CN102386557A

CN102386557A - 内部冷却的热封闭模块式激光器封装系统

Info

Publication number: CN102386557A
Application number: CN201110216290XA
Authority: CN
Inventors: P·C·陈; L·王; X·S·罗; T·源; Z·王
Original assignee: AGX TECHNOLOGIES Inc
Current assignee: AGX TECHNOLOGIES Inc
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2012-03-21
Also published as: CN102385124A

Abstract

本发明的示例性实施方案涉及内部冷却的热封闭模块式激光器封装系统，其成本显著低于传统的蝶形激光器封装。在本实施方案中，一体的壳体外壳容纳光学耦合子系统、热电冷却器、温度传感器和电路，结果使得热性能与蝶形激光器封装的热性能相似。

Description

内部冷却的热封闭模块式激光器封装系统

技术领域

本申请涉及激光器封装系统，尤其涉及内部冷却的热封闭模块式激光器封装系统。

背景技术

封装的半导体激光器从热管理的角度可被分为三种主要类型：内部冷却的、非冷却的和外部冷却的。

尽管环境温度发生变化，内部冷却的激光器封装允许半导体激光器二极管芯片在固定温度下运行。这样避免了诸如波长、输出功率、电-光功率转换效率等激光特性的热致变化。通常，通过诸如热电冷却器(TEC)和热敏电阻传感器之类的内部组件来完成控制，所述热敏电阻传感器在外部供电电路的反馈回路下运行。

内部冷却激光器封装的实例有通常被称为14引脚“蝶形封装”的封装。除TEC和热敏电阻之外，蝶形封装的其它内部组件包括激光二极管、耦合光学系统和背监控光电二极管。该封装也可以含有其它元件，如用于提高光学性能和电Bias-T的光隔离器和用于促进独立的DC和RF向激光二极管输入的电阻匹配电路。因为如果暴露于潮湿环境中，所述激光二极管和监控光电二极管将劣化，所以要密封蝶形封装连同其所有内部组件。这就要求整个蝶形封装体要由金属或陶瓷制成。

非冷却的激光器封装不包括任何主动的冷却组件。在应用中，诸如波长、输出功率、电-光功率转换效率等的激光特性的变化被忽略或者通过电学或光学反馈来补偿。

非冷却激光器封装的实例有同轴封装。激光器芯片和监控光电二极管安装在用透镜盖密封的晶体管轮廓(TO)接头中。利用所述透镜将激光耦合到光纤或短光纤插芯(fiber stub)当中。由于对于CD和DVD激光器，TO接头和透镜盖是批量生产的，所以这种形状因子相对于蝶形封装成本非常低。

有时，对于要求激光器在温度控制下运行的应用而言，可以对其它方式的非冷却激光器封装应用外部冷却。例如，将同轴激光器封装夹在附接于外部TEC上的散热器内。外部电路板可进一步连接到同轴激光器上以适应其它器件封装，这是本行业内的习惯作法，如Murry等的美国专利申请No.2007/0189677中所举例说明。然而，外部冷却激光器封装并不能像内部冷却封装一样在温度区间上良好地工作。例如，蝶形激光器封装能在激光器芯片和环境之间轻易地达到50℃的温度差，相比之下外部冷却封装仅为30℃或更低。这种配置导致TEC低效率运行，因此比蝶形激光器封装消耗显著更多的功率。

比较成本，内部冷却封装最昂贵，其次是外部冷却封装。非冷却封装一般成本最低。

发明内容

本发明的实施方案提供低成本的内部冷却半导体激光器封装系统，其结合有效的热管理和在外部偏置电路与激光二极管之间的良好的RF信号传输。本发明的示例性封装系统结合了热封闭壳体、光学耦合子系统、最佳设置在热源附近的散热器、热传感器、热电冷却器和偏置电路。该组合的特征在于低功耗，而同时维持恒定的激光器工作温度，从而产生显著的节能效果。通过所述偏置电路中的调节元件进一步增强RF性能和光学性能。

附图说明

图1-8示出根据本发明的各个方面的激光器封装系统。

具体实施方式

本发明的示例性实施方案涉及内部冷却的激光器封装系统，其成本显著低于传统的蝶形激光器封装。在本实施方案中，一体的壳体外壳容纳光学耦合子系统、热电冷却器、温度传感器和电路，结果使得热性能与蝶形激光器封装的热性能相似。

根据本发明的一些方面的内部冷却激光器封装系统的示例性实施方案描述在图1-8中。本实施方案包括一体的壳体外壳，该一体的壳体外壳用于保护内部组件免受环境影响，并且也作为热子系统的一部分。所述壳体可由任何合适的材料制成，如金属或塑料。为了改善针对对流热传输的隔离，使用如硅橡胶制成的柔软且热绝缘的垫圈来密封壳体，或者，也可使用柔软的环氧树脂或粘合剂作为壳体的密封剂。这形成一种封闭的热系统，该热系统有助于本发明的该实施方案为温度稳定的激光二极管应用提供必要的温度性能。

使用由高导热率的金属(如铜、铜钨、黄铜、青铜或其它合适金属)制成的板形成该壳体的基座。通过所述壳体和所述金属基座板，将所述激光器封装热连接到外部散热器上。在本实施方案中，在所述基座板上施加压力以保持在热传输时该接口有效。所述基座板上可存在孔(或者其它合适的结构)以便于使用螺丝将所述基座板安装在用户设备散热器上。所述螺丝安装孔也可在所述壳体上。优选地将壳体针对所述内部光学耦合子系统进行机械缓冲，同时对所述基座板施加压力，以防止对所述光学耦合子系统的灵敏光学系统的弯曲力。

所述内部光学耦合子系统包括光源(如激光二极管)、耦合光学系统和光纤。所述激光二极管被密闭地封在诸如TO接头和顶盖的密闭封装内。在所述TO接头和顶盖内的其它组件可包括监控光电二极管和热传感器。所述顶盖可具有用于将从激光器发出的光耦合到光纤当中的内置透镜。所述光纤从所述壳体延伸出来并终止于光连接器。光隔离器可设置在所述激光进入光纤前的路径上。所述光纤可以是单模或多模的。这些部件可与独立的非冷却激光器产品相类似，该独立的非冷却激光器产品与其它公司提供的产品和Agx Technologies Inc.的PLMR系列相似。

运行过程中从激光二极管芯片产生的热通过所述TO接头散发。于此处，热量有效地传递到附接在TO接头基座上的高热导率散热器当中。所述散热器的材料由高热导率陶瓷(如氮化铝)组成，或者由诸如铜、铜钨、黄铜、青铜或其它合适金属等的高热导率金属组成。这种配置使得激光器与散热器之间的热阻较低。如果在TO接头内没有热传感器，那么为了达到在外部反馈电路下的有效温度控制，可将一个热传感器嵌入或附接在散热器上。

为了在保持良好的RF特性的同时允许使用金属散热器，本发明结合散热器的特点以使其与RF信号传输经过的TO接头的电引脚匹配。适当尺寸的通孔与绝缘套筒的选择的结合可避免高频RF信号在通过引脚传输时发生损失。良好的RF响应可很好地维持在3GHz以上。

为了保持激光器封装的外形轮廓低，将所述光学子系统水平放置，且光纤指着侧向。在所述光学子系统的下方水平配置TEC以在垂直方向汲取热量，散热器主要将热量从所述光学子系统的基座传输到TEC的顶板上。可使用环氧树脂或焊料将所述散热器附接在所述TEC的顶板上，TEC的底侧通过焊料或环氧树脂附接在所述壳体的高热导率基座板上。

与内部冷却蝶形激光器(如Agx Technologies Inc的商业化ALM3激光器系列)类似，本发明的内部冷却激光器封装的实施方案可包括内板，该内板结合bias T以使得DC偏置和RF信号可施加到分离的引线上。可组合使用各种形式的引线(如SMA、BNC、GPO、直引脚、柔性电路等)作为输入或输出，连接到本封装系统的内部电路板上。由于所述内板的原因，这些引线能以非常灵活的方式配置。与传统的蝶形激光器封装(其中的激光二极管芯片需要保持在特别洁净的环境中)不同，根据本发明的激光器封装系统内部的电路板和组件的类型和材料组成没有限制，这使得具有极大的灵活性，允许在本发明的封装系统内包括另外的调节电路。

在运行中，本发明的实施方案有助于保持激光器芯片在恒定的温度下工作，而同时引出与蝶形激光器相近但显著低于外部冷却装置的TEC电流。因此，本发明在显著降低成本的情况下实现了相当的热性能和RF性能。与外部冷却激光器相比，本发明在相似的成本下产生了显著的节能效果。

上面显示和描述的具体实现方式是对本发明的解释并且是其最优的方式，且并非意在以任何方式对本发明的范围作另外的限制。在没有脱离本发明的范围的前提下，可对所公开的实施方案进行改变或修改。这些或其它的改变或修改意欲包括在如下列权利要求所表达的本发明的范围之内。

Claims

1.一种激光器封装系统，包括：

(a)包括多个通孔的壳体，每个通孔允许相应的引线穿过；

(b)连接于所述壳体的基座；

(c)多个隔离器，所述多个隔离器中的每一个用于封住所述多个通孔中相应的一个通孔；

(d)封在所述壳体内的内部光学耦合子系统；和

(e)内部电路板。

2.根据权利要求1所述的激光器封装系统，进一步包括散热器，其中所述基座附接在所述散热器上。

3.根据权利要求1所述的激光器封装系统，其中所述多个隔离器中的每一个都由柔软、非导电且热绝缘的材料形成。

4.根据权利要求3所述的激光器封装系统，其中所述非导电且热绝缘的材料包括硅橡胶。

5.根据权利要求1所述的激光器封装系统，其中所述基座由具有高热导率的金属形成。

6.根据权利要求5所述的激光器封装系统，其中所述基座由下述一种或多种形成：

铜；

铜钨；

黄铜；

青铜；以及

它们的组合。

7.根据权利要求1所述的激光器封装系统，其中所述内部光学耦合系统包括：

激光二极管；

耦合光学系统；和

光纤。

8.根据权利要求7所述的激光器封装系统，其中所述激光二极管密闭地封在密闭封装内，所述密闭封装包括晶体管轮廓(TO)接头和顶盖。

9.根据权利要求8所述的激光器封装系统，进一步包括密封在所述密闭封装内的一个或多个监控光电二极管和热传感器。

10.根据权利要求8所述的激光器封装系统，其中所述顶盖包括用于将所述激光器发出的光耦合到所述光纤当中的透镜。

11.根据权利要求8所述的激光器封装系统，进一步包括耦合于所述TO接头上的散热器，其中，所述TO接头配置为将所述激光二极管产生的热散发至耦合于所述TO接头上的所述散热器。

12.根据权利要求11所述的激光器封装系统，进一步包括附接在耦合于所述TO接头的所述散热器上的热传感器。

13.根据权利要求7所述的激光器封装系统，进一步包括：

封在所述壳体中的热电冷却器(TEC)；和

耦合于所述TEC的散热器。

14.根据权利要求1所述的激光器封装系统，其中所述通孔配置为接收选自以下的引线：

SMA；

BNC；

GPO；

直引脚；和

柔性电路。