JPH071811Y2 - Semiconductor laser module - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は光通信システムの光源等に用いる半導体レーザ
モジュールに係り、特に電子冷却素子により半導体レー
ザ素子の定温化を図ったものにおいて半導体レーザ素子
の固定手段を改良した半導体レーザモジュールに関す
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention relates to a semiconductor laser module used as a light source of an optical communication system, and more particularly to a semiconductor laser element in which the temperature of the semiconductor laser element is kept constant by an electronic cooling element. And a semiconductor laser module having improved fixing means.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

半導体レーザ素子は温度により光出力が変化する閾値デ
バイスであり、温度上昇に伴なって光出力の低下や劣化
が加速されることはよく知られている。また、周囲温度
の変化は光通信システムに有害な雑音源であり、これに
よりモードホッピングや中心波長の温度シフト等が生じ
ることもある。このため、半導体レーザモジュールで
は、周囲温度に影響されずに定温状態に半導体レーザ素
子を保持する工夫が施され、その一つに電子冷却素子に
より箱形の気密パッケージ内に半導体レーザ素子を保持
するものがある。It is well known that a semiconductor laser device is a threshold device whose light output changes with temperature, and the decrease or deterioration of the light output is accelerated as the temperature rises. Further, the change in ambient temperature is a noise source harmful to the optical communication system, and this may cause mode hopping or temperature shift of the central wavelength. Therefore, the semiconductor laser module is devised to hold the semiconductor laser element in a constant temperature state without being affected by the ambient temperature, and one of them is to hold the semiconductor laser element in a box-shaped hermetic package by an electronic cooling element. There is something.

この電子冷却素子を使用した半導体レーザモジュールの
一例を第５図に示す。なお、これに関連する構成は、例
えば「昭和61年度電子通信学会総合全国大会 No.893」
の予稿集10-276の「DIP型形シングルモードファイバ用
レーザダイオードモジュール」等に記載されている。An example of a semiconductor laser module using this electronic cooling element is shown in FIG. For the composition related to this, see, for example, "The 1986 IEICE General Conference No.893".
Proceedings of 10-276, "DIP type laser diode module for single mode fiber", etc.

第５図に示す半導体レーザモジュールでは、光ファイバ
１および外部接続用中継端子２等を設けた箱形の金属製
気密パッケージ３内に金属ブロック４が電子冷却素子５
を介して固着され、この金属ブロック４上に半導体レー
ザ素子６、光ファイバ１への集光レンズ７およびモニタ
用受光素子８等が搭載されている。電子冷却素子５は、
ビスマス・テルル化合物の半導体素子5aと、その両端に
配した２枚のセラミック板5bとによって構成され、気密
パッケージ３と金属ブロック４とに対してロー材９を介
して接合されている。In the semiconductor laser module shown in FIG. 5, a metal block 4 is provided in a box-shaped metal hermetic package 3 provided with an optical fiber 1, a relay terminal 2 for external connection, etc.
The semiconductor laser element 6, the condenser lens 7 for the optical fiber 1, the light receiving element 8 for monitoring, and the like are mounted on the metal block 4 by being fixed through the metal block 4. The electronic cooling element 5 is
It is composed of a semiconductor element 5a of a bismuth tellurium compound and two ceramic plates 5b arranged at both ends thereof, and is joined to the hermetic package 3 and the metal block 4 via a brazing material 9.

ところで、半導体レーザ素子６からの光量を効率よく光
ファイバ１に導くためには、半導体レーザ素子６、集光
レンズ７および光ファイバ１の組み立て精度に数μｍオ
ーダーが要求され、しかも組み立て後においてもその精
度を維持しなければならない。By the way, in order to efficiently guide the amount of light from the semiconductor laser element 6 to the optical fiber 1, the semiconductor laser element 6, the condenser lens 7 and the optical fiber 1 must be assembled with an accuracy of the order of several μm. Its accuracy must be maintained.

〔考案が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

しかしながら、第５図に示した従来の半導体レーザモジ
ュールでは、振動や衝撃により、また経年的に光軸ずれ
を生じる場合があった。However, in the conventional semiconductor laser module shown in FIG. 5, there is a case where the optical axis shifts due to vibration or shock, or over time.

考案者の検討によると、金属ブロック４を電子冷却素子
５のみで気密パッケージ３に固定保持していること、お
よびその接合固定が低融点ロー材を用いたロー付けによ
っていることが判明した。According to a study by the inventor, it has been found that the metal block 4 is fixedly held in the airtight package 3 only by the electronic cooling element 5, and the bonding and fixing thereof is performed by brazing using a low melting point brazing material.

すなわち、電子冷却素子５の耐熱温度は約120℃と低い
ため、これよりも高融点のSn-Pb系等のロー材を使用す
ることができず、融点が120℃以下の例えばIn系ロー材
等を使用せざるを得ない。このIn系のロー材の機械的接
合強度はSn-Pb系のそれに比して約1/4である。従って、
このIn系ロー材９で接合した電子冷却素子５のみを介し
て金属ブロック４を保持した場合は得られる耐振動性お
よび耐衝撃性が比較的低度となる。That is, since the heat resistant temperature of the electronic cooling element 5 is as low as about 120 ° C., it is not possible to use a brazing material such as Sn—Pb having a melting point higher than that, and for example, an In brazing material having a melting point of 120 ° C. or less. There is no choice but to use etc. The mechanical bonding strength of this In-based brazing material is about 1/4 that of Sn-Pb-based. Therefore,
When the metal block 4 is held only through the electronic cooling element 5 joined by the In-based brazing material 9, the vibration resistance and impact resistance obtained are relatively low.

また、ロー材は一般にクリープ現象を起こし易く、経年
変化によって光軸ずれの原因ともなり得る。このこと
は、「昭和61年度電子通信学会光・電波部門全国大会」
の予稿集「No.453」（2-282）でも明らかにされてい
る。Further, the brazing material is generally apt to cause a creep phenomenon, which may cause an optical axis shift due to aging. This is "The National Conference of the Institute of Electronics, Communications and Communications, Optical and Radio Wave Division, 1986."
It has also been clarified in the paper "No.453" (2-282).

本考案はこのような事情に鑑みてなされたもので、振動
あるいは衝撃による光軸ずれや、経年的な光軸ずれを生
じることがなく、長期間高組立精度を維持することがで
きる半導体レーザモジュールを提供することを目的とす
る。The present invention has been made in view of such circumstances, and a semiconductor laser module capable of maintaining high assembly accuracy for a long period of time without causing an optical axis shift due to vibration or shock or a temporal optical axis shift. The purpose is to provide.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本考案は、金属ブロック上に半導体レーザ素子、集光レ
ンズおよびモニタ用受光素子を搭載し、この金属ブロッ
クを金属製気密パッケージ内に電子冷却素子を介してロ
ー付けにより接合保持した半導体レーザモジュールにお
いて、金属ブロックの気密パッケージへの固定保持手段
として熱伝導率の低い柱状の保持部材を設け、この保持
部材は電子冷却素子の接合用ロー材よりも高融点のロー
材を用いたロー付けまたは溶接により金属ブロックおよ
び気密パッケージに接合固定したことを特徴とし、もっ
て金属ブロックを気密パッケージに高機械的強度をもっ
て、かつクリープ現象による劣化を防止して固定保持で
きるようにし、これにより前記の目的を達成せんとする
ものである。The present invention relates to a semiconductor laser module in which a semiconductor laser element, a condenser lens and a light receiving element for monitoring are mounted on a metal block, and the metal block is bonded and held by brazing in a metal airtight package via an electronic cooling element. As a means for fixing and holding the metal block to the airtight package, a columnar holding member having low thermal conductivity is provided, and the holding member is brazed or welded using a brazing material having a melting point higher than that of the brazing material for joining the electronic cooling element. It is characterized in that it is joined and fixed to the metal block and the airtight package by means of which the metal block can be fixedly held in the airtight package with high mechanical strength and preventing deterioration due to the creep phenomenon, thereby achieving the above-mentioned object. It is something to do.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本考案の一実施例を第１図〜第３図を参照して説
明する。An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

第１図は半導体レーザモジュール全体を断面で示し、第
２図および第３図は要部を斜視状態で示している。FIG. 1 shows the entire semiconductor laser module in a cross section, and FIGS. 2 and 3 show a main part in a perspective state.

第１図および第２図に示すように、この実施例の半導体
レーザモジュールでは、光ファイバ10および外部接続用
中継端子11等を設けた箱形の金属製気密パッケージ12内
の底部上に金属ブロック13が電子冷却素子14を介してロ
ー付けにより保持されている。ロー材15は低融点のIn系
のものである。金属ブロック13は例えばステンレス鋼等
で構成され、その上面には半導体レーザ素子16、光ファ
イバ10への集光レンズ17およびモニタ用受光素子18等が
搭載されている。As shown in FIGS. 1 and 2, in the semiconductor laser module of this embodiment, a metal block is provided on the bottom of a box-shaped metal hermetic package 12 provided with an optical fiber 10 and a relay terminal 11 for external connection. 13 is held by brazing through the electronic cooling element 14. The brazing material 15 is a low melting point In-based material. The metal block 13 is made of, for example, stainless steel, and has a semiconductor laser element 16, a condenser lens 17 for the optical fiber 10 and a monitor light receiving element 18 mounted on the upper surface thereof.

このものにおいて、金属ブロック13の底面部13aは、熱
伝導率の低い材料で構成された１対の柱状の保持部材19
によって気密パッケージ12の底部上に固定保持されてい
る。すなわち、この保持部材19は第３図に示すように、
フォルステライト等のセラミック材料を主体とし、その
主体部分19aの上端部にコバルト等の金属片19bを銀ロー
19cを用いたロー付けにより貼着したものとされてい
る。また、主体部分19aの下端部にはコバルト等の金属
膜19dがメタライズされている。In this structure, the bottom surface portion 13a of the metal block 13 has a pair of columnar holding members 19 made of a material having a low thermal conductivity.
It is fixedly held on the bottom of the airtight package 12. That is, the holding member 19 is, as shown in FIG.
A ceramic material such as forsterite is mainly used, and a metal piece 19b such as cobalt is attached to the upper end of the main body portion 19a by silver silver.
It is said to have been attached by brazing using 19c. A metal film 19d of cobalt or the like is metallized at the lower end of the main body portion 19a.

この保持部材19は第１図および第２図に示すように、電
子冷却素子14の両側方に配置され、気密パッケージ12に
対しては銀ロー付けされ、金属ブロック13に対してはレ
ーザ溶接によるスポット溶接部20によって接合されてい
る。なお、保持部材19の気密パッケージ12に対する接合
用銀ローは、セラミック材製主体部分19aと金属片19bと
の接合用銀ローよりも低融点のものを使用している。As shown in FIGS. 1 and 2, the holding members 19 are arranged on both sides of the electronic cooling element 14, silver brazed to the hermetic package 12, and laser welded to the metal block 13. Joined by spot welds 20. It should be noted that the joining silver braze of the holding member 19 to the airtight package 12 has a melting point lower than that of the joining silver braze of the ceramic material main portion 19a and the metal piece 19b.

組み立て工程は以下の通りである。The assembly process is as follows.

まず、気密パッケージ12底部の所定位置に一対の保持部
材19を下端部の金属膜19dを介して銀ロー接続し、対向
状に立ち上げておく。次に、電子冷却素子14を低融点ロ
ー材15で接合した金属ブロック13を各保持部材19上に載
置するとともに、その電子冷却素子14の下端部を気密パ
ッケージ12の底部に低融点ロー材15でロー付け接合して
仮固定する。なお、この際、光ファイバ10に対する光軸
を高精度で一致させる。しかる後、金属ブロック13底面
と保持部材19上端の金属片19bとをレーザ溶接機により
スポット溶接する。First, a pair of holding members 19 are connected to a predetermined position on the bottom of the airtight package 12 via a metal film 19d on the lower end of the airtight package, and are connected to each other in a standing manner. Next, the metal block 13 in which the electronic cooling element 14 is joined with the low melting point brazing material 15 is placed on each holding member 19, and the lower end of the electronic cooling element 14 is placed on the bottom of the airtight package 12 with the low melting point brazing material. Braze together at 15 and temporarily fix. At this time, the optical axis with respect to the optical fiber 10 is aligned with high accuracy. Then, the bottom surface of the metal block 13 and the metal piece 19b at the upper end of the holding member 19 are spot-welded by a laser welding machine.

このようにして構成された半導体レーザモジュールの構
成によると、保持部材19を介し、高融点ロー材によるロ
ー付けおよび溶接接合により金属ブロック13が気密パッ
ケージ12内に固定保持されるので、その金属ブロック13
の機械的接合強度が高められ、振動および衝撃に対する
光軸ずれを生じることがなく、またクリープ現象による
経年的な光軸ずれも生じることがない。従って、初期に
設定した高精度の組み立て状態が長期間安定的に保持さ
れ、良好な光通信の維持が図れるようになる。なお、保
持部材19はセラミック材料を主体とする熱伝導の小さい
材料で構成したので、電子冷却素子14による半導体レー
ザ素子16の定温保持作用には何らの悪影響も及ぼさな
い。According to the configuration of the semiconductor laser module configured in this manner, the metal block 13 is fixedly held in the airtight package 12 by brazing and welding with a high melting point brazing material via the holding member 19, so that the metal block 13
The mechanical bonding strength of the is improved, the optical axis shift due to vibration and shock does not occur, and the optical axis shift due to the creep phenomenon does not occur over time. Therefore, the highly accurate assembled state set at the initial stage can be stably maintained for a long period of time, and good optical communication can be maintained. Since the holding member 19 is made of a material mainly composed of a ceramic material and having low heat conductivity, it does not have any adverse effect on the constant temperature holding action of the semiconductor laser element 16 by the electronic cooling element 14.

なお、前記実施例では、保持部材19の上端部にのみ金属
片19bを有する構成としたが、本考案はそのようなもの
に限らず、例えば第４図に示すように、保持部材19の下
端部にも支持用金属片19eを貼着し、この支持用金属片1
9eを気密パッケージにレーザ溶接によるスポット溶接部
21によって溶接接合してもよい。Although the metal piece 19b is provided only on the upper end portion of the holding member 19 in the above-described embodiment, the present invention is not limited to such a structure, and the lower end of the holding member 19 is, for example, as shown in FIG. Attach the supporting metal piece 19e to this part as well.
9e airtight package spot welded by laser welding
21 may be welded and joined.

このような構成にすれば、保持部材19の両端を溶接接合
することにより、さらに強固な金属ブロック13の保持が
可能となる。With such a configuration, it is possible to hold the metal block 13 more firmly by welding both ends of the holding member 19.

〔考案の効果〕[Effect of device]

以上のように、本考案によれば、熱伝導率の小さい材料
で構成した保持部材によって、金属ブロックを気密パッ
ケージに固定接合保持し、その接合手段は電子冷却素子
の接合用ロー材よりも高融点の接合材を用いることによ
り、機械的接合強度を向上することができ、高精度に設
定した光軸の長期間にわたる確実な維持が図れるという
効果が奏される。As described above, according to the present invention, the metal block is fixedly joined and held to the airtight package by the holding member made of a material having a small thermal conductivity, and the joining means is higher than the brazing material for joining the electronic cooling element. By using the bonding material having the melting point, the mechanical bonding strength can be improved, and the optical axis set with high accuracy can be reliably maintained for a long period of time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第１図は本考案の一実施例を示す全体断面図、第２図は
一部を断面で示す第１図の要部斜視図、第３図は保持部
材を拡大して示す斜視図、第４図は他の実施例を示す斜
視図、第５図は従来例を示す断面図である。 12……気密パッケージ、13……金属ブロック、14……電
子冷却素子、15……低融点ロー材、16……半導体レーザ
素子、17……集光レンズ、18……モニタ用受光素子、19
……保持部材、19a……セラミック材製の主体部分、19
b、19e……金属片。FIG. 1 is an overall cross-sectional view showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a partial perspective view showing a part of the present invention, and FIG. 3 is an enlarged perspective view showing a holding member. FIG. 4 is a perspective view showing another embodiment, and FIG. 5 is a sectional view showing a conventional example. 12 …… Airtight package, 13 …… Metal block, 14 …… Electronic cooling element, 15 …… Low melting point brazing material, 16 …… Semiconductor laser element, 17 …… Condensing lens, 18 …… Monitor light receiving element, 19
...... Holding member, 19a ...... Main part made of ceramic material, 19
b, 19e ... A piece of metal.

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 【請求項１】金属ブロック上に半導体レーザ素子、集光
レンズおよびモニタ用受光素子を搭載し、その金属ブロ
ックを金属性気密パッケージ内に電子冷却素子を介して
ロー付けにより接合保持した半導体レーザモジュールに
おいて、前記金属ブロックの気密パッケージへの固定保
持手段として熱伝導率の低い柱状の保持部材を設け、こ
の保持部材は、前記電子冷却素子の接合用ロー材よりも
高融点のロー材を用いたロー付けまたは溶接により、前
記金属ブロックおよび気密パッケージに接合固定したこ
とを特徴とする半導体レーザモジュール。1. A semiconductor laser module in which a semiconductor laser element, a condenser lens, and a light receiving element for monitoring are mounted on a metal block, and the metal block is bonded and held by brazing in a metallic hermetic package via an electronic cooling element. In the above, a columnar holding member having a low thermal conductivity is provided as a means for fixing and holding the metal block to the airtight package, and this holding member uses a brazing material having a melting point higher than that of the brazing material for joining the electronic cooling element. A semiconductor laser module, which is bonded and fixed to the metal block and the airtight package by brazing or welding. 【請求項２】保持部材が、セラミック材料を主体とし、
高融点金属材料がメタライズされた端部あるいは金属片
が高融点のロー材でロー付けされた端部を有するもので
あることを特徴とする実用新案登録請求の範囲第１項記
載の半導体レーザモジュール。2. The holding member is mainly made of a ceramic material,
2. The semiconductor laser module according to claim 1, wherein the high melting point metal material has an end portion metallized or the metal piece has an end portion brazed with a high melting point brazing material. .