JP4609817B2 - 半導体レーザモジュール - Google Patents
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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、特に高温環境下での使用に適した半導体レーザモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体レーザは、光通信において信号用光源や光ファイバ増幅器の励起用光源として大量に用いられるようになってきた。半導体レーザが光通信において信号用光源や励起用光源として用いられる場合には、半導体レーザからのレーザ光を光ファイバに光学的に結合させたデバイスである半導体レーザモジュールとして使用される場合が多い。
【０００３】
図６は、このような半導体レーザモジュールの構造の一例を示したものである。図６に示す半導体レーザモジュール４０は、パッケージ１１内においてペルチェモジュール４２がパッケージ底板１１ａに固定されている。このペルチェモジュール４２の上には半導体レーザ素子１３とサーミスタ１４及びレンズ１５を固定した基板１６が固定されている。また、パッケージ１１の側壁１１ｂに設けられた貫通孔１１ｃには、光ファイバ１７が固定されている。図６において５０はヒートシンクである。
【０００４】
この半導体レーザモジュール４０は、半導体レーザ素子１３から出射されたレーザ光がレンズ１５により集光され、光ファイバ１７の端面に入射されてこれが光ファイバ１７内を導波し所望の用途に供される。
【０００５】
半導体レーザモジュール４０は、半導体レーザ素子１３を駆動するために電流を流すと発熱により半導体レーザ素子１３の温度が上昇する。この温度上昇は半導体レーザ素子１３の発振波長と光出力の変化を引き起こす原因となる。
【０００６】
このため、半導体レーザ素子１３の近傍に固定されたサーミスタ１４により半導体レーザ素子１３の温度を測定し、この測定値を用いてペルチェモジュール４２に流す電流を制御することによって半導体レーザ素子１３の温度を一定に保つことでその特性を安定化している。
【０００７】
半導体レーザモジュール４０に使用されるペルチェモジュール４２は、一般に図７に示すように、Ｐ型半導体であるＰ型熱電変換素子１８と、Ｎ型半導体であるＮ型熱電変換素子１９とが交互に並べられて２枚の例えばセラミックからなる絶縁層１２ａ、１２ｂの間に配置され、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９とが電気的に直列に接続されている。このＰ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９に直流電圧を印加することによって絶縁層１２ａ、１２ｂの表面に発熱又は吸熱を生ぜしめることにより対象物の加熱又は冷却が行われる。
【０００８】
図７（ａ）は、ペルチェモジュール４２の断面を示したもので、このペルチェモジュール４２は、アルミナ又は窒化アルミからなる２枚のセラミック製の絶縁基板１２ａ、１２ｂの間に、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９が挟持されている。これらの熱電効果素子１８、１９が絶縁基板１２ａ、１２ｂの表面に形成された電極１２ｃにより電気的に接続されている。
【０００９】
図７（ｂ）は、絶縁基板１２ａ、１２ｂを省略して図示したペルチェモジュール４２の斜視図である。ペルチェモジュール４２は、多数の熱電変換素子１８、１９が絶縁基板１２ａ及び１２ｂ上に二次元的に均一に配置して形成されている。
【００１０】
図７（ｃ）は、各熱電効果素子１８、１９の電気的接続を示すもので、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９とがそれぞれ交互に直列に接続されている。
【００１１】
接続される熱電素子１８、１９の数は、用途に応じて種々あるが、例えばＰ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９の対数が２０乃至４０対のものが半導体レーザモジュール用として一般に用いられている。
【００１２】
このようなペルチェモジュール４２は次のようにして製造される。まず、ビスマス（Ｂｉ）及びテルル（Ｔｅ）を主成分とする原料粉末から単結晶法やホットプレス法によりインゴットを作製し、これをチップ状に切断してＰ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９を作製する（例えば、特開平１−２０２３４３号公報や特開平１−１０６４７８号公報に開示されている公知の技術）。
【００１３】
次に、図８（ａ）に示すように、絶縁基板１２ａの上に複数の電極１２ｃを設けると共に各電極１２ｃの上に半田ペースト１２ｅを塗布する。次に図８（ｂ）に示すように各電極１２ｃの上に上記のチップ状のＰ型熱電変換素子１８を一つずつ載置する。その後図８（ｃ）に示すように各電極１２ｃの上に上記のチップ状のＮ型熱電変換素子１９を一つずつ載置することによって、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９を交互に配置する。
【００１４】
そして、上記の図８（ａ）と同様にして絶縁基板１２ｂの上に複数の電極１２ｃを設けると共に各電極１２ｃの上に半田ペースト１２ｅを塗布し、この絶縁基板を図８（ｄ）に示すようにＰ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９を載置した絶縁基板１２ａの上に、相互の電極１２ｃが互いに跨がるように配置して、下の絶縁基板１２ａの電極１２ｃ上のＰ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９にそれぞれ上の絶縁基板１２ｂの隣合う電極１２ｃを重ねる。
【００１５】
この状態で、図示していない半田リフロー炉内で半田ペースト１２ｅをリフローすることによって、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９を二枚の絶縁基板１２ａ、１２ｂ間に接合すると共に、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９を電極１２ｃを介して電気的に直列に接続して、図８（ｅ）に示すようなペルチェモジュール４２が製造される。
【００１６】
ペルチェモジュールに通電することにより、加熱、冷却作用が生じる理由は、次のように説明される。すなわち、図７（ａ）に示すようにペルチェモジュール４２に外部より直流電圧を印加すると、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９とは２枚の絶縁基板１２ａ、１２ｂによって挟持されかつ電気的には交互に直列接続されているために、Ｐ型熱電変換素子１８中では絶縁基板１２ａから絶縁基板１２ｂに向かって、またＮ型熱電変換素子１９中では１２ｂから１２ａに向かって電流が流れる。
【００１７】
しかし、Ｐ型熱電変換素子１８中では正孔が多数キャリアであり、Ｎ型熱電変換素子１９中では電子がそれぞれ多数キャリアである。この電流を担う粒子の移動はともに絶縁基板１２ａから１２ｂに向かう方向に起こる。一方、この電流を担う正孔及び電子は、熱の移動をも担うものでもある。このため、電流がＰ型熱電変換素子１８中とＮ型熱電変換素子１９中とで互いに反対の方向に流れるのに対して、熱の流れは常に一方向に起こることとなり、かくしてペルチェモジュール４２の一方の面では冷却が、他方の面では加熱が起こるのである。
【００１８】
このようなペルチェモジュール４２を有する図６に示す半導体レーザモジュール４０の作動中の熱的な環境について以下に説明する。
【００１９】
半導体レーザモジュール４０が光ファイバ増幅器等の通信機器内に搭載され使用される場合、同時に搭載される他の半導体レーザモジュールや電気回路素子等の発熱、及びその通信機器がおかれる場所の環境により、常温よりも高い環境温度で使用されることが多い。このため、半導体レーザモジュール４０は、排熱効率の高い状態で使用するため、通常ヒートシンク５０に固定されて使用される。
【００２０】
図９は、半導体レーザモジュール４０が、ヒートシンク５０に固定されて使用される場合の熱的な環境を模式的に表した図で同図においては説明上の関係でレンズ１５や光ファイバ１７などは省略して描いてある。
【００２１】
図９に示すように、半導体レーザモジュール４０の置かれる環境温度がＴa、ヒートシンク５０の温度がＴhsとする。ここで、サーミスタ１４の温度（サーミスタ温度）Ｔsを一定に保ちつつ半導体レーザ素子１３に電流を供給すると、半導体レーザ素子１３から発生した熱量ＱLDは、基板１６を伝導してペルチェモジュール４２の冷却側の絶縁基板１２ａに達し、続いて加熱側の絶縁基板１２ｂに向かって排熱される。
【００２２】
同時に、ペルチェモジュール４２に電流が流れていることによるペルチェモジュール自身の発熱量ＱTMも絶縁基板１２ｂに排熱される。そして、この熱量（ＱLD＋ＱTM）が、パッケージ１１の底板１１ａを経てヒートシンク５０に排熱される。
【００２３】
ペルチェモジュール４２の冷却側の絶縁基板１２ａ、加熱側の絶縁基板１２ｂの温度をそれぞれＴc、Ｔh、半導体レーザ素子１３と冷却側の絶縁基板１２ａとの間の熱抵抗をＫ1、加熱側の絶縁基板１２ｂとヒートシンク５０の間の熱抵抗をＫ2とすると、
Ｔh＝Ｔhs＋Ｋ2（ＱLD＋ＱTM）・・・・・・（１）
Ｔc＝Ｔs −Ｋ1ＱLD・・・・・・・・・・・・（２）
なる関係があるから、ペルチェモジュール４２の絶縁基板１２ａ，１２ｂ間の温度差△Ｔ＝Ｔh−Ｔcは、
△Ｔ＝（Ｔhs−Ｔs）＋（Ｋ1＋Ｋ2）ＱLD＋Ｋ2 ＱTM・・・（３）
と表せる。
【００２４】
（３）式において、右辺第一項の（Ｔhs−Ｔs）は、半導体レーザモジュール４０として使用される場合の内外温度差を意味する。
【００２５】
すなわち、（１）式より加熱側の絶縁基板１２ｂとヒートシンク５０の間に熱抵抗Ｋ2が存在することにより、ペルチェモジュール４２の加熱側基板１２ｂの温度Ｔhは、ヒートシンクの温度Ｔhsに比べてＫ2（ＱLD＋ＱTM）だけ高くなる。
【００２６】
また、（２）式より半導体レーザ素子１３と冷却側の絶縁基板１２ａとの間に熱抵抗をＫ1が存在することにより、冷却側の絶縁基板１２ａの温度Ｔcは、サーミスタ温度（半導体レーザ素子の温度）Ｔsに比べてＫ1 ＱLDだけ低くなる。
【００２７】
これらによって、半導体レーザモジュール４０として使用する場合の内外温度差（Ｔhs−Ｔs）は、ペルチェモジュール４２の絶縁基板間の温度差△Ｔに比べて（Ｋ1＋Ｋ2）ＱLD＋Ｋ2 ＱTMだけ小さくなるのである。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近、上記の半導体レーザモジュールは、システム全体の高出力化に伴い、光出力の高出力化と高環境温度下での動作が要求されるようになってきた。
【００２９】
半導体レーザモジュール高出力化のために半導体レーザ素子を高出力化すると、必然的にその発熱量（ＱLD）が増加する。このような高出力半導体レーザモジュールを、高温環境下で使用するためには、半導体レーザ素子からの発熱を従来よりも効率よく排熱しなければならない。
【００３０】
ところが、前述した従来の半導体レーザモジュールでは、次に述べるような問題があった。
【００３１】
図９に示す半導体レーザモジュール４０により説明すれば、半導体レーザ素子１３から発生した熱量ＱLDは、基板１６、ペルチェモジュール４２、パッケージ底板１１ａを経てヒートシンク５０に排熱される。
【００３２】
ここで、半導体レーザモジュール４０全体の厚さは機器への実装上の理由により所定の厚さに薄く設計されるため、基板１６及びパッケージ底板１１ａも薄く設計される。このため、半導体レーザ素子１３から発生した熱ＱLDが基板１６を厚さ方向に伝導する間、及びパッケージの底板１１ａを通過してヒートシンク５０に排熱されるまでの間に、横方向（ペルチェモジュールの絶縁基板１２ａ又は１２ｂの面と平行な方向）には十分広がらない。
【００３３】
また、ペルチェモジュール４２による熱の移動は、熱電変換素子内部の正孔及び電子を介したものであるから原理的に横方向に広がることはない。
【００３４】
すなわち、半導体レーザ素子１３から発生した熱量ＱLDは、半導体レーザ素子の直下及びその近傍に集中して流れて外部に排出されることになる。このため、この排出される熱の経路の実効的な熱抵抗は、熱が十分に広がって均一に排熱されると仮定した場合に比べて大きくなる。
【００３５】
これは、（１）式乃至（３）式においてＫ1及びＫ2の実効的な値が大きいことを意味する。このように排熱の実効的な熱抵抗の大きな状況で半導体レーザモジュールを使用する場合には、この熱抵抗によって生じる温度差が、均一に排熱されると仮定した場合に比べて大きくなるのである。
【００３６】
そしてこの温度差は、半導体レーザ素子１３から発生する熱量ＱLDが大きくなるほど、また半導体レーザモジュール４０がより高い環境温度下で使用される場合（ＱTMが大きい場合）ほど顕著になる。
【００３７】
このような状況の下で半導体レーザモジュール４０を使用すると、ペルチェモジュール４２の加熱側・冷却側の絶縁基板１２ａ、１２ｂ間の温度差△Ｔが非常に大きくなり、ペルチェモジュール４２の負荷が大きくなってその消費電力が増大し、これがさらに環境温度を高くするという悪循環を引き起こす。
【００３８】
したがって、半導体レーザモジュールを高出力化し、またより高温環境下で使用するためには、半導体レーザ素子１３からヒートシンク５０に至る熱の流れを均一化することが必要である。このためには、基板１６やパッケージの底板１１ａ等、排熱の経路上に存在する部品の厚さを厚くすることで、横方向への熱の拡散が起こるようにすればよいが、上記したように部品の厚さは半導体レーザモジュールの機器への実装条件によって制約されるため、このような方策は事実上採用することができない。
【００３９】
本発明は、上記した従来の半導体レーザモジュールが有する排熱の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、半導体レーザモジュールに用いられる部品の厚さを厚くすることなく半導体レーザ素子からヒートシンクに至る熱の流れを均一化することでヒートシンクとペルチェモジュールの加熱側基板の温度差及びサーミスタとペルチェモジュールの冷却側基板の温度差を小さくし、もってペルチェモジュールの負荷を軽減し、その消費電力を小さくするとともに、より高い光出力で、かつより高い環境温度下で使用可能な半導体レーザモジュールを提供することにある。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。
【００４２】
すなわち、半導体レーザモジュールの本第１の発明は、半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子を載置した基板と、該基板を冷却するペルチェモジュールと、前記半導体レーザ素子、前記基板および前記ペルチェモジュールを収容するパッケージとを有する半導体レーザモジュールであって、前記基板、ペルチェモジュール、該ペルチェモジュールを載置したパッケージの底板を含んで形成された、前記半導体レーザ素子からの熱を排熱する排熱経路の少なくとも一部分には、前記半導体レーザ素子から前記ペルチェモジュールに向かう方向よりも該方向に垂直な方向の熱の熱伝導率が高い熱拡散部が形成されており、前記パッケージの底板にはペルチェモジュール固定領域に熱拡散部が形成され、該熱拡散部として繊維強化複合材が用いられており、かつ、ペルチェモジュール固定領域よりも外側には通気性のない気密保持部が形成されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００４４】
また、半導体レーザモジュールの本第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記ペルチェモジュールはＰ型及びＮ型の複数の熱電変換素子対と、前記複数の熱電変換素子対を挟持する２枚のセラミック板を有し、複数の熱電変換素子対がセラミック板上において周辺部が略中央部よりも密に配列されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００４５】
また、半導体レーザモジュールの本第３の発明は、上記第１又は第２の発明の構成に加え、前記ペルチェモジュールはＰ型及びＮ型の複数の熱電変換素子対と、前記複数の熱電変換素子対を挟持する２枚のセラミック板を有し、複数の熱電変換素子対は、個々の熱電変換素子対が電気的に直列に接続された第一の部分と複数個の熱電変換素子対が並列に接続された第二の部分とから成り、第一の部分に対応する熱電変換素子対が前記セラミック板の周辺部に配置され第２の部分に対応する熱電変換素子対が前記セラミック板の略中央部に配置されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００４９】
上記構成の本発明においては、ペルチェモジュールの吸熱量が半導体レーザ素子の配置された略中央部と比較して周辺部で大きくなるように形成されているため、半導体レーザ素子の固定された基板上の温度分布が、周辺部分でより低くなり、したがって、基板上において略中央部から周辺部分に向かって温度勾配に基づく熱の移動がより効果的に起こる。
【００５０】
また、半導体レーザ素子を固定した基板のペルチェモジュールの冷却面と平行な面内の熱伝導率が、ペルチェモジュールの冷却面と垂直な方向の熱伝導率よりも大きい構成とすると、基板上において略中央部から周辺部分に向かう熱の移動量を多くすることが可能になる。
【００５１】
さらに、ペルチェモジュールの加熱側基板が固定されたパッケージの底板や底板のペルチェモジュール固定領域に設けた繊維強化複合材のペルチェモジュールの加熱面と平行な面内の熱伝導率が、垂直な方向の熱伝導率よりも大きい構成とすると、パッケージの底板上において略中央部から周辺部分に向かう熱の移動量を多くすることが可能になる。
【００５２】
このため、半導体レーザ素子から発生する熱が、ペルチェモジュールの絶縁基板面と平行な面内において、より均一な状態で排熱されることとなるため、排熱経路の実効的な熱抵抗が小さくなって上記課題が解決される。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施の形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略する。
【００５４】
図１は、本発明に係る半導体レーザモジュールの実施形態例を適用する一例を示すものである。
【００５５】
図１に示すように、本実施形態例の半導体レーザモジュール１０は、半導体レーザ素子１３が基板１６に固定されている。（なお、図示していないが、半導体レーザ素子１３はＡｌＮ（窒化アルミ）等のヒートシンクを介して基板１６に固定されていてもよい）。また基板１６は、パッケージ１１の底板１１ａ上に半田固定されたペルチェモジュール１２の上に半導体レーザ素子１３がペルチェモジュール１２の略中央部の上部に配置される位置で半田固定されている。
【００５６】
パッケージ１１の側壁１１ｂの貫通孔１１ｃには、光ファイバ１７が固定されている。この光ファイバ１７は、基板１６上に固定されたレンズにより集光された半導体レーザ素子１３からの光が結合される位置に固定されている。
【００５７】
また、基板１６上には、半導体レーザ素子１３の近傍にサーミスタ１４が固定されている。この半導体レーザモジュール１０では、基板１６、ペルチェモジュール１２、パッケージ１１の底板１１ａを含んで、半導体レーザ素子１３からの熱を排熱する排熱経路が形成されている。
【００５８】
ここで、本発明に係る半導体レーザモジュール１０に使用されるペルチェモジュール１２は、半導体レーザ素子１３の真下にあたる略中央部の吸熱量に比べて周辺部の吸熱量が大きくなっている。図２は、このペルチェモジュール１２の加熱側基板１２ｂ及び冷却側基板１２ａ上における熱電変換素子の配置と電極のパターンの一例を示したものである。
【００５９】
図２（ａ）は加熱側基板１２ｂを冷却側基板１２ａから見た図、図２（ｂ）は、冷却側基板１２ａを加熱側基板１２ｂから見た図である。
【００６０】
図２の（ａ）、（ｂ）においてＰ型熱電変換素子１８及びＮ型熱電変換素子１９は、周辺部ほど密に中心部ほど疎に配列され、これらが電極１２ｃによって直列に接続されている。ここで、各熱電変換素子１８、１９に流れる電流はすべて同じであるから、熱電変換素子１８、１９が冷却側基板１２ａから加熱側基板１２ｂへ運ぶ熱量は、Ｐ型熱電変換素子１８及びＮ型熱電変換素子１９それぞれにおいてすべて等しい。従って、熱電変換素子１８、１９が密に配置されている周辺部ほど吸熱量が大きく、熱電変換素子１８、１９が疎に配置されている中心部ほど吸熱量が小さいペルチェモジュール１２となる。
【００６１】
なお、このようなペルチェモジュール１２は、絶縁基板１２ａ、１２ｂ上の電極パターンの形成位置及び熱電変換素子の配置を変更する点を除き、従来より公知のペルチェモジュールの作製方法と同一の方法で作製可能である。
【００６２】
また、図３は、本発明の半導体レーザモジュールに使用されるペルチェモジュール２２の加熱側基板１２ｂ及び冷却側基板１２ａ上における熱電変換素子１８、１９の配置と電極のパターンの他の例を示したものである。図３（ａ）は加熱側基板１２ｂを冷却側基板１２ａから見た図、図３（ｂ）は、冷却側基板１２ａを加熱側基板１２ｂから見た図、また図４は、図３に示すペルチェモジュール２２の各熱電変換素子１８、１９の電気的な配線を示した図である。本実施形態においては、熱電変換素子は２次元的に均一に配置固定されている。熱電変換素子１８、１９の電気的接続は、図４に示すように、Ｐ型電変換素子１８及びＮ熱電変換素子１９が直列に接続された第１の部分２０と、並列に接続された第２の部分２１とがあり、これらの各部分が、図３（ａ）及び図３（ｂ）のように、第１の部分２０が周辺部に、第２の部分２１が略中央部に配置してなっている。
【００６３】
このようなペルチェモジュール２２においては、第２の部分２１にある熱電変換素子１個当たりに流れる電流は、第１の部分２０にある熱電変換素子１個当たりに流れる電流に比べて小さいため、第２の部分２１にある熱電変換素子１個当たりが運ぶ熱量は、第１の部分２０にある熱電変換素子１個当たりが運ぶ熱量に比べて小さい。したがって、第１の部分２０の熱電変換素子１８、１９が周辺部に、第２の部分の熱電変換素子１８、１９が略中央部に配置されていることにより、吸熱量が略中央部において小さく、周辺部で大きいペルチェモジュール２２ができる。
【００６４】
図２（又は図３）に示した吸熱量が略中央部において小さく周辺部で大きいペルチェモジュール１２（又はペルチェモジュール２２）を半導体レーザモジュール１０に使用する場合には、半導体レーザ素子１３をペルチェモジュール１２（又はペルチェモジュール２２）の略中央部に配置するのが望ましい。
【００６５】
すなわち、ペルチェモジュール１２（又はペルチェモジュール２２）の吸熱量が半導体レーザ素子１３の固定された略中央部と比較して周辺部で大きくなるように形成されているため、従来のペルチェモジュール４２を使用した場合に比べて、半導体レーザ素子１３の固定された基板１６上の温度分布が、半導体レーザ素子１３の周辺部分でより低くなる。
【００６６】
したがって、基板１６上において半導体レーザ素子１３が固定された略中央部から周辺部分に向かって温度勾配に基づく熱の移動がより効果的に起こる。
【００６７】
この結果、排熱の流れを周辺部にまで広げることが可能となり、排熱経路の実効的な熱抵抗が小さくなる。そして、ペルチェモジュール１２（又はペルチェモジュール２２）の加熱側基板１２ｂと冷却側基板１２ａの温度差が小さくなってペルチェモジュール１２（又はペルチェモジュール２２）の負荷が低減され、より高温動作の可能な、また消費電力の小さい半導体レーザモジュール１０となる。
【００６８】
また、本実施形態の半導体レーザモジュール１０に使用されるペルチェモジュールは、図２又は図３に示したペルチェモジュール１２又はペルチェモジュール２２の形態のものに限定されず、吸熱量が略中央部において小さく、周辺部で大きいものであれば、上記の作用を奏することができることはいうまでもない。
【００６９】
例えば、図４に示す熱電変換素子１８、１９の配線方法としては、直列・並列の接続方法を種々組み合わせることも可能であることはいうまでもない。
【００７０】
さらに、本発明では、ペルチェモジュールの冷却面と平行な面内の熱伝導率がペルチェモジュールの冷却面と垂直な方向の熱伝導率よりも大きい（すなわち半導体レーザ素子からペルチェモジュールに向かう方向よりも、それに垂直な方向の熱伝導率が大きい）熱伝導異方性を有する材料で半導体レーザ素子１３を固定する基板１６を作製することによっても、半導体レーザ素子１３からの熱を横方向に効率的に広げることが可能となり、これによって上記した作用と同様の作用を得ることができる。
【００７１】
このような熱伝導異方性を有する基板１６の材料としては、金属をマトリクスとする繊維強化複合材を使用することができる。このような複合材としては、例えばカーボン（Ｃ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３ ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）等を分散材とし、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）等をマトリクスとするものが知られている。
【００７２】
このような複合材の製法は、例えば銅もしくは銅合金をマトリクスとしカーボン繊維を分散材とする複合材としては、次のようなものがある。すなわち、銅粉末若しくは銅合金粉末、モリブデン粉末又はタングステン粉末若しくはこれらの混合物の粉末を、炭素及び／又は黒鉛質の繊維とともにボールミル等の方法で混合し、この原料混合物をプレスして混合物の圧縮成型物を得、これをさらに熱間静水圧加圧によって一軸方向に圧縮する。このようにして作製された複合材料では、炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維が金属マトリクスに圧縮方向に垂直な２次元面方向にランダムに配向する。なお、このような複合材料およびその製法に関しては、例えば特開平１１―１４０５５９に開示されている。
【００７３】
上記の複合材料を用いて、基板１６の上面、下面がこの炭素繊維の配向面と平行になるように形成することによりペルチェモジュール１２の冷却面と平行な面内の熱伝導率がペルチェモジュール１２の冷却面と垂直な方向の熱伝導率よりも大きいような熱伝導異方性を有する基板が得られる。なお、基板１６の全部を上記の複合材料で形成する必要はなく、その一部を上記の複合材料で形成するだけでも十分効果は得られる。
【００７４】
基板１６全体を複合材で形成したものでは、ペルチェモジュール１２の冷却面と平行な面内、及び垂直な方向の熱伝導率は、それぞれ例えば約２５０Ｗ／ｍＫ、１００Ｗ／ｍＫのようなものが得られる。なお、繊維の配向の方向を２次元でなく１次元的にすることも可能であり、この場合にはさらに大きな熱伝導異方性が得られる。
【００７５】
また、上記熱伝導異方性材料として、例えばアドバンストセラミックス社（アメリカ合衆国）から販売されているような熱伝導異方性を有するカーボン材料も利用できる。このようなカーボン材料としては、最大の熱伝導率が１７００Ｗ／ｍＫ程度のものも入手可能であり、このようなカーボン材料に金属被覆を施したり、ペルチェモジュール１２の絶縁基板であるアルミナや窒化アルミ等と熱膨張率が近いＳｉＣ／Ａｌ（熱膨張率６．７ｐｐｍ／℃）を前記カーボン材料に被覆したりすることにより、本発明に好適に適用できる。
【００７６】
そして、上記のような熱伝導異方性を有する基板１６を使用することにより、半導体レーザ素子１３から発生した熱が効率よくペルチェモジュール１２の冷却面に平行な方向に広がるため、排熱の実効的な熱抵抗が小さくなる。この結果ペルチェモジュール１２の負荷が軽減し、高温環境下でも動作可能で、消費電力の少ない半導体レーザモジュール１０ができる。さらに、このような熱伝導異方性を有する材料で作製された基板１６を、上記した吸熱量が略中央部において小さく、周辺部で大きいペルチェモジュール１２と同時に使用すれば、本発明の効果はさらに顕著になる。
【００７７】
さらに、半導体レーザ素子１３を固定した基板１６のほか、パッケージ１１の底板１１ａをこのような熱伝導異方性を有する材料を使用して、ペルチェモジュール１２の加熱面と平行な面内の熱伝導率がペルチェモジュール１２の加熱面と垂直な方向の熱伝導率よりも大きいように作製すれば、本発明の効果はさらに顕著となる。
【００７８】
なお、上記のような熱伝導異方性を有する材料として、例えば銅又は銅合金をマトリクスとしてカーボンの分散材を配列したＣｕ−Ｃ等の繊維強化複合材により底板１１ａを形成すると、パッケージ１１の気密を得ることができないことが考えられる。それというのは、上記のような繊維強化複合材は、分散材の配列状態に応じて形成される孔に起因する微細な孔を有し、通気性を有しているからである。
【００７９】
そこで、例えば図５の（ａ）、（ｂ）に示すように、パッケージ１１の底板１１ａのペルチェモジュール１２の固定領域に、Ｃｕ−Ｃ等の熱伝導異方性を有する繊維強化複合材３０を設け、この繊維強化複合材３０を銅タングステン合金（Ｃｕ−Ｗ）やコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金の商標）等の金属材料のような通気性のない材料から成る板材の底板１１ａ（本発明の気密保持部）上に配置するとよい。すなわち、ペルチェモジュール１２の固定領域の外側に通気性のない気密保持部を形成するとよい。そして、この金属材料の底板１１ａに側壁１１ｂを接着固定してパッケージ１１とすれば、パッケージ１１の気密を確保でき、かつ、本発明の前記効果を顕著に発揮することができる。
【００８０】
なお、同図の（ａ）に示す構成例は、底板１１ａのペルチェモジュール１２が固定される領域をえぐり、このえぐり部分にＣｕ−Ｃ等の板材からなる繊維強化複合材３０を埋め込んだ例であり、繊維強化複合材３０の底板１１ａへの固定は例えば銀鑞付けにより行われる。また、同図の（ｂ）に示す構成例は、底板１１ａの上側に繊維強化複合材３０を接着固定し、この繊維強化複合材３０の上にペルチェモジュール１２にを固定した例であり、図の簡略化のために、ペルチェモジュール１２の底板１１ａへの固定部位周辺の構成のみ示してある。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体レーザモジュールによれば、ペルチェモジュールの吸熱量が半導体レーザ素子の固定された略中央部と比較して周辺部で大きくなるように形成されているため、半導体レーザ素子の固定された基板上の温度分布が半導体レーザ素子の周辺部分でより低くなって、基板上において半導体レーザ素子が固定された略中央部から周辺部分に向かって温度勾配に基づく熱の移動がより効果的に起こる。この結果、半導体レーザモジュールの厚さを厚くすることなく、排出される熱の流れを周辺部にまで広げることが可能となり、排熱経路の実効的な熱抵抗が小さくなる。そして、ペルチェモジュールの冷却側及び加熱側の絶縁基板の温度差が小さくなってペルチェモジュールの負荷が低減される結果、より高温動作の可能な、また消費電力の小さい半導体レーザモジュールが作製可能となる。
【００８２】
また、基板、ペルチェモジュール、該ペルチェモジュールを載置したパッケージの底板を含んで形成された、前記半導体レーザ素子からの熱を排熱する排熱経路の少なくとも一部分には、前記半導体レーザ素子から前記ペルチェモジュールに向かう方向よりも該方向に垂直な方向の熱の熱伝導率が高い熱拡散部が形成されている本発明によれば、この熱拡散部によって効率的に熱を拡散し、上記効果を発揮することができる。
【００８３】
なお、上記熱拡散部の構成例として、例えばペルチェモジュールの冷却面と平行な面内の熱伝導率がペルチェモジュールの冷却面と垂直な方向の熱伝導率よりも大きいような熱伝導異方性を有する材料で半導体レーザ素子を固定する基板を作製する例が挙げられ、このようにすると、半導体レーザ素子からの熱を横方向に効率的に広げることが可能となり、これによって上記した効果と同様の効果を得ることができる。
【００８４】
さらに、上記熱拡散部の別の構成例として、例えばペルチェモジュールを固定したパッケージの底板が、ペルチェモジュールの加熱面と平行な面内の熱伝導率がペルチェモジュールの加熱面と垂直な方向の熱伝導率よりも大きいように作製する例が挙げられ、このようにすると、ヒートシンクに排出される熱の流れを周辺部にまで広げることが可能となり、排熱経路の実効的な熱抵抗が小さくなる。その結果、ペルチェモジュールの加熱側の絶縁基板とヒートシンクとの温度差が小さくなってペルチェモジュールの負荷が低減される結果、より高温動作の可能な、また消費電力の小さい半導体レーザモジュールが作製可能となるのである。
【００８５】
さらに、パッケージの底板にはペルチェモジュール固定領域に熱拡散部が形成され、該熱拡散部として繊維強化複合材が用いられており、かつ、ペルチェモジュール固定領域よりも外側には通気性のない気密保持部が形成されている構成の本発明によれば、上記と同様に、ヒートシンクに排出される熱の流れを周辺部にまで広げて排熱経路の実効的な熱抵抗を小さくし、より高温動作の可能な、また消費電力の小さい半導体レーザモジュールにできる効果を発揮できると共に、パッケージに気密性を確実に保つことができる。
【００８６】
さらにまた、本発明の半導体レーザモジュールを構成しているペルチェモジュールによれば、吸熱量が略中央部と比較して周辺部で大きくなっているので、例えば半導体レーザモジュールに使用された場合に、基板上において半導体レーザ素子の固定された略中央部から周辺部分に向かって温度勾配に基づく熱の移動がより効果的に起こる。
【００８７】
この結果、半導体レーザモジュールの厚さを厚くすることなく、排出される熱の流れを周辺部にまで広げることが可能となり、排熱経路の実効的な熱抵抗が小さくなる。
【００８８】
さらに、ペルチェモジュールの冷却側及び加熱側の絶縁基板の温度差が小さくなってペルチェモジュールの負荷が低減され、より高温動作の可能な、また消費電力の小さい半導体レーザモジュールが作製可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体レーザモジュールの断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体レーザモジュールに用いられるペルチェモジュールの熱電効果素子の配置及び配線パターンを示す図で、（ａ）は加熱側基板を冷却側基板から見た図、（ｂ）は冷却側基板を加熱側基板から見た図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る半導体レーザモジュールに用いられるペルチェモジュールの熱電効果素子の配置及び配線パターンを示す図で、（ａ）は加熱側基板を冷却側基板から見た図、（ｂ）は冷却側基板を加熱側基板から見た図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る半導体レーザモジュールに用いられるペルチェモジュールの熱電効果素子の配線図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る半導体レーザモジュールに用いられるペルチェモジュールの底板への固定構造を示す説明図である。
【図６】従来の半導体レーザモジュールの断面図である。
【図７】従来の半導体レーザモジュールに使用されているペルチェモジュールを示す図で、（ａ）はペルチェモジュールの断面図、（ｂ）は上下の絶縁基板を省略して描いた斜視図、（ｃ）は熱電効果素子の配線図である。
【図８】ペルチェモジュールの製造方法を示す説明図である。
【図９】半導体レーザモジュールの熱的な環境を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１０ 半導体レーザモジュール
１１ パッケージ
１２ ペルチェモジュール
１３ 半導体レーザ素子
１４ サーミスタ
１５ レンズ
１６ 基板
１７ 光ファイバ
１８ Ｐ型熱電変換素子
１９ Ｎ型熱電変換素子
２２ ペルチェモジュール
３０ 繊維強化複合材
５０ ヒートシンク
【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、特に高温環境下での使用に適した半導体レーザモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体レーザは、光通信において信号用光源や光ファイバ増幅器の励起用光源として大量に用いられるようになってきた。半導体レーザが光通信において信号用光源や励起用光源として用いられる場合には、半導体レーザからのレーザ光を光ファイバに光学的に結合させたデバイスである半導体レーザモジュールとして使用される場合が多い。
【０００３】
図６は、このような半導体レーザモジュールの構造の一例を示したものである。図６に示す半導体レーザモジュール４０は、パッケージ１１内においてペルチェモジュール４２がパッケージ底板１１ａに固定されている。このペルチェモジュール４２の上には半導体レーザ素子１３とサーミスタ１４及びレンズ１５を固定した基板１６が固定されている。また、パッケージ１１の側壁１１ｂに設けられた貫通孔１１ｃには、光ファイバ１７が固定されている。図６において５０はヒートシンクである。
【０００４】
この半導体レーザモジュール４０は、半導体レーザ素子１３から出射されたレーザ光がレンズ１５により集光され、光ファイバ１７の端面に入射されてこれが光ファイバ１７内を導波し所望の用途に供される。
【０００５】
半導体レーザモジュール４０は、半導体レーザ素子１３を駆動するために電流を流すと発熱により半導体レーザ素子１３の温度が上昇する。この温度上昇は半導体レーザ素子１３の発振波長と光出力の変化を引き起こす原因となる。
【０００６】
このため、半導体レーザ素子１３の近傍に固定されたサーミスタ１４により半導体レーザ素子１３の温度を測定し、この測定値を用いてペルチェモジュール４２に流す電流を制御することによって半導体レーザ素子１３の温度を一定に保つことでその特性を安定化している。
【０００７】
半導体レーザモジュール４０に使用されるペルチェモジュール４２は、一般に図７に示すように、Ｐ型半導体であるＰ型熱電変換素子１８と、Ｎ型半導体であるＮ型熱電変換素子１９とが交互に並べられて２枚の例えばセラミックからなる絶縁層１２ａ、１２ｂの間に配置され、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９とが電気的に直列に接続されている。このＰ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９に直流電圧を印加することによって絶縁層１２ａ、１２ｂの表面に発熱又は吸熱を生ぜしめることにより対象物の加熱又は冷却が行われる。
【０００８】
図７（ａ）は、ペルチェモジュール４２の断面を示したもので、このペルチェモジュール４２は、アルミナ又は窒化アルミからなる２枚のセラミック製の絶縁基板１２ａ、１２ｂの間に、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９が挟持されている。これらの熱電効果素子１８、１９が絶縁基板１２ａ、１２ｂの表面に形成された電極１２ｃにより電気的に接続されている。
【０００９】
図７（ｂ）は、絶縁基板１２ａ、１２ｂを省略して図示したペルチェモジュール４２の斜視図である。ペルチェモジュール４２は、多数の熱電変換素子１８、１９が絶縁基板１２ａ及び１２ｂ上に二次元的に均一に配置して形成されている。
【００１０】
図７（ｃ）は、各熱電効果素子１８、１９の電気的接続を示すもので、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９とがそれぞれ交互に直列に接続されている。
【００１１】
接続される熱電素子１８、１９の数は、用途に応じて種々あるが、例えばＰ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９の対数が２０乃至４０対のものが半導体レーザモジュール用として一般に用いられている。
【００１２】
このようなペルチェモジュール４２は次のようにして製造される。まず、ビスマス（Ｂｉ）及びテルル（Ｔｅ）を主成分とする原料粉末から単結晶法やホットプレス法によりインゴットを作製し、これをチップ状に切断してＰ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９を作製する（例えば、特開平１−２０２３４３号公報や特開平１−１０６４７８号公報に開示されている公知の技術）。
【００１３】
次に、図８（ａ）に示すように、絶縁基板１２ａの上に複数の電極１２ｃを設けると共に各電極１２ｃの上に半田ペースト１２ｅを塗布する。次に図８（ｂ）に示すように各電極１２ｃの上に上記のチップ状のＰ型熱電変換素子１８を一つずつ載置する。その後図８（ｃ）に示すように各電極１２ｃの上に上記のチップ状のＮ型熱電変換素子１９を一つずつ載置することによって、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９を交互に配置する。
【００１４】
そして、上記の図８（ａ）と同様にして絶縁基板１２ｂの上に複数の電極１２ｃを設けると共に各電極１２ｃの上に半田ペースト１２ｅを塗布し、この絶縁基板を図８（ｄ）に示すようにＰ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９を載置した絶縁基板１２ａの上に、相互の電極１２ｃが互いに跨がるように配置して、下の絶縁基板１２ａの電極１２ｃ上のＰ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９にそれぞれ上の絶縁基板１２ｂの隣合う電極１２ｃを重ねる。
【００１５】
この状態で、図示していない半田リフロー炉内で半田ペースト１２ｅをリフローすることによって、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９を二枚の絶縁基板１２ａ、１２ｂ間に接合すると共に、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９を電極１２ｃを介して電気的に直列に接続して、図８（ｅ）に示すようなペルチェモジュール４２が製造される。
【００１６】
ペルチェモジュールに通電することにより、加熱、冷却作用が生じる理由は、次のように説明される。すなわち、図７（ａ）に示すようにペルチェモジュール４２に外部より直流電圧を印加すると、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９とは２枚の絶縁基板１２ａ、１２ｂによって挟持されかつ電気的には交互に直列接続されているために、Ｐ型熱電変換素子１８中では絶縁基板１２ａから絶縁基板１２ｂに向かって、またＮ型熱電変換素子１９中では１２ｂから１２ａに向かって電流が流れる。
【００１７】
しかし、Ｐ型熱電変換素子１８中では正孔が多数キャリアであり、Ｎ型熱電変換素子１９中では電子がそれぞれ多数キャリアである。この電流を担う粒子の移動はともに絶縁基板１２ａから１２ｂに向かう方向に起こる。一方、この電流を担う正孔及び電子は、熱の移動をも担うものでもある。このため、電流がＰ型熱電変換素子１８中とＮ型熱電変換素子１９中とで互いに反対の方向に流れるのに対して、熱の流れは常に一方向に起こることとなり、かくしてペルチェモジュール４２の一方の面では冷却が、他方の面では加熱が起こるのである。
【００１８】
このようなペルチェモジュール４２を有する図６に示す半導体レーザモジュール４０の作動中の熱的な環境について以下に説明する。
【００１９】
半導体レーザモジュール４０が光ファイバ増幅器等の通信機器内に搭載され使用される場合、同時に搭載される他の半導体レーザモジュールや電気回路素子等の発熱、及びその通信機器がおかれる場所の環境により、常温よりも高い環境温度で使用されることが多い。このため、半導体レーザモジュール４０は、排熱効率の高い状態で使用するため、通常ヒートシンク５０に固定されて使用される。
【００２０】
図９は、半導体レーザモジュール４０が、ヒートシンク５０に固定されて使用される場合の熱的な環境を模式的に表した図で同図においては説明上の関係でレンズ１５や光ファイバ１７などは省略して描いてある。
【００２１】
図９に示すように、半導体レーザモジュール４０の置かれる環境温度がＴa、ヒートシンク５０の温度がＴhsとする。ここで、サーミスタ１４の温度（サーミスタ温度）Ｔsを一定に保ちつつ半導体レーザ素子１３に電流を供給すると、半導体レーザ素子１３から発生した熱量ＱLDは、基板１６を伝導してペルチェモジュール４２の冷却側の絶縁基板１２ａに達し、続いて加熱側の絶縁基板１２ｂに向かって排熱される。
【００２２】
同時に、ペルチェモジュール４２に電流が流れていることによるペルチェモジュール自身の発熱量ＱTMも絶縁基板１２ｂに排熱される。そして、この熱量（ＱLD＋ＱTM）が、パッケージ１１の底板１１ａを経てヒートシンク５０に排熱される。
【００２３】
ペルチェモジュール４２の冷却側の絶縁基板１２ａ、加熱側の絶縁基板１２ｂの温度をそれぞれＴc、Ｔh、半導体レーザ素子１３と冷却側の絶縁基板１２ａとの間の熱抵抗をＫ1、加熱側の絶縁基板１２ｂとヒートシンク５０の間の熱抵抗をＫ2とすると、
Ｔh＝Ｔhs＋Ｋ2（ＱLD＋ＱTM）・・・・・・（１）
Ｔc＝Ｔs −Ｋ1ＱLD・・・・・・・・・・・・（２）
なる関係があるから、ペルチェモジュール４２の絶縁基板１２ａ，１２ｂ間の温度差△Ｔ＝Ｔh−Ｔcは、
△Ｔ＝（Ｔhs−Ｔs）＋（Ｋ1＋Ｋ2）ＱLD＋Ｋ2 ＱTM・・・（３）
と表せる。
【００２４】
（３）式において、右辺第一項の（Ｔhs−Ｔs）は、半導体レーザモジュール４０として使用される場合の内外温度差を意味する。
【００２５】
すなわち、（１）式より加熱側の絶縁基板１２ｂとヒートシンク５０の間に熱抵抗Ｋ2が存在することにより、ペルチェモジュール４２の加熱側基板１２ｂの温度Ｔhは、ヒートシンクの温度Ｔhsに比べてＫ2（ＱLD＋ＱTM）だけ高くなる。
【００２６】
また、（２）式より半導体レーザ素子１３と冷却側の絶縁基板１２ａとの間に熱抵抗をＫ1が存在することにより、冷却側の絶縁基板１２ａの温度Ｔcは、サーミスタ温度（半導体レーザ素子の温度）Ｔsに比べてＫ1 ＱLDだけ低くなる。
【００２７】
これらによって、半導体レーザモジュール４０として使用する場合の内外温度差（Ｔhs−Ｔs）は、ペルチェモジュール４２の絶縁基板間の温度差△Ｔに比べて（Ｋ1＋Ｋ2）ＱLD＋Ｋ2 ＱTMだけ小さくなるのである。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近、上記の半導体レーザモジュールは、システム全体の高出力化に伴い、光出力の高出力化と高環境温度下での動作が要求されるようになってきた。
【００２９】
半導体レーザモジュール高出力化のために半導体レーザ素子を高出力化すると、必然的にその発熱量（ＱLD）が増加する。このような高出力半導体レーザモジュールを、高温環境下で使用するためには、半導体レーザ素子からの発熱を従来よりも効率よく排熱しなければならない。
【００３０】
ところが、前述した従来の半導体レーザモジュールでは、次に述べるような問題があった。
【００３１】
図９に示す半導体レーザモジュール４０により説明すれば、半導体レーザ素子１３から発生した熱量ＱLDは、基板１６、ペルチェモジュール４２、パッケージ底板１１ａを経てヒートシンク５０に排熱される。
【００３２】
ここで、半導体レーザモジュール４０全体の厚さは機器への実装上の理由により所定の厚さに薄く設計されるため、基板１６及びパッケージ底板１１ａも薄く設計される。このため、半導体レーザ素子１３から発生した熱ＱLDが基板１６を厚さ方向に伝導する間、及びパッケージの底板１１ａを通過してヒートシンク５０に排熱されるまでの間に、横方向（ペルチェモジュールの絶縁基板１２ａ又は１２ｂの面と平行な方向）には十分広がらない。
【００３３】
また、ペルチェモジュール４２による熱の移動は、熱電変換素子内部の正孔及び電子を介したものであるから原理的に横方向に広がることはない。
【００３４】
すなわち、半導体レーザ素子１３から発生した熱量ＱLDは、半導体レーザ素子の直下及びその近傍に集中して流れて外部に排出されることになる。このため、この排出される熱の経路の実効的な熱抵抗は、熱が十分に広がって均一に排熱されると仮定した場合に比べて大きくなる。
【００３５】
これは、（１）式乃至（３）式においてＫ1及びＫ2の実効的な値が大きいことを意味する。このように排熱の実効的な熱抵抗の大きな状況で半導体レーザモジュールを使用する場合には、この熱抵抗によって生じる温度差が、均一に排熱されると仮定した場合に比べて大きくなるのである。
【００３６】
そしてこの温度差は、半導体レーザ素子１３から発生する熱量ＱLDが大きくなるほど、また半導体レーザモジュール４０がより高い環境温度下で使用される場合（ＱTMが大きい場合）ほど顕著になる。
【００３７】
このような状況の下で半導体レーザモジュール４０を使用すると、ペルチェモジュール４２の加熱側・冷却側の絶縁基板１２ａ、１２ｂ間の温度差△Ｔが非常に大きくなり、ペルチェモジュール４２の負荷が大きくなってその消費電力が増大し、これがさらに環境温度を高くするという悪循環を引き起こす。
【００３８】
したがって、半導体レーザモジュールを高出力化し、またより高温環境下で使用するためには、半導体レーザ素子１３からヒートシンク５０に至る熱の流れを均一化することが必要である。このためには、基板１６やパッケージの底板１１ａ等、排熱の経路上に存在する部品の厚さを厚くすることで、横方向への熱の拡散が起こるようにすればよいが、上記したように部品の厚さは半導体レーザモジュールの機器への実装条件によって制約されるため、このような方策は事実上採用することができない。
【００３９】
本発明は、上記した従来の半導体レーザモジュールが有する排熱の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、半導体レーザモジュールに用いられる部品の厚さを厚くすることなく半導体レーザ素子からヒートシンクに至る熱の流れを均一化することでヒートシンクとペルチェモジュールの加熱側基板の温度差及びサーミスタとペルチェモジュールの冷却側基板の温度差を小さくし、もってペルチェモジュールの負荷を軽減し、その消費電力を小さくするとともに、より高い光出力で、かつより高い環境温度下で使用可能な半導体レーザモジュールを提供することにある。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。
【００４２】
すなわち、半導体レーザモジュールの本第１の発明は、半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子を載置した基板と、該基板を冷却するペルチェモジュールと、前記半導体レーザ素子、前記基板および前記ペルチェモジュールを収容するパッケージとを有する半導体レーザモジュールであって、前記基板、ペルチェモジュール、該ペルチェモジュールを載置したパッケージの底板を含んで形成された、前記半導体レーザ素子からの熱を排熱する排熱経路の少なくとも一部分には、前記半導体レーザ素子から前記ペルチェモジュールに向かう方向よりも該方向に垂直な方向の熱の熱伝導率が高い熱拡散部が形成されており、前記パッケージの底板にはペルチェモジュール固定領域に熱拡散部が形成され、該熱拡散部として繊維強化複合材が用いられており、かつ、ペルチェモジュール固定領域よりも外側には通気性のない気密保持部が形成されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００４４】
また、半導体レーザモジュールの本第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記ペルチェモジュールはＰ型及びＮ型の複数の熱電変換素子対と、前記複数の熱電変換素子対を挟持する２枚のセラミック板を有し、複数の熱電変換素子対がセラミック板上において周辺部が略中央部よりも密に配列されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００４５】
また、半導体レーザモジュールの本第３の発明は、上記第１又は第２の発明の構成に加え、前記ペルチェモジュールはＰ型及びＮ型の複数の熱電変換素子対と、前記複数の熱電変換素子対を挟持する２枚のセラミック板を有し、複数の熱電変換素子対は、個々の熱電変換素子対が電気的に直列に接続された第一の部分と複数個の熱電変換素子対が並列に接続された第二の部分とから成り、第一の部分に対応する熱電変換素子対が前記セラミック板の周辺部に配置され第２の部分に対応する熱電変換素子対が前記セラミック板の略中央部に配置されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００４９】
上記構成の本発明においては、ペルチェモジュールの吸熱量が半導体レーザ素子の配置された略中央部と比較して周辺部で大きくなるように形成されているため、半導体レーザ素子の固定された基板上の温度分布が、周辺部分でより低くなり、したがって、基板上において略中央部から周辺部分に向かって温度勾配に基づく熱の移動がより効果的に起こる。
【００５０】
また、半導体レーザ素子を固定した基板のペルチェモジュールの冷却面と平行な面内の熱伝導率が、ペルチェモジュールの冷却面と垂直な方向の熱伝導率よりも大きい構成とすると、基板上において略中央部から周辺部分に向かう熱の移動量を多くすることが可能になる。
【００５１】
さらに、ペルチェモジュールの加熱側基板が固定されたパッケージの底板や底板のペルチェモジュール固定領域に設けた繊維強化複合材のペルチェモジュールの加熱面と平行な面内の熱伝導率が、垂直な方向の熱伝導率よりも大きい構成とすると、パッケージの底板上において略中央部から周辺部分に向かう熱の移動量を多くすることが可能になる。
【００５２】
このため、半導体レーザ素子から発生する熱が、ペルチェモジュールの絶縁基板面と平行な面内において、より均一な状態で排熱されることとなるため、排熱経路の実効的な熱抵抗が小さくなって上記課題が解決される。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施の形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略する。
【００５４】
図１は、本発明に係る半導体レーザモジュールの実施形態例を適用する一例を示すものである。
【００５５】
図１に示すように、本実施形態例の半導体レーザモジュール１０は、半導体レーザ素子１３が基板１６に固定されている。（なお、図示していないが、半導体レーザ素子１３はＡｌＮ（窒化アルミ）等のヒートシンクを介して基板１６に固定されていてもよい）。また基板１６は、パッケージ１１の底板１１ａ上に半田固定されたペルチェモジュール１２の上に半導体レーザ素子１３がペルチェモジュール１２の略中央部の上部に配置される位置で半田固定されている。
【００５６】
パッケージ１１の側壁１１ｂの貫通孔１１ｃには、光ファイバ１７が固定されている。この光ファイバ１７は、基板１６上に固定されたレンズにより集光された半導体レーザ素子１３からの光が結合される位置に固定されている。
【００５７】
また、基板１６上には、半導体レーザ素子１３の近傍にサーミスタ１４が固定されている。この半導体レーザモジュール１０では、基板１６、ペルチェモジュール１２、パッケージ１１の底板１１ａを含んで、半導体レーザ素子１３からの熱を排熱する排熱経路が形成されている。
【００５８】
ここで、本発明に係る半導体レーザモジュール１０に使用されるペルチェモジュール１２は、半導体レーザ素子１３の真下にあたる略中央部の吸熱量に比べて周辺部の吸熱量が大きくなっている。図２は、このペルチェモジュール１２の加熱側基板１２ｂ及び冷却側基板１２ａ上における熱電変換素子の配置と電極のパターンの一例を示したものである。
【００５９】
図２（ａ）は加熱側基板１２ｂを冷却側基板１２ａから見た図、図２（ｂ）は、冷却側基板１２ａを加熱側基板１２ｂから見た図である。
【００６０】
図２の（ａ）、（ｂ）においてＰ型熱電変換素子１８及びＮ型熱電変換素子１９は、周辺部ほど密に中心部ほど疎に配列され、これらが電極１２ｃによって直列に接続されている。ここで、各熱電変換素子１８、１９に流れる電流はすべて同じであるから、熱電変換素子１８、１９が冷却側基板１２ａから加熱側基板１２ｂへ運ぶ熱量は、Ｐ型熱電変換素子１８及びＮ型熱電変換素子１９それぞれにおいてすべて等しい。従って、熱電変換素子１８、１９が密に配置されている周辺部ほど吸熱量が大きく、熱電変換素子１８、１９が疎に配置されている中心部ほど吸熱量が小さいペルチェモジュール１２となる。
【００６１】
なお、このようなペルチェモジュール１２は、絶縁基板１２ａ、１２ｂ上の電極パターンの形成位置及び熱電変換素子の配置を変更する点を除き、従来より公知のペルチェモジュールの作製方法と同一の方法で作製可能である。
【００６２】
また、図３は、本発明の半導体レーザモジュールに使用されるペルチェモジュール２２の加熱側基板１２ｂ及び冷却側基板１２ａ上における熱電変換素子１８、１９の配置と電極のパターンの他の例を示したものである。図３（ａ）は加熱側基板１２ｂを冷却側基板１２ａから見た図、図３（ｂ）は、冷却側基板１２ａを加熱側基板１２ｂから見た図、また図４は、図３に示すペルチェモジュール２２の各熱電変換素子１８、１９の電気的な配線を示した図である。本実施形態においては、熱電変換素子は２次元的に均一に配置固定されている。熱電変換素子１８、１９の電気的接続は、図４に示すように、Ｐ型電変換素子１８及びＮ熱電変換素子１９が直列に接続された第１の部分２０と、並列に接続された第２の部分２１とがあり、これらの各部分が、図３（ａ）及び図３（ｂ）のように、第１の部分２０が周辺部に、第２の部分２１が略中央部に配置してなっている。
【００６３】
このようなペルチェモジュール２２においては、第２の部分２１にある熱電変換素子１個当たりに流れる電流は、第１の部分２０にある熱電変換素子１個当たりに流れる電流に比べて小さいため、第２の部分２１にある熱電変換素子１個当たりが運ぶ熱量は、第１の部分２０にある熱電変換素子１個当たりが運ぶ熱量に比べて小さい。したがって、第１の部分２０の熱電変換素子１８、１９が周辺部に、第２の部分の熱電変換素子１８、１９が略中央部に配置されていることにより、吸熱量が略中央部において小さく、周辺部で大きいペルチェモジュール２２ができる。
【００６４】
図２（又は図３）に示した吸熱量が略中央部において小さく周辺部で大きいペルチェモジュール１２（又はペルチェモジュール２２）を半導体レーザモジュール１０に使用する場合には、半導体レーザ素子１３をペルチェモジュール１２（又はペルチェモジュール２２）の略中央部に配置するのが望ましい。
【００６５】
すなわち、ペルチェモジュール１２（又はペルチェモジュール２２）の吸熱量が半導体レーザ素子１３の固定された略中央部と比較して周辺部で大きくなるように形成されているため、従来のペルチェモジュール４２を使用した場合に比べて、半導体レーザ素子１３の固定された基板１６上の温度分布が、半導体レーザ素子１３の周辺部分でより低くなる。
【００６６】
したがって、基板１６上において半導体レーザ素子１３が固定された略中央部から周辺部分に向かって温度勾配に基づく熱の移動がより効果的に起こる。
【００６７】
この結果、排熱の流れを周辺部にまで広げることが可能となり、排熱経路の実効的な熱抵抗が小さくなる。そして、ペルチェモジュール１２（又はペルチェモジュール２２）の加熱側基板１２ｂと冷却側基板１２ａの温度差が小さくなってペルチェモジュール１２（又はペルチェモジュール２２）の負荷が低減され、より高温動作の可能な、また消費電力の小さい半導体レーザモジュール１０となる。
【００６８】
また、本実施形態の半導体レーザモジュール１０に使用されるペルチェモジュールは、図２又は図３に示したペルチェモジュール１２又はペルチェモジュール２２の形態のものに限定されず、吸熱量が略中央部において小さく、周辺部で大きいものであれば、上記の作用を奏することができることはいうまでもない。
【００６９】
例えば、図４に示す熱電変換素子１８、１９の配線方法としては、直列・並列の接続方法を種々組み合わせることも可能であることはいうまでもない。
【００７０】
さらに、本発明では、ペルチェモジュールの冷却面と平行な面内の熱伝導率がペルチェモジュールの冷却面と垂直な方向の熱伝導率よりも大きい（すなわち半導体レーザ素子からペルチェモジュールに向かう方向よりも、それに垂直な方向の熱伝導率が大きい）熱伝導異方性を有する材料で半導体レーザ素子１３を固定する基板１６を作製することによっても、半導体レーザ素子１３からの熱を横方向に効率的に広げることが可能となり、これによって上記した作用と同様の作用を得ることができる。
【００７１】
このような熱伝導異方性を有する基板１６の材料としては、金属をマトリクスとする繊維強化複合材を使用することができる。このような複合材としては、例えばカーボン（Ｃ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３ ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）等を分散材とし、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）等をマトリクスとするものが知られている。
【００７２】
このような複合材の製法は、例えば銅もしくは銅合金をマトリクスとしカーボン繊維を分散材とする複合材としては、次のようなものがある。すなわち、銅粉末若しくは銅合金粉末、モリブデン粉末又はタングステン粉末若しくはこれらの混合物の粉末を、炭素及び／又は黒鉛質の繊維とともにボールミル等の方法で混合し、この原料混合物をプレスして混合物の圧縮成型物を得、これをさらに熱間静水圧加圧によって一軸方向に圧縮する。このようにして作製された複合材料では、炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維が金属マトリクスに圧縮方向に垂直な２次元面方向にランダムに配向する。なお、このような複合材料およびその製法に関しては、例えば特開平１１―１４０５５９に開示されている。
【００７３】
上記の複合材料を用いて、基板１６の上面、下面がこの炭素繊維の配向面と平行になるように形成することによりペルチェモジュール１２の冷却面と平行な面内の熱伝導率がペルチェモジュール１２の冷却面と垂直な方向の熱伝導率よりも大きいような熱伝導異方性を有する基板が得られる。なお、基板１６の全部を上記の複合材料で形成する必要はなく、その一部を上記の複合材料で形成するだけでも十分効果は得られる。
【００７４】
基板１６全体を複合材で形成したものでは、ペルチェモジュール１２の冷却面と平行な面内、及び垂直な方向の熱伝導率は、それぞれ例えば約２５０Ｗ／ｍＫ、１００Ｗ／ｍＫのようなものが得られる。なお、繊維の配向の方向を２次元でなく１次元的にすることも可能であり、この場合にはさらに大きな熱伝導異方性が得られる。
【００７５】
また、上記熱伝導異方性材料として、例えばアドバンストセラミックス社（アメリカ合衆国）から販売されているような熱伝導異方性を有するカーボン材料も利用できる。このようなカーボン材料としては、最大の熱伝導率が１７００Ｗ／ｍＫ程度のものも入手可能であり、このようなカーボン材料に金属被覆を施したり、ペルチェモジュール１２の絶縁基板であるアルミナや窒化アルミ等と熱膨張率が近いＳｉＣ／Ａｌ（熱膨張率６．７ｐｐｍ／℃）を前記カーボン材料に被覆したりすることにより、本発明に好適に適用できる。
【００７６】
そして、上記のような熱伝導異方性を有する基板１６を使用することにより、半導体レーザ素子１３から発生した熱が効率よくペルチェモジュール１２の冷却面に平行な方向に広がるため、排熱の実効的な熱抵抗が小さくなる。この結果ペルチェモジュール１２の負荷が軽減し、高温環境下でも動作可能で、消費電力の少ない半導体レーザモジュール１０ができる。さらに、このような熱伝導異方性を有する材料で作製された基板１６を、上記した吸熱量が略中央部において小さく、周辺部で大きいペルチェモジュール１２と同時に使用すれば、本発明の効果はさらに顕著になる。
【００７７】
さらに、半導体レーザ素子１３を固定した基板１６のほか、パッケージ１１の底板１１ａをこのような熱伝導異方性を有する材料を使用して、ペルチェモジュール１２の加熱面と平行な面内の熱伝導率がペルチェモジュール１２の加熱面と垂直な方向の熱伝導率よりも大きいように作製すれば、本発明の効果はさらに顕著となる。
【００７８】
なお、上記のような熱伝導異方性を有する材料として、例えば銅又は銅合金をマトリクスとしてカーボンの分散材を配列したＣｕ−Ｃ等の繊維強化複合材により底板１１ａを形成すると、パッケージ１１の気密を得ることができないことが考えられる。それというのは、上記のような繊維強化複合材は、分散材の配列状態に応じて形成される孔に起因する微細な孔を有し、通気性を有しているからである。
【００７９】
そこで、例えば図５の（ａ）、（ｂ）に示すように、パッケージ１１の底板１１ａのペルチェモジュール１２の固定領域に、Ｃｕ−Ｃ等の熱伝導異方性を有する繊維強化複合材３０を設け、この繊維強化複合材３０を銅タングステン合金（Ｃｕ−Ｗ）やコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金の商標）等の金属材料のような通気性のない材料から成る板材の底板１１ａ（本発明の気密保持部）上に配置するとよい。すなわち、ペルチェモジュール１２の固定領域の外側に通気性のない気密保持部を形成するとよい。そして、この金属材料の底板１１ａに側壁１１ｂを接着固定してパッケージ１１とすれば、パッケージ１１の気密を確保でき、かつ、本発明の前記効果を顕著に発揮することができる。
【００８０】
なお、同図の（ａ）に示す構成例は、底板１１ａのペルチェモジュール１２が固定される領域をえぐり、このえぐり部分にＣｕ−Ｃ等の板材からなる繊維強化複合材３０を埋め込んだ例であり、繊維強化複合材３０の底板１１ａへの固定は例えば銀鑞付けにより行われる。また、同図の（ｂ）に示す構成例は、底板１１ａの上側に繊維強化複合材３０を接着固定し、この繊維強化複合材３０の上にペルチェモジュール１２にを固定した例であり、図の簡略化のために、ペルチェモジュール１２の底板１１ａへの固定部位周辺の構成のみ示してある。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体レーザモジュールによれば、ペルチェモジュールの吸熱量が半導体レーザ素子の固定された略中央部と比較して周辺部で大きくなるように形成されているため、半導体レーザ素子の固定された基板上の温度分布が半導体レーザ素子の周辺部分でより低くなって、基板上において半導体レーザ素子が固定された略中央部から周辺部分に向かって温度勾配に基づく熱の移動がより効果的に起こる。この結果、半導体レーザモジュールの厚さを厚くすることなく、排出される熱の流れを周辺部にまで広げることが可能となり、排熱経路の実効的な熱抵抗が小さくなる。そして、ペルチェモジュールの冷却側及び加熱側の絶縁基板の温度差が小さくなってペルチェモジュールの負荷が低減される結果、より高温動作の可能な、また消費電力の小さい半導体レーザモジュールが作製可能となる。
【００８２】
また、基板、ペルチェモジュール、該ペルチェモジュールを載置したパッケージの底板を含んで形成された、前記半導体レーザ素子からの熱を排熱する排熱経路の少なくとも一部分には、前記半導体レーザ素子から前記ペルチェモジュールに向かう方向よりも該方向に垂直な方向の熱の熱伝導率が高い熱拡散部が形成されている本発明によれば、この熱拡散部によって効率的に熱を拡散し、上記効果を発揮することができる。
【００８３】
なお、上記熱拡散部の構成例として、例えばペルチェモジュールの冷却面と平行な面内の熱伝導率がペルチェモジュールの冷却面と垂直な方向の熱伝導率よりも大きいような熱伝導異方性を有する材料で半導体レーザ素子を固定する基板を作製する例が挙げられ、このようにすると、半導体レーザ素子からの熱を横方向に効率的に広げることが可能となり、これによって上記した効果と同様の効果を得ることができる。
【００８４】
さらに、上記熱拡散部の別の構成例として、例えばペルチェモジュールを固定したパッケージの底板が、ペルチェモジュールの加熱面と平行な面内の熱伝導率がペルチェモジュールの加熱面と垂直な方向の熱伝導率よりも大きいように作製する例が挙げられ、このようにすると、ヒートシンクに排出される熱の流れを周辺部にまで広げることが可能となり、排熱経路の実効的な熱抵抗が小さくなる。その結果、ペルチェモジュールの加熱側の絶縁基板とヒートシンクとの温度差が小さくなってペルチェモジュールの負荷が低減される結果、より高温動作の可能な、また消費電力の小さい半導体レーザモジュールが作製可能となるのである。
【００８５】
さらに、パッケージの底板にはペルチェモジュール固定領域に熱拡散部が形成され、該熱拡散部として繊維強化複合材が用いられており、かつ、ペルチェモジュール固定領域よりも外側には通気性のない気密保持部が形成されている構成の本発明によれば、上記と同様に、ヒートシンクに排出される熱の流れを周辺部にまで広げて排熱経路の実効的な熱抵抗を小さくし、より高温動作の可能な、また消費電力の小さい半導体レーザモジュールにできる効果を発揮できると共に、パッケージに気密性を確実に保つことができる。
【００８６】
さらにまた、本発明の半導体レーザモジュールを構成しているペルチェモジュールによれば、吸熱量が略中央部と比較して周辺部で大きくなっているので、例えば半導体レーザモジュールに使用された場合に、基板上において半導体レーザ素子の固定された略中央部から周辺部分に向かって温度勾配に基づく熱の移動がより効果的に起こる。
【００８７】
この結果、半導体レーザモジュールの厚さを厚くすることなく、排出される熱の流れを周辺部にまで広げることが可能となり、排熱経路の実効的な熱抵抗が小さくなる。
【００８８】
さらに、ペルチェモジュールの冷却側及び加熱側の絶縁基板の温度差が小さくなってペルチェモジュールの負荷が低減され、より高温動作の可能な、また消費電力の小さい半導体レーザモジュールが作製可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体レーザモジュールの断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体レーザモジュールに用いられるペルチェモジュールの熱電効果素子の配置及び配線パターンを示す図で、（ａ）は加熱側基板を冷却側基板から見た図、（ｂ）は冷却側基板を加熱側基板から見た図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る半導体レーザモジュールに用いられるペルチェモジュールの熱電効果素子の配置及び配線パターンを示す図で、（ａ）は加熱側基板を冷却側基板から見た図、（ｂ）は冷却側基板を加熱側基板から見た図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る半導体レーザモジュールに用いられるペルチェモジュールの熱電効果素子の配線図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る半導体レーザモジュールに用いられるペルチェモジュールの底板への固定構造を示す説明図である。
【図６】従来の半導体レーザモジュールの断面図である。
【図７】従来の半導体レーザモジュールに使用されているペルチェモジュールを示す図で、（ａ）はペルチェモジュールの断面図、（ｂ）は上下の絶縁基板を省略して描いた斜視図、（ｃ）は熱電効果素子の配線図である。
【図８】ペルチェモジュールの製造方法を示す説明図である。
【図９】半導体レーザモジュールの熱的な環境を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１０ 半導体レーザモジュール
１１ パッケージ
１２ ペルチェモジュール
１３ 半導体レーザ素子
１４ サーミスタ
１５ レンズ
１６ 基板
１７ 光ファイバ
１８ Ｐ型熱電変換素子
１９ Ｎ型熱電変換素子
２２ ペルチェモジュール
３０ 繊維強化複合材
５０ ヒートシンク
Claims (3)
- 半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子を載置した基板と、該基板を冷却するペルチェモジュールと、前記半導体レーザ素子、前記基板および前記ペルチェモジュールを収容するパッケージとを有する半導体レーザモジュールであって、前記基板、ペルチェモジュール、該ペルチェモジュールを載置したパッケージの底板を含んで形成された、前記半導体レーザ素子からの熱を排熱する排熱経路の少なくとも一部分には、前記半導体レーザ素子から前記ペルチェモジュールに向かう方向よりも該方向に垂直な方向の熱の熱伝導率が高い熱拡散部が形成されており、前記パッケージの底板にはペルチェモジュール固定領域に熱拡散部が形成され、該熱拡散部として繊維強化複合材が用いられており、かつ、ペルチェモジュール固定領域よりも外側には通気性のない気密保持部が形成されていることを特徴とする半導体レーザモジュール。
- ペルチェモジュールはＰ型及びＮ型の複数の熱電変換素子対と、前記複数の熱電変換素子対を挟持する２枚のセラミック板を有し、複数の熱電変換素子対がセラミック板上において周辺部が略中央部よりも密に配列されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザモジュール。
- ペルチェモジュールはＰ型及びＮ型の複数の熱電変換素子対と、前記複数の熱電変換素子対を挟持する２枚のセラミック板を有し、複数の熱電変換素子対は、個々の熱電変換素子対が電気的に直列に接続された第一の部分と複数個の熱電変換素子対が並列に接続された第二の部分とから成り、第一の部分に対応する熱電変換素子対が前記セラミック板の周辺部に配置され第２の部分に対応する熱電変換素子対が前記セラミック板の略中央部に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体レーザモジュール。
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