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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-28
(45)【発行日】2023-12-06
(54)【発明の名称】光モジュール
(51)【国際特許分類】
H01S 5/022 20210101AFI20231129BHJP
H01L 23/38 20060101ALI20231129BHJP
【ＦＩ】
H01S5/022
H01L23/38
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2020071636
(22)【出願日】2020-04-13
(65)【公開番号】P2021168361
(43)【公開日】2021-10-21
【審査請求日】2022-09-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000002130
【氏名又は名称】住友電気工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100136098
【弁理士】
【氏名又は名称】北野 修平
(74)【代理人】
【識別番号】100137246
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 勝也
(72)【発明者】
【氏名】白地 央樹
(72)【発明者】
【氏名】京野 孝史
(72)【発明者】
【氏名】中村 勇貴
(72)【発明者】
【氏名】古川 将人
【審査官】村井 友和
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－０１４３５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１９５７５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／１５９８２７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－０７９２８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００５／０７１７３３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－１４０３９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１４１５３１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３３７３１９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００１－２１５３７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１７７４０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０４６４８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－３３９１１６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０
Ｈ０１Ｌ ２３／３８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
支持板と、前記支持板上に配置される第１接合材と、
前記第１接合材上に配置され、前記第１接合材により前記支持板と接合される電子冷却モジュールと、
前記電子冷却モジュール上に配置される第２接合材と、
光を形成するように構成され、前記第２接合材上に配置され、前記第２接合材により前記電子冷却モジュールと接合される光形成部と、を備え、
前記光形成部は、
第１の波長の光を出射する第１半導体発光素子と、
前記第１の波長と異なる第２の波長の光を出射する第２半導体発光素子と、
前記第１半導体発光素子から出射された前記第１の波長の光と前記第２半導体発光素子から出射された前記第２の波長の光とを合波するフィルタと、
前記第２接合材と接触して配置され、前記第１半導体発光素子、前記第２半導体発光素子および前記フィルタを搭載するベース部と、を含み、
前記電子冷却モジュールは、
前記第１接合材と接触して配置される放熱板と、
前記第２接合材と接触して配置される吸熱板と、
前記放熱板および前記吸熱板を接続する複数の半導体柱と、を含み、
前記放熱板の線膨張係数は、４．０×１０－６／Ｋ以上８．０×１０－６／Ｋ以下であり、
前記支持板の材質は、ＳｉＣであり、
前記支持板の線膨張係数をＣ１とし、前記放熱板の線膨張係数をＣ２とすると、
前記支持板の線膨張係数と前記放熱板の線膨張係数との関係は、Ｃ１＜０．５×Ｃ２である、光モジュール。
【請求項2】
支持板と、
前記支持板上に配置される第１接合材と、
前記第１接合材上に配置され、前記第１接合材により前記支持板と接合される電子冷却モジュールと、
前記電子冷却モジュール上に配置される第２接合材と、
光を形成するように構成され、前記第２接合材上に配置され、前記第２接合材により前記電子冷却モジュールと接合される光形成部と、を備え、
前記光形成部は、
第１の波長の光を出射する第１半導体発光素子と、
前記第１の波長と異なる第２の波長の光を出射する第２半導体発光素子と、
前記第１半導体発光素子から出射された前記第１の波長の光と前記第２半導体発光素子から出射された前記第２の波長の光とを合波するフィルタと、
前記第２接合材と接触して配置され、前記第１半導体発光素子、前記第２半導体発光素子および前記フィルタを搭載するベース部と、を含み、
前記電子冷却モジュールは、
前記第１接合材と接触して配置される放熱板と、
前記第２接合材と接触して配置される吸熱板と、
前記放熱板および前記吸熱板を接続する複数の半導体柱と、を含み、
前記放熱板の線膨張係数は、４．０×１０ －６ ／Ｋ以上８．０×１０ －６ ／Ｋ以下であり、
前記支持板の材質は、ニッケル鋼であり、
前記支持板の線膨張係数をＣ １ とし、前記放熱板の線膨張係数をＣ ２ とすると、
前記支持板の線膨張係数と前記放熱板の線膨張係数との関係は、Ｃ １ ＜０．５×Ｃ ２ である、光モジュール。
【請求項3】
前記支持板の線膨張係数と前記放熱板の線膨張係数との関係は、０．１×Ｃ２＜Ｃ１である、請求項１または請求項２に記載の光モジュール。
【請求項4】
前記第１接合材は、樹脂製のバインダーに銀粒子を分散させた銀ペーストである、請求項１または請求項２に記載の光モジュール。
【請求項5】
前記放熱板の材質は、アルミナである、請求項１または請求項２に記載の光モジュール。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、光モジュールに関するものである。
【背景技術】
【0002】
パッケージ内にレーザ素子を配置したレーザモジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、放熱板を含む半導体モジュールが知られている（例えば、特許文献２参照）。このようなモジュールは、光を出射する光モジュールとして、種々の光源に利用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１３－７８５４号公報
【文献】特開２０１８－１８２２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記のような光モジュールについては、低温から高温といった広い温度範囲の環境下で用いられる場合がある。光モジュールは、１つのパッケージ内に複数の半導体発光素子を配置し、複数の半導体発光素子から出射される光を合波して出力する場合がある。このような光モジュールについて、広い温度範囲内で合波される光の光軸を高精度に一致させることが望まれる。
【0005】
そこで、広い温度範囲内で合波された光の光軸が高精度に一致した光モジュールを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示に従った光モジュールは、支持板と、支持板上に配置される第１接合材と、第１接合材上に配置され、第１接合材により支持板と接合される電子冷却モジュールと、電子冷却モジュール上に配置される第２接合材と、光を形成するように構成され、第２接合材上に配置され、第２接合材により電子冷却モジュールと接合される光形成部と、を備える。光形成部は、第１の波長の光を出射する第１半導体発光素子と、第１の波長と異なる第２の波長の光を出射する第２半導体発光素子と、第１半導体発光素子から出射された第１の波長の光と第２半導体発光素子から出射された第２の波長の光とを合波するフィルタと、第２接合材と接触して配置され、第１半導体発光素子、第２半導体発光素子およびフィルタを搭載するベース部と、を含む。電子冷却モジュールは、第１接合材と接触して配置される放熱板と、第２接合材と接触して配置される吸熱板と、放熱板および吸熱板を接続する複数の半導体柱と、を含む。放熱板の線膨張係数は、４．０×１０－６／Ｋ以上８．０×１０－６／Ｋ以下である。支持板の線膨張係数をＣ１とし、放熱板の線膨張係数をＣ２とすると、支持板の線膨張係数と放熱板の線膨張係数との関係は、Ｃ１＜Ｃ２である。
【発明の効果】
【0007】
上記光モジュールによれば、広い温度範囲内で合波される光の光軸を高精度に一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。光モジュールは、支持板と、支持板上に配置される第１接合材と、第１接合材上に配置され、第１接合材により支持板と接合される電子冷却モジュールと、電子冷却モジュール上に配置される第２接合材と、光を形成するように構成され、第２接合材上に配置され、第２接合材により電子冷却モジュールと接合される光形成部と、を備える。光形成部は、第１の波長の光を出射する第１半導体発光素子と、第１の波長と異なる第２の波長の光を出射する第２半導体発光素子と、第１半導体発光素子から出射された第１の波長の光と第２半導体発光素子から出射された第２の波長の光とを合波するフィルタと、第２接合材と接触して配置され、第１半導体発光素子、第２半導体発光素子およびフィルタを搭載するベース部と、を含む。電子冷却モジュールは、第１接合材と接触して配置される放熱板と、第２接合材と接触して配置される吸熱板と、放熱板および吸熱板を接続する複数の半導体柱と、を含む。放熱板の線膨張係数は、４．０×１０－６／Ｋ以上８．０×１０－６／Ｋ以下である。支持板の線膨張係数をＣ１とし、放熱板の線膨張係数をＣ２とすると、支持板の線膨張係数と放熱板の線膨張係数との関係は、Ｃ１＜Ｃ２である。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。光モジュールは、支持板と、支持板上に配置される第１接合材と、第１接合材上に配置され、第１接合材により支持板と接合される電子冷却モジュールと、電子冷却モジュール上に配置される第２接合材と、光を形成するように構成され、第２接合材上に配置され、第２接合材により電子冷却モジュールと接合される光形成部と、を備える。光形成部は、第１の波長の光を出射する第１半導体発光素子と、第１の波長と異なる第２の波長の光を出射する第２半導体発光素子と、第１半導体発光素子から出射された第１の波長の光と第２半導体発光素子から出射された第２の波長の光とを合波するフィルタと、第２接合材と接触して配置され、第１半導体発光素子、第２半導体発光素子およびフィルタを搭載するベース部と、を含む。電子冷却モジュールは、第１接合材と接触して配置される放熱板と、第２接合材と接触して配置される吸熱板と、放熱板および吸熱板を接続する複数の半導体柱と、を含む。放熱板の線膨張係数は、４．０×１０－６／Ｋ以上８．０×１０－６／Ｋ以下である。支持板の線膨張係数をＣ１とし、放熱板の線膨張係数をＣ２とすると、支持板の線膨張係数と放熱板の線膨張係数との関係は、Ｃ１＜Ｃ２である。
【0010】
光モジュールは、支持板上に電子冷却モジュール（以下、ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏ－Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）と称する場合もある。）が搭載され、ＴＥＣ上に光形成部が搭載されて構成される。光形成部に含まれるベース部上に、第１半導体発光素子と、第２半導体発光素子と、第１半導体発光素子から出射された第１の波長の光と第２半導体発光素子から出射された第２の波長の光とを合波するフィルタとが搭載される。ＴＥＣによりベース部の温度を調整して、光形成部の温度が一定に保たれる。本発明者らは、複数の光を合波して出力する光モジュールにおいて、ある温度、例えば、室温で複数の半導体発光素子から出射される光の光軸を合わせて合波して出力した場合でも、環境温度に変化があれば、合波された複数の光の光軸の高精度な一致が困難であることに着目した。具体的には、例えば、光モジュールが設置される環境温度が高温になった場合には、光モジュールを構成する各部材が熱膨張する。そして、各部材間の線膨張係数の相違に起因して光モジュール全体の反りが発生し、例えば、室温の状態で複数の光の光軸を合わせていたとしても、この反りの影響で結果として合波される複数の光の光軸がずれることとなる。ここで、本発明者らは鋭意検討を行い、光モジュールを構成する各部材の線膨張係数をそれぞれできるだけ揃えて温度変化時における光モジュール全体の反りの量の低減を図るのではなく、光軸のずれに起因するベース部の反りの調整に着目し、広い温度範囲内においても、合波される光の光軸を高精度に一致させることを実現した。
【0011】
本開示の光モジュールにおいて、所定の温度、例えば、室温で第１半導体発光素子から出射される第１の波長の光の光軸と、第２半導体発光素子から出射される第２の波長の光の光軸とが一致するよう調整する。ここで、放熱板の線膨張係数は、４．０×１０－６／Ｋ以上８．０×１０－６／Ｋ以下である。よって、光モジュールが配置される環境温度が大きく変化したとしても、放熱板の温度変化に対する反りをある範囲内に抑えることができる。また、支持板の線膨張係数をＣ１とし、放熱板の線膨張係数をＣ２とすると、支持板の線膨張係数と放熱板の線膨張係数との関係は、Ｃ１＜Ｃ２である。すなわち、支持板の線膨張係数を放熱板の線膨張係数よりも小さくする。温度変化時において、放熱板および支持板は温度変化に起因してそれぞれ反ろうとするが、放熱板は第１接合材により支持板に接合されているため、支持板の線膨張係数に基づいて反る支持板の影響により、放熱板の反りの量を低減することができる。よって、温度変化時において、放熱板を含むＴＥＣに第２接合剤を介して接合されるベース部の反りを抑制することができる。したがって、ベース部に搭載される第１半導体発光素子、第２半導体発光素子およびフィルタの相対的な位置関係が変化することに起因する光軸のずれを抑制することができる。その結果、広い温度範囲内で合波される光の光軸を高精度に一致させることができる。
【0012】
上記光モジュールにおいて、支持板の線膨張係数と放熱板の線膨張係数との関係は、Ｃ１＜０．７×Ｃ２であってもよい。このようにすることにより、広い温度範囲内で合波される光の光軸をより高精度に一致させることができる。
【0013】
上記光モジュールにおいて、支持板の線膨張係数と放熱板の線膨張係数との関係は、Ｃ１＜０．５×Ｃ２であってもよい。広い温度範囲内で合波される光の光軸をさらに高精度に一致させることができる。
【0014】
上記光モジュールにおいて、支持板の線膨張係数と放熱板の線膨張係数との関係は、０．１×Ｃ２＜Ｃ１＜０．５×Ｃ２であってもよい。このようにすることにより、広い温度範囲内で合波される光の光軸をさらに高精度に一致させることができる。
【0015】
上記光モジュールにおいて、第１接合材は、樹脂製のバインダーに銀粒子を分散させた銀ペーストであってもよい。銀ペーストは、硬化温度が比較的低いため、硬化時における熱応力の発生を低減することができる。また、銀ペーストはある程度弾性を有するため、温度変化時において、支持板の線膨張係数と放熱板の線膨張係数との差に起因して生ずる放熱板の反りを、銀ペースト自体の変形により許容することができる。よって、光モジュールの信頼性を向上させることができる。
【0016】
上記光モジュールにおいて、支持板の材質は、ＳｉＣまたはコバールであってもよい。放熱板の材質は、アルミナであってもよい。支持板の材質および放熱板の材質をこのようにすることにより、より確実に、広い温度範囲内で合波される光の光軸を高精度に一致させることができる。
【0017】
［本開示の実施形態の詳細］
次に、本開示の光モジュールの一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。
次に、本開示の光モジュールの一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。
【0018】
（実施の形態１）
本開示の実施の形態１に係る光モジュールについて説明する。図１は、実施の形態１に係る光モジュールの構造を示す外観斜視図である。図２は、図１に示す光モジュールのキャップを取り外した状態を示す外観斜視図である。図３は、図２に示すキャップを取り外した状態における光モジュールの平面図である。図３は、図２に示す光モジュールを支持板の厚さ方向に見た図である。図４および図５は、図２に示すキャップを取り外した状態における光モジュールの側面図である。図４は、Ｘ方向に見た場合の側面図である。図５は、Ｙ方向に見た場合の側面図である。なお、図３において、光軸は、破線で示される。
本開示の実施の形態１に係る光モジュールについて説明する。図１は、実施の形態１に係る光モジュールの構造を示す外観斜視図である。図２は、図１に示す光モジュールのキャップを取り外した状態を示す外観斜視図である。図３は、図２に示すキャップを取り外した状態における光モジュールの平面図である。図３は、図２に示す光モジュールを支持板の厚さ方向に見た図である。図４および図５は、図２に示すキャップを取り外した状態における光モジュールの側面図である。図４は、Ｘ方向に見た場合の側面図である。図５は、Ｙ方向に見た場合の側面図である。なお、図３において、光軸は、破線で示される。
【0019】
図１～図５を参照して、実施の形態１における光モジュール１０は、平板状の形状を有する支持板１１と、支持板１１の一方の面１２Ａ上に配置され、光を形成するように構成される光形成ユニットとしての光形成部１３と、光形成部１３を覆うように支持板１１の一方の面１２Ａ上に接触して配置されるキャップ１４と、支持板１１の他方の面１２Ｂ側から一方の面１２Ａ側まで貫通し、一方の面１２Ａ側および他方の面１２Ｂ側の両側に突出する複数のリードピン１６とを備える。支持板１１とキャップ１４とは、例えば、溶接されることにより気密状態とされている。すなわち、光形成部１３は、支持板１１とキャップ１４とによりハーメチックシールされている。支持板１１とキャップ１４とにより取り囲まれる空間には、例えば乾燥空気等の水分が低減（除去）された気体が封入されている。キャップ１４には、光形成部１３からの光を透過するガラス製のＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コートが施された出射窓１５が形成されている。なお、平面的に見て（Ｚ方向に見た場合に）、支持板１１は、四隅の角が丸められた長方形形状である。キャップ１４についても、平面的に見て四隅の角が丸められた長方形形状である。
【0020】
光形成部１３は、ベース部として板状の形状を有するベース板２０を含む。ベース板２０は、支持板１１の厚さ方向に見て、長方形を有する一方の面２１Ａと、一方の面２１Ａの厚さ方向の反対側に位置する他方の面２１Ｂとを有する。ベース板２０の長辺が延びる方向は、支持板１１の長辺が延びる方向と同じである（Ｘ方向）。ベース板２０の短辺が延びる方向は、支持板１１の短辺が延びる方向と同じである（Ｙ方向）。面２１Ａは、チップ搭載領域２２と、ベース領域２３とを含む。チップ搭載領域２２の厚さは、ベース領域２３に比べて大きくなっている。ベース板２０の材質としては、例えば鉄や銅が選択される。
【0021】
チップ搭載領域２２上には、平板状の第１サブマウント３１、同じく平板状の第２サブマウント３２、同じく平板状の第３サブマウント３３がそれぞれ形成されている。第１サブマウント３１上には、第１半導体発光素子としての第１半導体レーザである赤色レーザダイオード４１が配置されている。第２サブマウント３２上には、第２半導体発光素子としての第２半導体レーザである緑色レーザダイオード４２が配置されている。第３サブマウント３３上には、第３半導体発光素子としての第３半導体レーザである青色レーザダイオード４３が配置されている。赤色の光は、第１の波長の光である。緑色の光は、第１の波長と異なる第２の波長の光である。青色の光は、第１の波長および第２の波長とそれぞれ異なる第３の波長の光である。赤色レーザダイオード４１から出射される赤色の光と、緑色レーザダイオード４２から出射される緑色の光と、青色レーザダイオード４３から出射される青色の光とは、出射方向がそれぞれＹ方向であって平行である。なお、チップ搭載領域２２上には、光形成部１３の温度を測定するサーミスタ１７が搭載されている。サーミスタ１７は、第３サブマウント３３の横に青色レーザダイオード４３と間隔をあけて取り付けられている。
【0022】
ベース領域２３には、それぞれレンズ面を有する第１レンズ５１、第２レンズ５２および第３レンズ５３が配置されている。すなわち、ベース板２０には、第１レンズ５１、第２レンズ５２および第３レンズ５３が搭載されている。第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３の中心軸、すなわちそれぞれのレンズ面の光軸は、それぞれ赤色レーザダイオード４１、緑色レーザダイオード４２および青色レーザダイオード４３の光軸に一致するように調整されている。光軸の調整、すなわち、光軸を合わせて第１レンズ５１、第２レンズ５２および第３レンズ５３がベース領域２３に取り付けられる工程は、所定の温度、例えば、２５℃といった室温の時において行われる。
【0023】
第１レンズ５１、第２レンズ５２および第３レンズ５３は、それぞれ赤色レーザダイオード４１、緑色レーザダイオード４２および青色レーザダイオード４３から出射される光のスポットサイズを変更する。第１レンズ５１、第２レンズ５２および第３レンズ５３はそれぞれ、例えば紫外線硬化接着剤によってベース領域２３にそれぞれ接着される。
【0024】
ベース領域２３には、第１フィルタ６１、第２フィルタ６２および第３フィルタ６３が配置されている。第１フィルタ６１、第２フィルタ６２および第３フィルタ６３はそれぞれ、例えば紫外線硬化接着剤によってベース領域２３にそれぞれ接着される。第１フィルタ６１、第２フィルタ６２および第３フィルタ６３は、例えば波長選択性フィルタである。また、第１フィルタ６１、第２フィルタ６２および第３フィルタ６３は、誘電体多層膜フィルタである。具体的には、第１フィルタ６１は、赤色の光を反射する。第２フィルタ６２は、赤色の光を透過し、緑色の光を反射する。第３フィルタ６３は、赤色の光および緑色の光を透過し、青色の光を反射する。第１フィルタ６１、第２フィルタ６２および第３フィルタ６３の主面は、それぞれ赤色レーザダイオード４１、緑色レーザダイオード４２および青色レーザダイオード４３から出射される光の出射方向に傾斜している。具体的には、第１フィルタ６１、第２フィルタ６２および第３フィルタ６３の主面は、それぞれ赤色レーザダイオード４１、緑色レーザダイオード４２および青色レーザダイオード４３から出射される光の出射方向に対して４５°傾斜している。その結果、第１フィルタ６１、第２フィルタ６２および第３フィルタ６３は、赤色レーザダイオード４１、緑色レーザダイオード４２および青色レーザダイオード４３から出射される光を合波する。
【0025】
光モジュール１０は、光形成部１３の温度を調整するＴＥＣ７０を含む。ＴＥＣ７０は、光形成部１３と支持板１１との間に配置される。ＴＥＣ７０は、ペルチェモジュール（ペルチェ素子）であり、放熱板７１と、吸熱板７２と、放熱板７１および吸熱板７２を接続する複数の柱状の半導体柱７３と、を含む。複数の半導体柱７３は、放熱板７１と吸熱板７２との間にそれぞれ間隔をあけて並べて配置される、ＴＥＣ７０によりベース板２０の温度を調整して、光形成部１３の温度が一定、具体的には、例えば３５℃に保たれる。
【0026】
光モジュール１０は、支持板１１上に配置される第１接合材８１を含む。支持板１１とＴＥＣ７０とは、第１接合材８１により接合される。第１接合材８１は、支持板１１とＴＥＣ７０との間に配置される。ＴＥＣ７０に含まれる放熱板７１は、第１接合材８１と接触して配置される。第１接合材８１としては、例えば樹脂製のバインダー中に銀粒子を分散させた銀ペーストが用いられる。銀ペーストは、比較的低温、例えば１００℃程度で硬化させることができる。
【0027】
光モジュール１０は、ＴＥＣ７０上に配置される第２接合材８２を含む。ＴＥＣ７０とベース板２０とは、第２接合材８２により接合される。第２接合材８２は、ＴＥＣ７０とベース板２０との間に配置される。ＴＥＣ７０に含まれる吸熱板７２は、第２接合材８２と接触して配置される。第２接合材８２としても第１接合材８１と同様に、例えば、銀ペーストが用いられる。
【0028】
ＴＥＣ７０に電流を供給して電流を流すことにより、吸熱板７２と接合されるベース板２０の熱が支持板１１側へと移動し、ベース板２０が冷却される。その結果、赤色レーザダイオード４１、緑色レーザダイオード４２および青色レーザダイオード４３の温度上昇を抑制することができる。すなわち、このＴＥＣ７０を設けることにより、赤色レーザダイオード４１、緑色レーザダイオード４２および青色レーザダイオード４３の温度を調整し、出力を安定化できる。
【0029】
ここで、放熱板７１の線膨張係数は、４．０×１０－６／Ｋ以上８．０×１０－６／Ｋ以下である。また、支持板１１の線膨張係数をＣ１とし、放熱板７１の線膨張係数をＣ２とすると、支持板１１の線膨張係数と放熱板７１の線膨張係数との関係は、Ｃ１＜Ｃ２である。具体的には、例えば、支持板１１の材質は、コバールである。コバールの線膨張係数は、５．２×１０－６／Ｋである。放熱板７１の材質は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）である。アルミナの線膨張係数は、７．７×１０－６／Ｋである。なお、吸熱板７２の材質も、アルミナである。すなわち、ＴＥＣ７０を構成する板状の部材の材質は、アルミナである。また、半導体柱７３の材質として、例えばＢｉＴｅが挙げられる。
【0030】
上記光モジュール１０においては、光モジュール１０が配置される環境温度が大きく変化したとしても、放熱板７１の温度変化に対する反りをある範囲内に抑えることができる。また、支持板１１の線膨張係数と放熱板７１の線膨張係数との関係は、Ｃ１＜Ｃ２である。温度変化時において、放熱板７１および支持板１１は温度変化に起因して反ろうとするが、放熱板７１は第１接合材８１により支持板１１に接合されているため、支持板１１の線膨張係数に基づいて反る支持板１１の影響により、放熱板７１の反りの量を低減することができる。よって、温度変化時において、放熱板７１を含むＴＥＣ７０に第２接合材８２を介して接合されるベース板２０の反りを抑制することができる。したがって、ベース板２０に搭載される赤色レーザダイオード４１、緑色レーザダイオード４２、青色レーザダイオード４３、第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３、第１フィルタ６１、第２フィルタ６２および第３フィルタ６３の相対的な位置関係が変化することに起因する光軸のずれを抑制することができる。その結果、広い温度範囲内で合波される光の光軸を高精度に一致させることができる。
【0031】
図６は、支持板１１の線膨張係数が５．２×１０－６／Ｋである場合の光軸のずれを示すグラフである。図６において、縦軸は、垂直方向の相対的な角度のずれ（ｄｅｇ）を示し、横軸は、環境温度（℃）を示す。以下、図７、図８、図９および図１０に示す場合も同様である。図６に示す場合においては、放熱板７１の材質をアルミナとし、支持板１１の材質をコバールとしている。この場合、支持板１１の線膨張係数をＣ１とし、放熱板７１の線膨張係数をＣ２とすると、支持板１１の線膨張係数と放熱板７１の線膨張係数との関係は、Ｃ１＜Ｃ２である。具体的には、Ｃ１＝０．６７５×Ｃ２である。図６は、図２に示すキャップを取り除いた状態の光モジュールの各部材を有限要素法により小領域に分割し、光軸のずれをＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析により測った結果を示している。以下、図７～図１０に示す場合も同様である。Ｒ－Ｇで示す線で、緑色レーザダイオード４２により出射される光の光軸に対する赤色レーザダイオード４１により出射される光の光軸のずれを示す。Ｂ－Ｇで示す線で、緑色レーザダイオード４２により出射される光の光軸に対する青色レーザダイオード４３により出射される光の光軸のずれを示す。光軸のずれは、垂直方向、すなわち、Ｚ方向における相対的な光軸の角度のずれとして示している。図７は、支持板１１の線膨張係数が１０．０×１０－６／Ｋである場合の光軸のずれを示すグラフである。すなわち、図７に示す場合においては、支持板１１の線膨張係数と放熱板７１の線膨張係数との関係は、Ｃ１＞Ｃ２である。具体的には、Ｃ１＝１．３×Ｃ２である。いずれも２５℃において光軸が一致するように調整している。
【0032】
ＣＡＥでは、光形成部１３にＴＥＣ７０の動作を模擬した温度分布を与え、環境温度が－４０℃から８５℃までの変形を有限要素法により解析している。この時の光形成部１３の温度は３５℃である。有限要素法により求めた光形成部１３の各素子の変形量を光学解析に反映させて光軸のずれを評価している。
【0033】
まず図７を参照して、環境温度が高くなるにつれ、または環境温度が低くなるにつれ、Ｒ－Ｇで示す線およびＢ－Ｇで示す線で示すように、光軸のずれが大きくなっていることが把握できる。これに対し、図６を参照して、環境温度が高くなるにつれ、または環境温度が低くなるにつれ、光軸はずれていくが、図７に示す場合と比較して、光軸のずれは小さくなっている。よって、上記光モジュール１０によると、広い温度範囲内で合波される光の光軸を高精度に一致させることができる。
【0034】
本実施形態においては、第１接合材８１は、樹脂製のバインダーに銀粒子を分散させた銀ペーストである。銀ペーストは、硬化温度が比較的低いため、硬化時における熱応力の発生を低減することができる。また、銀ペーストはある程度弾性を有するため、温度変化時において、支持板１１の線膨張係数と放熱板７１の線膨張係数との差に起因して生ずる放熱板７１の反りを、銀ペースト自体の変形により許容することができる。よって、このような光モジュール１０は、信頼性を向上させることができる。
【0035】
（実施の形態２）
なお、上記の実施の形態において、支持板１１の線膨張係数と放熱板７１の線膨張係数との関係は、Ｃ１＜０．７×Ｃ２としてもよい。図８は、支持板１１の線膨張係数が３．７×１０－６／Ｋである場合の光軸のずれを示すグラフである。ＳｉＣの線膨張係数は、例えば３．７×１０－６／Ｋである。支持板１１の材質として、例えばＳｉＣを用いると、Ｃ１＜０．７×Ｃ２の関係を満たす。具体的には、Ｃ１＝０．４８×Ｃ２である。
なお、上記の実施の形態において、支持板１１の線膨張係数と放熱板７１の線膨張係数との関係は、Ｃ１＜０．７×Ｃ２としてもよい。図８は、支持板１１の線膨張係数が３．７×１０－６／Ｋである場合の光軸のずれを示すグラフである。ＳｉＣの線膨張係数は、例えば３．７×１０－６／Ｋである。支持板１１の材質として、例えばＳｉＣを用いると、Ｃ１＜０．７×Ｃ２の関係を満たす。具体的には、Ｃ１＝０．４８×Ｃ２である。
【0036】
図８を参照して、環境温度が高くなるにつれ、または環境温度が低くなるにつれ、光軸はずれていくが、図６に示す場合と比較して、光軸のずれは小さくなっている。よって、Ｃ１＜０．７×Ｃ２の関係を具備するよう構成することにより、より確実に、広い温度範囲内で合波される光の光軸を高精度に一致させることができる。また、実施の形態１および実施の形態２によると、支持板１１の材質をＳｉＣまたはコバールとし、放熱板７１の材質をアルミナとすることにより、広い温度範囲内で合波される光の光軸を高精度に一致させることができる。
【0037】
（実施の形態３）
なお、上記の実施の形態において、支持板１１の線膨張係数と放熱板７１の線膨張係数との関係は、Ｃ１＜０．５×Ｃ２としてもよい。図９は、支持板１１の線膨張係数が１．０×１０－６／Ｋである場合の光軸のずれを示すグラフである。ここで、ニッケル鋼の線膨張係数は、例えば０．９×１０－６／Ｋである。支持板１１の材質としてニッケル鋼を用いると、Ｃ１＜０．５×Ｃ２の関係を満たす。具体的には、Ｃ１＝０．１３×Ｃ２である。
なお、上記の実施の形態において、支持板１１の線膨張係数と放熱板７１の線膨張係数との関係は、Ｃ１＜０．５×Ｃ２としてもよい。図９は、支持板１１の線膨張係数が１．０×１０－６／Ｋである場合の光軸のずれを示すグラフである。ここで、ニッケル鋼の線膨張係数は、例えば０．９×１０－６／Ｋである。支持板１１の材質としてニッケル鋼を用いると、Ｃ１＜０．５×Ｃ２の関係を満たす。具体的には、Ｃ１＝０．１３×Ｃ２である。
【0038】
図９を参照して、環境温度が高くなるにつれ、または環境温度が低くなるにつれ、光軸はずれていくが、図８に示す場合と比較して、光軸のずれは極めて小さくなっている。よって、Ｃ１＜０．５×Ｃ２の関係を具備するよう構成することにより、さらに確実に、広い温度範囲内で合波される光の光軸を高精度に一致させることができる。
【0039】
（実施の形態４）
なお、上記の実施の形態において、支持板１１の線膨張係数と放熱板７１の線膨張係数との関係は、０．１×Ｃ２＜Ｃ１＜０．５×Ｃ２としてもよい。図１０は、支持板１１の線膨張係数が０．１×１０－６／Ｋである場合の光軸のずれを示すグラフである。ここで、石英ガラスの線膨張係数は、例えば０．５×１０－６／Ｋである。支持板１１の材質として石英ガラスを用いると、０．１×Ｃ２＜Ｃ１＜０．５×Ｃ２の関係を満たす。具体的には、Ｃ１＝０．０１３×Ｃ２である。
なお、上記の実施の形態において、支持板１１の線膨張係数と放熱板７１の線膨張係数との関係は、０．１×Ｃ２＜Ｃ１＜０．５×Ｃ２としてもよい。図１０は、支持板１１の線膨張係数が０．１×１０－６／Ｋである場合の光軸のずれを示すグラフである。ここで、石英ガラスの線膨張係数は、例えば０．５×１０－６／Ｋである。支持板１１の材質として石英ガラスを用いると、０．１×Ｃ２＜Ｃ１＜０．５×Ｃ２の関係を満たす。具体的には、Ｃ１＝０．０１３×Ｃ２である。
【0040】
図１０を参照して、環境温度が高くなるにつれ、または環境温度が低くなるにつれ、光軸はずれていくが、図８に示す場合と比較して、光軸のずれは小さくなっている。この場合、Ｒ－Ｇで示す線およびＢ－Ｇで示す線で示すように、光軸のずれの傾向が図８および図９に示す場合と比較して、逆転している。支持板１１の線膨張係数が放熱板７１の線膨張係数の１０％以下となれば、反りが逆方向に生じるようになる。このように、０．１×Ｃ２＜Ｃ１＜０．５×Ｃ２の関係を具備するよう構成することにより、より確実に、広い温度範囲内で合波される光の光軸を高精度に一致させることができる。
【0041】
（他の実施の形態）
なお、上記の実施の形態においては、光モジュール１０は、赤色レーザダイオード４１、緑色レーザダイオード４２および青色レーザダイオード４３を含む構成としたが、これに限らず、いずれか２色、すなわち、赤色レーザダイオード４１、緑色レーザダイオード４２および青色レーザダイオード４３のうちの少なくともいずれか２つを含む構成であればよい。
なお、上記の実施の形態においては、光モジュール１０は、赤色レーザダイオード４１、緑色レーザダイオード４２および青色レーザダイオード４３を含む構成としたが、これに限らず、いずれか２色、すなわち、赤色レーザダイオード４１、緑色レーザダイオード４２および青色レーザダイオード４３のうちの少なくともいずれか２つを含む構成であればよい。
【0042】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【0043】
本開示の光モジュールは、広い温度範囲内で合波された光の光軸の高精度の一致が求められる場合に特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【0044】
１０ 光モジュール
１１ 支持板
１２Ａ，１２Ｂ，２１Ａ，２１Ｂ 面
１３ 光形成部
１４ キャップ
１５ 出射窓
１６ リードピン
１７ サーミスタ
２０ ベース板
２２ チップ搭載領域
２３ ベース領域
３１ 第１サブマウント
３２ 第２サブマウント
３３ 第３サブマウント
４１ 赤色レーザダイオード
４２ 緑色レーザダイオード
４３ 青色レーザダイオード
５１ 第１レンズ
５２ 第２レンズ
５３ 第３レンズ
６１ 第１フィルタ
６２ 第２フィルタ
６３ 第３フィルタ
７０ ＴＥＣ
７１ 放熱板
７２ 吸熱板
７３ 半導体柱
８１ 第１接合材
８２ 第２接合材
１１ 支持板
１２Ａ，１２Ｂ，２１Ａ，２１Ｂ 面
１３ 光形成部
１４ キャップ
１５ 出射窓
１６ リードピン
１７ サーミスタ
２０ ベース板
２２ チップ搭載領域
２３ ベース領域
３１ 第１サブマウント
３２ 第２サブマウント
３３ 第３サブマウント
４１ 赤色レーザダイオード
４２ 緑色レーザダイオード
４３ 青色レーザダイオード
５１ 第１レンズ
５２ 第２レンズ
５３ 第３レンズ
６１ 第１フィルタ
６２ 第２フィルタ
６３ 第３フィルタ
７０ ＴＥＣ
７１ 放熱板
７２ 吸熱板
７３ 半導体柱
８１ 第１接合材
８２ 第２接合材
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】