CN104201557B - 一种可调激光器的封装结构及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可调激光器的封装结构及其封装方法，涉及激光器技术领域，用以解决现有可调激光器的封装结构中，半导体激光器芯片的前向光必须通过直角棱镜折射才能垂直射出的问题。该可调激光器的封装结构包括：TO管座和TO管帽，所述TO管座上固定有第一热沉，半导体激光器芯片固定在所述第一热沉的垂直面上，所述TO管帽上设置有非球面透镜，所述半导体激光器芯片设置在所述非球面透镜的中心轴线上，其中，所述第一热沉的垂直面为所述第一热沉与所述TO管座相垂直的平面。本发明提供的可调激光器可用于光纤通信。

Description

一种可调激光器的封装结构及其封装方法
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种可调激光器的封装结构及其封装方法。
背景技术
激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，所以被广泛应用于光纤通信系统中。目前，主要采用基于固定波长的激光器来产生激光，而固定波长的激光器只能产生单一固定波长的激光，但随着密集型光波复用(Dense Wavelength DivisionMultiplexing，简称DWDM)技术的发展，光纤通信系统中需要不同波长的激光，且所需的数目也越来越多，因此，需要配备大量不同固定波长的激光器，导致激光器数量增加，成本上升。
为了解决上述问题，现有技术中公开了一种波长可调的半导体激光器，图1所示为该波长可调的半导体激光器的封装结构示意图。具体的，半导体激光器芯片105的前向光经过非球面透镜107后，变成准直状态的光斑，该准直状态的光斑经过直角棱镜108的反射，方向改变90°后，沿垂直于TO管座101的方向从TO管帽110表面的窗口片109射出。其中，半导体激光器芯片105的后向光直接打到光电二极管106上，用以监控半导体激光器芯片105的输出功率；导热片104的作用是保证半导体激光器芯片105的前向光中心和非球面透镜107的中心在同一水平线上，即共轴准直。将上述光学元件逐一放置于平台103上后，再放置于半导体制冷器(Thermo-electric Cooler，简称TEC)102上，最后将半导体制冷器102放置于TO管座101的上表面，TO管帽110与TO管座101通过胶粘的方式粘结在一起，形成波长可调的半导体激光器的封装结构。
但是，在实现上述波长可调的半导体激光器的封装过程中，发明人发现，半导体激光器芯片105的前向光经过非球面透镜107会聚成准直状态的光斑后，必须再经过直角棱镜108的折射，才能沿垂直于TO管座101的方向射出；也就是说，要使得半导体激光器芯片105的前向光能够垂直射出，必须通过直角棱角108的折射才可以实现。
发明内容
本发明的实施例提供一种可调激光器的封装结构及其封装方法，用以解决现有可调激光器的封装结构中，半导体激光器芯片的前向光必须通过直角棱镜折射才能垂直射出的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
本发明实施例提供了一种可调激光器的封装结构，包括：TO管座和TO管帽，所述TO管座上固定有第一热沉，半导体激光器芯片固定在所述第一热沉的垂直面上，所述TO管帽上设置有非球面透镜，所述半导体激光器芯片设置在所述非球面透镜的中心轴线上，其中，所述第一热沉的垂直面为所述第一热沉与所述TO管座相垂直的平面。
本发明实施例提供了一种可调激光器的封装方法，其中，所述可调激光器包括：半导体激光器芯片、第一热沉、非球面透镜、TO管座、TO管帽；所述封装方法包括：
将所述半导体激光器芯片通过共晶焊接在所述第一热沉的垂直面上，所述第一热沉的垂直面为所述第一热沉与所述TO管座相垂直的平面；
将所述第一热沉通过共晶焊接在所述TO管座上；
采用金丝焊接将上述部件与所述TO管座的管脚连接；
将所述非球面透镜焊接在所述TO管帽上；
将焊接有非球面透镜的TO管帽焊接在所述TO管座上。
本发明实施例提供了一种可调激光器的封装结构及其封装方法，该封装结构包括TO管座和TO管帽，所述TO管座上固定有第一热沉，半导体激光器芯片固定在所述第一热沉的垂直面上，所述TO管帽上设置有非球面透镜，所述半导体激光器芯片设置在所述非球面透镜的中心轴线上，其中，所述第一热沉的垂直面为所述第一热沉与所述TO管座相垂直的平面。由于第一热沉的垂直面与TO管座相垂直，而半导体激光器芯片固定该第一热沉的垂直面上，这样，半导体激光器芯片与TO管座相垂直；同时，由于半导体激光器芯片设置在所述非球面透镜的中心轴线上，所以，半导体激光器芯片射出的前向光经过非球面透镜的准直后射出，且该前向光与TO管座垂直。这样，本发明实施例中的半导体激光器芯片的前向光可以通过TO管帽上的非球面透镜，沿垂直于TO管座的方向直接射出；而无需像现有技术那样，半导体激光器芯片的前向光在经过非球面透镜后，必须再经过直角棱角才能沿垂直于TO管座的方向射出，解决了现有可调激光器的封装结构中，半导体激光器芯片的前向光必须通过直角棱镜折射才能垂直射出的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的一种波长可调的半导体激光器的内部封装结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种可调激光器的外部封装结构示意图；
图3为针对图2所示的可调激光器的封装结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种优选的可调激光器的内部封装结构示意图；
图5为内置DBR的半导体激光器芯片的内部结构示意图；
图6为注入DBR的电流与输出波长的对应关系示意图；
图7为针对图4所示的可调激光器的管脚排布示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种可调激光器的封装结构，如图2所示，为本发明实施例提供的可调激光器的外部封装结构示意图。其中，该可调激光器包括：TO管座201和TO管帽208。
其中，TO管座201上设置有管脚209，管脚209可以与外部电路连接，实现对该可调激光器的工作状态的监控；TO管帽208上设置的非球面透镜210，可以将该可调激光器内部的半导体激光器芯片205产生的前向光会聚成准直状态，以便耦合至光纤中进行传输。
图3为针对图2所示的可调激光器的封装结构示意图。从图3可以看出，TO管座201上固定有第一热沉203，半导体激光器芯片205固定在第一热沉203的垂直面上，且半导体激光器芯片205设置在非球面透镜210的中心轴线上。其中，半导体激光器芯片205的前向光方向为图3中箭头所指的方向，第一热沉203的垂直面为第一热沉203与TO管座201相垂直的平面。
具体的，对于图3中所示的第一热沉203，可以采用可表面金属化的热导率大于180W/mk，热膨胀系数小于8*10-6℃的金属或陶瓷。示例的，第一热沉203可以采用钨铜热沉。由于第一热沉203分为水平面和垂直面两个面，所以，示例的，可以将其设计成L型结构。由于L型结构的第一热沉203的垂直面与TO管座201垂直，所以，通过将半导体激光器芯片205固定在L型结构的第一热沉203的垂直面上，半导体激光器芯片205的前向光就可以沿垂直于TO管座201的方向射出。同时，由于第一热沉203的热导率很高，所以，L型结构的第一热沉203还可以用于传导固定在其上的半导体激光器芯片205产生的热量。
本发明实施例提供了一种可调激光器的封装结构及其封装方法，该封装结构包括TO管座和TO管帽，所述TO管座上固定有第一热沉，半导体激光器芯片固定在所述第一热沉的垂直面上，所述TO管帽上设置有非球面透镜，所述半导体激光器芯片设置在所述非球面透镜的中心轴线上，其中，所述第一热沉的垂直面为所述第一热沉与所述TO管座相垂直的平面。由于第一热沉的垂直面与TO管座相垂直，而半导体激光器芯片固定该第一热沉的垂直面上，这样，半导体激光器芯片与TO管座相垂直；同时，由于半导体激光器芯片设置在所述非球面透镜的中心轴线上，所以，半导体激光器芯片射出的前向光经过非球面透镜的准直后射出，且该前向光与TO管座垂直。这样，本发明实施例中的半导体激光器芯片的前向光可以通过TO管帽上的非球面透镜，沿垂直于TO管座的方向直接射出；而无需像现有技术那样，半导体激光器芯片的前向光在经过非球面透镜后，必须再经过直角棱角才能沿垂直于TO管座的方向射出，解决了现有可调激光器的封装结构中，半导体激光器芯片的前向光必须通过直角棱镜折射才能垂直射出的问题。
进一步的，本发明实施例提供的可调激光器将非球面透镜设置在TO管帽上，这样就无需在可调激光器的内部设置非球面透镜；同时，本发明实施例提供的可调激光器无需采用直角棱镜，因此，也无需在可调激光器的内部设置直角棱镜，这样，能够减小激光器的封装尺寸，降低生产成本和制造难度。
优选的，本发明所述可调激光器的封装结构中还可以包括：第二热沉204。具体的，将半导体激光器芯片的205固定在第二热沉204上，将固定有半导体激光器芯片的205的第二热沉204固定在第一热沉203的垂直面上。
其中，第二热沉204可以采用可表面金属化的热导率高于220W/mk，且热膨胀系数在4.5*10-6℃左右的金属或陶瓷。示例的，本发明提供的优选实施例中，第二热沉204采用的材料是氮化铝(Aluminum nitride，简称ALN)热沉。由于第二热沉204的热导率比第一热沉203的热导率高，所以半导体激光器芯片205产生的热量可以更加迅速的由第二热沉204传导至第一热沉203；而且第二热沉204与第一热沉203的接触面积大于半导体激光器芯片205与第一热沉203的接触面积，所以更有利于半导体激光器芯片205的散热。
另外，对于第一热沉203和第二热沉204，可以在满足常规的TO封装尺寸的前提下，尽量制作的大一些，这样，可以提高半导体激光器芯片205的散热效率；同时，对于半导体制冷器202的尺寸和性能的设计使之满足TO封装的小型尺寸，又可以达到最佳的制冷效率和最小的功耗。
可选的，如图4所示，为了实现对可调激光器前向出光功率的监控，该可调激光器的封装结构中还可以包括：背光监控器207，背光监控器207固定在第一热沉203的水平面上。其中，第一热沉203的水平面为所述第一热沉203与所述TO管座201相平行的平面。
示例的，背光监控器207可以采用背光监控二极管，背光监控二极管可用于监控半导体激光器芯片的前向出光功率。具体的，半导体激光器芯片205的背向光射到背光监控二极管上后，背光监控二极管可以根据该后向光产生光电流，光强度越大，产生的光电流就越大。通过该光电流的大小和半导体激光器芯片205的前后出光比，就可以实时监控半导体激光器芯片205的前向出光功率，并通过背向光电流的变化自动调节半导体激光器芯片205的前向出光功率。
进一步的，为了提高可调激光器芯片的散热效果，该可调激光器的封装结构中还可以包括：半导体制冷器202。如图4所示，第一热沉203的水平面固定在半导体制冷器202上，半导体制冷器202固定在TO管座201上。
具体的，半导体激光器芯片205产生的热量通过第二热沉204传导至第一热沉203后，再由第一热沉203传导至半导体制冷器202的冷端，通过半导体制冷器202的帕尔贴效应将热量通过TO管座201导出。需要说明的是，帕尔贴效应是指当直流电流通过半导体制冷器时，半导体制冷器的冷端吸热，热端放热的现象。由于整个热传导过程中，热量均是通过热导率很高的材料进行传导的，所以，半导体激光器芯片205和TO管座201之间的热阻很小，能够实现较高的热传导率。
进一步的，为了能够实时监测可调激光器芯片的温度变化，该可调激光器的封装结构中还可以包括：温度传感器206。其中，对于不包含第二热沉204的可调激光器的封装结构，温度传感器206可以固定在第一热沉203上；而对于同时包含第一热沉203和第二热沉204的可调激光器的封装结构，温度传感器206可以固定在第二热沉204上。如图4所示为将温度传感器206固定在第二热沉204为例进行说明的。
不管将温度传感器206固定在第一热沉203上，还是将其固定在第二热沉204上，温度传感器206与半导体激光器芯片205的距离均可以设置在30-200μm之间。例如，温度传感器206与半导体激光器芯片205的距离可以设置为50μm、60μm、80μm、100μm、120μm或140μm等数值。示例的，本发明优选实施例中半导体激光器芯片205和温度传感器206的距离是100μm。
又示例的，温度传感器206可以是热敏电阻。由于热敏电阻的阻值可以根据温度的变化而变化，不同阻值对应不同的温度，且热敏电阻的阻值随温度的变化可以精确到1％。所以，通过将热敏电阻设置在距离半导体激光器芯片205较近的位置，可以精确的反应出可调激光器芯片205的温度变化。
进一步的，还可以利用可调激光器的封装结构内部的半导体制冷器202、热敏电阻和可调激光器的封装结构外部的自动温度控制(Automatic Temperature Control，简称ATC)电路实现对半导体激光器芯片205的温度的调节。通过热敏电阻阻值精确的反馈半导体激光器芯片205的温度，ATC电路采集热敏电阻的阻值，以对半导体激光器芯片205的温度进行监控，ATC电路根据热敏电阻阻值的变化，快速对半导体制冷器202施加电流，通过加热或者制冷实现温度的稳定或变化，进而实现对半导体激光器芯片205的温度稳定和调节。
同时，本发明实施例中半导体激光器芯片内置分布式布拉格反射镜(DistributedBragg Reflection，简称DBR)。利用DBR的特性，通过改变注入到DBR电流的大小以及对DBR温度的调节实现波长的连续可调。其中，图5为内置DBR的半导体激光器芯片的内部结构示意图，从图5中可以看出，该芯片主要分为活性区301(也可称为有源区)、相位控制区302和布拉格反射光栅区303(也可称为DBR区)。当注入DBR区的电流发生变化时，DBR区的载子浓度发生变化，折射率也发生了变化，从而导致其产生的中心波长发生变化。如图6所示，随着DBR区电流的增加，半导体激光器芯片205产生的中心波长呈阶梯形递减趋势，递减步长约为0.8nm(纳米)，由于电流的变化对输出波长的变化影响较大，所以此调节称为粗调。而且从图6可以看出，输出波长的递减速度随着电流的增加而逐渐减小，当电流增加到20mA(毫安)时，输出波长基本保持不变，故通过改变DBR区的电流，可以实现大约10nm左右的波长调节范围。
此外，在注入DBR区的电流固定的情况下，DBR的活性区会随着温度的变化对半导体激光器芯片产生的中心波长造成影响，其中，中心波长随温度的变化系数为0.1-0.12nm/℃，而ATC电路所能控制的温度调节精度为0.01℃，所以，采用精确的温度控制，可以使内置DBR的可调激光器芯片产生的中心波长的变化控制在0.001nm-0.0012nm左右，此调节称为细调。由于内置DBR的可调激光器芯片的工作温度范围为25-50℃，所以内置DBR的可调激光器芯片的工作温度可以在25℃和50℃之间进行调节，最大可以实现25℃的温度变化，故通过温度的调节可以实现约2.5nm-3nm的波长调节范围。
因此，通过粗调与细调的结合，可以使内置DBR的可调激光器芯片的中心波长实现超过12nm的调节范围，下表1所示为实验得出的一种示例性的符合国际电信联盟(International Telecommunication Union，简称ITU)标准规定的16通道波长可调的可调激光器的中心波长的变化情况。
表1
16通道 频率(THz) 波长(nm)
1 192.2 1559.79
2 192.3 1558.98
3 192.4 1558.17
4 192.5 1557.36
5 192.6 1556.55
6 192.7 1555.75
7 192.8 1554.94
8 192.9 1554.13
9 193.0 1553.33
10 193.1 1552.52
11 193.2 1551.72
12 193.3 1550.92
13 193.4 1550.12
14 193.5 1549.32
15 193.6 1548.51
16 193.7 1547.72
图7是针对图4所示的可调激光器的仰视图。从图7可以看出，该可调激光器包含7根管脚；其中，管脚501和管脚502分别与半导体制冷器的负极和正极相连，管脚503与背光监控二极管的负极相连，管脚504与热敏电阻的一端相连，管脚505为接地管脚，可与DBR活性区的负极、DBR光栅区的负极、背光监控二极管的正极以及热敏电阻的另一端共用，管脚506与DBR活性区的正极相连，管脚507与DBR光栅区的正极相连。
需要说明的是，图4仅仅为本发明实施例提供的一种优选的可调激光器的内部结构示意图，同时包含第一热沉和第二热沉，这样，可以将半导体激光器芯片所产生的热量通过第一热沉和第二热沉快速的传导出去，实现较高的热传导率。图7所示的管脚排布图仅仅为一种示意图，对于其他排列方式的管脚也属于本发明实施例所要保护的范围，当然，也可以包含至少8根管脚，其中的7根管脚可以与图7所示的管脚所表示的含义相同，其余的管脚可以作为预留管脚，以便后续的使用。
本发明实施例提供了一种可调激光器的封装方法，其中，该可调激光器包括：TO管座、TO管帽、第一热沉、半导体激光器芯片、非球面透镜；具体的，该可调节激光器的封装方法包括：
将半导体激光器芯片通过共晶焊接在第一热沉的垂直面上，其中，第一热沉的垂直面为第一热沉与TO管座相垂直的平面；将第一热沉通过共晶焊接在TO管座上；采用金丝焊接将上述部件与TO管座的管脚连接；将非球面透镜焊接在TO管帽上；将焊接有非球面透镜的TO管帽焊接在TO管座上。
可选的，共晶焊接可以采用金锡焊料，该金锡焊料的熔点为280℃左右；将TO管帽焊接在TO管座上，可以采用电阻焊和焊料将TO管帽熔封在TO管座上。
进一步的，该可调激光器还包括：半导体制冷器、温度传感器、背光监控器；具体的，该可调节激光器的封装方法包括：
将半导体激光器芯片和温度传感器通过共晶焊接在第一热沉的垂直面上；将背光监控器粘接在第一热沉的水平面上；将第一热沉通过共晶焊接在半导体制冷器上；将半导体制冷器通过共晶焊接在TO管座上；采用金丝焊接将上述部件与TO管座的管脚连接；将非球面透镜焊接在TO管帽上；将焊接有非球面透镜的TO管帽焊接在TO管座上。其中，第一热沉的垂直面为第一热沉与TO管座相垂直的平面，第一热沉的水平面为第一热沉与TO管座相平行的平面。
可选的，背光监控器可以通过银胶粘接到第一热沉的水平面上。
进一步的，当该可调激光器还包括第二热沉时，该可调节激光器的封装方法包括：
将半导体激光器芯片和温度传感器通过共晶焊接在第二热沉上；将第二热沉通过共晶焊接在第一热沉的垂直面上，将背光监控器粘接在第一热沉的水平面上；将第一热沉通过共晶焊接在半导体制冷器上；将半导体制冷器通过共晶焊接在TO管座上；采用金丝焊接将上述部件与TO管座的管脚连接；将TO管帽焊接在的TO管座上。其中，第一热沉的垂直面为第一热沉与TO管座相垂直的平面，第一热沉的水平面为第一热沉与所述TO管座相平行的平面。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种可调激光器，包括：TO管座和TO管帽，其特征在于，所述TO管座上固定有第一热沉，所述TO管帽上设置有非球面透镜，半导体激光器芯片设置在所述非球面透镜的中心轴线上，其中，所述第一热沉包括垂直面和水平面，所述第一热沉的垂直面为所述第一热沉与所述TO管座相垂直的平面，所述第一热沉的水平面为所述第一热沉与所述TO管座相平行的平面；
所述激光器还包括：第二热沉、半导体制冷器和温度传感器；其中，
所述半导体激光器芯片固定在所述第二热沉上，所述第二热沉固定在所述第一热沉的垂直面上；
所述第一热沉的水平面固定在所述半导体制冷器上，所述半导体制冷器固定在所述TO管座上；
所述温度传感器固定所述第二热沉上。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，还包括：背光监控器；所述背光监控器固定在所述第一热沉的水平面上。
3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述TO管座上设置有至少7根管脚。
4.一种可调激光器的封装方法，其特征在于，所述可调激光器包括：半导体激光器芯片、第一热沉、第二热沉、温度传感器、背光监控器、半导体制冷器、非球面透镜、TO管座、TO管帽；所述封装方法包括：
将所述半导体激光器芯片和所述温度传感器通过共晶焊接在所述第二热沉上；
将所述第二热沉通过共晶焊接在所述第一热沉的垂直面上，将所述背光监控器粘接在所述第一热沉的水平面上；其中，第一热沉的垂直面为第一热沉与TO管座相垂直的平面，第一热沉的水平面为第一热沉与所述TO管座相平行的平面；
将所述第一热沉通过共晶焊接在所述半导体制冷器上；
将所述半导体制冷器通过共晶焊接在所述TO管座上；
采用金丝焊接将所述TO管座与所述TO管座的管脚连接；
将所述非球面透镜焊接在所述TO管帽上；
将焊接有非球面透镜的TO管帽焊接在所述TO管座上。
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