WO2023233589A1 - 半導体レーザ光源装置 - Google Patents

半導体レーザ光源装置 Download PDF

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WO2023233589A1
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semiconductor laser
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颯太 福島
誠二 中野
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三菱電機株式会社
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/02208—Mountings; Housings characterised by the shape of the housings
    • H01S5/02212—Can-type, e.g. TO-CAN housings with emission along or parallel to symmetry axis
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management

Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor laser light source device that controls the temperature of a semiconductor optical modulation element using a temperature control module.
  • a TO-CAN (Transistor-Outlined CAN) type which can be commercialized at low cost, is generally adopted.
  • lead pins are generally sealed and fixed to a metal stem using glass. Since the pressure created by the difference in their thermal expansion coefficients is used, the arrangement of the lead pins and the spacing between the lead pins are important in order to ensure high airtightness.
  • a temperature control module is used in a laser light source device equipped with a semiconductor light modulator to keep the temperature of the semiconductor light modulator constant (for example, see Patent Document 1).
  • a semiconductor modulation element is mounted on a first dielectric substrate, a second dielectric substrate is mounted on a support block on a metal stem, and a high frequency line of the second dielectric substrate is bonded to a lead pin.
  • the high frequency line on the first dielectric substrate and the high frequency line on the second dielectric substrate were connected by a conductive wire. For this reason, high frequency characteristics have been degraded due to impedance mismatch or an increase in inductance component between the lead pin and the semiconductor modulation element. Furthermore, the cost increases due to the presence of the second dielectric substrate and the support block on which it is mounted. Furthermore, since the electric signal input to the semiconductor optical modulator is performed using a single-phase drive method, power consumption is high.
  • the present disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to obtain a semiconductor laser light source device that can improve high frequency characteristics and reduce cost and power consumption.
  • a semiconductor laser light source device includes a metal stem, first and second lead pins penetrating the metal stem, a temperature control module mounted on the metal stem, and a temperature control module mounted on the temperature control module.
  • the body substrate has a cutout on a side of the metal stem, and a part of the temperature control module and the support block are disposed in an internal space of the cutout.
  • the dielectric substrate has a notch on the side of the metal stem, and a part of the temperature control module and the support block are arranged in the internal space of the notch.
  • This allows the dielectric substrate on which the semiconductor modulation element is mounted to extend close to the metal stem, making it possible to connect the differential drive signal line of the dielectric substrate to the lead pins without going through another dielectric substrate. can.
  • high frequency characteristics can be improved and costs can be reduced.
  • the electric signal input method to the semiconductor optical modulator is a differential drive method, the voltage amplitude of the signal generator can be reduced compared to the conventional single-phase drive method, and the power consumption of the signal generator can be reduced. can.
  • FIG. 1 is a front perspective view showing a semiconductor device according to a first embodiment;
  • FIG. 1 is a top view showing a semiconductor laser light source device according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a side view showing a semiconductor laser light source device according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a rear perspective view showing the semiconductor laser light source device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a rear perspective view showing a semiconductor laser light source device according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a top view showing a semiconductor laser light source device according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a rear perspective view showing a semiconductor laser light source device according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a side view showing a semiconductor laser light source device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 9 is an enlarged view of the portion surrounded by the broken line in FIG. 8.
  • FIG. FIG. 7 is a side perspective view showing a semiconductor laser light source device according to a fourth embodiment. 11 is an enlarged view of the portion surrounded by the broken line in FIG. 10.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a semiconductor laser light source device according to a fifth embodiment.
  • a semiconductor laser light source device will be described with reference to the drawings. Identical or corresponding components may be given the same reference numerals and repeated descriptions may be omitted.
  • FIG. 1 is a front perspective view showing a semiconductor device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a top view showing the semiconductor laser light source device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a side view showing the semiconductor laser light source device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a rear perspective view showing the semiconductor laser light source device according to the first embodiment.
  • the metal stem 1 is a generally circular metal plate.
  • a plurality of lead pins 2a to 2g pass through the metal stem 1.
  • Glass 3 is generally used to fix lead pins 2a to 2g to metal stem 1.
  • the material of the metal stem 1 and lead pins 2a to 2g is, for example, metal such as copper, iron, or stainless steel.
  • the surfaces of the metal stem 1 and lead pins 2a to 2g may be plated with gold or nickel.
  • the glass 3 is made of a material with a low dielectric constant so as to have the same impedance as the signal generator.
  • a temperature control module 4 is mounted on the metal stem 1.
  • the temperature control module 4 has a plurality of thermoelectric elements 4a made of a material such as BiTe sandwiched between a lower substrate 4b and an upper substrate 4c made of a material such as AlN.
  • the upper surface of the metal stem 1 and the lower substrate 4b of the temperature control module 4 are bonded using a bonding material such as SnAgCu solder or AuSn solder.
  • the lower substrate 4b has a protrusion that protrudes more forward than the upper substrate 4c, and this protrusion is provided with metallization 4d and 4e for supplying power to the thermoelectric element 4a.
  • a support block 5 is provided on top of the temperature control module 4.
  • the support block 5 is a block made of a metal material such as copper, iron, or stainless steel whose surface is plated with Au or the like. Note that the support block 5 may have a structure in which an insulator such as ceramic or resin is coated with metal.
  • the dielectric substrate 6 has a main surface and a back surface that are opposite to each other.
  • the back surface of the dielectric substrate 6 is joined to the side surface of the support block 5.
  • the dielectric substrate 6 is a U-shaped or U-shaped plate having a notch 6a open to the metal stem 1 side.
  • the temperature control module 4 is arranged in the notch 6a of the dielectric substrate 6.
  • the dielectric substrate 6 is made of a ceramic material such as aluminum nitride (AlN), and has an electrical insulation function and a heat transfer function.
  • the dielectric substrate 6 may be formed integrally or may be formed by a combination of rectangular substrates.
  • differential drive signal lines 7a and 7b and a ground conductor 8 are provided on the main surface of the dielectric substrate 6 by Au plating and metallization.
  • the differential drive signal lines 7a and 7b are microstrip lines or coplanar lines, and have an impedance equivalent to the output impedance of the signal generator.
  • the ground conductor 8 is provided from the main surface to the top surface and the back surface of the dielectric substrate 6, and the ground conductor 8 on the back surface side is joined to the support block 5. Further, a signal conductor 9 is provided from the main surface to the upper surface of the dielectric substrate 6.
  • a semiconductor optical modulator 10 is mounted on a dielectric substrate 6.
  • the modulator section of the semiconductor optical modulator 10 is composed of a plurality of electroabsorption optical modulators.
  • the semiconductor optical modulator 10 is, for example, a modulator integrated laser diode (EAM-LD) in which an electroabsorption optical modulator using an InGaAsP-based quantum well absorption layer and a distributed feedback laser diode are monolithically integrated.
  • Laser light is emitted from the light emitting point of the semiconductor optical modulator 10 along an optical axis perpendicular to the chip end face and parallel to the chip main surface.
  • a light receiving element 11, a temperature sensor 12, and a ceramic block 13 are mounted on the support block 5.
  • a bonding material for bonding the temperature sensor 12 and the ceramic block 13 to the support block 5 for example, SnAgCu solder or AuSn solder is used.
  • the temperature sensor 12 is, for example, a thermistor.
  • the ceramic block 13 is, for example, an AlN substrate.
  • a conductive film is provided on the upper surface of the ceramic block 13.
  • the light receiving element 11 is arranged on the Z-axis negative direction side of the semiconductor light modulating element 10.
  • a conductive wire 14a connects the distributed feedback laser diode of the semiconductor optical modulator 10 and the signal conductor 9 on the main surface of the dielectric substrate 6. Note that they may be connected by relaying a conductor provided on the main surface of the dielectric substrate 6.
  • a conductive wire 14b connects the signal conductor 9 on the upper surface of the dielectric substrate 6 and the lead pin 2a.
  • Conductive wires 14c and 14d connect one end of the two differential drive signal lines 7a and 7b to an EAM (electro-absorption modulator) electrode of the semiconductor optical modulator 10, respectively.
  • Conductive wires 14e and 14f connect the other ends of the two differential drive signal lines 7a and 7b to the lead pins 2b and 2c, respectively. Note that the other ends of the two differential drive signal lines 7a, 7b and the lead pins 2b, 2c may be connected using a conductive bonding material such as SnAgCu solder or AuSn solder.
  • a conductive wire 14g connects the temperature sensor 12 and the conductive film of the ceramic block 13.
  • a conductive wire 14h connects the conductor film of the ceramic block 13 and the lead pin 2d.
  • a conductive wire 14i connects the support block 5 and the metal stem 1.
  • a plurality of conductive wires 14i may be connected in order to improve high frequency characteristics by strengthening GND.
  • Conductive wires 14j, 14k connect metallizations 4d, 4e of temperature control module 4 to lead pins 2e, 2f, respectively.
  • a conductive wire 14l connects the light receiving element 11 and the lead pin 2g.
  • the differential electrical signals input to the lead pins 2b and 2c are transmitted to the differential drive signal lines 7a and 7b via conductive wires 14e and 14f, respectively, and are transmitted to the semiconductor optical modulation element via conductive wires 14c and 14d. 10 modulators.
  • the electrical signals input to the lead pins 2b and 2c are electromagnetically coupled to the metal stem 1.
  • the metal stem 1 is connected to a support block 5 via a conductive wire 14i, and the support block 5 is connected to a ground conductor 8 of a dielectric substrate 6. Therefore, the metal stem 1, support block 5, and ground conductor 8 act as an AC ground.
  • the temperature control module 4 cools it, and conversely, when the temperature drops, the temperature control module 4 generates heat to keep the temperature of the semiconductor light modulator 10 constant. .
  • Heat generated in the semiconductor optical modulator 10 is transmitted to the upper substrate 4c of the temperature control module 4 via the dielectric substrate 6 and the support block 5.
  • the temperature control module 4 absorbs heat received from the semiconductor optical modulation element 10. The heat absorbed by the temperature control module 4 is propagated in the negative Z-axis direction from the lower substrate 4b of the temperature control module 4 via the metal stem 1, and is radiated to the lower surface side of the metal stem 1.
  • the temperature sensor 12 indirectly measures the temperature of the semiconductor optical modulator 10 via the dielectric substrate 6 and the support block 5. The measured temperature is fed back to the temperature control module 4, and if the temperature of the semiconductor optical modulation element 10 is higher than the target value, the temperature control module 4 performs cooling, and conversely, if it is lower than the target value, it generates heat. Thereby, the temperature of the semiconductor optical modulator 10 can be stabilized.
  • the ambient temperature transmitted to the metal stem 1 from the outside world will flow into the temperature sensor 12 through the wire, making it impossible to accurately measure the temperature. Therefore, a ceramic block 13 is placed between the temperature sensor 12 and the lead pin 2d to relay the temperature sensor 12 and the lead pin 2d. This reduces the amount of heat flowing into the temperature sensor 12, allowing the temperature sensor 12 to accurately measure temperature.
  • the light receiving element 11 converts an optical signal into an electrical signal (O/E conversion).
  • the electrical signal is transmitted to the lead pin 2g via the connected conductive wire 14l.
  • the number of lead pins passing through the metal stem 1 increases by one, but the intensity of the backlight of the semiconductor light modulating element 10 can be monitored.
  • the drive current of the semiconductor optical modulator 10 can be controlled so that the optical output is constant.
  • the dielectric substrate 6 has a notch 6a on the side of the metal stem 1, and the temperature control module 4 and part of the support block 5 are arranged in the internal space of the notch 6a. has been done.
  • the dielectric substrate 6 on which the semiconductor optical modulator 10 is mounted can be extended close to the metal stem 1, so that the differential drive signal lines 7a and 7b of the dielectric substrate 6 can be connected via another dielectric substrate. It is possible to connect to the lead pins 2b and 2c without any trouble. Therefore, the number of signal reflection points is reduced and high frequency characteristics are improved.
  • the second dielectric substrate of the prior art, the support block on which it is mounted, and the conductive wire that connects the signal line of the first dielectric substrate and the signal line of the second dielectric substrate are no longer required. Therefore, costs can be reduced.
  • the electric signal input method to the semiconductor optical modulator is a differential drive method
  • the voltage amplitude of the signal generator can be reduced compared to the conventional single-phase drive method, and the power consumption of the signal generator can be reduced. can.
  • each lead pin 2a to 2g is under equal pressure during sealing. Therefore, it is desirable that the lead pins 2a to 2g are arranged in a circular shape with respect to the metal stem 1. Furthermore, if the spacing between adjacent lead pins 2a to 2g is too close, the sealing performance will deteriorate, so a certain distance is required.
  • the lead pins 2a to 2g can be arranged evenly, improving airtightness.
  • lead pins 2b, 2c, 2e to 2g are arranged on the main surface side of the dielectric substrate 6.
  • lead pins 2 a for feeding power to the distributed feedback laser diode of the semiconductor optical modulator 10 and lead pins 2 d for feeding power to the temperature sensor 12 are arranged on the back side of the dielectric substrate 6 . Therefore, each of the lead pins 2a to 2g can be arranged evenly in a circular shape with respect to the metal stem 1, thereby improving airtightness.
  • the conductive wire 14a connects the distributed feedback laser diode of the semiconductor optical modulator 10 and the signal conductor 9 of the dielectric substrate 6, and the conductive wire 14b connects the signal conductor 9 and the lead pin 2a.
  • electricity is transmitted from the lead pins 2a on the back side of the dielectric substrate 6 to the distributed feedback laser diode of the semiconductor optical modulator 10 on the main surface side of the dielectric substrate 6 without using a complicated mechanism of a wire bonding device. can be supplied.
  • the dielectric substrate 6 when the dielectric substrate 6 is in contact with the metal stem 1, heat from the outside world transmitted to the metal stem 1 flows into the semiconductor light modulation element 10 and the temperature sensor 12 via the dielectric substrate 6. This makes temperature control by the temperature control module 4 difficult. For this reason, it is desirable that the dielectric substrate 6 does not come into contact with the metal stem 1.
  • the lead pins 2b and 2c connected to the differential drive signal lines 7a and 7b have inner lead portions protruding from the upper surface of the metal stem 1. As the length of the inner lead portion is shortened, the inductance component is reduced, loss due to signal reflection at the inner lead portion can be reduced, and the pass band is improved. Further, in order to obtain the maximum voltage amplitude from the signal generator, a matching resistor may be provided on the main surface of the dielectric substrate 6 and connected in parallel to the semiconductor optical modulator 10.
  • FIG. 5 is a rear perspective view showing the semiconductor laser light source device according to the second embodiment.
  • a ground conductor 8 is provided not only on the back surface of the dielectric substrate 6 but also on the side surface of the dielectric substrate 6 that is perpendicular to the top surface of the metal stem 1 .
  • a conductive wire 15 connects the metal stem 1 to a ground conductor 8 provided on the side surface of the dielectric substrate 6. It is preferable to connect the conductive wires 15 to both sides of the lead pins 2b and 2c, and a plurality of conductive wires 15 may be provided for each.
  • the ground of the semiconductor modulation element extends from the ground conductor 8 of the dielectric substrate 6 to the support block 5, and is connected to the metal stem 1 via the conductive wire 14i. Therefore, since the distance to the ground is long, the ground may become weak and the high frequency characteristics may deteriorate.
  • the ground of the semiconductor modulation element is connected from the ground conductor 8 of the dielectric substrate 6 to the metal stem 1 via the conductive wire 15, so the distance to the ground is shortened and high frequency characteristics are improved. do. Further, by connecting with the conductive wire 15, it is possible to strengthen the ground while suppressing heat flow from the metal stem 1 to the dielectric substrate 6, as compared to direct bonding. Further, by providing the ground conductor 8 on the side surface of the dielectric substrate 6, the conductive wire 15 can be connected without changing the arrangement of the lead pins.
  • FIG. 6 is a top view showing a semiconductor laser light source device according to the third embodiment.
  • FIG. 7 is a rear perspective view showing the semiconductor laser light source device according to the third embodiment.
  • the dielectric substrate 6 is enlarged in both the positive and negative directions of the X-axis compared to the first embodiment, and extends further outward than the lead pins 2b and 2c in plan view.
  • a conductive wire 16 connects the ground conductor 8 provided on the back surface of the dielectric substrate 6 and the metal stem 1 .
  • the conductive wires 16 are connected to both sides of the lead pins 2b and 2c, and a plurality of conductive wires 16 may be connected to each of the lead pins 2b and 2c.
  • the conductive wire 16 can be connected from the back surface of the dielectric substrate 6 without changing the arrangement of the lead pins.
  • FIG. 8 is a side view showing a semiconductor laser light source device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 9 is an enlarged view of the portion surrounded by the broken line in FIG.
  • FIG. 10 is a side perspective view showing a semiconductor laser light source device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 11 is an enlarged view of the portion surrounded by the broken line in FIG.
  • the ground conductor 8 is connected not only to the back surface of the dielectric substrate 6 but also to the lower surface of the dielectric substrate 6 facing the upper surface of the metal stem 1. It is provided. Further, a ground conductor 8 provided on the lower surface of the dielectric substrate 6 and the metal stem 1 are connected by a conductive spring 17. One end of the conductive spring 17 is bonded to the ground conductor 8 provided on the lower surface of the dielectric substrate 6 or to the upper surface of the metal stem 1 using a bonding material such as SnAgCu solder or AuSn solder. The conductive spring 17 is mounted so as to be pressed against the upper surface of the metal stem 1 by the dielectric substrate 6.
  • the conductive spring 17 may be, for example, a metal material such as copper, iron, or stainless steel processed into a plate spring or coil spring shape, or may be a conductive rubber material.
  • the contact area between the dielectric substrate 6 and the metal stem 1 can be reduced. Therefore, similarly to the second embodiment, it is possible to strengthen the ground while suppressing heat flow from the metal stem 1 to the dielectric substrate 6. Further, by providing the conductive spring 17 in the space between the dielectric substrate 6 and the metal stem 1, the grounding can be strengthened without changing the arrangement of the lead pins.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a semiconductor laser light source device according to the fifth embodiment.
  • a lens-equipped cap 18 is bonded to the metal stem 1 of the semiconductor laser light source device according to any one of the first to fourth embodiments.
  • the lens-equipped cap 18 is an airtight sealing cap that hermetically seals the temperature control module 4, support block 5, dielectric substrate 6, semiconductor light modulation element 10, temperature sensor 12, etc. mounted on the metal stem 1. .
  • the lens-equipped cap 18 can improve moisture resistance and disturbance resistance.
  • the lens of the lens-equipped cap 18 is made of glass made of SiO 2 , for example, and focuses the laser light emitted from the semiconductor light modulation element 10 and makes it enter the fiber.

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Abstract

温度制御モジュール（４）が金属ステム（１）の上に実装されている。支持ブロック（５）が温度制御モジュール（４）の上に実装されている。誘電体基板（６）の裏面が支持ブロック（５）の側面に接合されている。誘電体基板（６）の主面に、差動駆動用信号線路（７ａ，７ｂ）が設けられ、半導体光変調素子（１０）が実装されている。第１のリードピン（２ｂ，２ｃ）と差動駆動用信号線路（７ａ，７ｂ）の一端が接続されている。差動駆動用信号線路（７ａ，７ｂ）の他端と半導体光変調素子（１０）がワイヤ接続されている。温度制御モジュール（４）と第２のリードピン（２ｅ，２ｆ）がワイヤ接続されている。誘電体基板（６）は、金属ステム（１）の側に切り欠き（６ａ）を有する。切り欠き（６ａ）の内部空間に温度制御モジュール（４）及び支持ブロック（５）の一部が配置されている。

Description

半導体レーザ光源装置
　本開示は、温度制御モジュールにより半導体光変調素子の温度制御を行う半導体レーザ光源装置に関する。
　ＳＮＳ、動画共有サービス等の普及が世界的規模で進んでおり、データ伝送の大容量化が加速している。限られた実装スペースで信号の高速大容量化に対応するために、光トランシーバーの高速化と小型化が進んでいる。光デバイスには、高速化と低コスト化に加えて、ランニングコストを抑えるために低消費電力化が求められている。
　半導体光変調素子を搭載したレーザ光源装置の構造として、安価に製品化できるＴＯ－ＣＡＮ（Transistor-Outlined CAN）型が一般的に採用される。ＴＯ－ＣＡＮ構造では一般的にリードピンを金属ステムにガラスを用いて封着固定している。それぞれの熱膨張係数差による圧力を利用しているため、高い気密性を確保するためにはリードピンの配置とリードピン同士の間隔が重要となる。
　半導体光変調素子は発熱による温度変化よって発振波長又は光出力が変化する。従って、半導体光変調素子を搭載したレーザ光源装置には、半導体光変調素子の温度を一定に保つために温度制御モジュールが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
日本特許第５１８８６２５号明細書
　従来構造では、第１の誘電体基板に半導体変調素子が実装され、金属ステム上の支持ブロックに第２の誘電体基板が実装され、第２の誘電体基板の高周波線路がリードピンに接合され、第１の誘電体基板の高周波線路と第２の誘電体基板の高周波線路とを導電性ワイヤで接続していた。このため、リードピンと半導体変調素子との間のインピーダンス不整合又はインダクタンス成分増加によって高周波特性が劣化していた。また、第２の誘電体基板とそれを実装する支持ブロックが存在することでコストが増加していた。また、半導体光変調素子への電気信号入力が単相駆動方式であるため、消費電力が高くなっていた。
　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、その目的は高周波特性を向上させ、コストと消費電力を低減することができる半導体レーザ光源装置を得るものである。
　本開示に係る半導体レーザ光源装置は、金属ステムと、前記金属ステムを貫通する第１及び第２のリードピンと、前記金属ステムの上に実装された温度制御モジュールと、前記温度制御モジュールの上に実装された支持ブロックと、互いに反対側の主面及び裏面を有し、前記裏面が前記支持ブロックの側面に接合された誘電体基板と、前記誘電体基板の前記主面に設けられた差動駆動用信号線路と、前記誘電体基板の前記主面に実装された半導体光変調素子と、前記第１のリードピンと前記差動駆動用信号線路の一端を接続する導電性接合材と、前記差動駆動用信号線路の他端と前記半導体光変調素子を接続する第１の導電性ワイヤと、前記温度制御モジュールと前記第２のリードピンを接続する第２の導電性ワイヤとを備え、前記誘電体基板は、前記金属ステムの側に切り欠きを有し、前記切り欠きの内部空間に前記温度制御モジュール及び前記支持ブロックの一部が配置されていることを特徴とする。
　本開示では、誘電体基板は金属ステムの側に切り欠きを有し、切り欠きの内部空間に温度制御モジュール及び支持ブロックの一部が配置されている。これにより、半導体変調素子が実装された誘電体基板を金属ステムの近くまで延在できるため、誘電体基板の差動駆動用信号線路を他の誘電体基板を介することなくリードピンに接続することができる。これにより、高周波特性を向上させ、コストを低減することができる。また、半導体光変調素子への電気信号入力方式が差動駆動方式であるため、従来の単相駆動方式よりも信号発生器の電圧振幅を低減でき、信号発生器の消費電力を低減することができる。
実施の形態１に係る半導体装置を示す正面斜視図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置を示す上面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ光源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光源装置を示す背面斜視図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ光源装置を示す背面斜視図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置を示す上面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置を示す背面斜視図である。 実施の形態４に係る半導体レーザ光源装置を示す側面図である。 図８の破線で囲んだ部分を拡大した図である。 実施の形態４に係る半導体レーザ光源装置を示す側面斜視図である。 図１０の破線で囲んだ部分を拡大した図である。 実施の形態５に係る半導体レーザ光源装置を示す概略図である。
　実施の形態に係る半導体レーザ光源装置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に係る半導体装置を示す正面斜視図である。図２は、実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置を示す上面図である。図３は、実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置を示す側面図である。図４は、実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置を示す背面斜視図である。
　金属ステム１は概ね円形の金属板である。複数のリードピン２ａ～２ｇが金属ステム１を貫通する。金属ステム１にリードピン２ａ～２ｇを固定するために一般的にガラス３が用いられる。金属ステム１及びリードピン２ａ～２ｇの材料は例えば銅、鉄又はステンレスなどの金属である。金属ステム１及びリードピン２ａ～２ｇの表面に金メッキ又はニッケルメッキなどを施してもよい。インピーダンス不整合になると信号の多重反射によって周波数応答特性が劣化し、高速変調が困難となる。従って、ガラス３は信号発生器と同じインピーダンスとなるように低誘電率の材質からなる。
　温度制御モジュール４が金属ステム１の上に実装されている。温度制御モジュール４は、例えばＢｉＴｅなどの材料からなる複数の熱電素子４ａを、ＡｌＮなどの材料からなる下側基板４ｂと上側基板４ｃで挟んだものである。例えばＳｎＡｇＣｕハンダ又はＡｕＳｎハンダなどの接合材により金属ステム１の上面と温度制御モジュール４の下側基板４ｂが接合されている。下側基板４ｂは上側基板４ｃよりも前方に突出した突出部を有し、この突出部に、熱電素子４ａに電力供給するためのメタライズ４ｄ，４ｅが設けられている。
　支持ブロック５が温度制御モジュール４の上に設けられている。支持ブロック５は、例えば、銅、鉄、又はステンレスなどの金属の表面にＡｕメッキなどが施された金属材料のブロックである。なお、支持ブロック５は、セラミック又は樹脂などの絶縁体に金属が被覆された構造でもよい。
　誘電体基板６は、互いに反対側の主面及び裏面を有する。誘電体基板６の裏面は支持ブロック５の側面に接合されている。誘電体基板６は、金属ステム１の側に開口した切り欠き６ａを有するコ字形又はＵ字形の板である。誘電体基板６の切り欠き６ａに温度制御モジュール４が配置されている。誘電体基板６は例えば窒化アルミ（ＡｌＮ）などのセラミック材料からなり、電気絶縁機能と熱伝達機能を有する。誘電体基板６は一体で形成されてもよいし、四角形基板の組み合わせによって形成されてもよい。
　２本の差動駆動用信号線路７ａ，７ｂとグランド導体８が、Ａｕメッキ及びメタライズにより誘電体基板６の主面に設けられている。差動駆動用信号線路７ａ，７ｂはマイクロストリップ線路又はコプレナ線路であり、信号発生器の出力インピーダンスと同等のインピーダンスを有する。グランド導体８は誘電体基板６の主面から上面、裏面にかけて設けられており、裏面側のグランド導体８が支持ブロック５に接合されている。また、信号導体９が誘電体基板６の主面から上面にかけて設けられている。
　半導体光変調素子１０が誘電体基板６に実装されている。半導体光変調素子１０の変調器部は複数の電界吸収型光変調器で構成されている。半導体光変調素子１０は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ系量子井戸吸収層を用いた電界吸収型光変調器と分布帰還型レーザダイオードとをモノリシックに集積した変調器集積型レーザダイオード（ＥＡＭ－ＬＤ）である。半導体光変調素子１０の発光点から、チップ端面に対して垂直かつチップ主面に対して平行な光軸に沿ってレーザ光が放射される。
　受光素子１１、温度センサ１２、及びセラミックブロック１３が支持ブロック５に実装されている。支持ブロック５に温度センサ１２及びセラミックブロック１３を接合するための接合材として、例えばＳｎＡｇＣｕハンダ又はＡｕＳｎハンダなどが用いられる。温度センサ１２は例えばサーミスタである。セラミックブロック１３は例えばＡｌＮ基板である。セラミックブロック１３の上面に導体膜が設けられている。ここでは、受光素子１１は、半導体光変調素子１０のＺ軸負方向側に配置されている。
　導電性ワイヤ１４ａが半導体光変調素子１０の分布帰還型レーザダイオードと誘電体基板６の主面の信号導体９を接続する。なお、誘電体基板６の主面に設けられた導体を中継してそれらを接続してもよい。導電性ワイヤ１４ｂが誘電体基板６の上面の信号導体９とリードピン２ａを接続する。導電性ワイヤ１４ｃ，１４ｄがそれぞれ２本の差動駆動用信号線路７ａ，７ｂの一端と半導体光変調素子１０のＥＡＭ（electro-absorption modulator）電極を接続する。導電性ワイヤ１４ｅ，１４ｆがそれぞれ２本の差動駆動用信号線路７ａ，７ｂの他端とリードピン２ｂ，２ｃを接続する。なお、２本の差動駆動用信号線路７ａ，７ｂの他端とリードピン２ｂ，２ｃを例えばＳｎＡｇＣｕハンダ又はＡｕＳｎハンダなどの導電性接合材を用いて接続してもよい。
　導電性ワイヤ１４ｇが温度センサ１２とセラミックブロック１３の導体膜を接続する。導電性ワイヤ１４ｈがセラミックブロック１３の導体膜とリードピン２ｄを接続する。導電性ワイヤ１４ｉが支持ブロック５と金属ステム１を接続する。導電性ワイヤ１４ｉはＧＮＤ強化による高周波特性向上のため、複数本接続してもよい。導電性ワイヤ１４ｊ，１４ｋがそれぞれ温度制御モジュール４のメタライズ４ｄ，４ｅとリードピン２ｅ，２ｆを接続する。導電性ワイヤ１４ｌが受光素子１１とリードピン２ｇを接続する。
　リードピン２ｂ，２ｃに入力された差動電気信号は、それぞれ導電性ワイヤ１４ｅ，１４ｆを介して差動駆動用信号線路７ａ，７ｂに伝達され、導電性ワイヤ１４ｃ，１４ｄを介して半導体光変調素子１０の変調器に印加される。ここでリードピン２ｂ，２ｃに入力された電気信号は金属ステム１と電磁的に結合する。金属ステム１は、導電性ワイヤ１４ｉを介して支持ブロック５に接続され、支持ブロック５は、誘電体基板６のグランド導体８と接続されている。よって金属ステム１、支持ブロック５、グランド導体８はＡＣグランドとして作用する。
　半導体光変調素子１０の温度が変化すると発振波長が変化するため、温度を一定に保つ必要がある。そこで、半導体光変調素子１０の温度が上昇した場合は温度制御モジュール４が冷却を行い、逆に温度が低下した場合は温度制御モジュール４が発熱し、半導体光変調素子１０の温度を一定にする。半導体光変調素子１０において発生した熱は誘電体基板６と支持ブロック５を介して温度制御モジュール４の上側基板４ｃに伝わる。温度制御モジュール４は、半導体光変調素子１０から受けた熱を吸熱する。温度制御モジュール４が吸熱した熱は、温度制御モジュール４の下側基板４ｂから金属ステム１を介してＺ軸負方向に伝搬され、金属ステム１の下面側に放熱される。
　温度センサ１２は、誘電体基板６と支持ブロック５を介して半導体光変調素子１０の温度を間接的に測定する。測定した温度を温度制御モジュール４にフィードバックして、半導体光変調素子１０の温度が狙い値に対して高い場合は温度制御モジュール４が冷却を行い、逆に低い場合は発熱を行う。これにより、半導体光変調素子１０の温度を安定化することができる。
　温度センサ１２とリードピン２ｄを直接ワイヤ接続すると、外界から金属ステム１に伝わってきた雰囲気温度がワイヤを通って温度センサ１２に流入し、正確な温度を測定できない。そこで、温度センサ１２とリードピン２ｄの間にセラミックブロック１３を配置して中継する。これにより、温度センサ１２に流入する熱量が低減され、温度センサ１２が正確な温度を測定することができる。
　受光素子１１は光信号を電気信号へ変換（Ｏ／Ｅ変換）する。電気信号は接続された導電性ワイヤ１４ｌを介してリードピン２ｇへと伝送される。受光素子１１を設けることで、金属ステム１を貫通するリードピンの数が１本増えることになるが、半導体光変調素子１０の背面光の強度をモニターすることができる。このモニター結果をフィードバックすることで、光出力が一定になるように半導体光変調素子１０の駆動電流を制御することができる。
　以上説明したように、本実施の形態では、誘電体基板６は金属ステム１の側に切り欠き６ａを有し、切り欠き６ａの内部空間に温度制御モジュール４及び支持ブロック５の一部が配置されている。これにより、半導体光変調素子１０が実装された誘電体基板６を金属ステム１の近くまで延在できるため、誘電体基板６の差動駆動用信号線路７ａ，７ｂを他の誘電体基板を介することなくリードピン２ｂ，２ｃに接続することができる。このため、信号反射点が少なくなり高周波特性が向上する。
　また、従来技術の第２の誘電体基板と、それを実装する支持ブロックと、第１の誘電体基板の信号線路と第２の誘電体基板の信号線路を接続する導電性ワイヤが不要となるため、コストを低減することができる。
　また、半導体光変調素子への電気信号入力方式が差動駆動方式であるため、従来の単相駆動方式よりも信号発生器の電圧振幅を低減でき、信号発生器の消費電力を低減することができる。
　従来構造は半導体変調素子とリードピンとの間に第２の誘電体基板が存在していた。このため、接続点におけるインピーダンス不整合により信号の反射が発生し、帯域の利得が低下していた。一方、本実施の形態では第２の誘電体基板が不要であるため信号の反射点が存在せず、従来構造よりも広帯域化が可能になる。
　従来構造では金属ステムに接合された支持ブロックから、第２の誘電体基板と導電性ワイヤを介して、半導体光変調素子が実装された第１の誘電体基板に熱が流入するため、温度制御モジュールが吸収する熱量が増大し、消費電力が高くなっていた。一方、本実施の形態では、金属ステムに接合された支持ブロックが無いため、従来構造よりも消費電力を低減することができる。
　リードピン２ａ～２ｇを金属ステム１にガラス３で封着固定させるために、一般的にコンプレッション方式又はマッチング方式が適用される。気密性を保つためには封着の際に各リードピン２ａ～２ｇが等圧力になっていることが重要である。従って、リードピン２ａ～２ｇが金属ステム１に対して円形状に配置されていることが望ましい。また、隣り合うリードピン２ａ～２ｇの間隔が近接しすぎていると封着性が劣化するため、ある程度の距離が必要である。
　従来構造では、第２の誘電体基板を実装する支持ブロックを設けるスペースを金属ステム上に確保する必要があるため、リードピンを均等に配置することができず、気密性が取れなかった。一方、本実施の形態では、金属ステム１上に支持ブロックが無いため、リードピン２ａ～２ｇを均等に配置することができ、気密性が向上する。
　また、リードピン２ｂ，２ｃ，２ｅ～２ｇは誘電体基板６の主面側に配置されている。一方、半導体光変調素子１０の分布帰還型レーザダイオードに給電するためのリードピン２ａと、温度センサ１２に給電するためのリードピン２ｄは、誘電体基板６の裏面側に配置されている。従って、各リードピン２ａ～２ｇを金属ステム１に対して円形状に均等に配置することができるため、気密性が向上する。
　また、導電性ワイヤ１４ａが半導体光変調素子１０の分布帰還型レーザダイオードと誘電体基板６の信号導体９を接続し、導電性ワイヤ１４ｂが信号導体９とリードピン２ａを接続する。これにより、ワイヤボンディング装置の複雑な機構を用いることなく、誘電体基板６の裏面側のリードピン２ａから、誘電体基板６の主面側の半導体光変調素子１０の分布帰還型レーザダイオードに電気を供給することができる。
　また、誘電体基板６が金属ステム１に接触していると、金属ステム１に伝わってきた外界からの熱が誘電体基板６を介して半導体光変調素子１０及び温度センサ１２に流入する。これにより、温度制御モジュール４による温度制御が困難になる。このため、誘電体基板６が金属ステム１と接触しないことが望ましい。
　また、差動駆動用信号線路７ａ，７ｂと接続されるリードピン２ｂ，２ｃは、金属ステム１の上面からの飛び出したインナーリード部を有する。インナーリード部の長さを短くするほどインダクタンス成分が低減し、インナーリード部における信号の反射による損失を低減でき、通過帯域が向上する。また、信号発生器からの最大電圧振幅を得るために、誘電体基板６の主面に整合抵抗を設けて半導体光変調素子１０に並列接続してもよい。
実施の形態２．
　図５は、実施の形態２に係る半導体レーザ光源装置を示す背面斜視図である。グランド導体８が、誘電体基板６の裏面だけでなく、金属ステム１の上面と直交する誘電体基板６の側面にも設けられている。また、導電性ワイヤ１５が、その誘電体基板６の側面に設けられたグランド導体８と、金属ステム１を接続する。導電性ワイヤ１５はリードピン２ｂ側と２ｃ側の両側に接続することが好ましく、それぞれ複数本にしてもよい。
　実施の形態１では、半導体変調素子のグランドは誘電体基板６のグランド導体８から支持ブロック５に渡り、導電性ワイヤ１４ｉを介して金属ステム１に接続される。従って、グランドまでの距離が遠いため、グランドが弱くなり高周波特性が劣化する可能性がある。一方、本実施の形態では、半導体変調素子のグランドは誘電体基板６のグランド導体８から導電性ワイヤ１５を介して金属ステム１に接続されるため、グランドまでの距離が短くなり高周波特性が向上する。また、導電性ワイヤ１５で接続することにより、直接接合するよりも金属ステム１から誘電体基板６への熱流入を抑えつつグランドを強化することができる。また、グランド導体８を誘電体基板６の側面に設けることにより、リードピンの配置を変更することなく、導電性ワイヤ１５を接続することができる。
実施の形態３．
　図６は、実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置を示す上面図である。図７は、実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置を示す背面斜視図である。
　誘電体基板６が実施の形態１よりもＸ軸の正負両方向に拡大され、平面視でリードピン２ｂ，２ｃよりも外側に延在している。導電性ワイヤ１６が、誘電体基板６の裏面に設けられたグランド導体８と金属ステム１を接続する。実施の形態２と同様に、導電性ワイヤ１６はリードピン２ｂ側と２ｃ側の両側に接続することが好ましく、それぞれ複数本にしてもよい。
　本実施の形態により、実施の形態２と同様に、金属ステム１から誘電体基板６への熱流入を抑えつつもグランドを強化することができる。また、誘電体基板６を拡大することにより、リードピンの配置を変更することなく、導電性ワイヤ１６を誘電体基板６の裏面から接続することができる。
実施の形態４．
　図８は、実施の形態４に係る半導体レーザ光源装置を示す側面図である。図９は図８の破線で囲んだ部分を拡大した図である。図１０は、実施の形態４に係る半導体レーザ光源装置を示す側面斜視図である。図１１は図１０の破線で囲んだ部分を拡大した図である。
　グランド導体８が、リードピン２ｂ，２ｃと接続される誘電体基板６の左右の突出部において、誘電体基板６の裏面だけでなく、金属ステム１の上面と対向する誘電体基板６の下面にも設けられている。また、誘電体基板６の下面に設けられたグランド導体８と金属ステム１が導電性ばね１７によって接続されている。導電性ばね１７の一端が、誘電体基板６の下面に設けられたグランド導体８、又は、金属ステム１の上面に、ＳｎＡｇＣｕハンダ又はＡｕＳｎハンダなどの接合材を用いて接合されている。導電性ばね１７は誘電体基板６によって金属ステム１の上面に押さえつけるようにして実装される。導電性ばね１７は、例えば、銅、鉄、又はステンレスなどの金属材料を板ばね又はコイルばねの形状に加工したものでもよいし、導電性を有したゴム材料でもよい。
　本実施の形態では、導電性ばね１７を用いることにより、誘電体基板６及び金属ステム１との接触面積を小さくすることができる。このため、実施の形態２と同様に、金属ステム１から誘電体基板６への熱流入を抑えつつグランドを強化することができる。また、導電性ばね１７を誘電体基板６と金属ステム１との間の空間に設けることにより、リードピンの配置を変更することなく、グランドの強化が可能となる。
実施の形態５．
　図１２は、実施の形態５に係る半導体レーザ光源装置を示す概略図である。実施の形態１～４の何れかの半導体レーザ光源装置の金属ステム１にレンズ付きキャップ１８が接合されている。レンズ付きキャップ１８は、金属ステム１上に実装された温度制御モジュール４、支持ブロック５、誘電体基板６、半導体光変調素子１０及び温度センサ１２等を気密封止する気密封止用キャップである。レンズ付きキャップ１８により耐湿性及び外乱耐性を向上することができる。レンズ付きキャップ１８のレンズは、例えばＳｉＯ２からなるガラスからなり、半導体光変調素子１０から出射されたレーザ光を集光し、ファイバに入射させる。
１　金属ステム、２ａ～２ｇ　リードピン、４　温度制御モジュール、５　支持ブロック、６　誘電体基板、６ａ　切り欠き、７ａ，７ｂ　差動駆動用信号線路、８　グランド導体、１０　半導体光変調素子、１１　受光素子、１２　温度センサ、１３　セラミックブロック、１４ａ～１４ｌ，１５，１６　導電性ワイヤ、１７　導電性ばね、１８　レンズ付きキャップ

Claims (13)

  1. 　金属ステムと、
    　前記金属ステムを貫通する第１及び第２のリードピンと、
    　前記金属ステムの上に実装された温度制御モジュールと、
    　前記温度制御モジュールの上に実装された支持ブロックと、
    　互いに反対側の主面及び裏面を有し、前記裏面が前記支持ブロックの側面に接合された誘電体基板と、
    　前記誘電体基板の前記主面に設けられた差動駆動用信号線路と、
    　前記誘電体基板の前記主面に実装された半導体光変調素子と、
    　前記第１のリードピンと前記差動駆動用信号線路の一端を接続する導電性接合材と、
    　前記差動駆動用信号線路の他端と前記半導体光変調素子を接続する第１の導電性ワイヤと、
    　前記温度制御モジュールと前記第２のリードピンを接続する第２の導電性ワイヤとを備え、
    　前記誘電体基板は、前記金属ステムの側に切り欠きを有し、
    　前記切り欠きの内部空間に前記温度制御モジュール及び前記支持ブロックの一部が配置されていることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
  2. 　前記誘電体基板の前記裏面に設けられ、前記支持ブロックに接合されたグランド導体と、
    　前記支持ブロックと前記金属ステムを接続する第３の導電性ワイヤとを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ光源装置。
  3. 　前記誘電体基板の前記裏面と側面に設けられたグランド導体と、
    　前記誘電体基板の前記側面に設けられた前記グランド導体と前記金属ステムを接続する第３の導電性ワイヤとを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ光源装置。
  4. 　前記第１のリードピンよりも外側に延在する前記誘電体基板の前記裏面に設けられたグランド導体と、
    　前記グランド導体と前記金属ステムを接続する第３の導電性ワイヤとを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ光源装置。
  5. 　前記誘電体基板の前記裏面と下面に設けられたグランド導体と、
    　前記誘電体基板の前記下面に設けられた前記グランド導体と前記金属ステムを接続する導電性ばねとを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ光源装置。
  6. 　前記金属ステムに接合され、前記温度制御モジュール、前記支持ブロック、前記誘電体基板、及び前記半導体光変調素子を気密封止するレンズ付きキャップを更に備えることを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
  7. 　前記誘電体基板は前金属ステムと接触しないことを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
  8. 　前記導電性接合材は導電性ワイヤであることを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
  9. 　前記導電性接合材はハンダであることを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
  10. 　前記金属ステムを貫通する第３のリードピンと、
    　前記支持ブロックの上に実装された温度センサと、
    　前記温度センサと前記第３のリードピンを接続する第４の導電性ワイヤとを更に備えることを特徴とする請求項１～９の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
  11. 　前記支持ブロックに実装され、導体膜が設けられたセラミックブロックを更に備え、
    　前記第４の導電性ワイヤは、前記温度センサと前記導体膜を接続する導電性ワイヤと、
    　前記導体膜と前記第３のリードピンを接続する導電性ワイヤとを有することを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザ光源装置。
  12. 　前記半導体光変調素子の変調器部は複数の電界吸収型光変調器で構成されていることを特徴とする請求項１～１１の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
  13. 　前記半導体光変調素子の背面光の強度をモニターする受光素子を更に備えることを特徴とする請求項１～１２の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
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