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JP3540237B2 - Semiconductor laser module - Google Patents

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JP3540237B2
JP3540237B2 JP2000050423A JP2000050423A JP3540237B2 JP 3540237 B2 JP3540237 B2 JP 3540237B2 JP 2000050423 A JP2000050423 A JP 2000050423A JP 2000050423 A JP2000050423 A JP 2000050423A JP 3540237 B2 JP3540237 B2 JP 3540237B2
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thermistor
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NEC Compound Semiconductor Devices Ltd
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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に関し、特に、該半導体レーザモジュールに搭載した半導体レーザの精密な温度制御を可能とする半導体レーザモジュールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光通信市場では、インターネット等の急増に伴う通信回線容量の急激な増大要求に対して、従来の光通信装置における時分割伝送(TDM:Time Division Multiplex )方式では対応できなくなってきたため、波長分割伝送(D−WDM:Dense-Wavelength Division Multiplex )方式を採用して1本の光ファイバあたりの通信回線容量を大幅に増大させてきている。このD−WDM方式では、異なる信号をそれぞれの波長の送信光源で送信しており、ITU−T(International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector)により送信光源の波長とその間隔が定められている。D−WDMシステムの立ち上げ当初は16波長の波長多重で通信容量を確保してきたが、最近では64波長、80波長、96波長、128波長とますます波長の多重度をあげてかつそれぞれの波長間隔を小さくして通信容量の増大を図っている。また、D−WDM方式の普及に同期して光ファイバ増幅器を用いて、伝送距離を飛躍的に向上させた光通信システムが主流になりつつある。
【0003】
このような状況の中で、従来の光通信システムと比較してD−WDM送信方式では送信光源や光ファイバ増幅器の励起光源に要求される特性・安定性がより厳しくなってきている。具体的には、従来の送信光源においては発振波長の安定性が問われることが少なかったが、波長多重度が増加して波長間隔が狭くなっているD−WDMシステムでは、重要なパラメータの1つとなっている。光ファイバ増幅器の励起光源においても、伝送距離を更に増大させるために1つの光源あたりの光出力向上が強く望まれてきており、発熱源となる半導体レーザの放熱をいかに確保するかが重要となってきている。すなわち、半導体レーザの温度制御手法が送信光源の発振波長の安定性を左右し、あるいは励起光源の動作温度を下げる効果となって、D−WDMシステムに要求される半導体レーザモジュールにとってキーポイントとなってきている。
【0004】
図1(a)、(b)は、それぞれ半導体レーザモジュールの構成を説明するための、金属ケースの上蓋を取り外した状態を示す平面図と断面図である。
図1に示すように、従来の半導体モジュールは、金属ケース101内に、温度制御用のペルチエ素子103が取り付けられ、ペルチエ素子103上に金属ベース105が固着され、その上には、フォトダイオード106、サーミスタ基板114、ヒートシンク113および第1レンズ107が固着されている。そして、サーミスタ基板114とヒートシンク113上にはそれぞれサーミスタ104と半導体レーザ102がソルダ等に用いて固着されている。また、サーミスタ基板114とヒートシンク113もソルダ等により金属ベース105に固着されている。金属ケース101の側面には第1レンズ107と光ファイバ109に光結合された第2レンズ108が取り付けられている。
また、金属ケース101の側面部には、半導体レーザモジュールの外部装置(図示しない)との電力、信号の授受のための外部リード110が取り付けられる。モジュール内には、ペルチエ素子103への電力の供給を行うための電力ライン112と各部を接続するワイヤ111が設けられる。
【0005】
半導体レーザ102より出射された光は、第1レンズ107、第2レンズ108を介して光ファイバ109に入射される。半導体レーザ102の出力はその後方においてフォトダイオード106によりモニタされ、半導体レーザの出力が常に所定のレベルに留まるようにフィードバックがかけられている。
【0006】
従来の半導体レーザモジュールは、半導体レーザ102の動作温度の安定化のために、金属ケースより流入する熱量(輻射熱とワイヤ111、電力ライン112を介した伝導熱)等により変化する温度をサーミスタ104にて検出して、サーミスタの温度が常に一定(通常は25℃)となるようにペルチエ素子103を動作させるという方法を用いている。サーミスタ104は周囲の温度に対応した抵抗値を示し、その抵抗値によって温度が検出される。そして検出された温度によって駆動回路(図示しない)でペルチエ素子に供給する電流の大きさ、方向が決定され、外部リード110、電力ライン112を介して供給される。これにより、ペルチエ素子は供給される電流の向きによって冷却または過熱の両方の制御が可能であるため、半導体レーザモジュール内の半導体レーザを一定温度に制御することが可能である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の半導体レーザの温度制御では下記のような問題が生じる。
半導体レーザが搭載されるヒートシンクの厚さをt、面積をS、熱伝導率をkとし、サーミスタが搭載されるサーミスタ基板の厚さをt′、面積をS′、熱伝導率をk′として金属ケース101の温度変動に伴って半導体レーザおよびサーミスタに流入する熱をW、W′、半導体レーザの動作に伴う発熱量をw、金属ベース105の温度をTL、半導体レーザ、サーミスタの温度をそれぞれTh、Th′とすると、熱平衡状態においては次式(1)、(2)が成立する。
k ・S (Th −TL)/t =W+w ・・・(1)
k′・S′(Th′−TL)/t′=W′ ・・・(2)
ここで、WとW′とは比例関係にあるので、(2)式はaを比例定数として次のように表すことができる。
k′・S′(Th′−TL)/t′=aW ・・・(3)
【0008】
上述したように、従来の半導体レーザモジュールにおいては、半導体レーザの動作温度の制御方法として、単にサーミスタの抵抗値を検出し、その抵抗値が25℃相当となるようにペルチエ素子を動作させている。したがって、上式の(1)、(3)に記載されているサーミスタ−金属ベース間と半導体レーザ−金属ベース間の熱抵抗に差が生じる場合には、たとえサーミスタの抵抗値(すなわち温度)を25℃に制御しても半導体レーザの動作温度は25℃とは異なってしまう。例えばヒートシンクとして大きさ800μm×1000μm、厚さ220μmのAlN(熱伝導率140W/mK)を使用し、サーミスタ基板として1000μm×1400μm、厚さ250μmのアルミナ(熱伝導率17W/mK)を用いた場合を想定すると、上式のk・S/t(サーミスタ基板の場合はk′・S′/t′)の項はAlNのヒートシンクの方がアルミナに比較して約5.3倍熱伝導が良いことが分かる。
【0009】
実際に半導体レーザを低出力領域(w=0と仮定の場合に相当)で動作させ、ケース温度Tcを70℃、サーミスタ温度(Th′)が25℃となるように温度制御を行った場合には、半導体レーザの発振波長は約0.05nm短く観測されており、用いた分布帰還型半導体レーザの温度に対する発振波長変動は約0.1nm/℃程度であることから半導体レーザは約24.5℃に制御されていることがわかる。D−WDMシステムに一般的に要求されるケース温度の変動幅は0〜70℃程度であり、このケース温度変動に対する半導体レーザの発振波長変動は1pm/℃程度が見込まれているので、0〜70℃の全温度範囲を考えれば0.07nmの波長変動が起こる。最近の96波長のD−WDMシステムにおける波長間隔は0.4nmとなっているため、経時的な半導体レーザの波長変動をも考慮すれば、ケース温度変動に起因する発振波長の変動は決して小さな変動ではない。
【0010】
以上のように、従来の半導体レーザモジュールの温度制御手法としてはサーミスタ自身の温度を検出し、サーミスタ自身の温度を制御するものであって、ペルチエ素子の上面からサーミスタまでの熱抵抗とペルチエ素子の上面と半導体レーザまでの熱抵抗の差が考慮されていないので、ケース温度の変動に伴って半導体レーザの温度に変動が生じ、発振波長の変動や半導体レーザの不安定動作を招き易いという問題を有していた。
本発明の目的は、上記問題を鑑みなされたものであって、半導体レーザの負荷を考慮にいれてかかる半導体レーザモジュールのサーミスタ−ペルチエ素子と半導体レーザ−ペルチエ素子間の熱抵抗を調整することで、ケース温度の変動に伴う半導体レーザの動作温度の変動を抑制して、安定動作が可能な半導体レーザモジュールを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザモジュールは、ケース内に配置された温度制御素子と、前記温度制御素子上に配置された金属ベースと、前記金属ベース上に搭載されたヒートシンクと、前記ヒートシンク上に搭載された半導体レーザと、前記金属ベース上に搭載されたサーミスタ基板と、前記サーミスタ基板上に搭載された温度検出素子とを備え半導体レーザモジュールにおいて、前記サーミスタ基板は各々熱抵抗が異なる複数のサーミスタ基板であり、動作条件に合わせてその中の一つのサーミスタ基板を選択してその上に前記温度検出素子が搭載されていることを特徴としている。
また、もう一つの本発明の半導体レーザは、ケース内に配置された温度制御素子と、前記温度制御素子上に配置された金属ベースと、前記金属ベース上に搭載されたヒートシンクと、前記ヒートシンク上に搭載された半導体レーザと、前記金属ベース上に搭載された台座と、前記台座上に搭載されたサーミスタ基板と、前記サーミスタ基板上に搭載された温度検出素子とを備え半導体レーザモジュールにおいて、前記台座は各々熱抵抗が異なる複数の台座であり、動作条件に合わせてその中の一つの台座を選択してその上に前記サーミスタ基板が搭載されていることを特徴としている。
【0012】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について実施例に即して図面を参照して詳細に説明する。
[第1の実施例]
図1は、本発明の第1の実施例を説明するための半導体レーザモジュールの平面図と断面図である。本実施例の半導体レーザモジュールの基本的な構成は従来例とのそれと同様であるので、重複する説明は省略する。
本発明の第1の実施例における半導体レーザモジュールにおいて、半導体レーザが搭載されるヒートシンクの厚さをt、面積をS、熱伝導率をkとし、サーミスタが搭載されるサーミスタ基板の厚さをt′、面積をS′、熱伝導率をk′として、金属ケース101より半導体レーザおよびサーミスタに流入する熱量をそれぞれW、aW、半導体レーザの動作に伴う発熱量をw、金属ベース105の温度をTL、半導体レーザ、サーミスタの温度をそれぞれTh、Th′とすると熱平衡状態においては次式が成立する。
k ・S (Th −TL)/t =W+w ・・・(1)
k′・S′(Th′−TL)/t′=aW ・・・(3)
【0013】
これらのパラメータの内、半導体レーザを搭載するヒートシンクは、熱伝導率が良く熱膨張率が半導体レーザと近いことが望まれるため材料としての制限が有るが、面積、厚さについては設計上の余裕が有り、調整することが可能である。また、サーミスタ基板についてもサーミスタの熱膨張率による制限は考えられるが、材料、面積、厚さについては設計余裕が比較的大きい。
具体的に半導体レーザの発熱量w(消費電力量)が小さく半導体レーザあるいはサーミスタに流入する熱量に比較してほぼ無視できる動作条件(w〜0)においては、上記(1)、(3)式をw=0として下記のように変形することができる。
a{k・S(Th−TL)/t}=k′・S′(Th′−TL)/t'・・・(4)
【0014】
ここで、温度と発振波長、抵抗値が既知のサンプルの半導体レーザとサーミスタとを用い、金属ケースの温度を変化させてThとTh′とを測定することにより、同一種の半導体レーザとサーミスタとを組み合わせた際のaの値を実験的に求めることができる。したがって、このaを用いて、金属ケースより半導体レーザ、サーミスタに流入する熱量W、W′に依存することなくTh=Th′つまりa・k・S/t=k′・S′/t′となるようなヒートシンク、サーミスタ基板の熱伝導率(k、k′)、面積(S、S′)、厚さ(t、t′)を選択することが可能である。実際に、従来の例ではヒートシンク材料としてAlN(熱伝導率140W/mK)、サーミスタ基板材料としてアルミナ(熱伝導率17W/mK)を用いており、熱伝導としてはヒートシンクの方が8.2倍程度良好となるが、面積、厚さを調整することにより、半導体レーザ−金属ベース間の熱抵抗をサーミスタ−金属ベース間の熱抵抗のa倍とすることが可能であり、半導体レーザモジュールのケース温度の全変動範囲内において半導体レーザの動作温度を一定に保つことが可能になる。
【0015】
[第2の実施例]
一方、金属ケースの温度変動によって半導体レーザ、サーミスタに流入する熱量Wに対して半導体レーザの発熱量w(消費電力量)が無視できない場合においては、上記(1)、(3)式を変形して、
k・S(Th−TL)t′/k′・S′(Th′−TL)t=(W+w)/aW・・・(5)
となることから、半導体レーザ温度(Th)とサーミスタ温度(Th′)は一意的には決定することが出来ない。すなわち(5)式の右辺は金属ケースの温度変動によって流入するWと半導体レーザの発熱量wの比に依存するため、半導体レーザモジュールの全動作温度範囲にわたって半導体レーザ温度(Th)とサーミスタ温度(Th′)が同一となるようなk、S、tを選択することは不可能となる。
【0016】
しかしながら、aの値は第1の実施例の場合と同様に実験的に求めることができ、また、半導体レーザに供給される電力(w)はアプリケーションによってほぼ決められるのでwを一定(例えば定格電流値)とし、半導体レーザモジュールを全動作温度範囲の最高温度である最高動作温度(Tcmax)で動作させる場合には、半導体レーザ温度(Th)とサーミスタ温度(Th′)を同一にするようなk、S、tとk′、S′、t′の組み合わせを選択することは可能である。すなわち、(5)式の右辺のWをTcmaxでの熱量と特定すれば、等式を成り立たせるためのk、S、tとk′、S′、t′の組み合わせが求まる。この場合に、全動作温度範囲内においてTh≦Th′すなわち常に半導体レーザはサーミスタ温度よりも低い温度(≦25℃)で動作する傾向が認められ、全動作温度範囲内において安定した動作を確保することが可能になる。
【0017】
[第3の実施例]
先の第2の実施例は、w≠0の場合において、半導体レーザモジュールの最高動作温度(Tcmax)で半導体レーザ温度(Th)とサーミスタ温度(Th′)を同一とするk、S、tとk′、S′、t′の組み合わせを求めるものであったが、半導体レーザの発熱が比較的小さい場合には、半導体レーザ温度(Th)とサーミスタ温度(Th′)の調整を最高動作温度の条件下に限定する必要はなく、例えば全動作温度範囲でサーミスタ温度(Th′)と半導体レーザ温度(Th)の差のTh′−Thが最小となるように、熱伝導率(k、k′)、面積(S、S′)、厚さ(t、t′)を調整することもできる。
【0018】
すなわち、本実施例においては、温度の発振波長との関係が既知の半導体レーザと温度と抵抗値の関係が既知のサーミスタとを用いて、全動作温度範囲内で動作させ、サーミスタ温度(Th′)と半導体レーザ温度(Th)の差の絶対値:|Th′−Th|の積算値(積分値)が最小となるように、ヒートシンクとサーミスタ基板の熱伝導率(k、k′)、面積(S、S′)、厚さ(t、t′)を求め、この組み合わせを採用する。
本実施例によれば、半導体レーザは動作電流の上限を超えることなく安定したレーザ出力を得られる。
【0019】
[第4の実施例]
図2(a)、(b)は、本発明の第4の実施例の半導体レーザモジュールの構成を示す、上蓋を除去した状態の平面図と概略断面図である。図2において、図1の部分と同等の部分には下2桁が共通する参照番号が付せられているので、重複する説明は省略する。本実施例においては、金属ベース205上に互いに熱抵抗の異なる台座215A、215Bが設けられており、一方の台座215B上にサーミスタ基板214とサーミスタ204とが積層されて取り付けられている。このように第4の実施例では、サーミスタ基板が選択された適当な台座上に固着されている点が他の実施例と異なっている。
【0020】
図3(a)、(b)は、図2(a)、(b)の部分的拡大図である。図3に示すように、第4の実施例では、台座215Aは、台座215Bと並んで金属ベース205上に取り付けられているが、その上には何も取り付けられていない。すなわち、実際に使用されているのは台座215Bのみである。図示した例では台座は2個設けられているが、互いに熱抵抗の異なる3個以上の台座を設け、その内の1個を選択してその上にサーミスタ基板とサーミスタを設けるようにしてもよい。ここで、材料、面積、厚さがそれぞれ異なる台座を複数個設け、それぞれの熱伝導率をki、面積をSi、厚さをti(i=1、2、3…)とし、ki、Si、tiの台座を使用するものとすると熱平衡状態時の式(3)は、
(Th′−TL)/(ti/ki・Si+t′/k′・S′)=aW・・・(3′)
と変形することが出来る。したがって台座を持った金属ベース、サーミスタ基板、ヒートシンク等の共通の部材を用いて半導体レーザモジュールを構成し、特定の動作温度(Tc)で半導体レーザ温度(Th)とサーミスタ温度(Th′)が同一となるように、半導体レーザの発熱量wを考慮して選択した台座にサーミスタ基板を搭載することで、半導体レーザモジュールを全動作温度範囲内で安定動作させることが可能となる。
【0021】
以上好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において適宜の変更が可能なものである。例えば、第4の実施例においては半導体レーザ温度とサーミスタ温度を同一にするための手段としてサーミスタ基板に加えて複数の台座を設けることを説明したが、サーミスタ−金属ベース間の熱抵抗を調整する選択肢の一つとして特定の台座を用いずにサーミスタ基板そのものを用いてその面積、厚さを調整することも可能である。また、台座を複数用いる場合、必ずしもそれぞれの台座の材料、面積、厚さをすべて異ならせる必要はなく、例えば厚さのみを異ならせてもよい。また、第1〜第3の実施例と第4の実施例とを組み合わせてもよい。
【0022】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による半導体レーザモジュールは、金属ベースからサーミスタまでの熱抵抗と金属ベースから半導体レーザまでの熱抵抗とを調整して半導体レーザをほぼサーミスタ温度にて動作させるようにしたものであるので、半導体レーザの発振波長を常に安定した値に保持することが可能になる。従って、本発明の半導体レーザモジュールを採用することにより、波長間隔の狭いD−WDM方式の光通信システムを安定して運用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来例および本発明の第1〜第3の実施例を説明するための半導体レーザモジュールの平面図と断面図。
【図2】本発明第4の実施例を示す半導体レーザモジュールの平面図と断面図。
【図3】図2の部分的拡大図。
【符号の説明】
101、201 金属ケース
102、202 半導体レーザ
103、203 ペルチエ素子
104、204 サーミスタ
105、205 金属ベース
106、206 フォトダイオード
107、207 第1レンズ
108、208 第2レンズ
109、209 光ファイバ
110、210 外部リード
111、211 ワイヤ
112、212 電力ライン
113、213 ヒートシンク
114、214 サーミスタ基板
215A、215B 台座
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser module, and more particularly, to a semiconductor laser module that enables precise temperature control of a semiconductor laser mounted on the semiconductor laser module.
[0002]
[Prior art]
The optical communication market, with respect to a rapid increase in demand for communication bandwidth associated with the proliferation of the Internet and the like, time-division transmission in the conventional optical communication system (TDM: Time Division Multiplex) for have Do you to correspond Kuna' in method, The communication line capacity per optical fiber has been greatly increased by adopting a D-WDM (Dense-Wavelength Division Multiplex) system. In the D-WDM system, different signals are transmitted by transmission light sources of respective wavelengths, and the wavelengths of transmission light sources and their intervals are determined by ITU-T (International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector). At the beginning of the D-WDM system, communication capacity was secured by wavelength multiplexing of 16 wavelengths, but recently, the multiplicity of wavelengths has been increased to 64, 80, 96, and 128 wavelengths and each wavelength has been increased. The interval is reduced to increase the communication capacity. Also, an optical communication system in which the transmission distance is dramatically improved by using an optical fiber amplifier in synchronization with the spread of the D-WDM system is becoming mainstream.
[0003]
Under these circumstances, the characteristics and stability required for the transmission light source and the excitation light source of the optical fiber amplifier are becoming more severe in the D-WDM transmission system as compared with the conventional optical communication system. Specifically, in the conventional transmission light source, the stability of the oscillation wavelength is rarely required. However, in a D-WDM system in which the wavelength multiplicity is increased and the wavelength interval is narrow, one of the important parameters is one. Has become one. In the case of pumping light sources for optical fiber amplifiers as well, it is strongly desired to improve the light output per light source in order to further increase the transmission distance, and it is important how to secure the heat radiation of the semiconductor laser that is the heat source. Is coming. That is, the temperature control method of the semiconductor laser influences the stability of the oscillation wavelength of the transmission light source, or has the effect of lowering the operating temperature of the pump light source, and is a key point for the semiconductor laser module required for the D-WDM system. Is coming.
[0004]
FIGS. 1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view showing a state in which an upper lid of a metal case is removed for explaining a configuration of a semiconductor laser module.
As shown in FIG. 1, in a conventional semiconductor module, a Peltier element 103 for temperature control is mounted in a metal case 101, a metal base 105 is fixed on the Peltier element 103, and a photodiode 106 is mounted thereon. Thermistor substrate 114, heat sink 113 and first lens 107 are fixed. The thermistor 104 and the semiconductor laser 102 are respectively fixed on the thermistor substrate 114 and the heat sink 113 by using solder or the like. Further, the thermistor substrate 114 and the heat sink 113 are also fixed to the metal base 105 by solder or the like. A second lens 108 optically coupled to a first lens 107 and an optical fiber 109 is attached to a side surface of the metal case 101.
Further, the side surface portion of the metal case 101, the power of the external device of the semiconductor laser module (not shown), the outer lead 110 is attached, et al is for exchanging signals. Within the module, Ru wire 111 is provided to connect the power line 112 and each portion for performing power supply to the Peltier element 103.
[0005]
The light emitted from the semiconductor laser 102 enters the optical fiber 109 via the first lens 107 and the second lens 108. The output of the semiconductor laser 102 is monitored by a photodiode 106 at the rear thereof, and feedback is applied so that the output of the semiconductor laser always remains at a predetermined level.
[0006]
In the conventional semiconductor laser module, in order to stabilize the operating temperature of the semiconductor laser 102, a temperature that changes due to the amount of heat (radiation heat and conduction heat via the wire 111 and the power line 112) and the like flowing from the metal case is supplied to the thermistor 104. The Peltier element 103 is operated so that the temperature of the thermistor is always constant (usually 25 ° C.). The thermistor 104 indicates a resistance value corresponding to the ambient temperature, and the temperature is detected based on the resistance value. Then, the magnitude and direction of the current supplied to the Peltier element are determined by a drive circuit (not shown) based on the detected temperature, and the current is supplied via the external lead 110 and the power line 112. Accordingly, the Peltier element can control both cooling and overheating depending on the direction of the supplied current, and thus can control the semiconductor laser in the semiconductor laser module to a constant temperature.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional semiconductor laser temperature control has the following problems.
The thickness of the heat sink on which the semiconductor laser is mounted is t, the area is S, the thermal conductivity is k, the thickness of the thermistor substrate on which the thermistor is mounted is t ', the area is S', and the thermal conductivity is k '. The heat flowing into the semiconductor laser and the thermistor due to the temperature fluctuation of the metal case 101 is W, W ′, the amount of heat generated by the operation of the semiconductor laser is w, the temperature of the metal base 105 is TL, and the temperature of the semiconductor laser and the thermistor are respectively Assuming Th and Th ', the following equations (1) and (2) are established in a thermal equilibrium state.
k · S (Th−TL) / t = W + w (1)
k ′ · S ′ (Th′−TL) / t ′ = W ′ (2)
Here, since W and W 'are in a proportional relationship, equation (2) can be expressed as follows using a as a proportionality constant.
k ′ · S ′ (Th′−TL) / t ′ = aW (3)
[0008]
As described above, in the conventional semiconductor laser module, as a method of controlling the operating temperature of the semiconductor laser, the resistance value of the thermistor is simply detected, and the Peltier element is operated so that the resistance value becomes equivalent to 25 ° C. . Therefore, when there is a difference in the thermal resistance between the thermistor and the metal base and the thermal resistance between the semiconductor laser and the metal base described in the above equations (1) and (3), the resistance value (that is, the temperature) of the thermistor is changed. Even if the temperature is controlled to 25 ° C., the operating temperature of the semiconductor laser is different from 25 ° C. For example, a case where AlN (thermal conductivity 140 W / mK) having a size of 800 μm × 1000 μm and a thickness of 220 μm is used as a heat sink and alumina (a thermal conductivity of 17 W / mK) having a thickness of 1000 μm × 1400 μm and a thickness of 250 μm is used as a thermistor substrate Assuming that, the term k · S / t (k ′ · S ′ / t ′ in the case of a thermistor substrate) in the above equation is about 5.3 times better in heat conduction in an AlN heat sink than in alumina. You can see that.
[0009]
When the semiconductor laser is actually operated in a low output region (corresponding to the case where w = 0 is assumed) and temperature control is performed so that the case temperature Tc is 70 ° C. and the thermistor temperature (Th ′) is 25 ° C. In the semiconductor laser, the oscillation wavelength of the semiconductor laser is observed to be about 0.05 nm shorter, and the oscillation wavelength variation of the used distributed feedback semiconductor laser with respect to the temperature is about 0.1 nm / ° C., so that the semiconductor laser is about 24.5. It turns out that it is controlled to ° C. The fluctuation range of the case temperature generally required for the D-WDM system is about 0 to 70 ° C., and the fluctuation of the oscillation wavelength of the semiconductor laser with respect to the case temperature fluctuation is expected to be about 1 pm / ° C. Considering the entire temperature range of 70 ° C., a wavelength fluctuation of 0.07 nm occurs. Since the wavelength interval in the recent 96-wavelength D-WDM system is 0.4 nm, the fluctuation of the oscillation wavelength due to the case temperature fluctuation is small even if the fluctuation of the wavelength of the semiconductor laser over time is considered. is not.
[0010]
As described above, a conventional temperature control method for a semiconductor laser module is to detect the temperature of the thermistor itself and control the temperature of the thermistor itself.The thermal resistance from the upper surface of the Peltier element to the thermistor and the Peltier element Since the difference in thermal resistance between the top surface and the semiconductor laser is not taken into account, the temperature of the semiconductor laser fluctuates with the case temperature, causing a problem that the oscillation wavelength fluctuates and the semiconductor laser tends to operate erratically. Had.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described problem, and to adjust the thermal resistance between the thermistor-Peltier element and the semiconductor laser-Peltier element of the semiconductor laser module in consideration of the load of the semiconductor laser. Another object of the present invention is to provide a semiconductor laser module capable of performing a stable operation by suppressing a change in an operating temperature of a semiconductor laser due to a change in a case temperature.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor laser module of the present invention has a temperature control element disposed in a case, a metal base disposed on the temperature control element, a heat sink mounted on the metal base, and mounted on the heat sink. a semiconductor laser, a thermistor board mounted on said metal base, in a semiconductor laser module comprising a temperature sensing element mounted on the thermistor on the substrate, wherein the thermistor substrate each thermal resistance at different thermistors substrate In this case, one of the thermistor substrates is selected according to the operating conditions, and the temperature detecting element is mounted thereon.
Further, another semiconductor laser of the present invention includes a temperature control element disposed in a case, a metal base disposed on the temperature control element, a heat sink mounted on the metal base, in the semiconductor laser module comprising a semiconductor laser is mounted, a pedestal mounted on the metal base, and a thermistor board mounted on said base, and a temperature sensing element mounted on the thermistor on the substrate, The pedestal is a plurality of pedestals each having a different thermal resistance, and one of the pedestals is selected according to operating conditions, and the thermistor substrate is mounted thereon.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings according to examples.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a plan view and a cross-sectional view of a semiconductor laser module for explaining a first embodiment of the present invention. The basic configuration of the semiconductor laser module according to the present embodiment is the same as that of the conventional example, and a duplicate description will be omitted.
In the semiconductor laser module according to the first embodiment of the present invention, the thickness of the heat sink on which the semiconductor laser is mounted is t, the area is S, the thermal conductivity is k, and the thickness of the thermistor substrate on which the thermistor is mounted is t. ′, The area is S ′, and the thermal conductivity is k ′, the amounts of heat flowing into the semiconductor laser and the thermistor from the metal case 101 are W and aW, the amount of heat generated by the operation of the semiconductor laser is w, and the temperature of the metal base 105 is Assuming that the temperatures of the TL, the semiconductor laser, and the thermistor are Th and Th ', respectively, the following equation holds in a thermal equilibrium state.
k · S (Th−TL) / t = W + w (1)
k ′ · S ′ (Th′−TL) / t ′ = aW (3)
[0013]
Among these parameters, the heat sink on which the semiconductor laser is mounted is limited as a material because it is desired that the heat sink has a good thermal conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of the semiconductor laser, but there is a margin in design in terms of area and thickness. And can be adjusted. Although the thermistor substrate may be limited by the coefficient of thermal expansion of the thermistor, there is a relatively large design margin for the material, area and thickness.
Specifically, under operating conditions (w to 0) where the heat value w (power consumption amount) of the semiconductor laser is small and can be almost ignored compared to the heat amount flowing into the semiconductor laser or the thermistor, the above equations (1) and (3) are used. Can be modified as follows with w = 0.
a {k · S (Th−TL) / t} = k ′ · S ′ (Th′−TL) / t ′ (4)
[0014]
Here, by using a sample semiconductor laser and a thermistor whose temperature, oscillation wavelength, and resistance value are known and changing the temperature of the metal case to measure Th and Th ', the same type of semiconductor laser and thermistor can be used. Can be experimentally determined when a is combined. Therefore, using this a, Th = Th ′, that is, a · k · S / t = k ′ · S ′ / t ′, without depending on the amounts of heat W and W ′ flowing into the semiconductor laser and the thermistor from the metal case. It is possible to select such a heat sink and the thermal conductivity (k, k '), area (S, S'), and thickness (t, t ') of the thermistor substrate. Actually, in the conventional example, AlN (thermal conductivity 140 W / mK) is used as a heat sink material, and alumina (thermal conductivity 17 W / mK) is used as a thermistor substrate material. By adjusting the area and thickness, the thermal resistance between the semiconductor laser and the metal base can be made a times the thermal resistance between the thermistor and the metal base. It is possible to keep the operating temperature of the semiconductor laser constant within the entire temperature fluctuation range.
[0015]
[Second embodiment]
On the other hand, when the heat value w (power consumption) of the semiconductor laser cannot be ignored with respect to the heat amount W flowing into the semiconductor laser and the thermistor due to the temperature fluctuation of the metal case, the above equations (1) and (3) are modified. hand,
k · S (Th−TL) t ′ / k ′ · S ′ (Th′−TL) t = (W + w) / aW (5)
Therefore, the semiconductor laser temperature (Th) and the thermistor temperature (Th ′) cannot be uniquely determined. That is, since the right side of the equation (5) depends on the ratio of W flowing in due to the temperature variation of the metal case and the calorific value w of the semiconductor laser, the semiconductor laser temperature (Th) and the thermistor temperature (Th) over the entire operating temperature range of the semiconductor laser module. It becomes impossible to select k, S, and t such that Th ′) is the same.
[0016]
However, the value of a can be determined experimentally in the same manner as in the first embodiment, and the power (w) supplied to the semiconductor laser is almost determined by the application, so that w is constant (for example, rated current). When the semiconductor laser module is operated at the maximum operating temperature (Tcmax) which is the highest temperature in the entire operating temperature range, k is such that the semiconductor laser temperature (Th) and the thermistor temperature (Th ′) are the same. , S, t and k ', S', t 'can be selected. That is, if W on the right side of the equation (5) is specified as the amount of heat at Tcmax, a combination of k, S, t and k ', S', t 'for establishing the equation can be obtained. In this case, Th ≦ Th ′ in the entire operating temperature range, that is, the semiconductor laser tends to always operate at a temperature lower than the thermistor temperature (≦ 25 ° C.), and stable operation is ensured in the entire operating temperature range. It becomes possible.
[0017]
[Third embodiment]
In the second embodiment, when w ≠ 0, k, S, and t are set so that the semiconductor laser temperature (Th) and the thermistor temperature (Th ′) are the same at the maximum operating temperature (Tcmax) of the semiconductor laser module. Although the combination of k ', S', and t 'has been obtained, when the heat generation of the semiconductor laser is relatively small, the adjustment of the semiconductor laser temperature (Th) and the thermistor temperature (Th') is performed at the maximum operating temperature. It is not necessary to limit to the conditions. For example, the thermal conductivity (k, k ′) is set so that the difference Th′−Th between the thermistor temperature (Th ′) and the semiconductor laser temperature (Th) is minimized in the entire operating temperature range. ), Area (S, S ′), and thickness (t, t ′) can also be adjusted.
[0018]
That is, in this embodiment, a semiconductor laser having a known relationship between the temperature and the oscillation wavelength and a thermistor having a known relationship between the temperature and the resistance value are operated within the entire operating temperature range, and the thermistor temperature (Th ′) is used. ) And the absolute value of the difference between the semiconductor laser temperature (Th) and the thermal conductivity (k, k ') and area of the heat sink and the thermistor substrate so that the integrated value (integrated value) of | Th'-Th | (S, S ') and thickness (t, t') are obtained, and this combination is adopted.
According to this embodiment, the semiconductor laser can obtain a stable laser output without exceeding the upper limit of the operating current.
[0019]
[Fourth embodiment]
FIGS. 2A and 2B are a plan view and a schematic cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser module according to a fourth embodiment of the present invention, with an upper lid removed. In FIG. 2, portions equivalent to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals having the last two digits in common, and duplicate description will be omitted. In this embodiment, pedestals 215A and 215B having different thermal resistances are provided on a metal base 205, and a thermistor substrate 214 and a thermistor 204 are stacked and mounted on one of the pedestals 215B. As described above, the fourth embodiment is different from the other embodiments in that the thermistor substrate is fixed on an appropriate pedestal selected.
[0020]
3 (a) and 3 (b) are partially enlarged views of FIGS. 2 (a) and 2 (b). As shown in FIG. 3, in the fourth embodiment, the pedestal 215A is mounted on the metal base 205 alongside the pedestal 215B, but nothing is mounted thereon. That is, only the pedestal 215B is actually used. Although two pedestals are provided in the illustrated example, three or more pedestals having different thermal resistances may be provided, and one of them may be selected to provide a thermistor substrate and a thermistor thereon. . Here, a plurality of pedestals having different materials, areas, and thicknesses are provided, each having a thermal conductivity ki, an area Si, and a thickness ti (i = 1, 2, 3,...). Assuming that the pedestal ti is used, the equation (3) in the thermal equilibrium state is as follows:
(Th'-TL) / (ti / ki.Si + t '/ k'.S') = aW (3 ')
And can be transformed. Therefore, a semiconductor laser module is constructed using common members such as a metal base having a pedestal, a thermistor substrate, and a heat sink, and the semiconductor laser temperature (Th) and the thermistor temperature (Th ′) are the same at a specific operating temperature (Tc). By mounting the thermistor substrate on a pedestal selected in consideration of the heat value w of the semiconductor laser, the semiconductor laser module can be stably operated within the entire operating temperature range.
[0021]
Although the preferred embodiments have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and can be appropriately modified within the scope described in the claims. For example, in the fourth embodiment, a plurality of pedestals are provided in addition to the thermistor substrate as means for equalizing the semiconductor laser temperature and the thermistor temperature. However, the thermal resistance between the thermistor and the metal base is adjusted. As one of the options, the area and thickness can be adjusted using the thermistor substrate itself without using a specific pedestal. When a plurality of pedestals are used, it is not always necessary to make all the pedestals different in material, area, and thickness. For example, only the thickness may be made different. Further, the first to third embodiments and the fourth embodiment may be combined.
[0022]
【The invention's effect】
As described above, the semiconductor laser module according to the present invention adjusts the thermal resistance from the metal base to the thermistor and the thermal resistance from the metal base to the semiconductor laser so that the semiconductor laser operates almost at the thermistor temperature. Therefore, the oscillation wavelength of the semiconductor laser can be constantly maintained at a stable value. Therefore, by employing the semiconductor laser module of the present invention, it becomes possible to stably operate the D-WDM optical communication system having a narrow wavelength interval.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view and a sectional view of a semiconductor laser module for explaining a conventional example and first to third embodiments of the present invention.
FIG. 2 is a plan view and a sectional view of a semiconductor laser module showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. 2;
[Explanation of symbols]
101, 201 Metal case 102, 202 Semiconductor laser 103, 203 Peltier element 104, 204 Thermistor 105, 205 Metal base 106, 206 Photodiode 107, 207 First lens 108, 208 Second lens 109, 209 Optical fiber 110, 210 External Lead 111, 211 Wire 112, 212 Power line 113, 213 Heat sink 114, 214 Thermistor substrate 215A, 215B Base

Claims (6)

ケース内に配置された温度制御素子と、前記温度制御素子上に配置された金属ベースと、前記金属ベース上に搭載されたヒートシンクと、前記ヒートシンク上に搭載された半導体レーザと、前記金属ベース上に搭載されたサーミスタ基板と、前記サーミスタ基板上に搭載された温度検出素子とを備え半導体レーザモジュールにおいて、前記サーミスタ基板は各々熱抵抗が異なる複数のサーミスタ基板であり、動作条件に合わせてその中の一つのサーミスタ基板を選択してその上に前記温度検出素子が搭載されていることを特徴とする半導体レーザモジュール。A temperature control element disposed in the case, a metal base disposed on the temperature control element, a heat sink mounted on the metal base, a semiconductor laser mounted on the heat sink, and a thermistor substrate mounted on a semiconductor laser module with a mounting temperature sensing element to the thermistor on the substrate, wherein the thermistor substrate is each thermal resistance at different thermistors substrates, that in accordance with the operating conditions A semiconductor laser module , wherein one of the thermistor substrates is selected and the temperature detecting element is mounted thereon . ケース内に配置された温度制御素子と、前記温度制御素子上に配置された金属ベースと、前記金属ベース上に搭載されたヒートシンクと、前記ヒートシンク上に搭載された半導体レーザと、前記金属ベース上に搭載された台座と、前記台座上に搭載されたサーミスタ基板と、前記サーミスタ基板上に搭載された温度検出素子とを備え半導体レーザモジュールにおいて、前記台座は各々熱抵抗が異なる複数の台座であり、動作条件に合わせてその中の一つの台座を選択してその上に前記サーミスタ基板が搭載されていることを特徴とする半導体レーザモジュール。A temperature control element disposed in the case, a metal base disposed on the temperature control element, a heat sink mounted on the metal base, a semiconductor laser mounted on the heat sink, and a pedestal mounted on a thermistor board mounted on the pedestal, in the semiconductor laser module with a mounting temperature sensing element to the thermistor on the substrate, the pedestal each thermal resistance at different pedestals A semiconductor laser module , wherein one of the pedestals is selected according to operating conditions, and the thermistor substrate is mounted thereon . 前記ケースより前記半導体レーザと前記温度検出素子とに流入する熱量比が、前記半導体レーザから前記金属ベースまでの熱抵抗と前記温度検出素子から前記金属ベースまでの熱抵抗との比の逆数にほぼ等しいことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体レーザモジュール。The ratio of the amount of heat flowing into the more the case with semiconductor lasers and said temperature detecting element is the reciprocal of the ratio of the thermal resistance of up to the metal base and the heat resistance from the semiconductor laser to the metal base from said temperature detecting element 3. The semiconductor laser module according to claim 1, wherein 半導体レーザモジュールの動作最高温度を選択して、そのときに前記半導体レーザと前記温度検出素子との温度がほぼ一致するようになされたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体レーザモジュール。3. The semiconductor laser module according to claim 1, wherein a maximum operating temperature of the semiconductor laser module is selected, and at that time, the temperature of the semiconductor laser and the temperature of the temperature detecting element substantially match. . 半導体レーザモジュールを規定された動作温度範囲内にて動作させたときの前記半導体レーザと前記温度検出素子との温度差の絶対値の積算値が最低となるようになされていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体レーザモジュール。When the semiconductor laser module is operated within a specified operating temperature range, the integrated value of the absolute value of the temperature difference between the semiconductor laser and the temperature detecting element is set to be minimum. The semiconductor laser module according to claim 1. 前記半導体レーザに定格の電流を供給する条件の下で上記の条件が満たされていることを特徴とする請求項4または5記載の半導体レーザモジュール。6. The semiconductor laser module according to claim 4, wherein said condition is satisfied under a condition of supplying a rated current to said semiconductor laser.
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