JP4779747B2 - 発光モジュール - Google Patents

Description

この発明は、発光モジュールに関するものである。

半導体レーザ素子を有する発光モジュールのパッケージの一つに、同軸型パッケージがある。同軸型パッケージの例は、下記の特許文献１及び特許文献２に開示されている。これらの同軸型パッケージでは、レーザダイオード（以下、「ＬＤ」）の温度を制御するためにＬＤの周囲温度を測定する必要があり、その測定のために、ＬＤの直近にサーミスタが設置されている。
特開２００４−２５３７７９号公報 特開２００３−１４２７６６号公報

しかし、同軸型パッケージでは、ＬＤとケース壁面との直線距離が０．２ｍｍ程度しかないため、ＬＤの直近にサーミスタを設置すると、必然的にサーミスタもケース壁面に接近することになる。そのため、サーミスタはパッケージ外部の温度（ケース壁面からの輻射熱）から影響を受けてしまい、ＬＤの温度測定に誤差が生じる。ＬＤを搭載する熱電変換素子はサーミスタによる測定温度に基づいてＬＤを冷却または加熱するので、温度測定の誤差はＬＤの過冷却または過加熱につながる。その結果、ＬＤから発するレーザ光に波長ドリフトが発生してしまう。

本発明は上記に鑑みて為されたものであり、波長ドリフトが抑えられた発光モジュールを提供することを課題とする。

本発明は、発光モジュールに関する。この発光モジュールは、ステムと、このステムの上面に固定され、この上面と対向する上壁を有するキャップと、ステムの上面に設置され、キャップによって覆われた熱電変換素子と、この熱電変換素子上に配置された平坦な下面と、この下面からキャップの上壁に向かって延びる第１の側面と、下面に対して鈍角を成すように傾斜した第２の側面とを有するベースと、第１の側面に固定された半導体レーザ素子と、第２の側面に固定された測温素子とを備えている。第２の側面はオーバーハング部を形成し、測温素子は当該オーバーハング部によりキャップの上壁から遮蔽されている。

上記のような測温素子の配置により、測温素子、ベースによってキャップの上壁から少なくとも部分的に遮蔽される。これにより、キャップの上壁から測温素子への輻射熱の伝達が抑制されるので、測温素子はＬＤの周囲温度を正確に測定することができる。その結果、ＬＤの温度制御の精度が向上し、ＬＤの波長ドリフトが減少する。

本発明によれば、波長ドリフトが抑えられた発光モジュールを提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による発光モジュールの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１の実施の形態に係る発光モジュール１０ａの一部破断斜視図である。図２は、図１に示した発光モジュール１０ａのＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。発光モジュール１０ａは同軸型であり、半導体レーザ素子などの電子部品を収容するＣＡＮケース３０を備えている。

ＣＡＮケース３０は、ステム３１及びキャップ３２を有する。ステム３１は円板状であり、その主面３１ａは、ＣＡＮケース３０の中心軸Ｘと直交している。主面３１ａ上には、半導体レーザ素子などの電子部品が搭載されている。ステム３１には、複数のリード端子３３が接続されている。これらのリード端子３３は、中心軸Ｘと平行にステム３１を貫通している。

キャップ３２は、有蓋の円筒状であり、その上壁３２ａに設けられた開口３２ｂには、半導体レーザ素子からのレーザ光を集光するレンズ３２ｃが嵌め込まれている。キャップ３２は、ステム３１の主面３１ａ上に固定されており、主面３１ａ上に搭載される電子部品を覆っている。具体的には、複数の熱電変換素子２１、下板２２ａ、上板２２ｂ、フォトダイオード（以下、「ＰＤ」）２３、ＰＤキャリア２４、レーザダイオード（以下、ＬＤ）２５、ベース２６、サーミスタ２７、及びＬＤキャリア２８が主面３１ａ上に設置され、キャップ３２によって覆われている。

熱電変換素子２１は、ペルチェ素子とも呼ばれ、下板２２ａと上板２２ｂとの間に挟まれている。下板２２ａ及び上板２２ｂは共に絶縁性であり、熱伝導性に優れている。下板２２ａは、ステム３１の上面３１ａに固定されている。上板２２ｂは熱電変換素子２１の上面に固定されている。各熱電変換素子２１は、２本のリード端子３３にボンディングワイヤ等を介して接続される。各熱電変換素子２１にリード端子３３を介して制御電流が供給されると、熱電変換素子２１上に搭載される物体から熱を奪い、又はその物体に熱を与えることができる。制御電流の方向に応じて、熱電変換素子２１の下面が吸熱面又は放熱面の一方となり、上面が吸熱面又は放熱面の他方となる。

上板２２ｂの上には、ベース２６が搭載されている。ベース２６は、台形の断面を有する柱状体であり、熱伝導性に優れた材料、例えばＣｕＷなどの金属や、セラミックスからなる。ベース２６の第１の側面２６ａ、第２の側面２６ｂ、下面２６ｃ及び上面２６ｄは、いずれも平坦である。図２に示されるように、第１側面２６ａにはＬＤキャリア２８が固定されており、第２側面２６ｂにはサーミスタ２７が固定されている。下面２６ｃは、ステム３１の上面３１ａと平行であり、上板２２ｂに接合されている。上面２６ｄは、キャップ３２の上壁３２ａと平行である。

二つの側面２６ａ及び２６ｂは、いずれも下面２６ｃからキャップ３２の上壁３２ａに向かって延びているが、第１側面２６ａが下面２６ｃに対して垂直なのに対し、第２側面２６ｂは、下面２６ｃに対して鈍角を成すように傾斜している。このため、ベース２６は、サーミスタ２７の上方で突出するオーバーハング部２６ｅを有している。

ＬＤキャリア２８は、半導体レーザ素子としてＬＤ２５を搭載しており、セラミックス（例えばＡｌＮ）などの絶縁性材料からなる。ＬＤ２５は、ＬＤキャリア２８を介して、ベース２６の第１側面２６ａ上に固定されている。ＬＤ２５は、その光出射端面２５ａ及び光反射端面２５ｂが中心軸Ｘと直交するように配置されている。

ＬＤ２５のアノードは、ボンディングワイヤ（図示せず）を介して、ＬＤキャリア２８上の配線パターンに接続される。同様に、ＬＤ２５のカソード電極は、半田付け等によりＬＤキャリア２８上の配線パターンに直接接合される。更に、これらの配線パターンは、それぞれボンディングワイヤ（図示せず）を介して複数のリード端子３３に接続される。リード端子３３を介してＬＤ２５に電流を供給すると、ＬＤ２５の光出射端面２５ａからレーザ光が発する。

ＰＤ２３は、ＬＤ２５の光出力を測定する受光素子である。ＰＤ２３は、ＬＤ２５の光反射端面２５ｂと対向する受光面２３ａを有する。ＰＤ２３のアノード及びカソードのうち一方の電極は、ハンダ付け等によりＰＤキャリア２４に直接接合される。ＰＤキャリア２４は下板２２ａ上に固定されており、ボンディングワイヤ（図示せず）を介してリード端子３３の一つに接続される。また、ＰＤ２３の他方の電極は、ボンディングワイヤ（図示せず）を介して別のリード端子３３に接続される。ＰＤ２３は、ＬＤ２５の光反射端面２５ｂから漏れるレーザ光を検出し、その強度に応じた電流を、リード端子３３を介して発光モジュール１０ａの外部へ出力する。

サーミスタ２７は、ＬＤ２５の周囲温度を測定する測温素子である。ベース２６のオーバーハング部２６ｅは、サーミスタ２７をキャップ３２の上壁３２ａから少なくとも部分的に遮蔽する。本実施形態では、サーミスタ２７は、ベース２６をキャップ３２の上壁３２ａから中心軸Ｘと平行に見たときに、サーミスタ２７がオーバーハング部２６ｅによって完全に遮蔽されるように配置されている。

サーミスタ２７が有する二つの電極は、それぞれボンディングワイヤ（図示せず）を介して複数のリード端子３３に接続される。サーミスタ２７は、ＬＤ２５の周囲温度に応じてその電気抵抗値を変化させ、ＬＤ２５の温度に応じた電気信号を生成し、リード端子３３を介して発光モジュール１０ａの外部へ出力する。

以下では、図３を参照しながら、発光モジュール１０ａの利点を説明する。図３（ａ）は、発光モジュール１０ａに関して、ＣＡＮケース３０の温度とＬＤ２５の波長ドリフトとの相関を示すグラフである。また、図３（ｂ）は、本実施形態との比較のために用意した発光モジュールに関して、ＣＡＮケースの温度とＬＤの波長ドリフトとの相関を示すグラフである。この比較用の発光モジュールは直方体状のベースを備えており、このベースのうちサーミスタが固定される側面は、このベースの下面及び上面に対して垂直である。このため、この比較例では、サーミスタがキャップの上壁に対して完全に露出している。なお、図３（ａ）及び（ｂ）のグラフを求めるにあたって、ＬＤの駆動電流を４０ｍＡ、ＬＤの温度を４０℃に制御した。

図３（ｂ）に示されるように、比較例では、ケース温度が−４０℃〜８０℃の間で変動する間に、波長ドリフト幅が約２００ｐｍにまで達している。これに対し、本実施形態の発光モジュール１０ａでは、図３（ａ）に示すように、ＣＡＮケース３０の温度が−１０℃〜８０℃の間で変動する間、波長ドリフト幅は２０ｐｍ以下に抑えられている。

波長ドリフト幅が低減されるのは、次の理由による。発光モジュール１０ａでは、サーミスタ２７がベース２６のオーバーハング部２６ｅによってキャップ３２の上壁３２ａから遮蔽されているので、上壁３２ａからの輻射熱はベース２６によって遮断及び吸収される。吸収された輻射熱は、ベース２６に熱的に接続された熱電変換素子２１によって冷却される。これにより、輻射熱がサーミスタ２７に伝わることを抑制することができるので、サーミスタ２７は、ＬＤ２５の周囲温度を正確に測定することが可能になる。その結果、ＬＤ２５の温度制御の精度が向上するので、図３（ａ）に示すように、ＬＤ２５の波長ドリフトを低減することができる。

ベース２６の材料に、熱伝導性に優れた金属またはセラミックスを用いることで、ベース２６が吸収した輻射熱を効率良く熱電変換素子２１に伝えることができる。これにより、サーミスタ２７への輻射熱の伝達を良好に防ぐことができるので、より正確にＬＤ２５の温度を制御し、ＬＤ２５の波長ドリフトを更に低減することができる。

また、発光モジュール１０ａを製造するにあたっては、ベース２６の形状を従来品から変更すれば足り、別途、部品を追加する必要がない。そのため、発光モジュール１０ａは、組立が容易であり、製造費用を抑えることもできる。

（第２実施形態）
図４は、第２の実施の形態に係る発光モジュール１０ｂの一部破断斜視図である。図５は、図４に示した発光モジュール１０ｂのＶ−Ｖ線に沿った断面図である。この発光モジュール１０ｂは、第１実施形態における台形柱状のベース２６に代えて、Ｌ字柱状のベース３６を有する。本実施形態の他の構成は、第１実施形態と同じである。

ベース３６は、Ｌ字形の断面を有する柱状体である。ベース３６の第１の側面３６ａ、下面３６ｃ及び上面３６ｄは、いずれも平坦であるが、第２の側面３６ｂには、下面３６ｃに隣接する凹部３６ｅが設けられている。第１側面３６ａには、ＬＤキャリア２８が固定されている。サーミスタ２７は、第２側面３６ｂの凹部３６ｅ内に設置されている。このため、ベース３６は、サーミスタ２７の上方で突出するオーバーハング部３６ｆを有している。下面３６ｃは、ステム３１の上面３１ａと平行であり、上板２２ｂに接合されている。上面３６ｄは、キャップ３２の上壁３２ａと平行である。

ベース３６のオーバーハング部３６ｆは、サーミスタ２７をキャップ３２の上壁３２ａから少なくとも部分的に遮蔽する。本実施形態では、サーミスタ２７は、ベース３６をキャップ３２の上壁３２ａから中心軸Ｘと平行に見たときに、サーミスタ２７がオーバーハング部３６ｆによって完全に遮蔽されるように配置されている。これにより、第１実施形態と同様に、上壁３２ａからの輻射熱がサーミスタ２７に及ぼす影響を抑えることができる。その結果、サーミスタ２７による温度測定が正確になるので、ＬＤ２５の波長ドリフトを低減することができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

上記実施形態では、キャップ３２の上壁３２ａから中心軸Ｘと平行に見たときに、サーミスタ２７がベース２６または３６によって完全に遮蔽されている。しかしながら、サーミスタがベースによって部分的にしか遮蔽されていなくても、上壁３２ａからの熱輻射がサーミスタに及ぼす影響をある程度抑制できるので、波長ドリフトを低減することは可能である。もちろん、サーミスタがベースによって完全に遮蔽されていれば、熱輻射からの影響を大きく抑制できるので、波長ドリフトをより大きく低減することができる。

第２実施形態では、ベース３６の凹部３６ｅが、第２側面３６ｂのうち下面３６ｃに隣接する端部に設けられている。しかし、この凹部３６ｅは、第２側面３６ｂのうち下面３６ｃ及び上面３６ｄから離間した中間部に設けられていてもよい。

本発明の第１実施形態に係る発光モジュールの一部破断斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 第１実施形態及び比較例に関して、ＣＡＮケースの温度とＬＤの波長ドリフトとの相関を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る発光モジュールの一部破断斜視図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

符号の説明

１０ａ及び１０ｂ…発光モジュール、２１…熱電変換素子、２５…ＬＤ、２６及び３６…ベース、２７…サーミスタ、２８…ＬＤキャリア、３０…ＣＡＮケース、３１…ステム、３２…キャップ

Claims (1)

1. ステムと、
   前記ステムの上面に固定され、当該上面と対向する上壁を有するキャップと、
   前記ステムの上面に設置され、前記キャップによって覆われた熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子上に配置され、前記熱電変換素子に対向する下面と、当該下面から前記キャップの上壁に向かって延びる第１の側面と、前記下面に対して鈍角を成すように傾斜した第２の側面とを有するベースと、
   前記第１の側面に固定された半導体レーザ素子と、
   前記第２の側面に固定された測温素子と、
   を備え、
   前記第２の側面はオーバーハング部を形成し、前記測温素子は当該オーバーハング部により前記キャップの上壁から遮蔽されている、発光モジュール。

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