半导体激光光源装置

技术领域

本公开涉及通过温度控制模块来进行半导体光调制元件的温度控制的半导体激光光源装置。

背景技术

SNS、动画共享服务等的普及正在以世界性规模发展，数据传送的大容量化正在加速。为了以有限的安装空间应对信号的高速大容量传送化，光收发器正在发展高速化的小型化。对于光设备，在要求高速化和低成本化的基础上，为了抑制运转成本，还要求低耗电化。

作为搭载有半导体光调制元件的激光光源装置的构造，一般应用可廉价地实现产品化的TO-CAN(Transistor-Outlined CAN)型。在TO-CAN的构造中，一般使用玻璃将引脚封接固定于金属管座。由于利用各自的热膨胀系数差所带来的压力，所以为了确保高的气密性，引脚的配置和引脚彼此的间隔变得重要。

半导体光调制元件因发热而发生振荡波长或光输出的变化。因此，对于搭载有半导体光调制元件的激光光源装置，为了将半导体光调制元件的温度保持为恒定而使用温度控制模块(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2011-518381号公报

在以往构造中，用导电性导线来接合安装有半导体光调制元件的第1电介质基板的高频线路和接合到引脚的第2电介质基板的高频线路。因存在第2电介质基板而导致成本增加，对第1电介质基板的安装自由度降低。另外，从引脚到半导体光调制元件为止的距离变长，由于阻抗不匹配或电感成分增加而导致高频特性恶化。另外，由于从温度控制模块到半导体光调制元件为止的距离远，热扩散性差，所以消耗电力变高。另外，由于向半导体光调制元件的电信号输入方式为单层驱动方式，所以消耗电力变高。

发明内容

本公开是为了解决上述那样的课题所做出的，其目的在于，得到一种能够降低成本和消耗电力，并提高对电介质基板的安装自由度和高频特性的半导体激光光源装置。

本公开所涉及的半导体激光光源装置的特征在于，具备：金属管座；第1引脚至第3引脚，贯通所述金属管座；支承块，设置于所述金属管座之上；温度控制模块，安装于所述支承块的侧面，并具有下侧基板、上侧基板、以及被所述上侧基板和所述下侧基板夹着的多个热电元件；电介质基板，背面与所述温度控制模块的所述上侧基板接合；差动驱动用信号线路，设置于所述电介质基板的主面；半导体光调制元件，安装于所述电介质基板的所述主面；温度传感器，安装于所述电介质基板的所述主面；第1导电性导线，连接所述差动驱动用信号线路的一端和所述半导体光调制元件；第2导电性导线，连接所述差动驱动用信号线路的另一端和所述第1引脚；第3导电性导线，连接所述温度传感器和所述第2引脚；以及第4导电性导线，连接所述温度控制模块和所述第3引脚。

在本公开中，温度控制模块安装于支承块的侧面，该支承块设置于金属管座之上，安装有半导体光调制元件的电介质基板与温度控制模块接合。由此，不需要第2电介质基板，所以能够降低成本。另外，由于能够增大电介质基板，所以对电介质基板的安装自由度提高。另外，由于可以用短的导电性导线将设置于电介质基板的主面的信号线路与引脚连接，所以高频特性提高。另外，由于从温度控制模块到半导体光调制元件为止的距离近，所以热扩散性提高，温度控制模块中的吸热、散热性提高而能够减少消耗电力。另外，由于向半导体光调制元件的电信号输入方式为差动驱动方式，所以与以往的单层驱动方式相比，能够减少信号产生器的电压振幅，能够减少信号产生器的消耗电力。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的半导体激光光源装置的正面立体图。

图2是表示实施方式1所涉及的半导体激光光源装置的俯视图。

图3是表示实施方式1所涉及的半导体激光光源装置的侧视图。

图4是表示实施方式1所涉及的半导体激光光源装置的背面立体图。

图5是比较以往构造和本实施方式的构造的温度控制模块的消耗电力的图表。

图6是表示实施方式2所涉及的半导体激光光源装置的正面立体图。

图7是表示实施方式3所涉及的半导体激光光源装置的正面立体图。

图8是表示实施方式4所涉及的半导体激光光源装置的概略图。

具体实施方式

参照附图对实施方式所涉及的半导体激光光源装置进行说明。对相同或对应的构成要素标注相同的附图标记，有时省略重复说明。

实施方式1

图1是表示实施方式1所涉及的半导体激光光源装置的正面立体图。图2是表示实施方式1所涉及的半导体激光光源装置的俯视图。图3是表示实施方式1所涉及的半导体激光光源装置的侧视图。图4是表示实施方式1所涉及的半导体激光光源装置的背面立体图。

金属管座1为大体圆形的板状，例如是对Cu等热传导率高的材料的表面施加Au镀敷等而构成的金属材料的管座基底。多个引脚2a～2f贯通金属管座1。为了将引脚2a～2f固定于金属管座1，一般使用玻璃3。当变为阻抗不匹配时因信号的多重反射而导致频率响应特性恶化，高速调制变得困难。因此，玻璃3由低介电常数的材质构成以成为与信号产生器相同的阻抗。

支承块4设置于金属管座1之上。支承块4是例如对Cu等热传导率高的材料的表面实施Au镀敷等而构成的金属材料的块。可以将与金属管座1为不同部件的支承块4安装于金属管座1，也可以一体形成金属管座1和支承块4。

温度控制模块5安装于支承块4的侧面。温度控制模块5通过由AlN等材料构成的下侧基板5b和上侧基板5c夹着例如由BiTe等材料构成的多个热电元件5a而成。通过例如SnAgCu焊料或AuSn焊料等接合材料将支承块4的侧面与温度控制模块5的下侧基板5b接合。下侧基板5b具有比上侧基板5c向上方突出的突出部，在该突出部设置有用于向热电元件5a供给电力的金属化部5d。

电介质基板6形成为四角形的板状，例如由氮化铝(AlN)等陶瓷材料构成，具有电气绝缘功能和热传递功能。电介质基板6具有相互相反侧的主面以及背面和四个侧面。电介质基板6的四个侧面中的下部侧面与金属管座1的上表面对置，上部侧面是下部侧面的相反侧。电介质基板6的背面与温度控制模块5的上侧基板5c接合。两条差动驱动用信号线路7a、7b、接地导体8、以及温度控制模块用导体9通过Au镀敷以及金属化来设置于电介质基板6的主面。差动驱动用信号线路7a、7b为微带线路或共面线路，具有与信号产生器的输出阻抗同等的阻抗。温度控制模块用导体9从电介质基板6的主面设置到上侧侧面。

半导体光调制元件10、温度传感器11以及陶瓷块12安装于电介质基板6的主面。作为用于将温度传感器11以及陶瓷块12接合于电介质基板6的接合材料，例如使用SnAgCu焊料、AuSn焊料等。半导体光调制元件10的调制器部由多个电场吸收型光调制器构成。温度传感器11例如为热敏电阻。陶瓷块12例如为AlN基板，且在上表面设置有导体膜。受光元件13安装于金属管座1或次基台之上。这里，受光元件13配置于半导体光调制元件10的Z轴负方向侧。

导电性导线14a连接半导体光调制元件10的分布式反馈激光二极管和引脚2a。导电性导线14b、14c分别连接两条差动驱动用信号线路7a、7b的一端和半导体光调制元件10的EAM(electro-absorption modulator：电吸收调制器)电极。导电性导线14d、14e分别连接两条差动驱动用信号线路7a、7b的另一端和引脚2b、2c。导电性导线14f连接温度传感器11和陶瓷块12的导体膜。导电性导线14g连接陶瓷块12的导体膜和引脚2d。导电性导线14h、14i连接接地导体8和金属管座1。导电性导线14j连接设置于电介质基板6的主面的温度控制模块用导体9和温度控制模块5的金属化部5d。导电性导线14k连接设置于电介质基板6的上部侧面的温度控制模块用导体9和引脚2e。导电性导线14l连接受光元件13和引脚2f。

半导体光调制元件10例如为将使用InGaAsP系量子阱吸收层的电场吸收型光调制器和分布式反馈激光二极管单片集成而成的调制器集成型激光二极管(EAM-LD)。从半导体光调制元件10的发光点沿着与芯片端面垂直且与芯片主面平行的光轴放射激光。向分布式反馈激光二极管的供电方法可以从引脚2a经由导电性导线14a直接连接，也可以根据制造方法而以设置于电介质基板6的导体为中继来连接。

输入到引脚2b、2c的差动电信号经由导电性导线14d、14e被传递到差动驱动用信号线路7a、7b，并经由导电性导线14b、14c被施加到半导体光调制元件10的调制器。这里输入到引脚2b、2c的电信号与金属管座1电磁耦合。与金属管座1、支承块4以及温度控制模块5接合的电介质基板6的接地导体8作为AC接地发挥作用。

由于当半导体光调制元件10的温度发生变化时振荡波长会发生变化，所以需要将温度保持为恒定。为此，在半导体光调制元件10的温度上升的情况下，温度控制模块5进行冷却，相反，在温度降低的情况下温度控制模块5发热，而使半导体光调制元件10的温度为恒定。在半导体光调制元件10中产生的热经由电介质基板6被传递到温度控制模块5的上侧基板5c。温度控制模块5吸收从半导体光调制元件10接受的热。温度控制模块5所吸收的热从温度控制模块5的下侧基板5b经由支承块4以及金属管座1向Z轴负方向传播，而向金属管座1的下表面侧的冷却部件(未图示)散热。

温度传感器11间接测定半导体光调制元件10的温度。将测定出的温度反馈到温度控制模块5，在半导体光调制元件10的温度高于目标值的情况下，温度控制模块5进行冷却，相反，在低于目标值的情况下进行发热。由此，能够使半导体光调制元件10的温度稳定化。

若对温度传感器11与引脚2d直接进行导线连接，则从外界传到金属管座1的环境气温度通过导线流入温度传感器11，而无法测定正确的温度。为此，在温度传感器11与引脚2d之间配置陶瓷块12来进行中继。由此，流入温度传感器11的热量减少，温度传感器11能够测定正确的温度。另外，由于温度传感器11和半导体光调制元件10安装于相同的电介质基板6的主面，因此温度相关性容易匹配，温度控制容易。

受光元件13将光信号向电信号转换(O/E转换)。电信号经由所连接的导电性导线14l向引脚2f传送。通过设置受光元件13，虽然贯通金属管座1的引脚的数量增加一个，但能够监视半导体光调制元件10的背面光的强度。通过反馈该监视结果，能够控制半导体光调制元件10的驱动电流以使得光输出变得恒定。

也可以预先将半导体光调制元件10、温度传感器11以及陶瓷块12接合到电介质基板6上而预先组装为半成品，并将该半成品与温度控制模块5接合。由此，作为温度控制模块5与电介质基板6的接合材料，无需必须使用如SnAgCu焊料或AuSn焊料那样的高熔点的材质，而是可以使用热固化树脂或紫外线固化树脂等。其结果，制造难易度降低。

图5是比较以往构造和本实施方式的构造的温度控制模块的消耗电力的图表。将半导体光调制元件10的发热量固定为0.2W，使环境温度从-40℃变化至95℃。可知本实施方式的构造为约0.2W左右的低耗电化。

如以上说明的那样，在实施方式中，在设置于金属管座1之上的支承块4的侧面安装温度控制模块5，安装有半导体光调制元件10的电介质基板6与温度控制模块5接合。由此，由于不需要第2电介质基板，所以能够降低成本。另外，由于能够增大电介质基板6，所以对电介质基板6的安装自由度提高。另外，由于可以用短的导电性导线将设置于电介质基板6的主面的信号线路与引脚连接，所以高频特性提高。另外，由于从温度控制模块5到半导体光调制元件10为止的距离近，所以热扩散性提高，温度控制模块5中的吸热、散热性提高而能够减少消耗电力。另外，由于向半导体光调制元件10的电信号输入方式为差动驱动方式，所以与以往的单层驱动方式相比，能够减少信号产生器的电压振幅，能够减少信号产生器的消耗电力。

以往构造由于经由第2电介质基板，所以因连接点处的阻抗不匹配而产生信号的反射，频带的增益降低，但由于在本实施方式中不需要第2电介质基板，所以不存在信号的反射点，能够实现比以往构造宽的宽频带化。

在温度控制模块5与电介质基板6之间不存在金属块等二次介质，而是将两者直接接合。因此，半导体光调制元件10与温度控制模块5的距离仅为电介质基板6的厚度量。因此，从温度控制模块5到半导体光调制元件10为止的热距离近，所以散热性提高，能够减少消耗电力。另外，由于将温度控制模块5与电介质基板6直接接合，所以能够通过制造工序、时间、部件数量的减少来降低成本。

另外，电介质基板6上的差动驱动用信号线路7a、7b和引脚2b、2c不经由其他电介质基板，而是仅通过导电性导线14d、14e直接连接。因此，信号反射点变少，高频特性提高。

为了通过玻璃3将引脚2a～2f封接固定于金属管座1，而一般应用压缩方式(compression scheme)或匹配方式(matching scheme)。为了保持气密性，封接时各引脚2a～2f变为等压力是重要的。因此，优选为将引脚2a～2f以圆形状配置到金属管座1。另外，由于当相邻的引脚2a～2f的间隔过于接近时封接性恶化，所以需要一定程度的距离。

在将温度控制模块以平放的方式与金属管座1接合的以往构造中，占据金属管座1上的面积，而不能均匀地配置引脚2a～2f，无法取得气密性。在本实施方式中由于将温度控制模块5与支承块4的侧面接合，所以能够缩小在金属管座1上的占据面积。

另外，虽然引脚2a～2d配置于电介质基板6的主面侧，但用于向温度控制模块5供电的两个引脚2e配置于电介质基板6的背面侧。因此，能够将各引脚2a～2f以圆形状均匀地配置到金属管座1。其结果，气密性提高。另外，导电性导线14j连接温度控制模块5的金属化部5d和温度控制模块用导体9，导电性导线14k连接温度控制模块用导体9和引脚2e。由此，从引脚2e到金属化部5d为止的XY平面上的距离变短。因此，施加到导电性导线14j、14k的力矩载荷的影响变小，导电性导线14j、14k的挠曲、振动、冲击的耐性提高。

如果对除了与差动驱动用信号线路7a、7b连接的引脚2b、2c以外的配置于电介质基板6的主面侧的引脚和金属化部5d进行导线连接，则从该引脚到金属化部5d为止的XY平面上的距离变长。因此，在力矩载荷的影响下导电性导线产生挠曲而存在导电性导线向电介质基板6接触的问题。另外，在输送时等的振动、冲击的影响下，还存在导电性导线从引脚脱落的问题。另外，难以将导电性导线从配置于电介质基板6的主面侧的引脚向温度控制模块5的金属化部5d直接连接。为此，在本实施方式中，从电介质基板6的主面到上侧侧面设置有温度控制模块用导体9。导电性导线14j连接温度控制模块5的金属化部5d和温度控制模块用导体9，导电性导线14k连接温度控制模块用导体9和配置于电介质基板6的背面的引脚2e。由此，不使用导线接合装置的复杂的机构，就能够向温度控制模块5供给电。

因伴随外界的温度变化而带来的部件的热应力变化，半导体光调制元件10的出射位置、角度发生偏移。由此，在激光光源装置将激光聚光在光纤时光耦合效率降低。为此，设为不易受热应力变化的影响的构造是重要的。在本实施方式中，电介质基板6的X轴以及Z轴方向的外径大于温度控制模块5的上侧基板5c的X轴以及Z轴方向的外径。由此，构造的刚性提高，能够减少对半导体光调制元件10的应力，能够抑制半导体光调制元件10的破裂等。另外，电介质基板6能够抑制温度控制模块5的挠曲量的影响。其结果，与电介质基板6的外径比上侧基板5c的外径小的情况相比，向Y轴正方向的出射位置、角度偏移减少。此外，也可以使温度控制模块5的上侧基板5c的外径大于电介质基板6的外径。由此，热扩散性提高，温度控制模块5中的吸热、散热性提高，从而能够减少消耗电力。

在以往构造中，半导体光调制元件的接地从第1电介质基板通过导电性导线到达第2电介质基板，且经由支承第2电介质基板的金属块与金属管座连接。因此，距离远，GND变弱，导致高频特性恶化。与此相对，在本实施方式中，将电介质基板6的接地导体8，不经由第2电介质基板，而是仅通过导电性导线14h、14i与金属管座1直接连接。由此，GND变强而高频特性提高。

接地导体8在不与差动驱动用信号线路7a、7b以及温度控制模块用导体9接触的区域从电介质基板6的主面设置到背面。为了取得半导体光调制元件10以及温度传感器11等所共用的接地，导电性导线14h连接电介质基板6的主面的接地导体8和金属管座1。但是，根据高频模拟已知仅这样难以成为等电位，并且难以实现频率响应特性的宽频带化。为此，导电性导线14i连接电介质基板6的背面的接地导体8和金属管座1。由此，改善频率响应特性。该导电性导线14h、14i由于在1条时改善效果弱，所以优选为两条以上。

此外，当电介质基板6与金属管座1接触时，传到金属管座1的来自外界的热经由电介质基板6流入半导体光调制元件10以及温度传感器11。由此，难以通过温度控制模块5来进行温度控制。因此，优选为使电介质基板6不与金属管座1接触。

另外，与差动驱动用信号线路7a、7b连接的引脚2b、2c具有从金属管座1的上表面凸出的内部引线部。越缩短内部引线部的长度，电感成分越减少，而能够减少信号在内部引线部处的反射所造成的损失，提高通带。

另外，为了得到来自信号产生器的最大电压振幅，也可以在电介质基板6的主面设置匹配电阻并与半导体光调制元件10并联连接。

实施方式2

图6是表示实施方式2所涉及的半导体激光光源装置的正面立体图。代替半导体光调制元件10，而将MZM(Mach Zehnder Module)型的半导体光调制元件15安装于电介质基板6的主面。半导体光调制元件15例如为将分布式反馈激光二极管、两个相位调制器部16a、16b、偏振旋转器部17以及受光元件13单片集成而成的激光二极管。相位调制器部16a、16b为马赫曾德尔型光调制器。

与实施方式1同样地，差动驱动用信号线路7a、7b等线路设置于电介质基板6的主面，进而偏振旋转器用导体18以及受光元件用导体19通过Au镀敷以及金属化部而设置于电介质基板6的主面。导电性导线14b、14c连接两条差动驱动用信号线路7a、7b的一端和半导体光调制元件15的相位调制器部16a、16b。导电性导线14m连接半导体光调制元件15的偏振旋转器部17和偏振旋转器用导体18。导电性导线14n连接偏振旋转器用导体18和引脚2g。导电性导线14o连接半导体光调制元件15的受光元件13和受光元件用导体19。导电性导线14p连接受光元件用导体19和引脚2f。

由于半导体光调制元件15具有两个相位调制器部16a、16b和一个偏振旋转器部17，所以本来需要将引脚设置为比实施方式1多一个。但是，若在实施方式1的构造上追加一个引脚并以圆形状配置，则引脚间隔过窄，无法确保气密性而无法担保量产性。

为此，在本实施方式中，将引脚2a配置于金属管座1的中央部。中央部由于容易均匀地施加压力，因此能够保持与实施方式1同等的气密性。此外，在将温度控制模块以平放的方式与金属管座中央部接合的以往的构造中，无法将引脚配置于金属管座中央部，而导致气密性恶化。

MZM型的半导体光调制元件15的纵横的外径为几mm，是实施方式1的电场吸收型光调制器的外径的数倍。因此，在管座上存在第2电介质基板的以往构造中，MZM型的半导体光调制元件15的安装是困难的。为了安装MZM型的半导体光调制元件而需要在光出射方向上扩大几mm，从而激光光源装置的外径扩大。伴随于此，从温度控制模块5到半导体光调制元件10为止的距离变远，温度控制模块5的吸热、散热性恶化，需要温度控制模块5的高性能化。另外，由于从引脚到半导体光调制元件为止的距离也变远，因此由于高频线路的延长而导致高频特性恶化。

与此相对，在本实施方式中，与以往相比，对电介质基板6的安装自由度提高，因此不增大激光光源装置的外径，就能够将MZM型的半导体光调制元件15安装于电介质基板6的主面。从温度控制模块5到半导体光调制元件15为止的距离为电介质基板6的厚度量，非常近，因此吸热、散热性与实施方式1同样地良好，不需要温度控制模块5的高性能化。另外，也不需要高频线路的延长，高频特性不会恶化。

此外，受光元件13一般集成于MZM型的半导体光调制元件15，但也可以与实施方式1同样地另行安装。其他结构以及效果与实施方式1同样。

实施方式3

图7是表示实施方式3所涉及的半导体激光光源装置的正面立体图。透镜20、光学元件21以及块22安装于电介质基板6的主面。受光元件13安装于块22的侧面。代替半导体光调制元件10，将半导体光调制元件23安装于电介质基板6的主面。

半导体光调制元件23具有放大激光的强度的光放大器(SOA:SemiconductorOptical Amplifier)。因此，能够得到更高的光输出。虽然具有光放大器的半导体光调制元件23的总长变长，但在本实施方式中，由于电介质基板6的主面的安装空间大，所以不需要对成为高成本或频带恶化的重要因素的电介质基板6的构造进行变更。

透镜20以及光学元件21例如由SiO

透镜20使从半导体光调制元件23出射的激光向Z轴正方向侧平行化或聚光化。光学元件21分离从半导体光调制元件10出射的激光的一部分。受光元件13将分离后的激光向电信号转换。

在以往的构造中，由于使用第2电介质基板，所以难以安装受光元件13。若安装透镜20、光学元件21以及受光元件13则构造变得复杂，激光光源装置的外径大型化，在强度和热分布方面可靠性也会降低。与此相对，在本实施方式中，由于与以往相比，对电介质基板6的安装自由度提高，所以不增大激光光源装置的外径，就能够在电介质基板6的主面安装透镜20、光学元件21、块22以及受光元件13等。

块22例如为AlN基板，在表面设置有相互分离的导体22a、22b。受光元件13的背面电极通过焊料等而与块22的导体22a接合。受光元件13的表面电极通过导电性导线14q与导体22b接合。该接合是在与激光光源装置的组装工序不同的工序中组装而预先制成半成品，并将该半成品与半导体光调制元件23等的接合同时与电介质基板6的主面接合。由此，与不制作半成品的情况相比，制造难易度降低。在将半成品与电介质基板6的主面接合后，通过导电性导线14r将导体22b与引脚2f连接。由此，能够将由受光元件13进行了OE转换的电信号送向引脚2f的Z轴负方向侧。其他结构以及效果与实施方式1同样。

实施方式4

图8是表示实施方式4所涉及的半导体激光光源装置的概略图。带透镜盖24与实施方式1～3中任一个半导体激光光源装置的金属管座1接合。带透镜盖24是对安装于金属管座1上的支承块4、温度控制模块5、电介质基板6、半导体光调制元件10以及温度传感器11等进行气密密封的气密密封用盖。因此，能够提高耐湿性以及外部干扰耐性。带透镜盖24的透镜例如由玻璃构成，该玻璃由SiO

附图标记说明

1...金属管座；2a～2g...引脚；4...支承块；5...温度控制模块；5a...热电元件；5b...下侧基板；5c...上侧基板；5d...金属化部；6...电介质基板；7a、7b...差动驱动用信号线路；8...接地导体；10、15、23...半导体光调制元件；11...温度传感器；12...陶瓷块；13...受光元件；14a～14r...导电性导线；21...光学元件；22...块；29...透镜；24...带透镜盖。