CN110867725A - 一种可主动控温的vcsel激光器to封装结构 - Google Patents

一种可主动控温的vcsel激光器to封装结构 Download PDF

Info

Publication number
CN110867725A
CN110867725A CN201911202216.5A CN201911202216A CN110867725A CN 110867725 A CN110867725 A CN 110867725A CN 201911202216 A CN201911202216 A CN 201911202216A CN 110867725 A CN110867725 A CN 110867725A
Authority
CN
China
Prior art keywords
vcsel
vcsel laser
laser
heat sink
thermoelectric refrigerator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911202216.5A
Other languages
English (en)
Inventor
宋卿争
吴永康
杨逸峰
翟正一
余路伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Original Assignee
Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Aerospace Control Technology Institute filed Critical Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Priority to CN201911202216.5A priority Critical patent/CN110867725A/zh
Publication of CN110867725A publication Critical patent/CN110867725A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management
    • H01S5/02407—Active cooling, e.g. the laser temperature is controlled by a thermo-electric cooler or water cooling
    • H01S5/02415—Active cooling, e.g. the laser temperature is controlled by a thermo-electric cooler or water cooling by using a thermo-electric cooler [TEC], e.g. Peltier element
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0225—Out-coupling of light

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

本发明公开一种可主动控温的VCSEL激光器TO封装结构，应用于空间光学测量类单机的激光器封装、散热或加热。通过VCSEL激光器、热沉、热电制冷器、TO封装底座，构成热回路；热沉上方还固定有测温元件。罩体粘贴固定在TO封装底座上，匀光片固定粘接至罩体的表面开窗处。本发明通过热电制冷器和测温元件，实现VCSEL激光器的主动温控；通过热沉上布置的器件和TO封装管脚之间绑定金线连接，实现了VCSEL激光器的小型化TO封装；通过罩体和匀光片的设计，实现了VCSEL激光器的波段扩展；本发明可以实现VCSEL激光器的高可靠安装，保证散热通路上各界面良好接触，具有较高的制冷或加热效率，满足不同温度环境使用要求。

Description

一种可主动控温的VCSEL激光器TO封装结构
技术领域
本发明提出一种可主动控温的VCSEL激光器TO封装结构，应用于VCSEL激光器的封装，可实现VCSEL激光器的高可靠安装，满足不同温度环境使用要求。
背景技术
空间激光测量类单机，需要使用VCSEL激光器为光源，实现测距、定位等功能(VCSEL指垂直腔面发射激光器；Vertical Cavity Surface Emitting Laser)。现有VCSEL激光芯片的绑定线裸露在外部，较为脆弱，安全风险大，安装/焊接不方便，安装平面度不易保证，另外，在宇航空间应用时，温度适应性较差(低温工作时，芯片出光效率低)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可主动控温的VCSEL激光器TO封装结构，主要应用于空间光学测量类单机的激光器封装，实现激光器的高可靠安装，同时可保证激光光源的工作温度环境。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种VCSEL激光器TO封装结构，包含：VCSEL激光器、热沉、热电制冷器、TO封装底座、罩体和匀光片；
所述热电制冷器固定连接在TO封装底座和热沉之间；所述VCSEL激光器固定连接在热沉上；通过所述VCSEL激光器、热沉、热电制冷器、TO封装底座，构成热传导的路径；
所述罩体与TO封装底座固定连接，将所述VCSEL激光器、热沉、热电制冷器，以及TO封装底座的上部，都置于罩体内部；所述匀光片设置在罩体的表面开窗处。
可选地，所述热电制冷器的一端与所述TO封装底座之间焊接；
所述热电制冷器的另一端涂覆导热胶后与热沉粘接；
所述热电制冷器与主动控温电路连接；
所述VCSEL激光器与热沉之间共晶焊接。
可选地，所述热沉上还设置有测温元件，将实时采集的温度反馈给热电制冷器。
可选地，所述测温元件是表贴式热敏电阻；
所述测温元件环布在VCSEL激光器的激光光源附近，测得的温度近似为VCSEL激光器发热部位的温度。
可选地，所述热沉的表面覆有绝缘层，将所述VCSEL激光器和测温元件隔开。
可选地，所述TO封装底座有多个管脚，分别和所述VCSEL激光器、测温元件、热电制冷器各自的正负极连接。
可选地，所述管脚与TO封装底座的本体结构之间设有绝热层。
可选地，所述热电制冷器的正负极可切换。
可选地，所述TO封装底座包含侧壁和底板；
所述管脚分布地穿设在TO封装底座的侧壁中，且管脚上端和下端，分别超出TO封装底座侧壁的上表面和下表面。
可选地，所述VCSEL激光器和测温元件各自的正负极，与TO封装底座的管脚之间通过绑定的金线连接。
可选地，所述罩体内壁喷涂消光黑漆。
可选地，所述匀光片是石英玻璃，允许不同波长的激光透过。
本发明提出所述的VCSEL激光器TO封装结构，其优点和有益效果是：
本发明从VCSEL激光器TO封装结构本身、装配工艺等方面，进行了优化，同时采用热电制冷器为主动控温器件，可以更好地满足空间激光产品的实际应用需求。通过热电制冷器和测温元件，实现VCSEL激光器的主动温控；通过热沉上布置的器件和TO封装管脚之间飞金线连接，实现了VCSEL激光器的小型化TO封装；通过罩体和匀光片的设计，实现了VCSEL激光器的波段扩展；此外，该结构可保证散热通路上各界面良好接触，具有较高的制冷或加热效率。
附图说明
图1为本发明所述封装结构的爆炸图；
图2为本发明所述封装结构的外形图；
图3为本发明所述封装结构的剖视图；
图4a、图4b、图4c为TO封装底座和热电制冷器装配后俯视图、侧剖视图、仰视方向立体图；
图5为TO封装底座的管脚和其他元器件的连接图；
图6a、图6b为罩体和匀光片装配后的俯视和仰视方向的立体图；
图6c为罩体和匀光片装配后的侧剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
如图1～图3所示，本发明提出的可主动控温的VCSEL激光器TO封装结构，包含以下零部件：VCSEL激光器4、测温元件5、热沉3、热电制冷器2、TO封装底座1、罩体6和匀光片7。TO封装是在封装后管脚外露的直插形式。
其中，通过VCSEL激光器4、热沉3、热电制冷器2、TO封装底座1，构成了本封装结构的热回路。
所述TO封装底座1上方中央为热电制冷器2，二者连接界面焊接。热电制冷器2位于热沉3和TO封装底座1之间，其一端与TO封装底座1焊接，另一端涂覆导热胶后与热沉3粘接(参见图4a～图4c)。可以采用主动控温电路控制热电制冷器2的加热量或制冷量，从而保证VCSEL激光器4的工作温度恒定。
所述热沉3上方的中央固定VCSEL激光器4，二者共晶焊接，可以保证界面间良好的热量传递，并通过定位装置保证安装定位的准确性。测温元件5也同时固定在热沉3上方。热沉3上表面覆有绝缘层，将VCSEL激光器4和测温元件5二者隔开，避免电路短路。
所述测温元件5实时采集激光器温度，反馈给热电制冷器2，通过控制热电制冷器2的功率，调节热电制冷器2的加热量或制冷量，将VCSEL激光器4的温度控制在其适宜的温度范围，实现VCSEL激光器4的主动温控。
示例的测温元件5，选用小型的表贴式热敏电阻，温度测量准确；其环布在VCSEL激光光源附近，测得温度可近似为VCSEL激光器4发热部位温度。
所述TO封装底座1共有6根管脚11，分别和VCSEL激光器4、测温元件5、热电制冷器2各自的正负极连接，整个结构小型化、易安装。如图5所示，测温元件5的正极52和负极51，对应地连接管脚T1、管脚T2；VCSEL激光器4的正极53和负极54，对应地连接管脚T3、T4；其中，通过切换热电制冷器2的正负极，可以实现热电制冷器2的加热或制冷功能的转换。如图4a所示，热电制冷器2的正极和负极，分别通过导线55、56与管脚T5、T6连接。
这些管脚11与TO封装底座1的本体结构之间还设有绝热层。示例地，TO封装底座1包含侧壁和底板，这些管脚11分布地穿设在TO封装底座1的侧壁中，并且管脚11上端和下端，分别超出TO封装底座1侧壁的上表面和下表面。
示例地，VCSEL激光器4和测温元件5与TO封装底座1的管脚11之间通过绑定(bonding)的金线(俗称“飞金线”)连接，该方式牢固可靠，且由于管脚11和TO封装底座1结构之间绝热，避免了热回路的产生。
所述罩体6粘贴固定在TO封装底座1上，将VCSEL激光器4、测温元件5、热沉3、热电制冷器2，及TO封装底座1的上部，都罩在其内部，实现对VCSEL激光器4等内部封装的保护，消除了周边杂散光的干扰。
所述罩体6下部设有定位槽(见图6b)，用来与TO封装底座1固定。并且，罩体6与TO封装底座1上部还留有可供管脚11上端与绑定金线布置的空间。
罩体6的上表面开窗口，匀光片7粘贴固定于开窗处(见图6a～图6c)。示例的罩体6选用轻质复合材料，罩体6内壁喷涂消光黑漆，以增加激光光源的发射效率。
所述匀光片7采用定制的石英玻璃，可以透过不同波长的激光；通过罩体6和匀光片7的设计，实现了VCSEL激光器4的波段扩展，扩大了其应用范围。
本发明的结构组装完成后，该结构可模块化安装在电路板上，保证散热通路上各界面良好接触，具有较高的制冷或加热效率。本发明形成VCSEL激光器4-热沉3-热电制冷器2-TO封装底座1的热传导路径，保证了VCSEL激光器4发热部位的热量能良好地传递到整个结构底面。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，包含：VCSEL激光器(4)、热沉(3)、热电制冷器(2)、TO封装底座(1)、罩体(6)和匀光片(7)；
所述热电制冷器(2)固定连接在TO封装底座(1)和热沉(3)之间；所述VCSEL激光器(4)固定连接在热沉(3)上；通过所述VCSEL激光器(4)、热沉(3)、热电制冷器(2)、TO封装底座(1)，构成热传导的路径；
所述罩体(6)与TO封装底座(1)固定连接，将所述VCSEL激光器(4)、热沉(3)、热电制冷器(2)，以及TO封装底座(1)的上部，都置于罩体(6)内部；所述匀光片(7)设置在罩体(6)的表面开窗处。
2.如权利要求1所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述热电制冷器(2)的一端与所述TO封装底座(1)之间焊接；
所述热电制冷器(2)的另一端涂覆导热胶后与热沉(3)粘接；
所述热电制冷器(2)与主动控温电路连接；
所述VCSEL激光器(4)与热沉(3)之间共晶焊接。
3.如权利要求1所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述热沉(3)上还设置有测温元件(5)，将实时采集的温度反馈给热电制冷器(2)。
4.如权利要求3所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述测温元件(5)是表贴式热敏电阻；
所述测温元件(5)环布在VCSEL激光器(4)的激光光源附近，测得的温度近似为VCSEL激光器(4)发热部位的温度。
5.如权利要求3或4所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述热沉(3)的表面覆有绝缘层，将所述VCSEL激光器(4)和测温元件(5)隔开。
6.如权利要求3所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述TO封装底座(1)有多个管脚(11)，分别和所述VCSEL激光器(4)、测温元件(5)、热电制冷器(2)各自的正负极连接；
所述管脚(11)与TO封装底座(1)的本体结构之间设有绝热层。
7.如权利要求6所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述热电制冷器(2)的正负极可切换。
8.如权利要求6所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述TO封装底座(1)包含侧壁和底板；
所述管脚(11)分布地穿设在TO封装底座(1)的侧壁中，且管脚(11)上端和下端，分别超出TO封装底座(1)侧壁的上表面和下表面。
9.如权利要求8所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述VCSEL激光器(4)和测温元件(5)各自的正负极，与TO封装底座(1)的管脚(11)之间通过绑定的金线连接。
10.如权利要求1所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述罩体(6)内壁喷涂消光黑漆；
所述匀光片(7)是石英玻璃，允许不同波长的激光透过。
CN201911202216.5A 2019-11-29 2019-11-29 一种可主动控温的vcsel激光器to封装结构 Pending CN110867725A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911202216.5A CN110867725A (zh) 2019-11-29 2019-11-29 一种可主动控温的vcsel激光器to封装结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911202216.5A CN110867725A (zh) 2019-11-29 2019-11-29 一种可主动控温的vcsel激光器to封装结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110867725A true CN110867725A (zh) 2020-03-06

Family

ID=69656907

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911202216.5A Pending CN110867725A (zh) 2019-11-29 2019-11-29 一种可主动控温的vcsel激光器to封装结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110867725A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112103765A (zh) * 2020-11-13 2020-12-18 深圳市星汉激光科技有限公司 一种半导体激光器
CN112713493A (zh) * 2020-12-29 2021-04-27 华中光电技术研究所（中国船舶重工集团公司第七一七研究所） 可提高抗热损伤性能的半导体可饱和吸收镜及其制作方法
CN112952546A (zh) * 2021-03-15 2021-06-11 东莞先导先进科技有限公司 一种可控温的薄型vcsel激光器封装结构
CN113193473A (zh) * 2021-03-30 2021-07-30 北京工业大学 一种无磁化的vcsel激光器封装结构

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7436059B1 (en) * 2006-11-17 2008-10-14 Sun Microsystems, Inc. Thermoelectric cooling device arrays
CN201430345Y (zh) * 2009-07-04 2010-03-24 中北大学 垂直腔面发射激光器激光二极管的温度控制装置
CN101867150A (zh) * 2010-06-13 2010-10-20 山东神戎电子股份有限公司 用于夜视照明的半导体激光器
CN201887327U (zh) * 2010-10-15 2011-06-29 武汉华工正源光子技术有限公司 内置致冷器、温度可控的半导体激光器同轴to封装结构
CN103986058A (zh) * 2014-05-20 2014-08-13 深圳市易飞扬通信技术有限公司 垂直腔面发射激光器的罐形封装结构及方法
CN104201557A (zh) * 2014-08-28 2014-12-10 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 一种可调激光器的封装结构及其封装方法
CN204391482U (zh) * 2015-01-14 2015-06-10 中国工程物理研究院应用电子学研究所 一种激光器控温系统
CN105024276A (zh) * 2015-06-16 2015-11-04 山东大学 一种基于tec温控的半导体激光器的温度仿真方法
CN106848829A (zh) * 2017-04-17 2017-06-13 武汉盛为芯科技股份有限公司 一种垂直腔面发射同轴封装光电器件及其封装方法
CN107994456A (zh) * 2017-11-20 2018-05-04 大连艾科科技开发有限公司 To封装激光器及气体传感器
CN109187616A (zh) * 2018-06-27 2019-01-11 苏州华兴源创科技股份有限公司 基于tec的液晶屏的温度冲击装置和液晶屏测试方法
CN109768469A (zh) * 2019-01-22 2019-05-17 大连艾科科技开发有限公司 封装方法、激光器和气体检测装置

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7436059B1 (en) * 2006-11-17 2008-10-14 Sun Microsystems, Inc. Thermoelectric cooling device arrays
CN201430345Y (zh) * 2009-07-04 2010-03-24 中北大学 垂直腔面发射激光器激光二极管的温度控制装置
CN101867150A (zh) * 2010-06-13 2010-10-20 山东神戎电子股份有限公司 用于夜视照明的半导体激光器
CN201887327U (zh) * 2010-10-15 2011-06-29 武汉华工正源光子技术有限公司 内置致冷器、温度可控的半导体激光器同轴to封装结构
CN103986058A (zh) * 2014-05-20 2014-08-13 深圳市易飞扬通信技术有限公司 垂直腔面发射激光器的罐形封装结构及方法
CN104201557A (zh) * 2014-08-28 2014-12-10 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 一种可调激光器的封装结构及其封装方法
CN204391482U (zh) * 2015-01-14 2015-06-10 中国工程物理研究院应用电子学研究所 一种激光器控温系统
CN105024276A (zh) * 2015-06-16 2015-11-04 山东大学 一种基于tec温控的半导体激光器的温度仿真方法
CN106848829A (zh) * 2017-04-17 2017-06-13 武汉盛为芯科技股份有限公司 一种垂直腔面发射同轴封装光电器件及其封装方法
CN107994456A (zh) * 2017-11-20 2018-05-04 大连艾科科技开发有限公司 To封装激光器及气体传感器
CN109187616A (zh) * 2018-06-27 2019-01-11 苏州华兴源创科技股份有限公司 基于tec的液晶屏的温度冲击装置和液晶屏测试方法
CN109768469A (zh) * 2019-01-22 2019-05-17 大连艾科科技开发有限公司 封装方法、激光器和气体检测装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112103765A (zh) * 2020-11-13 2020-12-18 深圳市星汉激光科技有限公司 一种半导体激光器
CN112713493A (zh) * 2020-12-29 2021-04-27 华中光电技术研究所（中国船舶重工集团公司第七一七研究所） 可提高抗热损伤性能的半导体可饱和吸收镜及其制作方法
CN112952546A (zh) * 2021-03-15 2021-06-11 东莞先导先进科技有限公司 一种可控温的薄型vcsel激光器封装结构
CN113193473A (zh) * 2021-03-30 2021-07-30 北京工业大学 一种无磁化的vcsel激光器封装结构

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110867725A (zh) 一种可主动控温的vcsel激光器to封装结构
US20200287347A1 (en) Optical sub-module and optical module
KR100735432B1 (ko) 발광소자 패키지 및 발광소자 패키지 어레이
KR100629496B1 (ko) Ｌｅｄ 패키지 및 그 제조방법
US8124998B2 (en) Light emitting device package
JP3998027B2 (ja) Ｌｅｄを用いた照明器具
US20150116809A1 (en) Optical module
JP2016225457A (ja) 半導体装置用ステム及び半導体装置
CN101995624A (zh) 具有陶瓷封装的光学模块
CN208334718U (zh) 水平式光通讯次组件的散热结构
CN112234429B (zh) 多通道激光发射器和光通信器件
CN102377104A (zh) 具有陶瓷封装的光学模块
JP2023096036A (ja) 発光装置
JP2006324524A (ja) 発光モジュール
CN104319620B (zh) 用于光发射组件的装置以及光发射组件
JP2020178038A (ja) 半導体装置用ステム及び半導体装置
US6894314B2 (en) Optical power monitoring for a semiconductor laser device
JP2008153467A (ja) 発光モジュール
JP2010103193A (ja) 光モジュール及びその製造方法
US7103284B2 (en) Light-emitting module
JP2015226017A (ja) 半導体発光装置およびその製造方法
JP2008153529A (ja) 光送信器
JP2528402Y2 (ja) 光モジュールの熱交換構造
JP6485518B2 (ja) 半導体発光装置およびその製造方法
CN112885939B (zh) 封装结构、电子设备的发射装置及电子设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200306