DE69705681T2

DE69705681T2 - Peltierkühler und Verwendung in einem Halbleiterlasermodul

Info

Publication number: DE69705681T2
Application number: DE69705681T
Authority: DE
Inventors: Haruhito Shimizu
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-08-13
Filing date: 1997-08-12
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2017-08-13
Also published as: EP0824281B1; JPH1065273A; US5960142A; JP3076246B2; DE69705681D1; EP0824281A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Peltierkühler, der als eine Elektronik-Kühlvorrichtung dient, und dessen Verwendung in einem Halbleiterlasermodul.
Ein Halbleiterlasermodul wird zum Beispiel bei einer optischen Nachrichtenübertragung verwendet, um ein elektrisches Signal in ein optisches Signal umzuwandeln. Indem eine in dem Halbleiterlasermodul vorgesehene Halbleiterlaservorrichtung durch ein elektrisches Signal gesteuert wird, wird ein moduliertes Signallicht erzeugt. Da die Schwingungswellenlänge und die optische Ausgangsleistung des Halbleiterlasers eine temperaturabhängige Kennlinie haben, ist es erforderlich, die Temperatur des Halbleiterlasers zu steuern, um einen stabilen Betrieb sicherzustellen. Zu diesem Zweck wurde ein Halbleiterlasermodul entwickelt, das einen Peltierkühler enthält, welcher als eine Elektronik-Kühlvorrichtung dient.
Als ein Beispiel für das Lasermodul, das den Peltierkühler enthält, ist ein Modul bekannt, das in den Vortragsthesen C-180 der Herbsttagung der Electronics, Information and Communications Society von 1993 offenbart ist.
Das darin offenbarte Modul hat jedoch das Problem, daß es in einem befestigten Bereich, der ein Niedertemperaturlot verwendet, zum Auftreten von Kriecherscheinungen neigt, und daß das optische System nicht für eine lange Zeit in einem optimalen Zustand gehalten werden kann.
Um dieses Problem zu lösen, offenbart die ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2-66987 ein Halbleiterlasermodul, in dem eine Kühlvorrichtung in einem Modulgehäuse vorgesehen ist, und eine zylindrische Lasereinheit, die derartige wesentliche Eigenschaften hat, daß die optische Achse durch Änderungen der Außentemperatur weniger verschoben wird, durch eine Lötung festgelegt ist. Wichtige Bestandteile des optischen Moduls sind in dieser zylindrischen Lasereinheit vorgesehen, wobei zeitliche Verschiebungen der optischen Achse nicht beachtet werden.
Gemäß dem weiter oben beschriebenen herkömmlichen Halbleiterlasermodul ist eine zylindrische Lasereinheit in dem Modul untergebracht und die Form des Moduls ist dadurch eingeschränkt. Als eine Folge hat das herkömmliche Modul Nachteile in der Hinsicht, daß es schwierig ist, vielseitig zu sein, daß Herstellungskosten erhöht werden, und daß die Struktur komplex wird.
Gemäß einem in der ungeprüften japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 1-220491 offenbarten Halbleiterlasermodul wird ein Peltierkühler zwischen einem Lasermodul mit einem Halbleiterlaser, optischen Komponenten und ähnlichem, was auf einem Trägersubstrat montiert ist, und der inneren Grundfläche des Modulgehäuses vorgesehen. Gemäß einem in der ungeprüften japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 1-86260 offenbarten Halbleiterlasermodul hat ein Modulgehäuse doppelte Grundflächen, eine Lasereinheit ist auf der oberen Grundfläche befestigt, und ein Peltierkühler ist auf der unteren Grundfläche befestigt. In dem letzteren Fall bleibt das weiter oben erwähnte Problem ebenfalls ungelöst, weil die Lasereinheit und der Peltierkühler durch ein Niedertemperaturlot befestigt sind.
Indessen wird gemäß einem in der ungeprüften japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 4-355706 offenbarten Halbleiterlasermodul auf einem Isolierbrett auf der oberen Oberfläche eine Metallschablone ausgebildet, um dadurch einen Halbleiterlaser, optische Komponenten und ähnliches mit Hilfe eines YAG-Lasers zu befestigen. In diesem Fall ist es jedoch notwendig, die Bestandteile zu befestigen, während die optische Achse auf dem Isolierbrett innerhalb eines Modulgehäuses ausgerichtet wird, was völlig verschieden von der ursprünglichen Lasereinheiten-Herstellungsmontage ist. Als eine Folge ergeben sich viele Einschränkungen.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die weiter oben beschriebenen herkömmlichen Probleme zu lösen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Peltierkühler zur Verfügung zu stellen, der eine hochpräzise YAG-Laser-Schweißbefestigung ermöglicht, während eine Lasereinheit verwendet wird, die auf einem herkömmlichen Trägersubstrat vorgesehen ist, und ebenso ein Halbleiterlasermodul zur Verfügung zu stellen, das den Peltierkühler verwendet.
Um die obige Aufgabe zu erreichen, hat ein Peltierkühler gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in Patentanspruch 1 definiert, eine Peltiervorrichtung mit einer Öffnung, die zwischen zwei Isolierplatte angeordnet ist, an denen Metallrahmen befestigt sind.
Auf diese Weise kann der Peltierkühler unter Verwendung von Metallrahmen durch Schweißung befestigt werden.
In dem Peltierkühler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben die Metallrahmen dünne Durchschweißteile, durch die ein einfallender Schweißlaserstrahl hindurch laufen kann.
Wenn der einfallende Schweißlaserstrahl nicht durch die Schweißteile hindurch laufen kann, ist es notwendig, daß der Laserstrahl in eine schräge Richtung abgestrahlt wird, und somit muß die Abmessung des Modulgehäuses einen Spielraum haben. Da gemäß der vorliegenden Erfindung mit der obigen Anordnung jedoch dünne Schweißteile vorgesehen sind, durch die ein einfallender Schweißlaserstrahl hindurch laufen kann, kann der Schweißlaserstrahl in einer senkrechten Richtung abgestrahlt werden.
Ein Halbleiterlasermodul gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie in Patentanspruch 4 definiert, weist auf: einen Halbleiterlaser und eine optische Komponente, die auf ein Trägersubstrat montiert sind; einen Peltierkühler, bei dem eine Peltiervorrichtung zwischen obere und untere Isolierplatten gestellt ist und bei dem an jedem der oberen und unteren Isolierplatten ein Metallrahmen mit einer Öffnung befestigt ist; und ein Modulgehäuse, welches das Trägersubstrat an dem oberen Metallrahmen des Peltierkühlers befestigt, wobei der untere Metallrahmen des Peltierkühlers auf einer inneren Grundfläche des Modulgehäuses befestigt ist und Schwingungslicht von dem Laser nach außen bezüglich des Modulgehäuses geleitet wird.
Eine derartige Anordnung, in der Metallrahmen mit einer Öffnung an zwei Isolierplatten befestigt sind, zwischen welche eine Peltiervorrichtung gestellt ist, ermöglicht eine Schweißbefestigung unter Verwendung von Metallrahmen, die nicht aus einem isolierenden Material, wie etwa Keramik, hergestellt sind.
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genommen deutlich, wobei:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterlasermoduls in einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Peltierkühlers des Halbleiterlasermoduls von Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterlasermoduls in einer abgeänderten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterlasermoduls in einer weiteren abgeänderten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines hochtemperaturseitigen Substratteils eines Peltierkühlers des Halbleiterlasermoduls von Fig. 4 ist.
In den Zeichnungen bezeichnen identische Bezugszeichen identische Vorrichtungen.
Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterlasermoduls in einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 ist ein rechteckiges kastenartiges Modulgehäuse 11 eines Halbleiterlasermoduls 10 aus einer FeNiCo- Legierung gefertigt und enthält ein Trägersubstrat 13 und einen Peltierkühler 12. Der Peltierkühler 12 ist auf der inneren Grundfläche des Modulgehäuses 11 angeordnet, und das Trägersubstrat 13 ist auf der oberen Oberfläche des Peltierkühlers 12 angeordnet.
In dieser Ausführungsform ist das Modulgehäuse 11 rechteckig kastenförmig und aus einer FeNiCo-Legierung gefertigt. Die Form des Gehäuses 11 kann jedoch frei gewählt werden, solange das Gehäuse 11 den Peltierkühler 12 und die Lasereinheit aufnehmen kann. Außerdem ist der Peltierkühler 12 in dieser Ausführungsform auf der inneren Grundfläche des Modulgehäuses 11 angeordnet. Er ist jedoch nicht notwendigerweise auf der Grundfläche angeordnet, und die hier im weiteren zu beschreibenden vertikalen und horizontalen Richtungen des Kühlers 12 sind nichts als relative Richtungen.
Das Trägersubstrat 13 ist aus einer FeNiCo-Legierung gefertigt. Eine Halbleiterlaservorrichtung 14 und eine erste Linseneinheit 15 sind auf das Trägersubstrat 13 montiert. Eine zweite Linse 16 ist außerhalb des Modulgehäuses 11 in einem Zylinderglied 17 in der Verlängerungsrichtung der optischen Achse der ersten Linseneinheit 15 vorgesehen. Ein Ende eines Lichtwellenleiters 19 ist in eine Kappe 18 des Zylinderglieds 17 eingeführt, um den Lichtwellenleiter 19 mit der optischen Achse der ersten Linseneinheit 15 auszurichten.
Mit der weiter oben beschriebenen Anordnung wird ein von der Halbleiterlaservorrichtung 14 abgestrahlter Laserstrahl durch die erste Linseneinheit 15 in einen kollimierten Strahl umgewandelt. Der kollimierte Strahl wird dann durch die zweite Linse 16 fokussiert und mit dem Lichtwellenleiter 19 gekoppelt.
Es wird hier bemerkt, daß ein (nicht gezeigter) Thermistor, der als eine Temperaturerkennungsvorrichtung dient, auf dem Trägersubstrat vorgesehen ist, um die Temperatur der Halbleiterlaservorrichtung 14 zu ermitteln. Der Strom des Peltierkühlers 12 wird derart gesteuert, daß die ermittelte Temperatur mit der vorbestimmten Temperatur zusammenfällt. Eine derartige Stromsteuerung liefert eine fast konstante Temperatur der Halbleiterlaservorrichtung 14 ungeachtet von Änderungen der Umgebungstemperatur.
Außerdem sind die Positionen der ersten Linseneinheit 15, der zweiten Linse 16 und des Lichtwellenleiters 19 justiert und derart befestigt, daß der Wirkungsgrad der Kopplung zwischen der Halbleiterlaservorrichtung 14 und dem Lichtwellenleiter 19 maximal wird.
In dieser Ausführungsform besteht das optische System des Laserstrahls aus der ersten Linseneinheit 15 und der zweiten Linse 16. Es ist natürlich möglich, den Aufbau geeignet zu verändern. Ferner sollte die Laserstrahl-Ausgangsrichtung nicht auf die in der Ausführungsform von Fig. 1 gezeigte eingeschränkt werden und kann geeignet verändert werden.
Der Peltierkühler 12 besteht aus einem niedertemperaturseitigen Substratteil 12a, einem hochtemperaturseitigen Substratteil 12b und einer zwischen den Substratteilen 12a und 12b angeordneten Peltiervorrichtung 12c.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des Peltierkühlers 12. Der niedertemperaturseitige Substratteil 12a besteht aus einem ersten Keramiksubstrat 21a, das mit der Peltiervorrichtung 12c und einem ersten Metallrahmen 22a verbunden ist, welcher mit Lot an dem äußeren Umfang des ersten Keramiksubstrats 21a befestigt ist.
Ebenso besteht der hochtemperaturseitige Substratteil 12b aus einem zweiten Keramiksubstrat 21b, das mit der Peltiervorrichtung 12c und einem zweiten Metallrahmen 22b verbunden ist, welcher mit Lot an dem äußeren Umfang des zweiten Keramiksubstrats 21b befestigt ist.
Ein nicht gezeigter Draht ist mit der Peltiervorrichtung 12c verbunden. Strom wird durch den Draht von außerhalb des Moduls an die Peltiervorrichtung 12c geliefert.
Hier sind die ersten und zweiten Keramiksubstrate 21a und 21b aus Aluminiumoxid gefertigt. Die ersten und zweiten Metallrahmen 22a und 22b sind aus einer FeNiCo-Legierung gefertigt. Die Lötung zwischen dem ersten Keramiksubstrat 21a und dem ersten Metallrahmen 22a und die zwischen dem zweiten Keramiksubstrat 21b und dem zweiten Metallrahmen 22b werden unter Verwendung von AgCu gefertigt.
Die Metallrahmen 22a und 22b sind nicht notwendigerweise von zusammenhängend ringförmiger Form. Die Form kann frei gewählt werden, solange ihre Außenumfangsteile festgeschweißt werden können.
In dieser Ausführungsform dienen die ersten und zweiten Keramiksubstrate 21a und 21b als aus Aluminiumoxid gefertigte Isoliersubstrate. Das Material kann jedoch frei gewählt werden, solange sie aus Isoliermaterial gefertigt werden und es möglich ist, ein Keramiksubstrat zum Beispiel aus AlN zu fertigen. Außerdem sind das erste Keramiksubstrat 21a und der erste. Metallrahmen 22a und das zweite Keramiksubstrat 21b und der zweite Metallrahmen 22b jeweils durch Löten unter Verwendung von AgCu befestigt. Andere Legierungen, wie etwa AuGe können jedoch verwendet werden, solange sie befestigt werden können.
Nun wird das Montageverfahren für diese Ausführungsform mit der oben beschriebenen Anordnung beschrieben.
Der erste Metallrahmen 22a des Peltierkühlers 12 und das Trägersubstrat 13 werden mit Hilfe eines Hochpräzisions- YAG-Lasers an einem in Fig. 1 gezeigten Schweißteil 20a festgeschweißt. Ebenso werden der zweite Metallrahmen 22b des Peltierkühlers 12 und die innere Grundfläche des Modulgehäuses 11 mit Hilfe eines Hochpräzisions-YAG-Lasers an einem in Fig. 1 gezeigten Schweißteil 20b festgeschweißt.
Wie aus dem obigen zu erkennen ist, macht es "das Halbleiterlasermodul 10, das den in dieser Ausführungsform dargestellten Peltierkühler verwendet, möglich, den Peltierkühler und das Trägersubstrat nicht durch herkömmliche Niedertemperaturlötung, sondern mit Hilfe einer YAG-Laserschweißung zu befestigen. Als Folge tritt kein Lotkriechen auf, wodurch die stabile Anordnung des optischen Systems für lange Zeit sichergestellt ist.
Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterlasermoduls in einer veränderten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein Halbleiterlasermodul 10 in dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem Halbleiterlasermodul 10 in der ersten Ausführungsform wie folgt. Die innere Grundfläche eines Modulgehäuses 11 besteht aus einem stark wärmeleitenden Substrat 30. Ein Schweißsubstrat 31 wird durch Löten unter Verwendung von AgCu an dem stark wärmeleitenden Substrat 30 befestigt. Ein zweites Keramiksubstrat 21b eines zweiten Schweißsubstratteils 12b wird mit Hilfe einer YAG-Laserschweißung an dem Schweißsubstrat 31 befestigt.
In dieser Ausführungsform ist das stark wärmeleitende Substrat 30 aus CuW gefertigt, und das Schweißsubstrat 31 ist aus einer FeNiCo-Legierung gefertigt.
In dieser Anordnung wird CuW, das eine höheren Wärmeleitfähigkeit als FeNiCo-Legierung hat, für die Grundfläche des Modulgehäuses 11 verwendet, welche dazu dient, von dem zweiten Keramiksubstrat 21b abgegebene Wärme zur Außenseite des Moduls 10 zu leiten. Dadurch wird die Wärme wirksam nach außen bezüglich des Modulgehäuses 11 abgegeben, und die Kühlleistung des Moduls 10 kann dadurch verbessert werden. Es ist unnötig zu sagen, daß sie aus anderen Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt werden können.
Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterlasermoduls in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ein Halbleiterlasermodul 10 in dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem Halbleiterlasermodul 10 in der ersten Ausführungsform wie folgt. In dieser Ausführungsform wird der Peltierkühler 12 in der ersten Ausführungsform durch einen Peltierkühler 40 ersetzt. Außerdem enthält der Peltierkühler 40 in dieser Ausführungsform einen hochtemperaturseitigen Substratteil 41 anstelle des hochtemperaturseitigen Substratteils 12b des Peltierkühlers 12 in der ersten Ausführungsform.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht des hochtemperaturseitigen Substratteils 41.
Insbesondere wird ein zweiter Metallrahmen 42 mit Lot an dem Außenumfang eines zweiten Keramiksubstrats 21b befestigt. Dünne Durchschweißteile 43 werden durch Abschneiden oberer Oberflächenteile von Enden des zweiten Metallrahmens 42 gebildet, um eine halbkreisförmige Form zu bilden. Die Durchschweißteile 43 werden dünner als der zweite Metallrahmen 42 gemacht, so daß ein einfallender Laserstrahl durch die Schweißteile 43 hindurch laufen kann.
Der zweite Metallrahmen 42 und die innere Grundfläche des Modulgehäuses 11 werden mit Hilfe einer YAG-Laserschweißung an einem in Fig. 4 gezeigten Schweißteil 44 aneinander befestigt. Während dem Schweißen fällt der YAG-Laserstrahl auf die Durchschweißteile 43 ein und läuft hindurch, um die innere Grundfläche des Modulgehäuses 11 zu schmelzen.
Wenn zum Beispiel der Peltierkühler 12 in der ersten Ausführungsform durch YAG-Laserschweißen an dem Modulgehäuse 11 befestigt wird, werden die seitliche Oberfläche des zweiten Metallrahmens 22b und die innere Grundfläche des Modulgehäuses 11 durch den Laserstrahl geschmolzen. Somit muß der YAG-Laserstrahl in einer schrägen Richtung relativ zur senkrechten Richtung abgestrahlt werden.
In diesem Fall muß die Abmessung des Modulgehäuses 11 einen Spielraum haben, so daß der YAG-Laserstrahl nicht auf die seitliche Oberfläche des Modulgehäuses 11 und ähnliches einfällt. Wenn der Peltierkühler 40 in dieser Ausführungsform im Gegensatz dazu befestigt wird, wird der Laserstrahl in der senkrechten Richtung abgestrahlt. Daher besteht keine Notwendigkeit, dem Modulgehäuse 11 einen Spielraum hinzuzufügen, wodurch ermöglicht wird, eine kleinere Abmessung zu liefern.
Wie weiter oben beschrieben, ist bei dem Peltierkühler 12 eine Peltiervorrichtung 12c zwischen einem aus Isoliermaterial gefertigten niedertemperaturseitigen Substratteil 12a und einem aus Isoliermaterial gefertigten hochtemperaturseitigen Substratteil 12b angeordnet. Die ersten und zweiten Metallrahmen 22a und 22b sind jeweils durch Löten am äußeren Umfang der isolierenden Substratteile 12a bzw. 12b befestigt. Dadurch können die ersten und zweiten Metallrahmen 22a und 22b mit Hilfe von Laserschweißen mit hoher Genauigkeit und auf eine stabile Weise befestigt werden. Als eine Folge tritt auf dem Halbleiterlasermodul kein Lotkriechen auf, wodurch die stabile Anordnung des optischen Systems für lange Zeit sichergestellt wird.

Claims

1. Peltierkühler (12), bei dem eine Peltiervorrichtung (12c) zwischen zwei Isolierplatten (21a, 21b) angeordnet ist, wobei

ein Metallrahmen (22a, 22b) mit einer Öffnung an jedem der Isolierplatten (21a, 21b) befestigt ist.

2. Peltierkühler (12) nach Anspruch 1, wobei der Metallrahmen (22a, 22b) dünne Durchschweißteile hat, durch die ein einfallender Laserstrahl hindurch laufen kann.

3. Peltierkühler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Metallrahmen (22a, 22b) an dem äußeren Umfang jeder der Isolierplatten (21a, 21b) befestigt ist.

4. Halbleiterlasermodul (10)mit:

einem Halbleiterlaser (14) und einer optischen Komponente (15), die auf ein Trägersubstrat (13) montiert sind;

einem Peltierkühler (12) mit einer zwischen den oberen und unteren Isolierplatten (21a, 21b) angeordneten Peltiervorrichtung (12c) und mit einem Metallrahmen (22a, 22b) mit einer Öffnung, der an jeder der oberen und unteren Isolierplatten (21a, 21b) befestigt ist; und

einem Modulgehäuse (11), wobei das Trägersubstrat (13) an dem oberen Metallrahmen (22a) des Peltierkühlers (12) befestigt ist, der untere Metallrahmen (22b) des Peltierkühlers auf einer inneren Grundfläche (30) des Modulgehäuses (11) befestigt ist und Oszillatorlicht von dem Laser (14) nach außerhalb des Modulgehäuses (11) geleitet wird.

5. Modul nach Anspruch 4, wobei ein stark wärmeleitendes Material in der inneren Grundfläche (30) des Modulgehäuses (11), an welcher der Peltierkühler (12) befestigt ist, angeordnet ist.

6. Modul nach Anspruch 4 oder 5, wobei die innere Grundfläche (30) des Modulgehäuses aus CuW gefertigt ist.

7. Halbleiterlasermodul nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei der Metallrahmen (22a, 22b) auf dem äußeren Umfang jeder der oberen und unteren Isolierplatten (21a, 21b) befestigt ist.