JP3132868B2

JP3132868B2 - 半導体レーザモジュール

Info

Publication number: JP3132868B2
Application number: JP03339526A
Authority: JP
Inventors: 小野　　純
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1991-11-29
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 2001-02-05
Anticipated expiration: 2016-02-05
Also published as: JPH05150146A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信および光計測に
使用される半導体レーザモジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】図５（ａ），（ｂ）には、光通信等で用
いられる半導体レーザモジュール（以下ＬＤモジュール
と略称する）の側断面図、および平断面図を示す。筐体
３１内には、発光素子としてのＬＤ（半導体レーザ）３
２が設けられ、このＬＤ３２からの出射光はレンズ体３
３を介して光ファイバ３４の端部に入射される。光ファ
イバ３４の端部にはフェルール３４ａが設けられてい
る。ＬＤ３２の背部には、モニタ用の受光素子３５（以
下ＰＤと略称する）が設けられ、これらＬＤ３２，レン
ズ体３３，光ファイバ３４，受光素子３５で構成される
光学結合系は、気密された筐体３１内に内蔵されてい
る。そして、光ファイバ３４を除く光学結合系は、図示
の如く単一の基板３６上に搭載されており、実装の容易
化及び各光学部品を固定した後、経時的安定性が得られ
るようになっている。

【０００３】ところで、ＬＤ３２は、赤外発光と同時に
発熱を生じるため、十分な放熱が必要とされる。したが
って、ＬＤ３２を冷却する電子冷却素子３７や不図示の
放熱ブロックを介して筐体３１に保持固定されるように
なっている。ここで、ＬＤ３２の放熱が十分でない場合
には、ＬＤ３２の発振波長がシフトしたり、出力の劣化
や寿命の短縮を招く。

【０００４】また、基板３６には、光学部品のうちＬＤ
３２、ＰＤ３５の中継ターミナル３８が設けられ、各光
学部品はこの中継ターミナル３８、金ワイヤ３９を介し
てリード端子４０に接続され、所定の電気回路を構成す
る。また、電子冷却素子３７は、中継ターミナル３８，
金ワイヤ３９を介さずに直接リード端子４０へ配線され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ＬＤモジュールの信頼
性上の問題点として、光出力を著しく低下させる光軸ず
れがある。光軸ずれの要因としては、前記光学結合系を
構成する各光学部品、基板の線膨張係数等の材料定数の
不一致と、温度変化で生じる熱応力による各光学部品、
基板およびこれらの接合部の変形がある。よって光学結
合系を構成する各光学部品、基板等の選択には、放熱
性、接合性および加工性等を考慮する一方、材料定数の
差をなるべく小さくして熱応力を抑制する必要がある。
なお、基板３６上の温度分布の不均一や材料定数の微妙
な差による変形を完全に取り除くことは不可能である。

【０００６】したがって、従来のＬＤモジュールでは、
基板３６の厚さを厚くして変形に対する剛性を高める構
造とし、光軸ずれを低減させていたが、基板３６が厚い
と各光学部品の上端位置が高くなった。また、ＰＤ３５
の端子に対する金ワイヤ３９の配線が筐体３１の上部空
間において行われるものであるため、図示の如く筐体３
１の蓋３１ａに金ワイヤ３９が触れてショートしないよ
うに所定の隙間Ｓを設けなければならなかった。この隙
間Ｓも筐体３１の高さが増加する原因となっている。し
たがって、従来のＬＤモジュールは、筐体３１の高さが
高く容積が大型化した。

【０００７】ところで、最近のＬＤモジュールの実装環
境は、大型コンピュータ搭載基板のような幾重にも並ぶ
プリント板列への高密度実装や航空機・自動車等の輸送
機器への搭載があり、省スペース化への対応が迫られて
おりＬＤモジュールの小型化が必須条件となりつつあ
る。この点において従来のＬＤモジュールは、大型であ
って対応することができず、ＬＤモジュールを各種装置
基板等に搭載できなくなる。

【０００８】このように、搭載部品の熱容量や筐体３１
の容積が大きくなると、熱設計上からも外部環境温度の
変化に応じた温度制御を行うべく電子冷却素子３７の能
力を向上させねばならない。このため、電子冷却素子３
７を構成するペルチェ素子数を増加させれば良いが、電
子冷却素子３７の大型化及び動作用電力が増大する不都
合が生じる。

【０００９】本発明は、上記問題点に鑑みて成されたも
のであり、光学結合系を構成する各光学部品、基板等の
強度劣化による光軸ずれや、配線作業の制約を生じるこ
となく、小型化が可能であり、かつ、放熱し易く放熱設
計上も有利な半導体レーザモジュールを提供することを
目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体レーザモジュールは、請求項１で
は、光の出射に伴って発熱する半導体レーザ２と、該半
導体レーザ２の出射光を伝送するための光ファイバ４
と、前記半導体レーザ２及び光ファイバ４の光軸間に設
けられて該光を集光するレンズ体３と、前記半導体レー
ザ２からの出射光の光出力をモニタするための受光素子
５と、前記半導体レーザ２、レンズ体３及び受光素子５
が搭載されるとともに、前記光軸に対して平行な両側部
にそれぞれ、所定厚さの厚肉部６ａ，６ｂを有する基板
６と、前記基板上部に搭載され、該電子冷却素子の冷却
を制御するためのサーミスタ２１と、これらの構成部品
を収容する筐体１を具備することを特徴としている。

【００１１】また、請求項２のように、前記基板６上部
に積載され、所定の配線パターン１６が形成される、少
なくとも前記受光素子５が配置される配線基板１５を備
えて構成しても良い。

【００１２】さらに、請求項３の如く、前記各構成部品
を収容する筐体１の底部に所定深さＬ１の溝部１ｂを形
成し、その溝部１ｂに前記電子冷却素子７の一部を緩嵌
する構造としても良い。

【００１３】

【作用】半導体レーザ２からの出射光はレンズ体３を介
して光ファイバ４に入射される。この半導体レーザ２は
光の出射とともに基板６に対し放熱するが、基板６に
は、光軸に対し平行な両側部にそれぞれ、所定厚さの厚
肉部６ａ，６ｂが設けられているから剛性が高くなり、
この基板６が光軸方向に対して変形することなく、光軸
ずれを低減できる。また、配線基板１５を用いることに
より、光学結合系を構成する構成部品のうち能動体であ
る受光素子５は、その配線の一部をプリントパターン１
６で行え、配線の引回しを不要にでき、それ故に配線の
引回しによる空間を必要とせず高さを低くできる。さら
に、筐体１の底部に溝部１ｂを形成し、この溝部１ｂに
電子冷却素子７の一部を緩嵌することにより、該電子冷
却素子７上に搭載された各構成部品の高さを該溝部１ｂ
の深さだけ低くでき、装置全体を小型化できる。また、
筐体１の底部に形成された溝部に電子冷却素子の一部を
緩嵌することにより、主として光軸方向の光軸調整を行
うだけで良くなり、作業性の向上が図られる。

【００１４】

【実施例】図１（ａ），（ｂ）は、おのおの、本発明の
半導体レーザモジュールの側断面図、平断面図を示し、
図１（ｃ）は、同図（ｂ）のＡ−Ａ線における断面図で
ある。筐体１は、上部が開口され、この開口部には蓋体
１ａが着脱自在に設けられている。この筐体１の一端部
には、フェルール４ａを有する光ファイバ４の端部が固
定される。具体的にはホルダ４ｂで光ファイバ４を固定
するが、コネクタを用い光ファイバ４を筐体１に対し着
脱自在に構成してもよい。また、筐体１内の下部には、
所定深さＬ１と、所定幅Ｌ２を有する溝部１ｂが光軸方
向に平行に形成されている。

【００１５】この筐体１の両側部にはそれぞれ、リード
端子２０が設けられ、筐体１内に設けられている光学部
品を外部に対し電気的に接続する。そして、この筐体１
の内部には、窒素ガスや不活性ガスが封入され、気密を
保つ構造とされている。この溝部１ｂには、ペルチェ素
子で構成される電子冷却素子７の一部の放熱面７ａが緩
嵌固定されている。この電子冷却素子７は、その一部の
吸熱面７ｂの熱を放熱面７ａを介して筐体１側に放熱す
る。

【００１６】電子冷却素子７の吸熱面７ｂ上には、所定
厚さで薄厚に形成された基板６が固着される。この基板
６は、一般に銅タングステン等、放熱効果の良好な材質
で形成されている。図２は、この基板６を示す図であ
り、（ａ）は平面図、（ｂ）は裏面図、（ｃ）は側面
図、（ｄ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図、
（ｅ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ線における断面図、（ｆ）
は同図Ｄ−Ｄ線における断面図である。図２（ｂ），
（ｅ）に示す如く、基板６の両側部下部には、それぞれ
所定の厚さを有して厚肉部６ａ，６ｂが形成されてい
る。この厚肉部６ａ，６ｂは、電子冷却素子７の吸熱面
７ｂの幅に対応して基板６の両側部に設けられるもので
あり、前記光軸方向に向いている。

【００１７】また、図２（ａ），（ｆ）に示す如く、基
板６の両側部上部にも、それぞれ所定の厚さの厚肉部６
ａａ，６ｂａが設けられる。さらに、図２（ａ），
（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）に示す如く、基板６の
端部には、厚肉部６ａａ，６ｂａと同一高さの固定部６
ｃが設けられている。この固定部６ｃ上には、後述する
配線基板１５を介してＰＤ５が載置される。したがっ
て、図１（ｃ）に示す如く、電子冷却素子７の吸熱面７
ｂ上には、基板６が載置され、光軸と平行な両側部に
は、それぞれ、厚肉部６ａ，６ｂ，６ａａ，６ｂａが設
けられている。なお、基板６には、下部にのみ厚肉部６
ａ，６ｂを設ける構成とし、上部は厚肉部６ａａ，６ｂ
ａ、及び固定部６ｃが除かれた平面状であっても良い。

【００１８】この基板６上には、アルミナセラミックス
等、熱抵抗の小さな材質で形成された配線基板１５が固
着される。図３は、配線基板１５を示す平面図である。
図示の如く配線基板１５は、平面略コ字型に形成される
ものであり、前記基板６の厚肉部６ａａ，６ｂａ及び固
定部６ｃ上部位置において連続する突出部１５ａ，１５
ｂを有して中央部が開口された形状となっている。そし
て、表面１５ｃ上には、配線パターン１６ａ，１６ｂが
形成され、裏面全面には基板６とのはんだ付けができる
ようにメタライズ処理がなされている。

【００１９】そして、図１に示す如く、基板６上部に
は、配線基板１５が設けられ、この配線基板１５の裏面
は基板６上で半田付け固定される。基板６上には、中央
部に発光素子としてＬＤ２が配置される。このＬＤ２
は、チップキャリア２ａ上に固定される。また、ＬＤ２
及び光ファイバ４の端部間にはレンズ体３が設けられ、
光学結合系が形成されている。このＬＤ２の出射光はレ
ンズ体３を介して光ファイバ４の端部に入射される。

【００２０】レンズ体３は、基板６上に予め設けられる
突き当てブロック３ａ、およびこの突き当てブロック３
ａに突き当てて位置決めされるレンズホルダ３ｂで構成
される。突き当てブロック３ａは、図１に示す如く２本
の柱体が基板６上に固定されて成る。レンズホルダ３ｂ
は、円筒形で内部にレンズ３ｃを保持し、かつ両側に突
き当て部３ｄが形成される。このレンズ３ｃとしては、
球レンズ、セルフォックレンズ等を用いる。このレンズ
ホルダ３ｂの突き当て部３ｄを突き当てブロック３ａに
突き当てることにより、レンズ３ｃの光軸方向の位置が
自動的に位置決めされる。この後、光軸に対して直交す
る上下、左右方向を治具等で微調整し、突き当てブロッ
ク３ａにレンズホルダ３ｂを固定する。

【００２１】また、前記配線基板１５の表面１５ｃに
は、ＬＤ２モニタ用のＰＤ５が配置固定される。このＰ
Ｄ５は端子が下向きとされ、この固定位置である配線パ
ターン１６ａの一端部１６ａａで半田付けされ電気的に
接続固定される。前記基板６には、ＬＤ２の中継ターミ
ナル８が設けられ、ＬＤ２はこの中継ターミナル８、金
ワイヤ９を介してリード端子２０に接続され、また、電
子冷却素子７およびサーミスタ２１は、直接リード端子
２０に接続されて所定の電気回路を構成する。さらに、
前記配線基板１５の配線パターン１６の他端部１６ａｂ
も金ワイヤ９を介してリード端子２０に接続される。そ
して、筐体１内は窒素ガスや不活性ガスが封入された状
態で前記蓋体１ａとをシーム溶接により接合せしめ気密
される。

【００２２】次に、上記構成による作用を説明する。上
記各構成部を組み立てた状態において、電子冷却素子７
の一部（放熱面７ａ）が所定の深さＬ１分だけ、筐体１
の溝部１ｂ内に緩嵌される。溝部１ｂは、電子冷却素子
７の幅とほぼ同一径（Ｌ２）で形成されているため、こ
の電子冷却素子７を底部とする前記光学結合系全ては、
溝部１ｂ内にて光軸方向と直交する方向のクリアランス
が少ないため容易に調整可能となり、また光軸方向に
は、例えば光アイソトープやフィルタなどを配置収容す
る時にもスライド調整が可能になっている。このよう
に、溝部１ｂに電子冷却素子７の一部が緩嵌されている
とともに、基板６が薄厚で形成されることにより、全体
の高さを低くすることができる。また、ＰＤ５の端子
は、金ワイヤを用いることなく配線基板１５上の配線パ
ターン１６に直接接合された構成であるため、ＰＤ５の
電気的接続に要する空間高さを取らず、このＰＤ５部分
の高さを低くできる。これにより、全体の高さを低くで
き、筐体１の高さを低く、小型化することができる。

【００２３】ところで、ＬＤ２からの出射光はレンズ体
３を介して光ファイバ４の端部に入射される。また、Ｌ
Ｄ２からの出射光の光出力はＰＤ５によりモニタされ
る。ＬＤ２の出射光に伴う発熱によりこのＬＤ２は基板
６に放熱する。基板６は、薄厚に形成されており、基板
６を変形させる。しかしながら、この基板６には、その
両側部にそれぞれ所定厚さの厚肉部６ａ，６ｂが形成さ
れ、かつこの厚肉部６ａ，６ｂは、光軸方向に平行に形
成されているため、光軸方向に対する熱応力による変形
を低減できる。したがって、この基板６は、薄厚でも光
軸方向に対して所定の剛性を得ることができる。なお、
この基板６の熱は、電子冷却素子７によって吸熱される
ことにより、同時に変形が防止できる。

【００２４】また、配線基板１５には、所定の配線パタ
ーン１６が形成されているため、ＰＤ５の電気的接続、
すなわちＰＤ５とリード端子２０間の配線において、こ
のリード端子２０近傍まで配線パターン１６が延出され
た構成であるから、金ワイヤ９を極力短くして配線で
き、筐体１内部の配線の引回しを少なくすることができ
る。この配線基板１５の配線パターン１６は、ユーザが
要求するリード端子２０に対応するパターンで形成され
るもので、容易に変更自在である。

【００２５】なお、上記実施例におけるレンズ体３は、
図４の斜視図に示す如く基板６上に予め固定される突き
当てブロック３ａが内部に円筒形の嵌合部３ａａを有す
る矩形状に形成し、レンズホルダ３ｂはこの嵌合部３ａ
ａに対応する径の円筒部３ｂａを有して形成されたもの
で構成しても良く、このレンズホルダ３ｂを突き当てブ
ロック３ａに突き当てるのみで、光軸方向に対するレン
ズ３ｃの位置決めを自動的に行うことができる。

【００２６】さらに、上記溝部１ｂには、電子冷却素子
７の一部のみが緩嵌する構造としたが、この溝部１ｂに
は、電子冷却素子７と平行に他の構成部、例えば、光ア
イソレータやフィルタ等を同時に配置収容することがで
きる。

【００２７】上述した実施例における半導体レーザモジ
ュールでは、ＬＤ２による発光を光ファイバ４に入射さ
せる発光源を例に説明したが、発光素子としてＬＤに代
わりＬＥＤを用いても良い他、ＬＤの配置箇所にＰＤが
配置された受光モジュールに上記構成を適用してもよ
く、この場合においてもモジュール全体の高さを小型化
できるものであり、勿論、上記実施例と同様の作用効果
が得られる。

【００２８】

【発明の効果】請求項１によれば、基板の両側部におい
て光軸方向と平行に厚肉部が設けられた構成であるか
ら、光軸方向の曲げ応力が従来基板と同等で基板肉厚を
薄くすることができ、変形に強く高さを取らない。同時
に、基板の熱容量が低減するので電子冷却素子の冷却に
要する消費電力を低減できた。

【００２９】請求項２によれば、所定の配線パターンが
形成された配線基板により、光学結合系中、電気配線を
必要とする能動体のワイヤ配線を配線パターンの端部で
行うことができ、配線作業を容易化できるとともに、金
ワイヤ等剥き出し状態のワイヤを配線作業中における配
線ショートに対する考慮が不要となり、作業性の向上と
組み立て時間の短縮化を図ることができた。さらに、薄
厚に形成された基板上にこの配線基板が設けられる構成
であるため、基板を補強することができ、前記変形を防
止することができた。

【００３０】請求項３によれば、筐体の底部に溝部が設
けられた構成であるため、この溝部上に設けられる電子
冷却素子および光学結合系を構成する各構成部の総和の
高さを低くでき、モジュール全体を小型化でき、本モジ
ュールはプリント基板等に対し省スペースで設置するこ
とができた。また、該溝部と該電子冷却素子は緩嵌され
ているので、光軸方向の調整を主として行えばよく、組
立作業性の向上が図られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の半導体レーザモジュールを
示す側断面図。（ｂ）は、同モジュールの平断面図。
（ｃ）は、同図（ｂ）のＡ−Ａ線断面図。

【図２】（ａ）は、基板を示す平面図。（ｂ）は、同基
板の裏面図。（ｃ）は、同側面図。（ｄ）は、同図
（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。（ｅ）は、同Ｃ−Ｃ線断面
図。（ｆ）は、同Ｄ−Ｄ線断面図。

【図３】配線基板を示す平面図。

【図４】他の構成例によるレンズ体を示す斜視図。

【図５】（ａ）は、半導体レーザモジュールを示す側断
面図。（ｂ）は、同平断面図。

【符号の説明】

１…筐体、１ｂ…溝部、２…半導体レーザ、３…レンズ
体、３ａ…突き当てブロック、３ｂ…レンズホルダ、３
ｃ…レンズ、４…光ファイバ、５…受光素子、６…基
板、６ａ，６ｂ…厚肉部、７…電子冷却素子、８…中継
ターミナル、９…金ワイヤ、２０…リード端子。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光の出射に伴って発熱する半導体レーザ
（２）と；該半導体レーザからの出射光を伝送するため
の光ファイバ（４）と；前記半導体レーザ及び光ファイ
バの光軸間に設けられ、該出射光を集光するレンズ体
（３）と；前記半導体レーザからの出射光の光出力をモ
ニタするための受光素子（５）と；その上部に前記半導
体レーザ、レンズ体及び受光素子が搭載され、かつ、前
記光軸に対して平行な両側部にそれぞれ、所定の厚さの
厚肉部（６ａ，６ｂ）が形成された基板（６）と；該基
板下部に設けられ、前記発熱した半導体レーザを冷却す
るための電子冷却素子（７）と；前記基板上部に搭載さ
れ、該電子冷却素子の冷却を制御するためのサーミスタ
（２１）と；これらの構成部品を収容する筐体（１）と
からなることを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】前記基板（６）上部に積載され、所定の
配線パターン（１６）が形成されており、該配線パター
ンの中には、少なくとも前記受光素子（５）が配置され
る配線基板（１５）を備えた請求項１記載の半導体レー
ザモジュール。
【請求項３】前記筐体（１）の底部に所定深さ（Ｌ
１）の溝部（１ｂ）を形成し、該溝部に前記電子冷却素
子（７）の一部を緩嵌する請求項１，２記載の半導体レ
ーザモジュール。