JPH1187852A

JPH1187852A - 電子冷却器付半導体レーザモジュール

Info

Publication number: JPH1187852A
Application number: JP9238575A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kobayashi; 正樹小林; Hiroyuki Asakura; 宏之朝倉; Masanori Iida; 正憲飯田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-09-03
Filing date: 1997-09-03
Publication date: 1999-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】公衆通信の使用帯域における光周波数応答特
性レベルの低下を防止した電子冷却器付半導体レーザモ
ジュールを提供する。【解決手段】モジュールパッケージとチップ搭載キャ
リアとの間のグラウンドラインの有するインダクタンス
を変化させることにより、グラウンドラインを含んで構
成される共振回路の共振周波数を変調信号伝送手段で使
用される公衆通信の周波数帯域から外れるようにシフト
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子冷却器付半導
体レーザモジュールに関し、特に、高周波入力信号を直
接光信号に変調する直接変調方式の半導体レーザモジュ
ールに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体レーザモジュールは、ＣＡ
ＴＶ、公衆通信などのマイクロ波／準マイクロ波周波数
領域の信号、ギガビット高速ディジタル信号などの高速
変調信号を取り扱う通信分野への適用が盛んに試みら
れ、実用化が始まっているが、特に、雑音や信号歪みの
累積が少ない数百ｍ〜数ｋｍの短中距離伝送において
は、高周波信号を直接変調信号として光信号に変換する
直接強度変調方式が適している。かかる半導体レーザモ
ジュールの半導体レーザの発振特性は温度依存性が非常
に大きく、温度変化によりしきい値電流密度や発振波長
のシフトが発生するため、安定したレーザ発振を得るた
めには、レーザダイオードの温度を一定にすることが不
可欠であり、ペルチェ素子電子冷却器などの冷却素子を
用いてレーザダイオードの温度を制御している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体レーザモ
ジュールでは、モジュールを構成する電子冷却器やグラ
ウンドライン等が共振回路を形成し、例えば図１５に示
すように、入力変調信号が１．６ＧＨｚ付近を中心とす
る周波数帯域において上記回路が共振し、光周波数応答
レベルが低下するという現象が発生する場合があった。
このため、１．５ＧＨｚ帯もしくは１．９ＧＨｚ帯など
上記周波数帯域に近接した周波数をチャネルバンドとし
て利用することが多い公衆通信や、上記周波数帯域に近
接した伝送レートを利用する高速ディジタル通信におい
ては、かかる半導体レーザモジュールでは十分な変調信
号の確保が困難となっていた。

【０００４】そこで、本発明は、半導体レーザモジュー
ルの共振周波数をシフトさせ、公衆通信の使用帯域にお
ける光周波数応答レベルの低下を防止した電子冷却器付
半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで発明者らは鋭意研
究の結果、モジュールパッケージとチップ搭載キャリア
との間のグラウンドラインの有するインダクタンスを変
化させることにより、グラウンドラインを含んで構成さ
れる共振回路の共振周波数を変調信号伝送手段で使用さ
れる公衆通信の周波数帯域から外れるようにシフトさ
せ、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成
した。

【０００６】即ち、本発明は、半導体レーザダイオード
と、上記半導体レーザダイオードが搭載された導電性チ
ップ搭載キャリアと、上記チップ搭載キャリアが搭載さ
れ、該チップ搭載キャリアから熱を吸収する電子冷却器
と、上記電子冷却器がその内底部上に搭載され、該電子
冷却器の吸収した熱が放出される導電性のモジュールパ
ッケージと、上記半導体レーザダイオードに所定の周波
数の入力変調信号を伝送する変調信号伝送手段と、上記
モジュールパッケージと上記チップ搭載キャリアとを電
気的に接続するグラウンドラインとを少なくとも備えた
電子冷却器付半導体レーザモジュールであって、上記グ
ラウンドラインの有するインダクタンスを変化させて、
上記グラウンドラインを含んで構成される共振回路の共
振周波数を、上記変調信号伝送手段で使用される所定の
周波数帯域から外れるようにシフトさせることを特徴と
する電子冷却器付半導体レーザモジュールである。電子
冷却器付半導体レーザモジュールに発生する共振回路で
は、モジュールパッケージとチップ搭載キャリアとを電
気的に接続するグラウンドラインの有するインダクタン
スを変化させることにより共振回路の共振周波数を変化
させることができ、これにより共振周波数を半導体レー
ザモジュールで使用される公衆通信の周波数帯域から外
れるように高域または低域にシフトさせ、上記公衆通信
の使用帯域における光周波数応答レベルの低下を防止す
ることが可能となる。

【０００７】また、本発明は、上記グラウンドライン
が、上記モジュールパッケージの内底部から上記チップ
搭載キャリア近傍まで張り出した断面積の大きい導電性
の第１接続手段と、上記第１接続手段と上記チップ搭載
キャリアとを接続する断面積の小さい導電性の第２接続
手段とからなり、上記グラウンドラインの有するインダ
クタンスを小さくして、上記グラウンドラインを含んで
構成される共振回路の共振周波数を上記変調信号伝送手
段で使用される所定の周波数帯域より高域にシフトさせ
ることを特徴とする電子冷却器付半導体レーザモジュー
ルでもある。グラウンドラインをモジュールパッケージ
の内底部から直接チップ搭載キャリア近傍まで張り出し
た、断面積の大きい導電性の第１接続手段と、上記第１
接続手段と上記チップ搭載キャリアとを接続する断面積
の小さい導電性の第２接続手段から形成することによ
り、上記第１接続手段の断面積が大きいことにより、グ
ラウンドラインに発生する寄生インダクタンスを小さく
することができるとともに、上記第１接続手段がチップ
搭載キャリアの近傍まで張り出しているため、第１接続
手段とチップ搭載キャリアとの間隔が短くなり、第２接
続手段の断面積が小さくても長さを短くできるために発
生する寄生インダクタンスが小さくなり、グラウンドラ
イン全体に発生する寄生インダクタンスを低減し、グラ
ウンドラインを含んで構成される共振回路の共振周波数
を変調信号伝送手段で使用される所定の周波数帯域から
外れるように高域にシフトさせることが可能となる。一
方、上記第２接続手段の断面積が小さいため、モジュー
ルパッケージから第１接続手段を通ってチップ搭載キャ
リアに伝わる熱の還流を抑制することも可能となる。従
って、かかる第１接続手段および第２接続手段からなる
グラウンドライン構造を採用することにより、モジュー
ルパッケージからチップ搭載キャリアへの熱の還流を防
止しつつ、グラウンドラインに発生する寄生インダクタ
ンスが低減でき、半導体レーザモジュールの共振回路の
共振周波数を上記変調信号伝送手段で使用される所定の
周波数帯域から外れるように高域シフトさせることが可
能となる。特に、第１接続手段を、外部に設けられたグ
ラウンド面と直接接続された導電性モジュールパッケー
ジの内底部上に形成することにより、例えば、モジュー
ルパッケージの側壁等に形成する場合と比較して、グラ
ウンドラインでの不要な寄生成分の発生を防止し、再現
性よく共振周波数の高域シフトを行うことが可能とな
る。

【０００８】上記第１接続手段は、モジュールパッケー
ジの内底部と一体成形されてなることが好ましい。この
ように、第１接続手段をモジュールパッケージの内底部
と一体成形することにより、電子冷却器付半導体レーザ
モジュールの信頼性が向上するとともに、第１接続手段
の取り付け工程の削減により、製造工程の簡略化が可能
となる。

【０００９】上記第１接続手段は、上記モジュールパッ
ケージの内底部の一部が上記チップ搭載キャリアの上面
近傍の高さまで張り出し、その上面に第２接続手段を接
続するための接続用底部を有するものであっても良い。
第１接続手段がかかる構造を取ることにより、衝撃等に
対する耐久性を向上させることができるからである。

【００１０】上記第１接続手段は、上記モジュールパッ
ケージに着脱可能な固定手段により固定された板状金属
製ブロックであることが好ましい。半導体モジュールの
作製工程においては、ペルチェ素子電子冷却器、チップ
搭載キャリア、集光レンズ等の光軸調整が必要な部材の
位置合わせが必要となるが、第１接続手段がモジュール
パッケージに着脱可能な固定手段により固定されること
のより、所定の場所に上記各部材を固定した後に第１接
続手段を取り付けることができ、上記位置合わせ時の作
業スペースの確保が可能となる。

【００１１】上記板状金属製ブロックは、ニッケル、
鉄、コバルトを主原料とする合金または銅、タングステ
ンを主原料とする合金からなることが好ましい。板状金
属製ブロックをニッケル、鉄、コバルトを主原料とする
合金から形成することにより、安価に半導体レーザモジ
ュールを作製でき、また銅、タングステンを主原料とす
る合金から形成することにより、金属製ブロックの電気
導電性の向上、強度の向上を図ることが可能となる。

【００１２】また、本発明は、上記グラウンドライン
が、上記モジュールパッケージと上記チップ搭載キャリ
アとを接続する断面積の小さい導電性の第２接続手段、
または、上記モジュールパッケージ上に設けられた所定
のインダクタンス値を有する第３接続手段と、該第３接
続手段と上記チップ搭載キャリアとを接続する断面積の
小さい導電性の第２接続手段とからなり、上記グラウン
ドラインの有するインダクタンスを大きくして、上記グ
ラウンドラインを含んで構成される共振回路の共振周波
数を上記変調信号伝送手段で使用される所定の周波数帯
域より低域にシフトさせることを特徴とする電子冷却器
付半導体レーザモジュールでもある。このように、グラ
ウンドラインの有するインダクタンスを大きくすること
により、共振回路の共振周波数を半導体レーザモジュー
ルで使用される公衆通信の周波数帯域から外れるように
低域にシフトさせることが可能となり、上記公衆通信の
使用帯域における光周波数応答レベルの低下を防止する
ことが可能となる。一方、グラウンドラインを構成する
第２接続手段の断面積が小さいため、モジュールパッケ
ージからチップ搭載キャリアに伝わる熱の還流を抑制す
ることも可能となる。

【００１３】上記グラウンドラインの有するインダクタ
ンスは、１０ｎＨ以上であることが好ましい。グラウン
ドラインが１０ｎＨ以上のインダクタンスを有すること
により、共振周波数を半導体レーザモジュールで使用さ
れる公衆通信の周波数帯域から外れるように低域にシフ
トさせて、上記公衆通信の使用帯域における光周波数応
答レベルの低下を有効に防止することが可能となる。

【００１４】上記第３接続手段は、コイル、インダクタ
ンスチップ、リードライン、ワイヤ、金属伝送路ライン
からなる群より選択される１種または２種以上の組み合
わせから構成されることが好ましい。これらを用いるこ
とにより、第１接続手段の有するインダクタンスを容易
に大きくすることが可能となる。

【００１５】上記第２接続手段は、ボンディングワイヤ
またはリボンワイヤからなることが好ましい。第２接続
手段をボンディングワイヤまたはリボンワイヤから形成
することにより、断面積の小さいグラウンドラインを容
易に形成することができ、グラウンドラインを通るモジ
ュールパッケージからチップ搭載キャリアへの熱の還流
を有効に防止することが可能となる。

【００１６】上記電子冷却器は、上記チップ搭載キャリ
アおよび上記モジュールパッケージに夫々接し、アルミ
ナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン
酸カルシウム（ＣａＴｉＯ₃）のいずれかを主原料とす
るセラミック材料からなる誘電体基板と、上記誘電体基
板に挟持されたペルチェ効果素子からなることが好まし
い。電子冷却器の誘電体基板にアルミナ等を用いること
により、強度の向上に加えて熱伝導特性の向上による吸
熱／放熱効率の向上も可能となり、半導体レーザモジュ
ールの安定動作の確保が可能となる。

【００１７】上記変調信号伝達手段が、上記モジュール
パッケージを貫通するセラミックインサート上に形成さ
れた金属伝送路、または、上記モジュールパッケージに
固定された同軸型コネクタからなることが好ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１３は、従来のペルチェ素子電子冷却
器を用いた半導体レーザモジュールの一例である。図
中、１はバタフライ型のモジュールパッケージ、２は半
導体レーザダイオード、３はチップ搭載キャリア、４は
ペルチェ素子電子冷却器、５は電極パッド、６はセラミ
ックインサート、７はセラミックインサート状にパター
ニングされたメタライズ伝送路、８は変調信号入力端子
となるリードピン、９１、９２、９３はボンディングワ
イヤ、１０はメタライズ伝送路をモジュールパッケージ
に接続するためのビアホールを示す。ペルチェ素子電子
冷却器４は、第１の誘電体プレート基板４１および第２
の誘電体プレート基板４２の間に挟持されたｐｎ接合を
用いたペルチェ効果素子４３から構成される。

【００１９】図１３に示す従来の半導体レーザモジュー
ルでは、まず、ＤＣ駆動電流をリードピンを通じて入力
して半導体レーザダイオード２を励起発振させ、続いて
アナログ高周波もしくは高速ディジタルの変調信号を同
じくリードピンから入力して半導体レーザダイオード２
を直接変調する。図中では省略しているが、半導体レー
ザダイオードからの出力信号は、光ファイバによりモジ
ュールパッケージ外へ導かれる。連続的な励起発振が持
続された場合、半導体レーザダイオード２で電気／光変
換する際の損失分が熱に変換され、半導体レーザダイオ
ード２の温度を上昇させる。かかる温度上昇を回避する
ため、半導体レーザダイオード２の周辺には、例えばサ
ーミスタレジスタのような温度検出器が設置され、これ
により半導体レーザダイオード周辺の温度が検知され、
ペルチェ素子電子冷却器４への供給電流が制御される。
ペルチェ素子電子冷却器４は上記供給電力に応じて吸熱
／放熱量が制御され、半導体レーザダイオードは常に一
定の温度に保持される。通常、半導体レーザダイオード
２側に設けられた第１の誘電体プレート基板４１が吸熱
機能を、一方モジュールパッケージ１側に設けられた第
２の誘電体プレート基板４２が放熱機能を担う。以上の
ような構成により、半導体レーザダイオード２から発生
する熱による半導体レーザダイオードの昇温が抑制さ
れ、安定したレーザ発振を得ることができる。

【００２０】しかし、上述のように、従来の半導体レー
ザモジュールでは、モジュールを構成する電子冷却器や
グラウンドライン等が共振回路を形成し、入力変調信号
が１．６ＧＨｚ付近を中心とする周波数帯域において上
記回路が共振し、光周波数応答レベルが低下するという
現象が発生する場合があった（図１５）。そこで上記半
導体レーザモジュールについて検討した結果、上記半導
体レーザモジュールの電気的等価回路は図１４で表され
ることが分かった。即ち、信号ラインは、リードピンお
よびセラミックインサート状の伝送路を中継し、ボンデ
ィングワイヤ９１によるインダクタンスＬ１、ボンディ
ングワイヤ９２によるインダクタンスＬ２を介して半導
体レーザダイオード（ＬＤ）に接続され、また、電極パ
ッドの有するキャパシタンス成分Ｃ３はＬＤと並列に付
加されている。一方、グラウンドラインは、チップ搭載
キャリア３からボンディングワイヤ９３、セラミックイ
ンサート６上のメタライズ伝送路７、ビアホール１０を
通って導電性のパッケージモジュールに接続され、ボン
ディングワイヤのインダクタンスＬ３およびセラミック
インサート６、該セラミックインサート６上にパターニ
ングされたメタライズ伝送路７のインダクタンスを含む
パッケージ含有インダクタンス成分Ｌ４からなり、ペル
チェ素子誘電体プレート基板のキャパシタンスＣ１およ
びＣ２のラインと変列に配置されている。従って、上記
電気的等価回路では、上記半導体レーザモジュールの共
振周波数は、

【数１】ｆｒ＝１／２π√｛（Ｌ３＋Ｌ４）（（Ｃ１・Ｃ２／Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｃ３）｝（式１）で表される。

【００２１】上記式１により、グラウンドラインの寄生
インダクタンス（Ｌ３＋Ｌ４）を小さくすれば共振周波
数ｆｒが大きくなり、即ち共振周波数を１．６ＧＨｚか
ら高域にシフトさせ、１．６ＧＨｚ近傍の変調領域の特
性を向上させることができると考えられる。そこで、チ
ップ搭載キャリアとモジュールパッケージとの間を断面
積の大きい金属部材で直接接続し、Ｌ３＋Ｌ４を小さく
する手段を検討したが、上記手段では、断面積の大きい
金属部材でモジュールパッケージとチップ搭載キャリア
が直接接続されるため、寄生インダクタンス（Ｌ３＋Ｌ
４）は小さくなるが、ペルチェ素子冷却器により、チッ
プ搭載キャリアから吸熱され、モジュールパッケージに
放熱された熱が再度上記金属部材を通ってチップ搭載キ
ャリアに戻るという熱の環流現象が発生し、上記レーザ
ダイオードの冷却効果の低下を招き安定したレーザ発振
が困難となった。

【００２２】そこで、本発明は、半導体レーザモジュー
ルの冷却効果を低下させずにグラウンドラインの寄生イ
ンダクタンス（Ｌ３＋Ｌ４）を小さくし、共振周波数を
高域にシフトさせ、かつ構造的、特性的に安定した電子
冷却器付半導体レーザモジュールを提供するものであ
る。図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ
モジュールの断面図であり、図中、図１３と同一符号の
部分は、同一または相当箇所を示す。本実施の形態１で
は、第１接続手段１１は、モジュールパッケージ１の内
底部１００からメタライズ伝送路７等を介さずに、直接
チップ搭載キャリア３の上面近傍まで張り出した構造を
有し、また、第２接続手段９４は、上記第１接続手段１
１とチップ搭載キャリア３との間を電気的に接続し、例
えばボンディングワイヤ等から構成される。従って、チ
ップ搭載キャリア３とモジュールパッケージ１の内底部
との間が、導電性の第１および第２の接続手段１１、９
４を介して接続されている点で、ボンディングワイヤ９
３、メタライズ伝送路７およびビアホール１０を介して
接続されている従来構造（図１３）と異なっている。こ
こで、上記モジュールパッケージ１は、底部の外側を、
外部に設けた、例えば、送信機ユニットの金属筺体（グ
ラウンド）に電気的に接続されて用いられるため、第１
接続手段１１は、モジュールパッケージ１の内底部１０
０に設けることが好ましい。即ち、モジュールパッケー
ジ１の内底部１００以外の箇所に第１接続手段１１を設
けた場合、例えば、側壁に設けた場合には、グラウンド
ラインは、グラウンド電位に直接接続されているモジュ
ールパッケージ１の内底部１００から、モジュールパッ
ケージ１の側壁部を介して、第１、第２接続手段と接続
されることになり、モジュールパッケージ１の側壁部に
不要な寄生インダクタンスを発生させることとなる。こ
のため、第１接続手段１１の断面積を大きくしてインダ
クタンスを小さくしても、上記寄生インダクタンスの発
生により、グラウンドライン全体のインダクタンスを十
分に小さくすることが困難となる。そこで、本実施の形
態では、グラウンド電位に直接接続されているモジュー
ルパッケージ１の内底部１００上に直接第１接続手段１
１を設け、不要な寄生インダクタンスの発生を防止して
いる。また、モジュールパッケージ１の側壁に第１接続
手段１１を設けた場合、側壁に第１接続手段を接着する
という構造上、十分な取り付け強度を再現性良く得るこ
とが困難であり、また、経時的な強度変化等により、十
分な信頼性を得ることも困難であった。

【００２３】図２は、図１に示す半導体レーザモジュー
ルの電気的等価回路図であり、図中、図１４と同一符号
は同一回路要素を示すとともに、図１４の等価回路に比
較してボンディングワイヤ９３に発生するインダクタン
スＬ３、メタライズ伝送路７、ビアホール１０およびモ
ジュールパッケージ１に発生するインダクタンスＬ４
が、第２接続手段に発生するインダクタンスＬ５、第１
接続手段に発生するインダクタンスＬ６に置き代わって
いる。図２に示す電気的等価回路の共振周波数は、

【数２】ｆｒ＝１／２π√｛（Ｌ５＋Ｌ６）（（Ｃ１・Ｃ２／Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｃ３）｝（式２）で表される。本実施の形態では、第１接続手段１１は、
モジュールパッケージ１の内底部１００に接続され、か
つ十分に大きな断面積を有する金属製ブロックから形成
されるため、第１接続手段１１に発生するインダクタン
スは極めて小さくなり、その結果Ｌ６を小さくすること
ができる。また、第１接続手段１１は、モジュールパッ
ケージ１の内底部１００からチップ搭載キャリア３の近
傍に張り出すように形成されており、上記第１接続手段
１１とチップ搭載キャリア３を接続する例えばワイヤボ
ンディング等からなる導電性の第２接続手段９４の長さ
を短くすることができる。従って、第２接続手段９４を
断面積の小さいボンディングワイヤ等で形成しても、長
さに依存する寄生インダクタンスの発生を小さくするこ
とができ、結果としてＬ５を小さくすることが可能とな
る。一方、ペルチェ素子冷却器４により、チップ搭載キ
ャリア３から吸熱され、モジュールパッケージ１に放熱
された熱がグラウンドラインを通ってチップ搭載キャリ
ア３に戻るという熱の環流現象の発生は、上記第２接続
手段の断面積を小さくすることにより防止することが可
能となる。

【００２４】以下に、従来構造の半導体モジュール（図
１３、１４）の共振周波数の計算値と、本実施の形態に
かかる半導体レーザモジュール（図１、２）の共振周波
数の計算値の比較を示す。従来構造では、電極パッド５
は、通常アルミナ等の低比誘電率の材料から構成され、
大きさは１．８×１．８×ｔ１．０ｍｍであり、Ｃ３は
０．２６ｐＦ程度となる。またペルチェ素子４の上下誘
電体プレートは、６×１０×ｔ０．４５ｍｍであり、Ｃ
１およびＣ２は１０．５ｐＦ程度となる。またボンディ
ングワイヤ９３は、通常、直径２５μｍ、長さ約３ｍｍ
の金ワイヤが６本並列に形成されるため、Ｌ３は０．５
ｎＨ程度となる。また、メタライズ伝送路７、ビアホー
ル１０およびモジュールパッケージ１に発生するパッケ
ージ含有インダクタンスＬ４は１．２ｎＨ程度となる。
従って、これらの値を式１に代入することにより、共振
周波数ｆｒは１．６ＧＨｚ程度となり、図１５に示す実
測値とも良く一致する。

【００２５】これに対して、本実施の形態１では、Ｃ
１、Ｃ２、Ｃ３は、従来構造と同一であり、それぞれ、
１０．５ｐＦ、１０．５ｐＦ、０．２６ｐＦ程度とな
り、また第２接続手段９４として直径２５μｍ、長さ
０．５ｍｍの金ワイヤが６本配置された場合、第２接続
手段９４に発生するインダクタンス成分Ｌ５は、０．１
ｎＨ程度となる。一方、第１接続手段を含めたパッケー
ジ含有インダクタンス成分Ｌ６は０．１ｎＨ程度と見積
もられる。従って、式２より、共振周波数ｆｒは４．８
ＧＨｚ程度となり、１〜２ＧＨｚチャンネル帯域におけ
る共振を回避することが可能となることが分かる。

【００２６】図３に、上記第１および第２接続手段１
１、９４を用いて形成した本実施の形態にかかる半導体
レーザモジュールの小信号光周波数応答の測定結果を示
す。図中、縦軸は光周波数応答を、横軸は周波数を示
す。図３から明らかなように、本測定結果は、上記計算
結果と良く一致し、共振現象による光周波数応答が劣化
する中心周波数を、従来構造の１．６ＧＨｚ近傍から５
ＧＨｚ近傍に高域シフトさせ、変調特性の限界を向上さ
せている。

【００２７】一方、上記第２の接続手段は、直径２５μ
ｍ細径のボンディングワイヤであるので、モジュールパ
ッケージ１とチップ搭載キャリア３間の熱抵抗を大きく
することが可能である。このため、両者の間の熱伝達を
低く抑えることができ、ペルチェ素子電子冷却器の下面
からモジュールパッケージ１に放熱された熱が、第１、
第２接続手段１１、９４を通って、チップ搭載キャリア
３に環流される熱の環流現象を防止し、ペルチェ素子電
子冷却器４の熱交換効率を低下させず、十分な冷却効果
を得ることが可能となる。

【００２８】以上のように本実施の形態１によれば、モ
ジュールパッケージ３とチップ搭載キャリア３との間
を、モジュールパッケージ３の内底部１００からチップ
搭載キャリア３の近傍まで張り出した断面積の大きい導
電性の第１接続手段１１と、第１接続手段とチップ搭載
キャリアとを接続する短くかつ断面積の小さい導電性の
第２の接続手段９４とにより電気的に直列に接続してグ
ラウンドラインを形成することにより、ペルチェ素子の
熱交換効率を低下させることなく、半導体モジュールの
共振周波数を高域にシフトさせ、変調限界を向上させる
ことが可能となる。特に、本実施の形態では、グラウン
ド電位に直接接続されているモジュールパッケージ１の
内底部１００上に直接第１接続手段１１を設け、不要な
寄生インダクタンスの発生を防止し、共振周波数の高域
シフトを有効に行うとともに、第１接続手段１１の取り
付け強度を再現性良く得ることができ、信頼性の高い半
導体モジュールの作製が可能となる。なお、本実施の形
態１では、第２接続手段９４としてボンディングワイヤ
を利用したが、代わりにリボンワイヤを利用することが
可能であり、ボンディングワイヤの直径、本数、長さ
は、実施の態様により、任意に選択可能である。また、
上記モジュールパッケージは、バタフライ型パッケージ
であることが好ましく、特に、モジュールパッケージの
対向する側壁を貫通し表面に金属伝送路をパターニング
したセラミックインサートを有するバタフライ型パッケ
ージであることが好ましい。また、変調信号伝送手段と
して、同軸型コネクタをモジュールパッケージに組み込
んだものであっても構わない。

【００２９】実施の形態２．図４は、本発明の実施の形
態２にかかる半導体レーザモジュールの断面図である。
図中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示し、
図１に示す実施の形態１とは、グラウンドラインが１１
１と９４１、１１２と９４２の二つの部分で構成されて
いる点で異なっている。図５は、本実施の形態２にかか
る電気的等価回路図であり、図中、図２と同一符号は、
同一または相当箇所を示し、図２に示す実施の形態１と
は、グラウンドラインのインダクタンスＬ５、Ｌ６がＬ
５１、Ｌ６１とＬ５２、Ｌ６２の並列配置で置き換えら
れている点で異なっている。Ｌ５１、Ｌ６１、Ｌ５２、
Ｌ６２は、それぞれ９４１、１１１、９４２、１１２に
発生するインダクタンス成分を示す。本実施の形態にか
かる上記電気的等価回路の共振周波数は、

【数３】 fr＝1/2π√[{(L51+L61)(L52+L62)／(L51+L61+L52+L62)}{(C1C2／C1+C2)+C3}] （式３）で表される。仮に、Ｌ５＝Ｌ５１＝Ｌ５２、Ｌ６＝Ｌ６
１＝Ｌ６２なるグラウンドラインが構成された場合、共
振周波数ｆｒは、実施の形態１で得られた共振周波数の
√２倍にすることが可能となる。

【００３０】このように、本実施の形態２では、第１お
よび第２接続手段で構成されるグラウンドラインを２組
設けることにより、ペルチェ素子の熱交換効率を低下さ
せることなく、グラウンドラインの合成インダクタンス
を低減して、共振周波数を高域にシフトさせることが可
能となる。なお、本実施の形態２では、グラウンドライ
ンを２組としたが、３組以上で構成しても良く、より多
くの組でグラウンドラインを構成することによりグラウ
ンドラインの合成インダクタンスを更に低減し、共振周
波数を一層高域にシフトさせることが可能となる。

【００３１】実施の形態３．図６は、本発明の実施の形
態３にかかる半導体レーザモジュールの断面図である。
図中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示し、
図１に示す実施の形態１とは、グラウンドラインが、モ
ジュールパッケージ内底部に接続される第１グラウンド
ラインである１１１、９４に加えて、モジュールパッケ
ージ側壁に接続される第２グラウンドライン１１２、９
５が付加されている点で異なっている。図７は、本実施
の形態２にかかる半導体レーザモジュールの電気的等価
回路図であり、図中、図２と同一符号は、同一または相
当箇所を示し、実施の形態１とは、グラウンドラインの
インダクタンスＬ５、Ｌ６に加えて、並列にＬ７、Ｌ８
が付加されている点で異なっている。Ｌ７、Ｌ８は、そ
れぞれ、第２接続手段９５、第１接続手段１１２に発生
するインダクタンス成分である。本実施の形態にかかる
上記電気的等価回路の共振周波数は、

【数４】 fr＝1/2π√[{(L5+L6)(L7+L8)／(L5+L6+L7+L8)}{(C1C2／C1+C2)+C3}] （式４）と表される。以上のように、グラウンドラインを構成す
る接続手段を並列に設けることによる合成インダクタン
スの低減効果は、実施の形態２に示すようにモジュール
パッケージ内底部に接続するグラウンドラインを複数設
ける場合のみならず、モジュールパッケージ内底部に加
えてモジュールパッケージ側壁にグラウンドラインを設
定することによっても得ることできる。従って、グラウ
ンドラインを設定する位置を柔軟に選択することがで
き、モジュール構成の柔軟性を向上させることが可能と
なる。

【００３２】このように、本実施の形態３では、グラウ
ンドラインが、モジュールパッケージ内底部に接続され
る第１グラウンドライン１１１、９４に加えて、モジュ
ールパッケージ側壁に接続される第２グラウンドライン
１１２、９５が付加されていることにより、ペルチェ素
子の熱交換効率を低下させることなく、グラウンドライ
ンが１組の場合に比べて、グラウンドラインの合成イン
ダクタンスを低減させ、共振周波数を更に高域にシフト
させることが可能となる。また、付加するグラウンドラ
インをモジュールパッケージ内底部以外に設けることも
可能であり、モジュール構成の柔軟性を向上させること
となる。

【００３３】実施の形態４．図８は、本発明の実施の形
態４にかかる半導体レーザモジュールの断面図であり。
図中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示し、
図１に示す実施の形態１とは、モジュールパッケージ１
が第１接続手段１３と一体構造であり、上記チップ搭載
キャリアの上面と同じ高さとなる第１の内底部１０１
と、チップ搭載キャリア３を搭載した上記電子冷却器４
を固定するための第２の内底部１０２からなる点で異な
っている。本実施の形態にかかる電気的等価回路図およ
び小信号光周波数応答特性は、図２、図３に示す実施の
形態１の場合と同様となる。

【００３４】このように、本実施の形態４では、ペルチ
ェ素子の熱交換効率を低下させることなく、共振周波数
を高域にシフトさせることが可能となるとともに、第１
接続手段１３がモジュールパッケージ１と一体構造にな
り、接続部を有しないため、衝撃に対する信頼性を向上
させ、また接続部の経時的劣化に対する耐性の向上も可
能となる。また、第１接続手段１３の取り付け調整作業
工程を削除できるため、半導体レーザモジュールの製造
工程の簡素化を図ることが可能となる。更に、第１接続
手段１３の取り付け不具合により発生する接触インダク
タンスの発生を防止することができるため、グラウンド
ラインのインダクタンスの劣化防止を図ることが可能と
なる。なお、第１接続手段となる第１の内底部１０１は
１箇所としたが、複数の第１接続手段となる第１の内底
部１０１を設定することも可能である。

【００３５】実施の形態５．図９は、本発明の実施の形
態５にかかる半導体レーザモジュールの断面図であり、
図中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示し、
実施の形態１とは、第１接続手段がモジュールパッケー
ジ内底部に着脱可能な固定手段により固定された金属製
ブロック１４である点で異なっている。本実施の形態に
かかる電気的等価回路図および小信号光周波数応答特性
は実施の形態１の場合（図２、図３）と同様となる。

【００３６】このように、本実施の形態５では、ペルチ
ェ素子の熱交換効率を低下させることなく、共振周波数
を高域にシフトさせることが可能となるとともに、第１
接続手段となる金属製ブロック１４がモジュールパッケ
ージ１の内底部に半田接続などの着脱可能な固定手段に
より取り付けられているため、半導体モジュールの作製
工程において、ペルチェ素子電子冷却器４、チップ搭載
キャリア３、集光レンズ、光アイソレータ、光ファイバ
等の光軸調整が必要な部材の位置合わせを行い、所定の
場所に各部材を固定した後に、上記金属製ブロックを取
り付けることができ、作業スペースの確保が可能とな
る。また、上記部材の位置の再調整が必要になった場合
には、容易に金属製ブロックを取り外し作業スペースを
確保することが可能となる。

【００３７】実施の形態６．本実施の形態６は、半導体
レーザモジュールのペルチェ素子の熱交換効率を低下さ
せることなく、グラウンドラインの寄生インダクタンス
（Ｌ３＋Ｌ４）を大きくし、共振周波数を低周波側にシ
フトさせ、かつ構造的、特性的に安定した電子冷却器付
半導体レーザモジュールを提供するものであり、図１０
に本発明の実施の形態６に係る半導体レーザモジュール
の断面図を示す。図中、図１３と同一符号は、同一また
は相当箇所を示す。図１０に示す本実施の形態６にかか
る半導体レーザモジュールは、グラウンドラインが、所
定のインダクタンス値を有するチップ型インダクタンス
素子等の第３接続手段１５と、ボンディングワイヤ等の
断面積の小さい導電性の第２接続手段９６とで構成され
ている点で、図１３に示す従来構造の半導体レーザモジ
ュールと異なっている。図１１は、図１０に示す実施の
形態１にかかる半導体レーザモジュールの電気的等価回
路図であり、図中、図１４と同一符号は同一回路要素を
示すとともに、図１４の等価回路に比較してボンディン
グワイヤ９３に発生するインダクタンスＬ３、メタライ
ズ伝送路７、ビアホール１０およびモジュールパッケー
ジ１に発生するインダクタンスＬ４が、第２接続手段に
発生するインダクタンスＬ８、第３接続手段およびモジ
ュールパッケージ１に発生するインダクタンスＬ９に置
き換わっている。本実施の形態６にかかる上記電気的等
価回路図の共振周波数は、

【数５】ｆｒ＝１／２π√{(Ｌ９＋Ｌ１０)((Ｃ１・Ｃ２／Ｃ１＋Ｃ２)＋Ｃ３)} （式５）で表される。本実施の形態６では、第３接続手段１５
が、大きなインダクタンス値を有するように構成される
ため、合成インダクタンス（Ｌ９＋Ｌ１０）を極めて大
きくすることができる。

【００３８】以下に、従来構造の半導体モジュール（図
１３）の共振周波数の計算値と、本実施の形態６にかか
る半導体レーザモジュールの共振周波数の計算値とを比
較する。本実施の形態６では、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は、従
来構造と同じであり、それぞれ、１０．５ｐＦ、１０．
５ｐＦ、０．２６ｐＦ程度となり、また第２接続手段９
６として直径２５μｍ、長さ０．５ｍｍの金ワイヤが６
本配置された場合、第２接続手段９６に発生するインダ
クタンス成分Ｌ１０は、０．１ｎＨ程度となる。一方、
第３接続手段１５には、インダクタンスＬ９が３３ｎＨ
のチップ型インダクタンス素子を利用する。従って、式
５より、共振回路の共振周波数ｆｒは３７０Ｈｚ程度と
なり、公衆通信の使用帯域である１〜２ＧＨｚチャンネ
ル帯域より低域にシフトさせることが可能となり、１〜
２ＧＨｚチャンネル帯域での共振を回避することが可能
となることが分かる。

【００３９】図１２に、上記第３および第２接続手段１
５、９６をグラウンドラインに用いた本実施の形態６に
かかる半導体レーザモジュールの小信号光周波数応答の
測定結果を示す。図中、縦軸は光周波数応答を、横軸は
周波数を示す。図１２から明らかなように、本測定結果
は上記計算結果と良く一致し、共振現象により光周波数
応答が劣化する中心周波数を、従来構造の半導体レーザ
モジュール（図１３）が有する１．６ＧＨｚ近傍から、
３００ＭＨｚ近傍の低域にシフトさせることができ、お
およそ７００ＭＨｚ以上の周波数領域の変調特性の劣化
を改善している。一方、上記第２の接続手段は、直径２
５μｍ細径のボンディングワイヤであるので、従来どお
り、モジュールパッケージ１とチップ搭載キャリア３と
の間の熱抵抗を大きくすることも可能である。このた
め、両者の間の熱伝達を低く抑えることができ、十分な
冷却効果を得ることが可能となる。

【００４０】以上のように本実施の形態６によれば、モ
ジュールパッケージ３とチップ搭載キャリア３との間
を、モジュールパッケージ３の内底部に接続される第３
接続手段１５と、第３接続手段とチップ搭載キャリアと
を接続する断面積の小さい導電性の第２接続手段９６と
により電気的に直列に接続してグラウンドラインを形成
することにより、ペルチェ素子の熱交換効率を低下させ
ることなく、半導体モジュールの共振周波数を低域にシ
フトさせ、公衆通信の使用帯域である０．８〜２ＧＨｚ
チャンネル帯域での変調特性の劣化を防止することが可
能となる。

【００４１】尚、本実施の形態６では、第３の電気的接
続手段１５としてチップ型インダクタンス素子を用いた
が、所定のインダクタンス値が得られるチップ型インダ
クタンス素子、コイル、リードライン、ワイヤ、金属伝
送路ラインの群より選択される１または２以上の組み合
わせより構成しても良い。例えば、図１３に示すセラミ
ックインサート６上のメタライズ伝送路７およびビアホ
ール１０などを第３接続手段の一部として利用すれば、
従来と近似した構造のモジュールを実現することができ
る。また、本実施の形態６では、第３接続手段の有する
インダクタンス値を３３ｎＨとしたが、これ以外の所定
のインダクタンス値を有するものであっても良い。即
ち、１０ｎＨ以上のインダクタンス値を有する第３接続
手段を用いれば、共振周波数をおおよそ７００ＭＨｚ以
下とすることが可能となる。

【００４２】上記実施の形態１〜６では、第２接続手段
としてボンディングワイヤを利用したが、代わりにリボ
ンワイヤを利用することも可能であり、ボンディングワ
イヤの直径、本数、長さ等は、実施の態様により任意に
選択可能である。また、上記モジュールパッケージは、
バタフライ型パッケージであることが好ましく、特に、
モジュールパッケージの対向する側壁を貫通し表面に金
属伝送路をパターニングしたセラミックインサートを有
するバタフライ型パッケージであることが好ましい。

【００４３】

【発明の効果】以下の説明から明らかなように、本発明
によれば、外部のグラウンド面と接続されるモジュール
パッケージ内底部からチップ搭載キャリア近傍まで張り
出した断面積の大きい導電性の第１接続手段と、上記第
１の続手段とチップ搭載キャリアとを接続する断面積の
小さい導電性の第２接続手段とによりグラウンドライン
を形成することにより、グラウンドラインでの不要な寄
生インダクタンスの発生を防止し、半導体モジュールの
共振周波数を、高域にシフトさせることが可能となる。
また、第１接続手段とチップ搭載キャリアとの間が、短
くかつ断面積の小さい第２接続手段により接続されるた
め、モジュールパッケージからグラウンドラインを通っ
てチップ搭載キャリアに熱が伝導する環流現象を抑える
ことも可能となる。

【００４４】一方、グラウンドラインを、所定のインダ
クタンス値を有する断面積の小さい導電性の第２接続手
段、または所定のインダクタンス値を有するインダクタ
ンス機能素子である第３の接続手段および上記第３の接
続手段と上記チップ搭載キャリアとを接続した断面積の
小さい導電性の第２接続手段から形成することにより、
グラウンドライン全体に発生する寄生インダクタンスを
大きくして、半導体モジュールの共振周波数を低域にシ
フトさせることが可能となる。また、第２接続手段の断
面積が小さいため、モジュールパッケージからグラウン
ドラインを通ってチップ搭載キャリアに熱が伝導する環
流現象を抑えることも可能となる。

【００４５】即ち、本発明にかかる半導体モジュール構
造を用いることにより、半導体レーザモジュールの冷却
効果を低下させることなく、グラウンドラインのインダ
クタンスを変化させ、半導体モジュールの共振周波数を
所望チャンネル周波数帯域以外の任意の高周波領域もし
くは低周波領域にシフトさせることができ、これによ
り、共振現象による光周波数応答が劣化する中心周波数
をシフトさせ、半導体モジュールの変調特性の劣化を防
止することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１にかかる電子冷却器付
半導体レーザモジュールの断面図である。

【図２】本発明の実施の形態１にかかる電子冷却器付
半導体レーザモジュールの電気的等価回路図である。

【図３】本発明の実施の形態１にかかる電子冷却器付
半導体レーザモジュールの小信号光周波数応答特性であ
る。

【図４】本発明の実施の形態２にかかる電子冷却器付
半導体レーザモジュールの断面図である。

【図５】本発明の実施の形態２にかかる電子冷却器付
半導体レーザモジュールの電気的等価回路図である。

【図６】本発明の実施の形態３にかかる電子冷却器付
半導体レーザモジュールの断面図である。

【図７】本発明の実施の形態３にかかる電子冷却器付
半導体レーザモジュールの電気的等価回路図である。

【図８】本発明の実施の形態４にかかる電子冷却器付
半導体レーザモジュールの断面図である。

【図９】本発明の実施の形態５にかかる電子冷却器付
半導体レーザモジュールの断面図である。

【図１０】本発明の実施の形態６にかかる電子冷却器
付半導体レーザモジュールの断面図である。

【図１１】本発明の実施の形態６にかかる電子冷却器
付半導体レーザモジュールの電気的等価回路図である。

【図１２】本発明の実施の形態６にかかる電子冷却器
付半導体レーザモジュールの小信号光周波数応答特性で
ある。

【図１３】従来の構造にかかる電子冷却器付半導体レ
ーザモジュールの断面図である。

【図１４】従来の構造にかかる電子冷却器付半導体レ
ーザモジュールの電気的等価回路図である。

【図１５】従来の構造にかかる電子冷却器付半導体レ
ーザモジュールの小信号光周波数応答特性である。

【符号の説明】

１モジュールパッケージ、２半導体レーザダイオー
ド、３チップ搭載キャリア、４ペルチェ素子電子冷
却器、５電極パッド、６セラミックインサート、７
メタライズ伝送路、８リードピン、９１、９２、９
３、９４、９５、９６、９４１、９４２ボンディング
ワイヤ、１０ビアホール、１１、１１１、１１２モ
ジュールパッケージ内部に接続される第１接続手段、１
２モジュールパッケージ側壁に接続される第１接続手
段、１３モジュールパッケージと一体構造である第１
接続手段、１４モジュールパッケージとの接続が着脱
可能である第１接続手段、１５第３接続手段、４１、
４２ペルチェ素子電子冷却器の誘電体プレート基板、
４３ペルチェ効果素子、１００、１０１、１０２モジ
ュールパッケージの内底部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザダイオードと、上記半導体レーザダイオードが搭載された導電性のチッ
プ搭載キャリアと、上記チップ搭載キャリアが搭載され、該チップ搭載キャ
リアから熱を吸収する電子冷却器と、上記電子冷却器がその内底部上に搭載され、該電子冷却
器の吸収した熱が放出される導電性のモジュールパッケ
ージと、上記半導体レーザダイオードに所定の周波数の入力変調
信号を伝送する変調信号伝送手段と、上記モジュールパッケージと上記チップ搭載キャリアと
を電気的に接続するグラウンドラインとを少なくとも備
えた電子冷却器付半導体レーザモジュールであって、上記グラウンドラインの有するインダクタンスを変化さ
せて、上記グラウンドラインを含んで構成される共振回
路の共振周波数を、上記変調信号伝送手段で使用される
所定の周波数帯域から外れるようにシフトさせることを
特徴とする電子冷却器付半導体レーザモジュール。
【請求項２】上記グラウンドラインが、上記モジュールパッケージの内底部から上記チップ搭載
キャリア近傍まで張り出した断面積の大きい導電性の第
１接続手段と、該第１接続手段と上記チップ搭載キャリ
アとを接続する断面積の小さい導電性の第２接続手段と
からなり、上記グラウンドラインの有するインダクタンスを小さく
して、上記グラウンドラインを含んで構成される共振回
路の共振周波数を上記変調信号伝送手段で使用される所
定の周波数帯域より高域にシフトさせることを特徴とす
る請求項１に記載の電子冷却器付半導体レーザモジュー
ル。
【請求項３】上記第１接続手段が、上記モジュールパ
ッケージの内底部と一体成形されてなることを特徴とす
る請求項２に記載の電子冷却器付半導体レーザモジュー
ル。
【請求項４】上記第１接続手段が、上記モジュールパ
ッケージの内底部の一部が上記チップ搭載キャリアの上
面近傍の高さまで張り出し、その上面に第２接続手段を
接続するための接続用底部を有してなることを特徴とす
る請求項３に記載の電子冷却器付半導体レーザモジュー
ル。
【請求項５】上記第１接続手段が、上記モジュールパ
ッケージに着脱可能な固定手段により固定された板状金
属製ブロックであることを特徴とする請求項２に記載の
電子冷却器付半導体レーザモジュール。
【請求項６】上記板状金属製ブロックが、ニッケル、
鉄、コバルトを主原料とする合金または銅、タングステ
ンを主原料とする合金からなることを特徴とする請求項
５に記載の電子冷却器付半導体レーザモジュール。
【請求項７】上記グラウンドラインが、上記モジュールパッケージと上記チップ搭載キャリアと
を接続する断面積の小さい導電性の第２接続手段、また
は、上記モジュールパッケージ上に設けられた所定のインダ
クタンス値を有する第３接続手段と、該第３接続手段と
上記チップ搭載キャリアとを接続する断面積の小さい導
電性の第２接続手段とからなり、上記グラウンドラインの有するインダクタンスを大きく
して、上記グラウンドラインを含んで構成される共振回
路の共振周波数を上記変調信号伝送手段で使用される所
定の周波数帯域より低域にシフトさせることを特徴とす
る請求項１に記載の電子冷却器付半導体レーザモジュー
ル。
【請求項８】上記グラウンドラインの有するインダク
タンスが、１０ｎＨ以上であることを特徴とする請求項
７に記載の電子冷却器付半導体レーザモジュール。
【請求項９】上記第３接続手段が、コイル、インダク
タンスチップ、リードライン、ワイヤ、金属伝送路ライ
ンからなる群より選択される１種または２種以上の組み
合わせから構成されることを特徴とする請求項７に記載
の電子冷却器付半導体レーザモジュール。
【請求項１０】上記第２接続手段が、ボンディングワ
イヤまたはリボンワイヤからなることを特徴とする請求
項２〜９のいずれかに記載の電子冷却器付半導体レーザ
モジュール。
【請求項１１】上記電子冷却器が、上記チップ搭載キ
ャリアおよび上記モジュールパッケージに夫々接し、ア
ルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チ
タン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ₃）のいずれかを主原料
とするセラミック材料からなる誘電体基板と、上記誘電
体基板に挟持されたペルチェ効果素子からなることを特
徴とする請求項２〜９のいずれかに記載の電子冷却器付
半導体レーザモジュール。
【請求項１２】上記変調信号伝達手段が、上記モジュ
ールパッケージを貫通するセラミックインサート上に形
成された金属伝送路、または、上記モジュールパッケー
ジに固定された同軸型コネクタからなることを特徴とす
る請求項２〜９のいずれかに記載の電子冷却器付半導体
レーザモジュール。