レーザモジュールとして、内部に半導体レーザを有するＣＡＮパッケージ、レンズ、光ファイバ等を備えたものが知られている。

（第１の従来技術）
図５に、同軸型半導体レーザモジュールの一例の断面正面図を示す。同軸型半導体レーザモジュール１０１は、被対象物に取り付けるための取り付け穴１０３を有する板状の底板１０２の上部に、サブマウント（不図示）上に配置された半導体レーザ３およびフォトダイオード（不図示）、それらを覆うキャップ５、キャップ５内に配置されたレンズ６等から構成されるＣＡＮパッケージ９が配置されている。そして、ＣＡＮパッケージ９から出射された光が入射する光ファイバ１０、ＣＡＮパッケージ９のキャップ５と光ファイバ１０とを結ぶホルダ１１、ホルダ１１に光ファイバ１０のフェルール１０ａを固定するスリーブ１２がそれぞれ溶接にて連結固定されている。そして、これらを覆ってカバー１３が底板１０２と溶接にて連結固定されている。

このような構成の同軸型半導体レーザモジュール１０１の組立て手順は、次の通りである。まずＣＡＮパッケージ９のキャップ５、ホルダ１１、スリーブ１２、光ファイバ１０のフェルール１０ａを光軸調整および出力調整を行いつつ溶接にて固定し、次いでＣＡＮパッケージ９のステム８と底板１０２とを複数箇所の点溶接にて固定する。そして最後にカバー１３を底板１０２に溶接で固定する。なお、ステム横面８ｂと底板１０２との間には、組立て性の確保のために間隙１０４が設けられている。

底板１０２、ＣＡＮパッケージ９のキャップ５、ホルダ１１、スリーブ１２、光ファイバ１０のフェルール、およびカバー１３は溶接で連結するため、それぞれの材質は主にステンレスで構成されている。なお、この実施形態においてはステムを鉄材料（ＳＰＣ）とし、それ以外をステンレスで構成している。

このような組立手順において、ＣＡＮパッケージ９のステム８と底板１０２とを点溶接で固定するため、組立てに時間を要していた。

さらに、この第１の従来技術の同軸型半導体レーザモジュール１０１は放熱性の問題も有していた。通常、ＴＥＣ等の温度調整素子を有しない同軸型半導体レーザモジュールにおいては、ＣＡＮパッケージ内の半導体レーザから発生する熱を効率的にモジュール外に放熱する必要がある。

この第１の従来技術の同軸型半導体レーザモジュール１０１においては、底板１０２がＣＡＮパッケージ９のステム下面８ａに接しており、主にこの底板１０２から放熱を行うことになる。半導体レーザ３から発生した熱はサブマウントを介してステム８に伝わり、ステム下面８ａと接している底板１０２を介して、底板１０２が取り付けられる被対象物に放熱される。この放熱を効率よく行うことができれば、放熱性の向上に結びつく。

しかしながらこの実施形態においては、底板１０２は熱伝導率が低いステンレスで構成されているので材料面で熱伝導率が悪く、さらにステムと底板との固定が点溶接であり、両者の接触が完全な面接触とはなっていないため構造面でも熱伝導率が悪く、結果、効率的に放熱することができなかった。

（第２の従来技術）
上記した放熱性の問題を改善した同軸型半導体レーザモジュールが特許文献１に提案されている。これを図６に示す断面正面図に基づいて説明する。

同軸型半導体レーザモジュール１１１は、ＣＡＮパッケージ１１３、ＣＡＮパッケージ１１３から出射された光が入射する光ファイバ１２２、ＣＡＮパッケージ１１３のキャップ１１５と光ファイバ１２２とを結ぶ、内部にレンズ１２０が内蔵されたレンズホルダ１１９、レンズホルダ１１９に光ファイバ１２２を固定するスリーブ１２１がそれぞれ連結固定されている。ここまでの基本構成は、レンズの配置位置を除いて第１の従来技術と同一である。

第１と第２の従来技術とでは、カバーの構成が異なっている。この第２の従来技術では、カバー１２３を第１カバー１２４および第２カバー１２５で構成し、そして第１カバー１２４の光ファイバ側の端をブーツ１２６で覆っている。材質は第１カバー１２４をステンレスとし、第２カバー１２５をステンレス又は銅合金やアルミニウム合金等の熱伝導率が高い材料としている。なお、ブーツはゴムで構成している。

第２カバー１２５はＣＡＮパッケージ１１３のステム下面１１４ａとステム外周面１１４ｂとで接している。そして第２カバー１２５は、その下面で底板１１２に接している。

この構成により、図６中の矢印に示すように、ＣＡＮパッケージ１１３内の半導体レーザ１１７から発生した熱をステム下面１１４ａとステム外周面１１４ｂとを経由して底板１１２に伝達することで、半導体レーザ１１７から発生した熱を放熱することができるというものである。
特開２００４−１６５３０４号公報（図１参照）

しかしながら、現実には、この第２の従来技術の同軸型半導体レーザモジュール１１１では、図６中の矢印のように放熱を行うことはできないと推察される。

特許文献１においては、上述したように「ＣＡＮパッケージ１１３内の半導体レーザ１１７から発生した熱をステム下面１１４ａとステム外周面１１４ｂとを経由して底板１１２に伝達し、そして底板１１２から放熱される」と記載されている。

しかしながら、通常、ステムや底板のような半導体レーザモジュールの組立部品は、モジュールとしての組立て性を確保するために、部品間にある程度の間隙を持たせている。特許文献１の構造においても、ステム１１４と第２カバー１２５とは図６のように完全に密着しておらず、実際にはステム外周部１１４ｂと第２カバーの内周部１２５ａとの間に間隙を有していると思われる（尚、図６に示した図面自体は特許文献１の図１を変更無く引用している）。

間隙を有しているとすれば、ステム１１４と第２カバー１２５とはステム下面１１４ａでしか接していないこととなり、結局放熱はステム下面１１４ａからしか行われず、効率的な放熱を実現できておらず、また、機械的衝撃や振動等に対して構造的に弱いと推察される。

さらに、ＣＡＮパッケージ１１３のステム１１４と第２カバー１２５との固定方法についても問題がある。両者の固定方法については、特許文献１中では述べられていない。一般的手法である溶接による固定と考えた場合、上述したようにステム１１４が鉄合金、第２カバー１２５がアルミであるため、溶接性が悪く、組み立てに時間を要すると考えられる。

請求項１に記載の同軸型半導体レーザモジュールにおいては、ステム上に半導体発光素子が配置されたパッケージと、内部に前記パッケージが配置され、被対象物へ取り付けるための取付け穴（２２）を有するベース部と、前記パッケージから出射された光が入射する光ファイバと、前記パッケージから出射された光を前記光ファイバに結合させるレンズと、少なくとも前記レンズと前記光ファイバとを覆うカバーとを有する同軸型半導体レーザモジュールであって、前記ベース部は、上部が小径部、下部が大径部となる縦断面形状が変化している貫通穴（２４、３７）を有し、前記パッケージは、前記ステムが前記大径部内に位置しているとともに、当該ステムの上面（８ｃ）が前記縦断面形状が変化する境界部（２４ｄ、３７ｃ）に熱伝導可能に接触しており、また、前記ステムを前記ベース部に対して固定するための固定手段（２７、３８、４７）を有し、当該固定手段は、前記ステムの下面（８ａ）を該固定手段を介して前記ベース部に対して熱伝導可能に連結させており、さらに、前記ベース部は所定厚さを有し、当該所定厚さは前記ステムの径部の厚さと前記固定手段の厚さの和よりも厚く形成され、当該厚く形成されることにより前記ベース部の下部側の端面が前記被対象物への取付け面を成すようになっており、前記パッケージで発生した熱を前記ステムの上面および下面から前記ベース部を介して前記被対象物に放熱することを特徴としている。

請求項２に記載の同軸型半導体レーザモジュールにおいては、請求項１に記載の同軸型半導体レーザモジュールにおいて、前記固定手段が、その外周にネジ部（２８）が形成された円筒部材からなり、前記ベース部の前記貫通穴の前記大径部内に形成されたメスネジ部（２３）とネジ結合されることを特徴としている。

請求項３に記載の同軸型半導体レーザモジュールにおいては、請求項１または２のいずれか１項に記載の同軸型半導体レーザモジュールにおいて、前記ベース部と前記固定手段の少なくとも一方の材質が、アルミニウム合金または銅合金からなることを特徴としている。

請求項４に記載の同軸型半導体レーザモジュールにおいては、請求項１から３のいずれか１項に記載の同軸型半導体レーザモジュールにおいて、前記ステムの横面と前記ベース部との間に放熱グリス（２６）が充填されていることを特徴としている。

本発明の同軸型半導体レーザモジュールは、当該モジュールを被対象物に取り付けるためのベース部を有し、そのベース部にＣＡＮパッケージがステムの上面にて接し、さらにステムの下面にて固定手段を介してベース部に接している。そして、ＣＡＮパッケージは固定手段によりベース部に固定されている。これにより、ＣＡＮパッケージ内の半導体レーザから発生した熱を、ステムの上面および下面からベース部を介して被対象物に放熱することができ、効果的な放熱を実現することができる。そして、ベース部および固定手段の材質をより放熱性の高い材質であるアルミニウム合金または銅合金で構成すれば、より放熱効果を高めることができる。

さらに、ＣＡＮパッケージをベース部に固定手段を用いて容易に固定させることができ、組み立て性を向上させることもできる。

（第１実施形態）
図１に、本願発明の同軸型半導体レーザモジュールの第１実施形態を示す。図１（ａ）に同軸型半導体レーザモジュール１の断面正面図、図１（ｂ）に底面図を示す。なお、従来技術の項で説明した部品と同一の部品には同一番号を付し、その説明は省略する。

ＣＡＮパッケージ９、ホルダ１１、スリーブ１２、光ファイバ１０までの構造は、第１の従来技術と同一である。第１の従来技術とこの第１の実施形態とは、底板（ベース部）の形状およびＣＡＮパッケージの固定方法が異なっている。

底板（ベース部）２１は放熱性の高い材質であるアルミニウム合金または銅合金で構成されている。所定の厚みを有しており、その両側部には同軸型半導体レーザモジュール１を被対象物に取り付けるための取り付け穴２２を有している。具体的には、同軸型半導体レーザモジュールは放熱グリスを介して金属ブロック等の放熱板（被対象物）に取付けられ、そしてこの放熱板が例えば測定装置の内部部品であるプリント基板に固定される（不図示）。このように、同軸型半導体レーザモジュールは放熱部材（被対象物）に固定される。

また底板２１は、底面２１ａ側から上面２１ｂ側に向かって段階的に径が狭まる貫通穴２４を有している。底面２１ａ側から大径部である第１の丸穴２４ａと第２の丸穴２４ｂ、小径部である第３の丸穴２４ｃでなり、第１の丸穴２４ａにはメスネジ２３が形成されている。第２の丸穴２４ｂと第３の丸穴２４ｃとの間では径が狭まっており、その縦断面形状が変化する部分に境界部２４ｄが形成されている。

この貫通穴２４の内部にＣＡＮパッケージ９が配置されている。ＣＡＮパッケージ９のステム８の上面８ｃが第２の丸穴２４ｂと第３の丸穴２４ｃとの境界の境界部２４ｄに接している。ステム横面８ｂと第２の丸穴２４ｂとは組立性を考慮し、所定の間隙２５を有して配置されている。そしてこの間隙２５には、放熱グリス２６（材質：シリコン）が充填されている。

第１の丸穴２４ａには、固定手段としてのストッパネジ２７が配置されている。ストッパネジ２７は底板２１と同様、放熱性の高い材質であるアルミニウム合金または銅合金で構成されている。ストッパネジ２７は中空の円筒形状でなり、その外周部にはオスネジ２８が形成されている。中空部はＣＡＮパッケージのリード７を通すために設けている。ストッパネジ２７の下面には、ストッパネジを回転させて固定する際に用いる溝２９が形成されている。このストッパネジ２７の上面とステム下面８ａとが接している。

底板の上面２１ｂ側には、突出部３０が形成されている。突出部３０の外周とカバー１３の内周とが嵌合する構造となっている。

組み立て手順は、次の通りである。まず第１の従来技術と同様に、ＣＡＮパッケージ９、ホルダ１１、スリーブ１２、光ファイバ１０を溶接固定にて組み立てる。そして、ステム上面８ｃと底板２１の貫通穴２４内の境界部２４ｄとを接しさせる。その際、ステム横面８ｂと第２の丸穴との間隙２５に放熱グリス２６を充填させる。そして底板の底面２１ａ側からストッパネジ２７がステム下面８ａに接した状態で第１の丸穴２４ａに固定される。最後に、底板の突出部３０とカバー１３とを固定する。

このように、ＣＡＮパッケージ９は、ステム上面８ｃおよびステム下面８ａにて熱導電性の高い材質からなる底板２１およびストッパネジ２７に接しているので、ＣＡＮパッケージ９内の半導体レーザ３から発生した熱を、ステム上面およびステム下面から図１（ａ）中の矢印で示したルートで効率的に放熱することができる。また、ステム横面８ｂと第２の丸穴２４ｂとの間隙２５には放熱グリス２６を充填させているので、間隙による放熱性の悪化を防ぐことができる。

（第１の従来技術と第１実施形態との対比）
ここで、有限要素法によるシミュレーション結果を示す。半導体レーザが載置されたサブマウントから底板（ベース部）までのルートにおける熱抵抗を、第１の従来技術と第１実施形態とで対比した。なお、第１の従来技術の構成としては、ＣＡＮパッケージのサブマウント（不図示）およびステム８の材質を鉄、底板１０２の材質をステンレスとし、両者はステム下面のみで接し、そして点溶接で固定されているものとした。

（第１実施形態（その１））この構成としては、ステム上面８ｃにて底板２１に接し、ステム下面８ａにてストッパネジ２７に接するものとした。構成部品の材質は第１の従来技術と同様のものとし、ステム８を鉄、底板２１をステンレス、ストッパネジ２７をステンレスとした。この構造によれば、サブマウントから底板までのルートにおける熱抵抗は、第１の従来技術の構成における熱抵抗に比し３０％改善された。つまり、ステムの上下面から放熱するという構造によって放熱性が大幅に改善されたことが分かる。

（第１実施形態（その２））この構成は、第１実施形態（その１）の構成において、底板２１をアルミニウム、ストッパネジ２７をアルミニウムに変更したものである。この構成によれば、サブマウントから底板２１までのルートにおける熱抵抗は、第１の従来技術の構成における熱抵抗に比し４５％改善された。つまり、構成部品をアルミニウムとすることによって放熱性がさらに改善されたことが分かる。

このシミュレーション結果から、本発明のステム上面およびステム下面から放熱させる構造は、従来の構造に比してより効率的に放熱できることが明らかであり、さらに材質をアルミニウムとすることでより効率的に放熱できることが明らかとなっている。

（第２実施形態）
図２に、本願発明の同軸型半導体レーザモジュールの第２実施形態を示す。図２（ａ）に同軸型半導体レーザモジュール３５の断面正面図、図２（ｂ）に底面図を示す。この第２実施形態は、第１実施形態とは固定手段の構成が異なっている。第１実施形態にて固定手段を底板にネジ固定していたのに対し、この第２実施形態においては熱伝導性を有する接着剤で固定手段（ストッパリング）を固定している。

底板３６には、貫通穴３７が形成されており、底面側から大径部である第１の丸穴３７ａ、小径部である第２の丸穴３７ｂを構成している。第１の丸穴３７ａと第２の丸穴３７ｂとの間では径が狭まっており、その縦断面形状が変化する部分に境界部３７ｃが形成されている。ＣＡＮパッケージ９のステム上面８ｃと境界部３７ｃとが接している。そして、第１の丸穴３７ａ内にストッパリング３８が配置されている。ストッパリング３８は第１実施形態のストッパネジ２７と同様に、放熱性の高い材質であるアルミニウム合金または銅合金からなる。そして、ストッパリング３８の上面とステム下面８ａとが接して構成している。なお、第１の丸穴３７ａとストッパリング３８とは、組立性を考慮して所定の間隙を有して構成されている。この間隙に熱伝導接着剤３９が充填され、ストッパリング３８は底板３６と連結されている。

これにより、ステム上面およびステム下面から図２（ａ）中の矢印で示したルートでＣＡＮパッケージ９内の半導体レーザ３から底板３６までの放熱ルートを確保することができ、第１実施形態と同様に効率的に放熱することができる。

なお、ここではステム横面８ｂと第１の丸穴３７ａとの間隙２５には放熱グリス２６が充填されているとしたが、この間隙２５に熱伝導接着剤３９を充填してもよい。これによっても同様の効果を得ることができる。

また、ストッパリングを熱伝導性樹脂で構成することで、熱伝導性接着剤なしの構成とすることも可能である。ストッパリング３８の外径と第１の丸穴３７ａとを「しまりばめ」の関係となるように構成し、ストッパリング３８を第１の丸穴３７ａにかしめてＣＡＮパッケージ９を底板３６に固定する。ストッパリング３８は樹脂であるので、かしめ作業は比較的容易である。そして、ストッパリング３８は熱伝導性を有しているので放熱効果に関しても、上記と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
図３に、本願発明の同軸型半導体レーザモジュールの第３実施形態を示す。図３（ａ）に同軸型半導体レーザモジュール４５の断面正面図、図３（ｂ）に底面図を示す。この第３実施形態においては、固定手段（ストッパリング）４７を４つの固定用ネジ４８で底板４６に固定する形態としている。ストッパリング４７には数箇所にサラ穴４７ａと貫通穴４７ｂが形成されており、当該サラ穴４７ａと貫通穴４７ｂを用いて底板４６に形成されたネジ穴４６ａにストッパリング４７を底板４６に固定する。

なお、底板４６とストッパリング４７との間には組み立ての容易化のために間隙が設けられているが、その間隙に放熱グリスを充填することで、より放熱効果を増すことも可能である。

このような構成においても、サイズが大きくなるものの、図３（ａ）中の矢印で示したように、ステム上面およびステム下面から効率的に放熱することができる。

（第４実施形態；参考実施形態）
図４に、本願発明の同軸型半導体レーザモジュールの参考実施形態である第４実施形態を示す。図４（ａ）に同軸型半導体レーザモジュール５５の断面正面図、図４（ｂ）に底面図を示す。この第４実施形態においては、固定手段としてストッパネジ（あるいはストッパリング）を用いずに、ステム横面に形成したステムネジ部を用いている。

底板５９には、貫通穴６０が形成されており、底面側から大径部である第１の丸穴６０ａ、小径部である第２の丸穴６０ｂを構成している。第１の丸穴６０ａと第２の丸穴６０ｂとの間では径が狭まっており、その縦断面形状が変化する部分に境界部６０ｃが形成されている。そして、第１の丸穴６０ａ内には、メスネジ６１が形成されている。一方、ＣＡＮパッケージ５６のステム横面５７ｂには固定手段としてのステムネジ部５８（オスネジ）が形成されている。そして、底板の第１の丸穴内に形成したメスネジ６１とネジ結合し（つまりステム横面５７ｂと底板５９とが接し）、ステム上面５７ｃと境界部６０ｃとが接して固定される。なお、ネジ山の数を増やすため、ステム５７の厚さを第１〜３実施形態と比較して若干厚く構成している。

この構成によれば、ステム上面５７ｃとステム横面５７ｂとで底板５９に接しているので、ステム上面およびステム横面から図４（ａ）中の矢印で示したルートで効率的に放熱することができる。

本発明の第１実施形態の同軸型半導体レーザモジュール 本発明の第２実施形態の同軸型半導体レーザモジュール 本発明の第３実施形態の同軸型半導体レーザモジュール 本発明の参考実施形態である第４実施形態の同軸型半導体レーザモジュール 第１の従来技術の同軸型半導体レーザモジュール 第２の従来技術の同軸型半導体レーザモジュール

符号の説明

１、３５、４５、５５：同軸型半導体レーザモジュール
３：半導体レーザ
５：キャップ
６：レンズ
７：リード
８：ステム
９：ＣＡＮパッケージ
１０：光ファイバ
１１：ホルダ
１２：スリーブ
１３：カバー
２１、３６、４６、５９：底板（ベース部）
２２：取り付け穴
２３、６１：メスネジ
２４、３７、６０：貫通穴
２５：間隙
２６：放熱グリス
２７：ストッパネジ（固定手段）
２８：オスネジ
２９：溝部
３０：突出部
３８、４７：ストッパリング（固定手段）
３９：熱導伝接着剤
４８：固定用ネジ
５７：ステム
５８：ステムネジ部（固定手段）

Claims (4)

1. ステム上に半導体発光素子が配置されたパッケージと、
   内部に前記パッケージが配置され、被対象物へ取り付けるための取付け穴（２２）を有するベース部と、
   前記パッケージから出射された光が入射する光ファイバと、
   前記パッケージから出射された光を前記光ファイバに結合させるレンズと、
   少なくとも前記レンズと前記光ファイバとを覆うカバーとを有する同軸型半導体レーザモジュールであって、
   前記ベース部は、上部が小径部、下部が大径部となる縦断面形状が変化している貫通穴（２４、３７）を有し、
   前記パッケージは、前記ステムが前記大径部内に位置しているとともに、当該ステムの上面（８ｃ）が前記縦断面形状が変化する境界部（２４ｄ、３７ｃ）に熱伝導可能に接触しており、
   また、前記ステムを前記ベース部に対して固定するための固定手段（２７、３８、４７）を有し、
   当該固定手段は、前記ステムの下面（８ａ）を該固定手段を介して前記ベース部に対して熱伝導可能に連結させており、さらに、
   前記ベース部は所定厚さを有し、当該所定厚さは前記ステムの径部の厚さと前記固定手段の厚さの和よりも厚く形成され、当該厚く形成されることにより前記ベース部の下部側の端面が前記被対象物への取付け面を成すようになっており、
   前記パッケージで発生した熱を前記ステムの上面および下面から前記ベース部を介して前記被対象物に放熱することを特徴とする同軸型半導体レーザモジュール。
2. 前記固定手段が、その外周にネジ部（２８）が形成された円筒部材からなり、前記ベース部の前記貫通穴の前記大径部内に形成されたメスネジ部（２３）とネジ結合されることを特徴とする請求項１に記載の同軸型半導体レーザモジュール。
3. 前記ベース部と前記固定手段の少なくとも一方の材質が、アルミニウム合金または銅合金からなることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の同軸型半導体レーザモジュール。
4. 前記ステムの横面と前記ベース部との間に放熱グリス（２６）が充填されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の同軸型半導体レーザモジュール。
   

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