JP3132868B2 - 半導体レーザモジュール - Google Patents
半導体レーザモジュールInfo
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Description
使用される半導体レーザモジュールに関する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
面図。(b)は、同平断面図。
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 (3)
- 【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。
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