JP7509339B1 - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

円板状の金属ステム（１）の主面に金属製のブロック（２）が形成されている。ブロック（２）は、実装面（２ａ）と、実装面（２ａ）とは反対側の放熱面（２ｂ）とを有する。半導体レーザチップ（６）がブロック（２）の実装面に実装されている。キャップ（９）は、半導体レーザチップ（６）から出射されたレーザ光を集光するレンズ（１０）と、レンズ（１０）を保持し金属ステム（１）又はブロック（２）に固定された鏡筒（１１）とを有する。ブロック（２）の放熱面は、鏡筒（１１）で覆われておらず、金属ステム（１）の側面と面一である。

Description

本開示は、ＴＯ－ＣＡＮ型の半導体レーザ装置及び半導体レーザモジュールに関する。

ＴＯ－ＣＡＮ型の半導体レーザ装置では、円板状の金属ステムの主面に形成されたブロックに半導体レーザチップを実装する（例えば、特許文献１参照）。半導体レーザチップの駆動時に発する熱はブロック及び金属ステムを経由して放熱される。

日本特開２００７－０２７３７５号公報

従来は小型化のために半導体レーザチップ及びブロック等を全て鏡筒内に収納していた。鏡筒内のスペースは限られているため、放熱経路となるブロックの体積を十分に確保することが難しかった。また、半導体レーザチップから放射状に伝搬する熱を放熱する経路がブロックから金属ステムに向かう方向のみであるため、放熱量が制限されていた。よって、従来の半導体レーザ装置は放熱性が悪いため、光出力低下、素子故障、又は半導体レーザ特性の劣化を招くという問題があった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は放熱性を向上させることができる半導体レーザ装置及び半導体レーザモジュールを得るものである。

本開示に係る半導体レーザモジュールは、ＴＯ－ＣＡＮ型の半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置を保持して光ファイバに光結合させるホルダとを備え、前記半導体レーザ装置は、円板状の金属ステムと、前記金属ステムの主面に形成され、実装面と、前記実装面とは反対側の放熱面とを有する金属製のブロックと、前記ブロックの前記実装面に実装された半導体レーザチップと、前記半導体レーザチップから出射されたレーザ光を集光するレンズと、前記レンズを保持し前記金属ステム又は前記ブロックに固定された鏡筒とを有するキャップとを備え、前記ブロックの前記放熱面は、前記鏡筒で覆われておらず、前記金属ステムの側面と面一であり、前記ホルダの一部に開口が形成され、前記ブロックの前記放熱面が前記開口から露出していることを特徴とする。

本開示では、ブロックの放熱面は、鏡筒で覆われておらず、金属ステムの側面と面一である。これにより、半導体レーザチップの熱は、ブロックから金属ステムに向かって横方向に放熱されるだけでなく、ブロックの放熱面から外部に向かって縦方向にも放熱される。よって、半導体レーザチップから放射状に伝搬する熱を効率的に放熱できるため、放熱性が向上する。

実施の形態１に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置の内部を示す正面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置のステム、ブロック、キャップを示す斜視図である。 比較例に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。 比較例に係る半導体レーザ装置の内部を示す正面図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ装置の内部を示す正面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ装置のステム、ブロック、キャップを示す斜視図である。 実施の形態４に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。 実施の形態４に係る半導体レーザ装置の内部を示す正面図である。 実施の形態４に係る半導体レーザ装置のステム、ブロック、キャップを示す斜視図である。 実施の形態５に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。 実施の形態５に係る半導体レーザ装置を示す上面図である。 実施の形態５に係る半導体レーザ装置の内部を示す正面図である。 実施の形態５に係る半導体レーザ装置のステム、ブロック、キャップを示す斜視図である。 実施の形態６に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。 実施の形態６に係る半導体レーザ装置の内部を示す正面図である。 実施の形態６に係る半導体レーザ装置のステム、ブロック、キャップを示す斜視図である。 実施の形態７に係る半導体レーザモジュールを示す断面図である。

実施の形態に係る半導体レーザ装置及び半導体レーザモジュールについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。図２は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の内部を示す正面図である。図３は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置のステム、ブロック、キャップを示す斜視図である。本実施の形態に係る半導体レーザ装置はＴＯ－ＣＡＮ型の半導体レーザ装置である。

円板状の金属ステム１の主面１ａに金属製のブロック２が形成されている。金属ステム１とブロック２は同じ材料からなり一体形成されている。ブロック２は、平坦な実装面２ａと、実装面２ａとは反対側の放熱面２ｂとを有する。実装面２ａは、金属ステム１の主面１ａに対して垂直である。放熱面２ｂは、ブロック２の下端の湾曲面であり、金属ステム１の側面と面一である。金属ステム１の主面１ａに対して垂直方向から見てブロック２は半円形である。

通電用のリード３が金属ステム１の貫通孔１ｂを貫通している。封止ガラス４が貫通孔１ｂに充填され、リード３と金属ステム１とを絶縁している。リード３は、金属ステム１の下側にあるブロック２と干渉しないように、金属ステム１の上側に配置されている。

サブマウント５がブロック２の実装面２ａの中央付近にダイボンドされている。半導体レーザチップ６がサブマウント５のメタライズされた部分にダイボンドされている。フォトダイード７が金属ステム１の主面１ａにサブマウント８を介して実装され、半導体レーザチップ６の後端面から取り出される光をモニタする。リード３と半導体レーザチップ６の表面電極がワイヤボンディングされている。他のリード３とサブマウント５のメタライズされた部分がワイヤボンディングされている。これにより電流注入の経路が形成されている。

キャップ９は、半導体レーザチップ６から出射されたレーザ光を集光するレンズ１０と、レンズ１０を保持する鏡筒１１とを有する。鏡筒１１は、半導体レーザチップ６等を覆うように金属ステム１の主面１ａ、ブロック２の実装面２ａ及びブロック２の先端面の３面にプロジェクション溶接により固定されている（ハーメチック封止）。この際、半導体レーザチップ６から出射されたレーザ光が効率良くレンズ１０に結合するよう位置決めを高精度に行う必要がある。これらの技術は光通信技術における最も基本的な技術の一つである。

具体的には、まず、レンズ１０と半導体レーザチップ６の中心線が重なるようにキャップ９をＹ方向に位置調整する。次に、キャップ９がブロック２の実装面２ａに接触するまでキャップ９を－Ｘ方向へ下げる。次に、－Ｚ方向へキャップ９をスライドさせ、キャップ９を金属ステム１及びブロック２に溶接固定する。この方法であれば、主にＹ方向の位置調整だけでブロック２の位置決めが完結するため、従来のような２次元以上の軸調整が不要となる。

鏡筒１１の側面にはブロック２の放熱面２ｂの形状に合わせて切り欠き１１ａが形成されている。鏡筒１１の切り欠き１１ａがブロック２に嵌合されている。ブロック２の放熱面２ｂは、切り欠き１１ａから鏡筒１１の外側に露出しており、鏡筒１１で覆われていない。

なお、鏡筒１１の固定方法は接着又は他の溶接でもよく、固定箇所も上記の例に限らず、ブロック２の放熱面からの放熱を妨げなければよい。気密封止の有無も使用用途又は環境に応じて選択可能である。搭載チップは半導体レーザチップ６に限らず、発熱チップであれば構造特有の利点を享受できる。サブマウント５を用いずに半導体レーザチップ６をブロック２に実装してもよい。

続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図４は、比較例に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。図５は、比較例に係る半導体レーザ装置の内部を示す正面図である。比較例では、半導体レーザチップ６、サブマウント及びブロック２等を全て鏡筒１１内に収納している。鏡筒１１内のスペースは限られているため、放熱経路となるブロック２の体積を十分に確保することができない。また、半導体レーザチップ６の熱を放熱する経路がブロック２から金属ステム１に向かう方向のみであるため、放熱量が制限されている。よって、比較例に係る半導体レーザ装置は放熱性が悪い。

これに対して、本実施の形態では、ブロック２の放熱面は、鏡筒１１で覆われておらず、金属ステム１の側面と面一である。面一である金属ステム１の側面とブロック２の放熱面を外部のヒートシンク（不図示）に接触させることで、金属ステム１とブロック２の両方から放熱できる。これにより、半導体レーザチップ６の熱は、ブロック２から金属ステム１に向かって横方向に放熱されるだけでなく、ブロック２の放熱面２ｂから外部に向かって縦方向にも放熱される。よって、半導体レーザチップ６から放射状に伝搬する熱を効率的に放熱できるため、放熱性が向上する。

また、ブロック２の下端の放熱面２ｂが金属ステム１の側面と面一になるまで、ブロック２を－Ｘ方向へ延伸させている。さらに、ブロック２の先端がキャップ９に干渉しない範囲内でブロック２をレーザ光出射方向であるＺ方向にも延伸させている。これによりブロック２の体積が増大するため、半導体レーザチップ６の熱を拡散する経路が拡大され、放熱性が向上する。放熱性が向上することで特に高温動作時の半導体レーザ特性が改善する。

半導体レーザチップ６から出射されたレーザ光とレンズ１０が直交するため、レンズ１０を保持する鏡筒１１の形状が簡単である。また、ブロック２の実装面２ａの上方に干渉する部分がないため半導体レーザチップ６及びサブマウント５の実装が容易である。

比較例では、金属ステム１の中心に対してキャップ９の中心が合うように鏡筒１１を位置決めするため、光軸調整に時間がかかる。一方、本実施の形態では、鏡筒１１の切り欠き１１ａをブロック２に嵌合させることで、光軸調整を短時間に行うことができる。嵌合する鏡筒１１の切り欠き１１ａとブロック２の形状の精度を確保することで位置決めのバラつきを抑制することができる。また、円筒状の鏡筒１１の一部をブロック２を露出させるために切り欠いただけであるため、鏡筒１１の形状は簡単である。

レンズ１０として集光性の高いボールレンズ等を用いた場合、半導体レーザチップ６とレンズ１０の距離を確保するために鏡筒１１の高さを高くする必要がある。本実施の形態では、レーザ光の出射方向にキャップ９のレンズ１０を配置するため、レンズ１０の種類、鏡筒１１の高さ等の制約を受けない。このため、鏡筒１１の高さを高くしてもレーザ光をレンズ１０に通すことができる。光学設計の自由度が高く、レンズ１０との結合効率が高い。

なお、角形の鏡筒と円形の球面レンズを組み合わせてキャップを形成した場合、鏡筒窓部の四隅部分に応力が集中してキャップ特性に懸念を生じる。一方、本実施の形態のキャップ９は、円筒状の鏡筒１１を用いるため、応力集中を防ぎ、等方性を有し、安定したキャップ特性を得ることができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。ブロック２は、半導体レーザチップ６からレーザ光１２が出射するｚ方向に延伸している。このブロック２のＺ方向の長さを制限して、半導体レーザチップ６とレンズ１０との間においてブロック２の先端部がレーザ光１２に干渉しないようにする。これによりレーザ光１２のレンズ１０への光結合を改善することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

なお、レーザ光１２は半導体レーザチップ６から楕円形に出射され、中心部分から外周にかけて出力は低下していく。従って、レーザ光１２の一部がブロック２の先端部と干渉してレンズ１０に結合されなくても、要求の光出力を満たすのであれば問題ない。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。図８は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置の内部を示す正面図である。図９は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置のステム、ブロック、キャップを示す斜視図である。

半導体レーザチップ６から出射されたレーザ光の通過経路においてブロック２の先端部の中央に窪み２ｃが部分的に形成されている。レーザ光が窪み２ｃ内を通過するため、半導体レーザチップ６とレンズ１０との間においてブロック２の先端部がレーザ光に干渉しない。これによりレーザ光のレンズ１０への光結合を改善することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

実施の形態４．
図１０は、実施の形態４に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。図１１は、実施の形態４に係る半導体レーザ装置の内部を示す正面図である。図１２は、実施の形態４に係る半導体レーザ装置のステム、ブロック、キャップを示す斜視図である。

ブロック２の実装面２ａの先端部に、円板状の鏡筒１１の曲率に合わせて半円形の彫り込み２ｄが形成されている。実施の形態１よりも短く加工した鏡筒１１の外周部が彫り込み２ｄに嵌合されている。これにより鏡筒１１がブロック２に固定される。なお、この際の固定方法は例えば溶接、接着等であるが、これらに限定されない。

ブロック２はＺ方向に延伸して鏡筒１１を固定する役割も果たす。これに伴い、ブロック２の実装面２ａの面積も拡大でき、半導体レーザチップ６及びサブマウント５の実装性と組立性が向上する。また、鏡筒１１の固定作業も効率化できる。嵌合構造によって位置決めのバラつきが抑制され、レンズ１０への光結合が改善する。また、短い鏡筒１１を採用することで、部材価格抑制、製造方法の簡素化、低コスト化も期待される。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

なお、半導体レーザチップ６及びサブマウント５は、ブロック２の実装面２ａの中央付近に実装され、鏡筒１１で覆われていない（ノンハーメチック封止）。屋内施設への設置等、使用環境によっては必ずしも鏡筒１１が半導体レーザチップ６を保護する必要はない。また、ＴＯＳＡ化又はモジュール実装の際に半導体レーザ装置はホルダ等のハードに覆われるため、鏡筒１１が半導体レーザチップを保護しない仕様も存在する。

実施の形態５．
図１３は、実施の形態５に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。図１４は、実施の形態５に係る半導体レーザ装置を示す上面図である。図１５は、実施の形態５に係る半導体レーザ装置の内部を示す正面図である。図１６は、実施の形態５に係る半導体レーザ装置のステム、ブロック、キャップを示す斜視図である。

ブロック２は、下段ブロック２１と、下段ブロック２１の上面に形成され下段ブロック２１よりも幅が狭い上段ブロック２２とを有する２段構造である。下段ブロック２１の下面が放熱面２ｂである。半導体レーザチップ６及びサブマウント５は上段ブロック２２の実装面２ａの中央付近に固定されている。ブロック２を２段構造とすることで、半導体レーザチップ６から放射状に拡散される熱を効率的に放熱することができる。

鏡筒１１は、金属ステム１の主面１ａと下段ブロック２１の上面の２面にプロジェクション溶接にて固定されて気密封止されている（ハーメチック封止）。ブロック２を２段構造としたため、組立性と拡張性に優れている。

下段ブロック２１はレンズ１０の直下付近までＺ方向に延伸している。上段ブロック２２のＸ方向の幅は、サブマウント５の実装の容易性等を加味しながら、鏡筒１１内に収まる範囲で拡大する。上段ブロック２２はＺ方向に鏡筒１１及びレンズ１０と干渉しない位置まで延伸している。ただし、上段ブロック２２は、実施の形態２と同様にＺ方向の長さを制限するか、又は、実施の形態３と同様に窪み２ｃを形成することにより、上段ブロック２２の先端部がレーザ光に干渉しないようにすることが好ましい。

実施の形態６．
図１７は、実施の形態６に係る半導体レーザ装置を示す側面図である。図１８は、実施の形態６に係る半導体レーザ装置の内部を示す正面図である。図１９は、実施の形態６に係る半導体レーザ装置のステム、ブロック、キャップを示す斜視図である。

ブロック２の外径は金属ステム１の外径と同じであり、放熱面２ｂを含むブロック２の側面は金属ステム１の側面と面一である。ブロック２は、金属ステム１の主面１ａに対して角度θで傾斜した傾斜面２ｅを有する。傾斜面２ｅの中央部に、金属ステム１の主面１ａに対して垂直な実装面２ａが形成されている。半導体レーザチップ６及びサブマウント５は実装面２ａに実装される。傾斜面２ｅの外周部に凹部２ｆが形成されている。

円筒状の鏡筒１１の端部がブロック２の傾斜面２ｅに対応する角度θで切り取られている。即ち、鏡筒１１の端部は、レンズ１０が固定された鏡筒１１の底面に対しても角度θで傾斜している。鏡筒１１の端部がブロック２の傾斜面２ｅの凹部２ｆに嵌合されている。これにより、組立時に鏡筒１１の位置決めが容易となる。なお、凹部２ｆの底面を鏡筒１１の外形よりも若干大きくすることで、組立時にＸ，Ｙ方向に対して鏡筒１１の微細な位置調整が可能である。

実施の形態７．
図２０は、実施の形態７に係る半導体レーザモジュールを示す断面図である。半導体レーザ装置１００は、この図では実施の形態１に係る半導体レーザ装置であるが、実施の形態２～６の何れかに係る半導体レーザ装置でもよい。円筒状のホルダ１０１は、半導体レーザ装置１００を保持し、レセプタクル１０２の光ファイバに光結合させる。ホルダ１０１の下端の湾曲面の一部に、半導体レーザ装置１００のブロック２の形状に合わせて開口１０１ａが形成されている。ブロック２の放熱面２ｂが、ホルダ１０１に覆われることなく、開口１０１ａから露出している。これにより、半導体レーザチップ６からの熱を効率的に放熱することができる。また、半導体レーザ装置１００とホルダ１０１を組み合わせた半導体レーザモジュールの形状は従来とほぼ同等となるため、光トランシーバ実装の際も光軸調芯が容易である。

１ 金属ステム、１ａ 主面、２ ブロック、２ａ 実装面、２ｂ 放熱面、２ｃ 窪み、２ｄ 彫り込み、２ｅ 傾斜面、２ｆ 凹部、６ 半導体レーザチップ、９ キャップ、１０ レンズ、１１ 鏡筒、１１ａ 切り欠き、２１ 下段ブロック、２２ 上段ブロック、１００ 半導体レーザ装置、１０１ ホルダ、１０１ａ 開口

Claims (7)

1. ＴＯ－ＣＡＮ型の半導体レーザ装置と、
   前記半導体レーザ装置を保持して光ファイバに光結合させるホルダとを備え、
   前記半導体レーザ装置は、
   円板状の金属ステムと、
   前記金属ステムの主面に形成され、実装面と、前記実装面とは反対側の放熱面とを有する金属製のブロックと、
   前記ブロックの前記実装面に実装された半導体レーザチップと、
   前記半導体レーザチップから出射されたレーザ光を集光するレンズと、前記レンズを保持し前記金属ステム又は前記ブロックに固定された鏡筒とを有するキャップとを備え、
   前記ブロックの前記放熱面は、前記鏡筒で覆われておらず、前記金属ステムの側面と面一であり、
   前記ホルダの一部に開口が形成され、
   前記ブロックの前記放熱面が前記開口から露出していることを特徴とする半導体レーザモジュール。
2. 前記鏡筒には前記ブロックの前記放熱面の形状に合わせて切り欠きが形成され、
   前記鏡筒の前記切り欠きが前記ブロックに嵌合され、
   前記ブロックの前記放熱面は前記切り欠きから露出していることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
3. 前記半導体レーザチップと前記レンズとの間において前記ブロックの先端部は前記レーザ光に干渉しないことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザモジュール。
4. 前記レーザ光の通過経路において前記ブロックの前記先端部に窪みが形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザモジュール。
5. 前記ブロックの前記実装面に半円形の彫り込みが形成され、
   円板状の前記鏡筒の外周部が前記彫り込みに嵌合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
6. 前記ブロックは、下段ブロックと、前記下段ブロックの上面に形成され前記下段ブロックよりも幅が狭い上段ブロックとを有し、
   前記鏡筒は、前記金属ステムの前記主面と前記下段ブロックの前記上面に固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザモジュール。
7. 前記ブロックは、前記金属ステムの前記主面に対して傾斜した傾斜面を有し、
   前記傾斜面の外周部に凹部が形成され、
   円筒状の前記鏡筒の端部が前記傾斜面に対応する角度で切り取られ、
   前記鏡筒の前記端部が前記傾斜面の前記凹部に嵌合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。

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