JP4987841B2 - 半導体レーザ用パッケージおよび半導体レーザモジュール - Google Patents

Description

この発明は，半導体レーザ用パッケージおよび半導体レーザモジュールに関する。

半導体レーザ（レーザチップ），レーザ光をコリメートおよび集光するレンズ，半導体レーザを冷却する冷却素子等の複数の部材がパッケージングされた半導体レーザモジュールが知られている。半導体レーザモジュールは放熱板等にねじ止めされて用いられる。

半導体レーザに電流を流すとジュール熱が発生する。半導体レーザモジュールとしての放熱特性を向上させるために，半導体レーザモジュールと放熱板との間には，一般には熱伝導性が良好なグリスが塗布される。

グリスの量が多すぎると，放熱特性が悪化したり，パッケージに反りが生じてしまうことがある。特許文献１には，いわゆるＩＣ等の半導体モジュールにおいて，放熱平面（底面）に放射状にグリス押し出し溝が形成された構成が記載されている。過剰なグリスは放射状の溝を通じて外部に押し出される。
特開２００４−３１１９０５号公報

しかしながら，モジュールの底面に溝を形成すると，溝に沿ってモジュールが変形しやすくなる。すなわち，特許文献１（図２）に記載のものでは，溝が放射状に形成されているので，モジュールはあらゆる方向に変形しやすい。

光学部材をパッケージ（筺体）にパッケージングした半導体レーザモジュールには一般に光ファイバが接続され，半導体レーザモジュールからの光は光ファイバに入射する。パッケージの変形に伴って，特に光ファイバが接続されているパッケージの壁面が傾いてしまうと，半導体レーザから出射される光と，パッケージに接続された光ファイバとの間に軸ずれが生じて光結合効率が低下してしまう。

この発明は，放熱効率を確保するとともに，半導体レーザから出射されるレーザ光の光結合効率の低下をできるだけ抑制することを目的とする。

この発明による半導体レーザ用パッケージは，半導体レーザを含む光学部材が載置される底板と，前記底板の外周から立ち上がり前記底板の周囲を取り囲む壁面部を備え，前記壁面部の一部に前記半導体レーザから出射されるレーザ光が通過する開口が形成されており，開口が形成されている壁面部にレーザ光が入射する光ファイバが接続されるものであり，前記底板の底面に，溝が，前記半導体レーザから出射されるレーザ光の光軸方向に形成されており，前記溝の少なくとも一端が前記底板の縁に達していることを特徴とする。半導体レーザを含む光学部材は，基板，冷却素子，その他の部材を介してパッケージの底板上に載置してもよい。いずれにしても，光学部材はパッケージの底板および壁面部によってパッケージ内部に内包される。もちろん，壁面部の上方の開口を蓋体によって閉じてもよい。

パッケージの底板の底面（外部に露出している面）に形成された溝が，半導体レーザから出射されるレーザ光の光軸方向に形成されている。上述のように，溝の形成によってパッケージは変形しやすくなるが，この発明によると，溝が半導体レーザから出射されるレーザ光の光軸方向に形成されているので，光ファイバが接続される開口が形成されているパッケージの壁面部に傾きが生じにくい。したがって，半導体レーザから出射されるレーザ光の光軸と，パッケージの壁面部に接続される光ファイバの光軸（コア部の中心軸）との間の軸ずれが生じにくく，半導体レーザから出射されるレーザ光と光ファイバとの間の光結合効率の劣化の抑制が図られる。

またこの発明によると，前記溝の少なくとも一端が前記底板の縁に達しているので，溝を通じて余剰グリスを外に逃がすことができる。厚すぎるグリスの塗布による放熱特性の劣化を防止することができ，厚すぎるグリスによるパッケージの変形を抑制することができる。

好ましくは，前記底板の溝の両端のいずれもが前記底板の縁に達している。溝の両側から余剰グリスを逃がすことができる。

一実施態様では，前記底板の溝の幅が，前記底板の縁に近づくにしたがってテーパ状に広がっている。広がりを持つ部分（テーパ部分）にグリスを入り込ませることができるので，外にはみ出るグリスを少なくすることができる。

好ましい実施態様では，前記光学部材が，前記底板上に載置される冷却素子上に載置されており，前記底板の溝が，前記冷却素子が載置される領域を避けて形成される。溝の部分ではグリス厚が厚くなるので，溝が存在しない部分に比べると放熱特性が悪くなる。冷却素子が載置される領域を避けて溝を形成することによって，光学部材からの熱を効率よく熱伝導させることができるので，溝を形成したことによる放熱特性の低下を少なくすることができる。

前記底板の溝を，前記光学部材が載置される位置から前記底板の縁に向かって，その深さが徐々に深くなるように形成してもよい。光学部材が載置される範囲に形成される溝を浅く形成することによって，溝による放熱特性の低下を少なくすることできる。光学部材が載置されない範囲において溝を深く形成することによって，その部分の溝にグリスを入り込ませることができ，底板の外にはみ出るグリスを少なくすることができる。

この発明は，上述した半導体レーザ用パッケージに，半導体レーザを含む光学部材がパッケージングされている半導体レーザモジュールも提供している。

図１は半導体レーザモジュールの斜視図を，図２は半導体レーザモジュールの側断面図を示している。図３（Ａ）は半導体レーザモジュールの底面図を，図３（Ｂ）は図３（Ａ）のIIIＢ−IIIＢ線に沿う断面図を示している。なお，図３（Ａ）において，後述するフェルール，光ファイバおよびカバーの図示は省略されている。図３（Ｂ）において，パッケージ内の光学部材の図示は省略されている。

図１および図２を参照して，半導体レーザモジュール１は，内部が中空の直方体状のパッケージ（筐体）２を備え，パッケージ２の内部に，レーザ光を出射する半導体レーザ11，半導体レーザ11から出射されたレーザ光をコリメートおよび集光するレンズ13，戻り光を防止するアイソレータ15，半導体レーザ11の後方端面からわずかに出射する光を受光して半導体レーザ11の動作をモニタする受光素子16が格納されている。半導体レーザ11はサブマウント12上に載置され，レンズ13はレンズホルダ14に保持され，受光素子16はＰＤサブマウント17に載置されている。サブマウント12，レンズホルダ14，ＰＤサブマウント17およびアイソレータ15が，基板18上に固定されている。

パッケージ２の内部の内底面にペルチェ素子19が固定されている。ペルチェ素子19上に，上述した半導体レーザ11，レンズ13，アイソレータ15および受光素子16が搭載された基板18が固定されている。

パッケージ２は，長方形状の底板３と，底板３の４つの辺（底板３の外周）から垂直に立ち上がる枠状の壁面（側壁）４と，壁面４の上方の開口を閉鎖する蓋体５を備えている。底板３の短辺から立ち上がる２つの壁面を前壁面および後壁面と呼ぶ。底板３の長辺から立ち上がる２つの壁面を左右壁面と呼ぶ。底板３は銅タングステン合金製であり，熱伝導率が比較的高い（たとえば，200W／m・K 程度）。壁面４および蓋体５には銅タングステン合金を用いてもよいし，その他の材料を用いてもよい。

複数のリード端子10がパッケージ２の左右壁面のそれぞれから外方に突き出している。パッケージ内部において，リード端子10の端部と上述した半導体レーザ11，受光素子16，およびペルチェ素子19がワイヤ（図示略）によって電気的に接続されている。

パッケージ２の前壁面に，半導体レーザ11から出射されるレーザ光を外部に導くための円形の出射口９が形成されている。光ファイバ７が中心に配置された円筒状のフェルール６が，この出射口９を取囲むようにして前壁面に固定され，さらに円筒状のフェルール６の全体および光ファイバ７の一部を取囲む円筒状のカバー８が，前壁面に固定されている。半導体レーザ11から出射されたレーザ光Ｌは，レンズ13およびアイソレータ15を通ってパッケージ２の前壁面に達し，出射口９を通って光ファイバ７に入射する。

底板３の前方（光ファイバ７が位置する方向）および後方に，それぞれ２つずつ，合計４つのねじ穴があけられている。４つのねじ穴のそれぞれに通されるねじ（図示略）によって，半導体レーザモジュール１（パッケージ２）がプリント基板等にねじ止めされる。

図３を参照して，パッケージ２の底板３の底面（外部に露出している面）に，細長い溝３ａが形成されている。溝３ａは，底板３のほぼ中央において，底板３の長手方向に底板３の前端から後端に至るまで一直線に形成されている。すなわち，溝３ａは半導体レーザ11から出射されるレーザ光Ｌの光軸方向に形成されており，かつ底板３の前端の縁および後端の縁のそれぞれに達している。この実施例では，溝３ａは 0.4mmの幅を持ち，かつ 0.2mmの深さを持つ。溝３ａの幅および深さは，パッケージ強度との関係で規定される。たとえば，溝３ａの深さは底板３の厚さの10〜20％程度とされる。

半導体レーザモジュール１（パッケージ２）をプリント基板等に固定するとき，底板３の底面に，放熱特性を向上させるためのグリスが塗布される。放熱グリスが塗布された後，半導体レーザモジュール１（パッケージ２）は，ねじ穴を用いてプリント基板等にねじ止めされて固定される。

パッケージ２の底板３の底面に溝３ａが形成されているので，塗布された放熱グリスは溝３ａ内に入り込む。上述のように，溝３ａは底板２の前端の縁および後端の縁に達するまで伸びているので，溝３ａに沿って，余分な放熱グリスを底板３の底面の外に逃がすことができる。底板３の底面に薄くかつ均一に放熱グリスが塗布され，これにより放熱特性が向上する。

さらに，溝３ａは底板３の長手方向に形成されており，この方向は半導体レーザ11から出射されるレーザ光Ｌの光軸方向と同じ（平行）である。このため，たとえばパッケージ２をプリント基板等にねじ止めしたときにパッケージ２（底板３）が反り（変形）が生じたとしても，底板３の前端および後端の上下方向の反りは生じにくい。したがってパッケージ２の前壁面および後壁面が傾きにくい。このため，半導体レーザ11から出射されるレーザ光Ｌの光軸とレーザ光Ｌが入射する光ファイバ７の光軸（コア）との間に位置ずれが生じにくく，半導体レーザ11から出射されるレーザ光と光ファイバ７に入射するレーザ光との光結合効率の劣化を抑制することができる。なお，溝３ａの形成される方向はレーザ光Ｌの光軸と完全に平行である必要はない。略平行であればよく，さらに両者が多少角度を有する状態であっても，溝の方向が光軸に沿う方向（図３における長手方向）に形成されていれば，上記した効果を奏する。

図４（Ａ）および（Ｂ）は他の実施例を示すもので，図４（Ａ）はパッケージ２の底板３の底面を，図４（Ｂ）はIVＢ−IVＢ線に沿う断面図を示している。図３（Ａ），（Ｂ）に示す底板とは，底面に形成されている溝の数および位置が異なる。

底板３の底面に，２本の直線状の細長い溝３ｂ，３ｃが形成されている。溝３ｂ，３ｃも，底板３の長手方向に底板３の前端から後端に至るまで一直線に形成されており，半導体レーザ11から出射されるレーザ光Ｌの光軸方向と平行である。溝３ｂ，３ｃに沿って余分な放熱グリスを排除することができる。また，底板３の前端および後端の上下方向の反りが生じにくいので，半導体レーザ11から出射されるレーザ光と光ファイバ７に入射するレーザ光との結合効率の劣化が抑制される。

図５に示すように，溝３ｂ，３ｃの左右両端の端部を，底板３の左右の端部に向けて曲げて形成してもよい。放熱グリスを溝３ｂ，３ｃに沿って底板３の左右（側方）に逃がすことができる。

図６に示すように，溝３ｂ，３ｃの左右両端の端部を，底板３の前端および後端に向かうにしたがって次第に広がるように（テーパ状に）形成してもよい。多量の放熱グリスが塗布された場合に，溝３ｂ，３ｃに沿って余分な放熱グリスを逃がすことができるとともに，溝３ｂ，３ｃの広がり部分（テーパ部分）に放熱グリスを入り込ませることができるので，底板３の外にはみ出る放熱グリスを少なくすることができる。

図７は，さらに他の実施例を示すもので，パッケージの底板の底面を示している。底板３の溝３ｂ，３ｃが，ペルチェ素子19（図２参照）が載置されている範囲に対応する範囲（この範囲が破線で示されている）に形成されていない点が，図４（Ａ）に示すものと異なっている。

溝３ｂ，３ｃを形成することによって，上述したように，放熱グリスを底板３の外に逃がすことができるが，他方，溝３ｂ，３ｃの部分では放熱グリスの層厚が厚くなるので，溝３ｂ，３ｃが存在しない部分に比べると放熱特性が若干悪くなる。図７に示す溝３ｂ，３ｃは，ペルチェ素子19が載置されている範囲に対応する範囲に溝３ｂ，３ｃが形成されていないので，ペルチェ素子19からの熱が底板３に効率よく伝導され，放熱特性の低下が防止される。

図８に示すように，ペルチェ素子19が載置されている範囲に対応する範囲を避けるようにして，溝３ｂ，３ｃを，底板３の前端から後端にまで達するように連続して形成してもよい。ペルチェ素子19からの熱を底板３に効率よく伝導することができるとともに，溝３ｂ，３ｃは，いずれも底板３の前端の縁から後端の縁まで連続しているので，効率よく放熱グリスを底板３の外に逃がすことができる。

図９は，さらに他の実施例を示すもので，半導体レーザモジュールの側断面図を示している。図９において，フェルール，光ファイバおよびカバーの図示は省略されている。図１〜図３（Ｂ）に示すパッケージとは，底板３の底面に形成されている溝３ｄの深さの構成が異なる。溝３ｄは，底板３の中央においてｄ₁ の深さとされ，底板３の前端および後端においてｄ₂ の深さとされている。両者はｄ₁＜ｄ₂の関係を持ち，底板３の前端および後端に近づくにしたがって徐々に深く形成されている。

上述したように，溝を底板３に形成することによって，放熱グリスを底板３の外に逃がすことができるが，溝が形成されている部分では放熱グリスの層厚が厚くなるので，溝が存在しない部分に比べると放熱特性が若干悪くなる。図９に示す底板３に形成されている溝３ｄは，底板３の中央付近，すなわち，ペルチェ素子19が載置されている範囲に対応する範囲の溝３ｄが浅く，したがって溝の形成によって放熱グリスの層厚が厚くなることによる放熱特性の低下を小さくすることができる。また，溝３ｄは底板３の前端および後端に近づくにしたがって次第に深くなっているので，ペルチェ素子19が載置されていない範囲に対応する範囲において，溝３ｄに放熱グリスを入り込ませることができ，底板３の外にはみ出る放熱グリスを少なくすることができる。なお，この構成は図４および図６の構成においても，もちろん適用可能である。

半導体レーザモジュールの斜視図である。 半導体レーザモジュールの側断面図である。 （Ａ）は半導体レーザモジュールの底面図を，（Ｂ）はIIIＢ−IIIＢ線に沿う断面図をそれぞれ示す。 （Ａ）は他の実施例における半導体レーザモジュールの底面図を，（Ｂ）はIVＢ−IVＢ線に沿う断面図をそれぞれ示す。 他の実施例における半導体レーザモジュールの底面図である。 他の実施例における半導体レーザモジュールの底面図である。 他の実施例における半導体レーザモジュールの底面図である。 他の実施例における半導体レーザモジュールの底面図である。 他の実施例における半導体レーザモジュールの側断面図である。

符号の説明

１ 半導体レーザモジュール
２ パッケージ
３ 底板
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 溝
７ 光ファイバ
11 半導体レーザ
13 レンズ
15 アイソレータ
16 受光素子
19 ペルチェ素子

Claims (6)

1. 半導体レーザを含む光学部材が載置される底板と，前記底板の外周から立ち上がり前記底板の周囲を取り囲む壁面部を備え，前記壁面部の一部に前記半導体レーザから出射されるレーザ光が通過する開口が形成されており，開口が形成されている壁面部にレーザ光が入射する光ファイバが接続される半導体レーザ用パッケージにおいて，
   前記底板の底面に，溝が，前記半導体レーザから出射されるレーザ光の光軸方向に形成されており，
   前記溝の少なくとも一端が前記底板の縁に達していることを特徴とする，
   半導体レーザ用パッケージ。
2. 前記底板の溝の両端のいずれもが，前記底板の縁に達している，
   請求項１に記載の半導体レーザ用パッケージ。
3. 前記底板の溝の幅が，前記底板の縁に近づくにしたがって広がっている，
   請求項１または２に記載の半導体レーザ用パッケージ。
4. 前記光学部材が，前記底板上に載置される冷却素子上に載置されており，
   前記底板の溝が，前記冷却素子が載置される領域を避けて形成されている，
   請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体レーザ用パッケージ。
5. 前記光学部材が載置される位置から前記底板の縁に向かって，前記底板の溝の深さが徐々に深くなっている，
   請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体レーザ用パッケージ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体レーザ用パッケージに，半導体レーザを含む光学部材がパッケージングされている，
   半導体レーザモジュール。

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