CN108169854A - 一种多只To封装半导体激光器的空间耦合结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，用于解决现有技术中半导体激光器封装体积大、散热结构不良的技术问题。该空间耦合结构包括底板，底板上设置有至少两级台阶；底板的低台阶上设置有下沉式安装孔阵列，每一列的安装孔之间通过电极槽连通，安装孔中设置有To封装半导体激光器，电极槽中设置有电极电路板，每一列To封装半导体激光器通过电极电路板串联，底板构成To封装半导体激光器的散热通道；底板上还设置有反射镜组和聚焦透镜组，To封装半导体激光器发出的光束通过反射镜组反射至聚焦透镜组，聚焦透镜组将光束汇聚后输出。本发明具有封装体积小，To热扩散方向和散热通道方向一致，散热效率高的特点。

Description

一种多只To封装半导体激光器的空间耦合结构

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种多只To封装半导体激光器的空间耦合结构。

背景技术

由于半导体激光器体积小、寿命长、覆盖波长范围广等优点，近年来其得到了快速发展。随着半导体激光器光输出功率的增加，器件的散热也变得更加困难。对于高功率的Chip(芯片)，其热功率大，底面积小，为了保证所构建的半导体激光器组件具有良好的功率稳定性，要为Chip增加辅助热沉来提高散热能力。

常见辅助热沉形式有：C—mount(热沉底座)、B—mount、陶瓷热沉、ToCan。一般中高功率的Chip会选用前三者辅助散热形式，Chip的波长主要集中在近红外波段，该波段范围内的Chip在空气中比较稳定，不易潮解失效。而可见光和紫外Chip，由于极易潮解，所以必须用ToCan这种具有良好密闭性的辅助热沉形式，可以避免Chip与空气接触，避免Chip失效。

随着激光显示、生物医疗、激光器制版等一系列应用需求(几十瓦到几百瓦)对可见和紫外半导体激光器输出功率的不断提升，单只ToCan封装Chip已经无法满足需求(单只最大3w)，而目前多只ToCan封装Chip空间耦合存在诸多困难。

现有技术中提供了多只To封装半导体激光器(Transistor-Outline，To，同轴型)按环形排布方式固定在热沉上的技术方案，该排布方式造成输出的光束无法填充环的中心部分，没有充分利用中心部分，造成空间浪费。光束耦合进光纤，在光纤输出时远场呈中心部较暗的环状光斑，影响光斑均匀度。且随着封装Chip数量的增加体积增加速度更快，圆心中心部分没有光束填充的区域更大。多只To封装半导体激光器的空间耦合存在散热通道过长，热扩散方向和散热通道存在正交，导致散热效率不高以及封装结构复杂的问题。

现有技术中还提供了在水平和垂直方向均设置有To封装半导体激光器的技术方案，该技术方案中芯片的热扩散方向与散热通道方向也呈正交形式，To封装半导体激光器安装形式复杂且不易散热，而且在水平和垂直方向设置To封装半导体激光器发出的光无法进行充分混光，导致输出不是白光，出现彩色斑点和光带的问题。

综上所述，现有技术存在一些比较明显的共性问题，一、在空间上光束没有进行充分填充，存在空间上的浪费，光纤输出存在暗带，降低了光纤输出的亮度。二、散热通道过长，热扩散方向和散热通道存在正交，导致散热效率不高。三、封装结构复杂,To封装半导体激光器固定方式，和光学元器件固定方式，结构复杂不利装调和节省成本。

目前,半导体激光器普遍采用量子阱结构,为提高半导体激光器的光束质量,可将输出光束经过整形后再通过光纤耦合输出。在耦合时，均会用到快轴准直镜和慢轴准直镜，对半导体激光器的快慢轴分别进行准直，然后通过聚焦镜聚焦耦合进光纤。

但对于To封装半导体激光器存在困难。首先，一般To封装半导体激光器芯片存在易潮解问题，无法暴露在空气中。也就是说没有办法做开帽处理。如果用传统的快轴准直镜和慢轴准直镜对To封装半导体激光器的快慢轴分别进行准直再耦合的方式，要求快轴准直镜的工作距离大于1.2mm(芯片发光点到To保护窗片的距离)，目前市面上基本没有这样的准直透镜可以应用。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明提出了一种多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，改善了半导体激光器的散热和光束耦合。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，包括底板，所述底板上设置有至少两级台阶；

所述底板的低台阶上设置有下沉式安装孔阵列，每一列的安装孔之间通过电极槽连通，所述安装孔中设置有To封装半导体激光器，所述电极槽中设置有电极电路板，每一列所述To封装半导体激光器通过所述电极电路板串联，所述底板构成所述To封装半导体激光器的散热通道；

所述底板上还设置有反射镜组和聚焦透镜组，所述To封装半导体激光器发出的光束通过所述反射镜组反射至所述聚焦透镜组，所述聚焦透镜组将所述光束汇聚后输出。

可选地，所述底板的低台阶上设置有反射镜安装板，所述反射镜安装板覆盖所述To封装半导体激光器，所述反射镜安装板上对应所述To封装半导体激光器设置有透光孔；

所述反射镜组包括第一类反射镜阵列和第二类反射镜阵列，所述第一类反射镜阵列设置在所述反射镜安装板上表面，每一个所述透光孔上方设置有一块第一类反射镜；

所述底板的高台阶上设置所述第二类反射镜阵列和所述聚焦透镜组。

可选地，所述反射镜安装板上表面呈斜坡状或台阶状，所述To封装半导体激光器发出的光束通过所述第一类反射镜阵列反射至所述第二类反射镜阵列，所述第二类反射镜阵列将所述光束反射至所述聚焦透镜组，所述聚焦透镜组将所述光束汇聚后输出；

同一列中的所述第一类反射镜不遮挡它后方反射的所述光束，并且反射的所述光束互相平行，具有预定高度差H。

可选地，所述To封装半导体激光器的光轴竖直或者倾斜分布，相邻的所述To封装半导体激光器的光轴间距为A；

所述To封装半导体激光器的光轴倾斜分布时，所述反射镜安装板的上表面和下表面、所述低台阶的上表面、所述安装孔的底面为平行的倾斜平面，所述倾斜平面的倾斜角度为M，M＝arcsin(H/A)。

可选地，所述第一类反射镜互相平行设置，所述第一类反射镜的上边沿设置成小于或等于45度的倒角，第二类反射镜的右边沿设置成小于或等于45度的倒角；

所述第二类反射镜阵列分为两个子阵列，两个子阵列对称布置，两个子阵列中的第二类反射镜朝不同方向倾斜45度，呈90度夹角。

可选地，所述反射镜安装板为一整块或者包括若干块；

所述反射镜安装板包括若干块时，对应所述安装孔的列设置。

可选地，所述To封装半导体激光器通过粘接、或者焊接、或者螺纹压环固定在所述安装孔中；

所述To封装半导体激光器通过螺纹压环固定在所述安装孔中时，所述安装孔的孔壁上设置有内螺纹，所述螺纹压环设置有外螺纹。

可选地，所述To封装半导体激光器的光束发射端设置有准直镜，所述准直镜采用球面镜或者非球面镜。

可选地，所述聚焦透镜组包括：一个球面镜、或一个非球面镜或两个正交分立的柱面镜。

可选地，相邻列的所述To封装半导体激光器互相间隔排列，分布于不同的行。

采用上述技术方案的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，具有以下优点：

本发明中的To热扩散方向和散热通道方向一致，散热效率高。

本发明中TO、光学元器件和底板的组合结构紧凑，减小了封装体积。

本发明通过设置两组反射镜使光束之间紧密排布，增加了光纤输出后的光斑均匀性，提高了光纤输出的亮度。

本发明封装结构中TO、光学元器件和底板的固定方式简单，方便装调和节省成本。

附图说明

图1为本发明实施例1中提供的一种倾斜平面式的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构分解图；

图2为本发明实施例1中提供的一种倾斜平面式的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构的组合图；

图3为本发明实施例1中提供的一种倾斜平面式的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构的剖视图；

图4为本发明实施例1中提供的一种倾斜平面式的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构的俯视图；

图5为本发明实施例1中提供的第一反射镜组反射后的光束示意图；

图6为本发明实施例1中提供的第二反射镜组反射后的光束示意图；

图7为本发明实施例2中提供的一种倾斜平面式的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构的分解图；

图8为本发明实施例2中提供的一种倾斜平面式的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构的组合图；

图9为本发明实施例2中提供的一种倾斜平面式的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构的剖视图；

图10为本发明实施例3中提供的一种倾斜台阶式的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构的组合图；

图11为本发明实施例3中提供的一种倾斜台阶式的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构的剖视图。

图中：1.底板；1-1.低台阶；1-2.高台阶；2.电极槽；3.安装孔；4.电极电路板；5.To封装半导体激光器；6.准直镜；7.反射镜安装板；8.透光孔；9.第一类反射镜；10.第二类反射镜；11.柱面镜；12.柱面镜；13.光纤；14.光束。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明针对现有技术中半导体激光器散热不良的问题，在半导体激光器的安装底板上设置有下沉式安装孔，半导体激光器安置在安装孔中，半导体激光器所发出的热量可以直接横向辐射至安装孔的孔壁上，和垂直方向辐射至安装孔的孔底上，然后通过底板进行散热，提高了半导体激光器封装结构的散热效果。

下面列举具体实施例对多只To封装半导体激光器的空间耦合结构的不同形式进行说明。

实施例1

如图1、图2、图3、图4所示为本发明实施例1，在本实施例中，一种多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，包括底板1，底板1上设置有低台阶1-1和高台阶1-2两级台阶，根据实际产品设计需要，可以再增加台阶数量，例如将高台阶1-2进一步设置成多台阶，本实施例仅以设置两个台阶举例说明。

底板1的低台阶1-1上设置有下沉式安装孔3阵列，每一列的安装孔3之间通过电极槽2连通，安装孔3中设置有To封装半导体激光器5，电极槽2中设置有电极电路板4(埋入式)，每一列To封装半导体激光器5通过电极电路板4串联，底板1构成To封装半导体激光器5的散热通道。

To封装半导体激光器5收纳在安装孔3中，To封装半导体激光器5所发出的热量可以直接横向辐射至安装孔3的孔壁上，和垂直方向辐射至安装孔3的孔底上，然后通过底板1进行散热，提高了半导体激光器封装结构的散热效果。

底板1上还设置有反射镜组和聚焦透镜组，To封装半导体激光器5发出的光束通过反射镜组反射至聚焦透镜组，聚焦透镜组将光束汇聚后输出，可以输出至光纤13，最终通过光纤13向外输出。

底板1的低台阶1-1上设置有反射镜安装板7，反射镜安装板7覆盖To封装半导体激光器5，反射镜安装板7上对应To封装半导体激光器5设置有透光孔8。To封装半导体激光器5所发出的光束向上通过透光孔8射出至反射镜组。

如图1、图2所示，反射镜组包括第一类反射镜9阵列和第二类反射镜10阵列，第一类反射镜9和第二类反射镜10均采用平面镜。第一类反射镜9阵列设置在反射镜安装板7上表面，每一个透光孔8上方设置有一块第一类反射镜9。

底板1的高台阶1-2上设置第二类反射镜10阵列和聚焦透镜组。如果产品设计需要，高台阶1-2进一步设置成多台阶，第二类反射镜10阵列和聚焦透镜组可以位于不同的台阶上。

如图4中所示，第二类反射镜10阵列分为两个子阵列，两个子阵列是对称布置的，两个子阵列中的第二类反射镜10朝不同方向倾斜45度，呈90度夹角，将第一类反射镜9反射过来的光束靠拢集中反射出去。

聚焦透镜组可以采用这样的组成方案，包括：一个球面镜、或一个非球面镜、或两个正交分立的柱面镜。此处的球面镜是指可以用半径R表征的透镜，非球面镜是指可以用半径Rⁿ表征的透镜,在光学领域中球面镜、非球面镜、柱面镜是三种不同类型的透镜。

如图3、图4所示，两个正交分立的柱面镜11、12，柱面镜11、12均是凸柱面镜，光轴互相垂直，即一个是竖直摆放，一个是水平摆放。

为了让同一列中的第一类反射镜9不遮挡它后方反射的光束，反射镜安装板7上表面呈斜坡状，To封装半导体激光器5发出的光束通过第一类反射镜9阵列反射至第二类反射镜10阵列，第二类反射镜10阵列将光束反射至聚焦透镜组，聚焦透镜组将光束汇聚后输出。

如图3、图5所示，同一列中的第一类反射镜9不遮挡它后方反射的光束，并且反射的光束互相平行，具有预定高度差H。高度差H可以为400μm。

在本实施例中，To封装半导体激光器5的光轴倾斜分布，相邻的To封装半导体激光器5的光轴间距为A，光轴间距为A可以为10mm。

如图3所示，To封装半导体激光器5的光轴倾斜分布时，反射镜安装板7的上表面和下表面、低台阶1-1的上表面、安装孔3的底面为平行的倾斜平面，倾斜平面的倾斜角度为M，M＝arcsin(H/A)。

其中，H为第一类反射镜9所反射出的光束14之间的高度差，A为半导体激光器5的光轴间距。

第一类反射镜9互相平行设置，第一类反射镜9的上边沿设置成小于或等于45度的倒角，这样可以保证同一列中的第一类反射镜9不遮挡它后方反射的光束，且反射的光束互相平行。

部分第二类反射镜10的右边沿也设置成小于或等于45度的倒角，这样可以保证同一列中的第二类反射镜10不遮挡它后方反射的光束，且反射的光束互相平行。

在本实施例中，反射镜安装板7为若干块长条状的板，也可以为一整块板。

反射镜安装板7包括若干块时，对应安装孔3的列设置。每一列安装孔3上面要覆盖一块反射镜安装板7，而且反射镜安装板7之间最好能够紧密排列。

To封装半导体激光器5通过粘接、或者焊接、或者螺纹压环固定在安装孔3中。

To封装半导体激光器5通过螺纹压环固定在安装孔3中时，安装孔3的孔壁上设置有内螺纹，螺纹压环设置有外螺纹。

To封装半导体激光器5的光束发射端设置有准直镜6，准直镜6采用球面镜或者非球面镜，与To封装半导体激光器5的管帽粘接固定。

如图4所示，相邻列的To封装半导体激光器5互相间隔排列，分布于不同的行，这样设计可以进一步提高To封装半导体激光器5的散热效果。

在本实施例中，底板1的材质采用铜，有利于导热和散热。低台阶1-1、安装孔3、电极槽2可以通过铣工艺在底板1上加工。

本实施例多只To封装半导体激光器的空间耦合结构中的光束传输路径说明如下：

To封装半导体激光器5发射的光束经过准直镜6对其快慢轴同时进行准直，准直后的光束穿过其所对应反射镜安置板7上面的透光孔8，到达安置在透光孔8上方的第一类反射镜9阵列，经第一类反射镜9阵列反射后，反射的平行光束汇入第二类反射镜10阵列，通过第二类反射镜10阵列反射的光束再到达聚焦透镜组聚焦，聚焦透镜组再将光束汇聚后输出。

需要说明的是，由于To封装半导体激光器5自己的尺寸和安装结构相互干涉的限制，经过每列第一类反射镜9阵列的光束不能做到紧密排布在一起，每列之间存在一定的间隙，如图5所示，每列光束14之间存在一定的间距，为了减小两列光束14之间的间距，将经过第一类反射镜9阵列反射的光束并行汇入第二类反射镜10阵列，通过第二类反射镜10阵列反射的光束之间彼此平行，每列光束14之间几乎没有间距，因此，在第一类反射镜9阵列后再设置第二类反射镜10阵列，可以使在第二类反射镜10反射的光束彼此之间不发生遮挡的情况下，达到光束之间的间距最小，消除光束之间的暗隙，提升光束亮度。

实施例2

如图7、图8、图9所示为本发明实施例2，在本实施例中与实施例1所不同的是，反射镜安装板7上表面呈斜坡状，反射镜安装板7的下表面、低台阶1-1的上表面、安装孔3的底面为平行的水平平面。

反射镜安装板7上表面倾斜角度为M，M＝arcsin(H/A)。

其中，H为第一类反射镜9所反射出的光束14之间的高度差，A为半导体激光器5的光轴间距。

由于安装孔3的底面为水平平面，所以To封装半导体激光器5的光轴竖直分布。

本实施例中多只To封装半导体激光器的空间耦合结构的其他结构与实施例1中相同，此处不再重复描述。

实施例3

如图10、图11所示为本发明实施例3，在本实施例中与实施例1所不同的是，反射镜安装板7上表面呈台阶状，反射镜安装板7的下表面、低台阶1-1的上表面、安装孔3的底面为平行的水平平面。

反射镜安装板7上表面的台阶高度差为H，这样第一类反射镜9所反射出的光束14之间的高度差也为H。

由于安装孔3的底面为水平平面，所以To封装半导体激光器5的光轴竖直分布。

本发明实施例中的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构具有以下优点：

本发明中的To热扩散方向和散热通道方向一致，散热效率高。

本发明中TO、光学元器件和底板的组合结构紧凑，减小了封装体积。

本发明通过设置两组反射镜使光束之间紧密排布，增加了光纤输出后的光斑均匀性，提高了光纤输出的亮度。

本发明封装结构中TO、光学元器件和底板的固定方式简单，方便装调和节省成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，其特征在于，包括底板，所述底板上设置有至少两级台阶；

所述底板的低台阶上设置有下沉式安装孔阵列，每一列的安装孔之间通过电极槽连通，所述安装孔中设置有To封装半导体激光器，所述电极槽中设置有电极电路板，每一列所述To封装半导体激光器通过所述电极电路板串联，所述底板构成所述To封装半导体激光器的散热通道；

所述底板上还设置有反射镜组和聚焦透镜组，所述To封装半导体激光器发出的光束通过所述反射镜组反射至所述聚焦透镜组，所述聚焦透镜组将所述光束汇聚后输出。

2.如权利要求1所述的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，其特征在于，所述底板的低台阶上设置有反射镜安装板，所述反射镜安装板覆盖所述To封装半导体激光器，所述反射镜安装板上对应所述To封装半导体激光器设置有透光孔；

所述反射镜组包括第一类反射镜阵列和第二类反射镜阵列，所述第一类反射镜阵列设置在所述反射镜安装板上表面，每一个所述透光孔上方设置有一块第一类反射镜；

所述底板的高台阶上设置所述第二类反射镜阵列和所述聚焦透镜组。

3.如权利要求2所述的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，其特征在于，所述反射镜安装板上表面呈斜坡状或台阶状，所述To封装半导体激光器发出的光束通过所述第一类反射镜阵列反射至所述第二类反射镜阵列，所述第二类反射镜阵列将所述光束反射至所述聚焦透镜组，所述聚焦透镜组将所述光束汇聚后输出；

同一列中的所述第一类反射镜不遮挡它后方反射的所述光束，并且反射的所述光束互相平行，具有预定高度差H。

4.如权利要求3所述的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，其特征在于，所述To封装半导体激光器的光轴竖直或者倾斜分布，相邻的所述To封装半导体激光器的光轴间距为A；

所述To封装半导体激光器的光轴倾斜分布时，所述反射镜安装板的上表面和下表面、所述低台阶的上表面、所述安装孔的底面为平行的倾斜平面，所述倾斜平面的倾斜角度为M，M＝arcs in(H/A)。

5.如权利要求2所述的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，其特征在于，所述第一类反射镜互相平行设置，所述第一类反射镜的上边沿设置成小于或等于45度的倒角，第二类反射镜的右边沿设置成小于或等于45度的倒角；

所述第二类反射镜阵列分为两个子阵列，两个子阵列对称布置，两个子阵列中的第二类反射镜朝不同方向倾斜45度，呈90度夹角。

6.如权利要求2所述的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，其特征在于，所述反射镜安装板为一整块或者包括若干块；

所述反射镜安装板包括若干块时，对应所述安装孔的列设置。

7.如权利要求1所述的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，其特征在于，所述To封装半导体激光器通过粘接、或者焊接、或者螺纹压环固定在所述安装孔中；

所述To封装半导体激光器通过螺纹压环固定在所述安装孔中时，所述安装孔的孔壁上设置有内螺纹，所述螺纹压环设置有外螺纹。

8.如权利要求1所述的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，其特征在于，所述To封装半导体激光器的光束发射端设置有准直镜，所述准直镜采用球面镜或者非球面镜。

9.如权利要求1所述的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，其特征在于，所述聚焦透镜组包括：一个球面镜、或一个非球面镜或两个正交分立的柱面镜。

10.如权利要求1所述的多只To封装半导体激光器的空间耦合结构，其特征在于，相邻列的所述To封装半导体激光器互相间隔排列，分布于不同的行。