CN111740310B - 一种实现半导体激光器芯片锁波中无跳模的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种实现半导体激光器芯片锁波中无跳模的方法，解决现有单管芯片的光谱出现跳膜现象，而该现象会在VBG锁波过程引起无法锁波的问题。本发明的方法包括以下步骤：步骤一、在辅助热沉的上表面设置多个沟槽，且多个沟槽等距设置；步骤二、将贴有单管芯片的陶瓷热沉贴装到辅助热沉的上表面；步骤三、将辅助热沉安装到光纤的组件上。同时，本发明无跳模半导体激光器包括依次叠加设置的单管芯片、陶瓷热沉和辅助热沉，辅助热沉与陶瓷热沉贴合的表面设置有多个沟槽，且多个沟槽等距设置。本发明方法在辅助热沉上进行沟槽设计，沟槽可以在COS贴装到辅助热沉上时进行应力的释放，以获得较好的光谱，然后可以进行VBG锁波。

Description

一种实现半导体激光器芯片锁波中无跳模的方法
技术领域
本发明属于半导体、光纤激光器领域，具体涉及一种实现半导体激光器芯片锁波中无跳模的方法。
背景技术
光纤激光器广泛应用于激光光纤通信、工业造船、工业造船、汽车制造、激光雕刻、激光打标、激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接等领域，随着智能化和微型化的发展，半导体激光器逐渐成为光纤激光器的主要泵源。半导体激光器的芯片有巴条和单管两种款式，而高功率单管芯片在空间合束、波长合束及偏振合束等技术的发展下逐渐成为光纤激光器的主要泵源。
高功率半导体激光器单管芯片的封装主要分为三个步骤：第一步、将单管芯片封装在AlN陶瓷(Chip on sub-mount，COS)热沉上；第二步、将贴有单管芯片的AlN陶瓷热沉贴装到铜辅助热沉上；第三步、将铜辅助热沉安装到光纤的组件上，调试光路，如加体布拉格光栅(Volume Bragg Grating，VBG)进行锁波以获得高功率、高效率和更高的温度稳定性。
但是，以上结构存在以下问题：如图1所示，高功率半导体激光器单管芯片的封装或结构会导致单管芯片的光谱出现跳模现象，而该现象会在VBG锁波过程引起无法锁波的问题。目前对于封装后的芯片出现的跳模现象并无较好的解决方案，主要是通过调整封装工艺减轻跳模现象，但不同厂家和不同批次的芯片对应的封装工艺也是不同的，需要作出大量实验来找出适合某个批次的封装工艺。
发明内容
本发明的目的是解决现有单管芯片的光谱出现跳膜现象，而该现象会在VBG锁波过程引起无法锁波的问题，提供一种实现半导体激光器芯片锁波中无跳模的方法。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案是：
一种实现半导体激光器芯片锁波中无跳模的方法，包括以下步骤：
步骤一、在辅助热沉的上表面设置多个沟槽，且多个沟槽等距设置；
步骤二、将贴有单管芯片的陶瓷热沉贴装到辅助热沉的上表面；
步骤三、将辅助热沉安装到光纤的组件上。
同时，本发明还提供一种无跳模半导体激光器，包括依次叠加设置的单管芯片、陶瓷热沉和辅助热沉，所述辅助热沉与陶瓷热沉贴合的表面设置有多个沟槽，且多个沟槽等距设置。
进一步地，所述沟槽为直线沟槽或曲线沟槽。
进一步地，所述沟槽的横截面形状为矩形、V形、梯形或半圆形。
进一步地，多个沟槽沿同一方向排布，或者多个沟槽在不同方向交错排布。
进一步地，所述沟槽的占空比范围为20％～60％，槽宽为辅助热沉宽度的2％～10％之间。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下技术效果：
1.本发明实现半导体激光器芯片锁波中无跳模的方法在辅助热沉上进行沟槽设计，沟槽可以在COS贴装到辅助热沉上时进行应力的释放，以获得较好的光谱，然后可以进行VBG锁波。
2.本发明实现半导体激光器芯片锁波中无跳模的方法在辅助热沉进行沟槽设计，该技术手段简单，易于实现。由于在芯片封装过程中会有升温和降温阶段，在温度变化中，不同材料的热膨胀系数不同，所以会产生一定的应力，而应力将会引起半导体激光器芯片波长跳动，若将封装的辅助热沉进行沟槽设计，可以大大降低甚至消除应力，从而达到锁波的效果。相对于调整封装工艺参数来应对不同批次的芯片来说，沟槽式的热沉将从根本上解决锁波过程中的跳模现象。
3.本发明方法不仅解决了锁波过程中的跳膜现象，由于热沉为沟槽设计，还增加了芯片的散热面积，提高了散热性能，进而可以提高芯片的可靠性。
附图说明
图1为现有COS封装后测试的光谱示意图；
图2为本发明辅助热沉设置沟槽后的截面示意图；
图3为本发明辅助热沉的结构示意图；
图4为本发明实施例一的结构示意图；
图5为本发明实施例二的结构示意图；
图6为本发明实施例三的结构示意图；
图7为本发明实施例四的结构示意图；
图8为本发明实施例五的结构示意图。
附图标记：1-辅助热沉，2-沟槽。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：
高功率半导体激光器单管芯片的光谱会出现跳模现象，而该现象会在VBG锁波过程引起无法锁波的问题。基于该问题，申请人发现，辅助热沉是一整块铜块或者铜板的平板时，将COS贴装到辅助热沉时会产生较大的应力，该应力会导致单管芯片的光谱出现跳动，也就是跳模现象，而该现象会在VBG锁波过程引起无法锁波的问题。基于上述发现，本发明将辅助热沉进行沟槽设计，沟槽设计可以在COS贴装到辅助热沉上时进行应力的释放，以获得较好的光谱，然后可以进行VBG锁波。
基于上述原理，本发明提供一种实现半导体激光器芯片锁波中无跳模的方法，包括以下步骤：
步骤一、在辅助热沉的上表面设置多个沟槽，且多个沟槽等距设置；
步骤二、将贴有单管芯片的陶瓷热沉贴装到辅助热沉的上表面；
步骤三、将辅助热沉安装到光纤的组件上。
同时，如图2所示，本发明还一种无跳模半导体激光器，包括依次叠加设置的单管芯片、陶瓷热沉和辅助热沉1，辅助热沉与AlN陶瓷贴合的表面设置有多个沟槽2，且多个沟槽2等距设置，上述陶瓷热沉具体可为AlN陶瓷热沉，辅助热沉1具体可为铜辅助热沉。
由于在芯片封装过程中会有升温和降温阶段，在温度变化中，不同材料的热膨胀系数不同，所以会产生一定的应力，而应力将会引起半导体激光器芯片波长跳动，若将封装的热沉进行沟槽设计，可以封装过程引入的应力导进沟槽结构进行应力释放，从而大大降低或消除封装引入的应力，达到稳定半导体激光器芯片的波长，波长与模式是相对应的，光谱模式稳定从而达到锁波的效果。
本发明沟槽具体可以为直线沟槽或曲线沟槽，直线沟槽具体可为V字形、菱形、梯形等图案，曲线沟槽具体可为波浪形、同心圆，半圆形等图案。
本发明对沟槽的横截面形状不做限定，具体可为矩形、V形、梯形或半圆形等形状的沟槽，本发明实施一至实施五中以矩形槽举例，并获得较好的结果，但其他形状的沟槽可以通过设计达到同样的效果。
本发明沟槽的占空比范围为20％～60％，槽宽为辅助热沉宽度的2％～10％之间，在矩形沟槽的实施方案中，沟槽占空比为30％，槽宽为辅助热沉宽度的5％，获得较好的效果，在30％沟槽占空和槽宽为辅助热沉5％时，封装应力得到较好地释放。
本发明方法在辅助热沉上设置沟槽时，沟槽的具体排布如下：多个沟槽可沿同一方向排布，或者多个沟槽可在不同方向交错排布。例如，若沟槽为直线沟槽，则沟槽的方向与辅助热沉的长度方向平行，或者与辅助热沉的宽度方向平行；或者，多个沟槽交错设置，一个方向的沟槽与辅助热沉的长度方向平行，另一个方向的沟槽与辅助热沉的宽度方向平行；当然也可将沟槽的方向与辅助热沉的长度方向或宽度方向呈一定角度设置。
实施例一
如图3所示，辅助热沉为一个长方体(a×b×c)，如图4所示，在COS贴装的那个表面(a边和c边组成的上表面)上进行沟槽设计，沟槽为直线沟槽，沟槽的方向平行于a边。
实施例二
如图5所示，在COS贴装的那个表面(a边和c边组成的上表面)上进行沟槽设计，沟槽为直线沟槽，沟槽的方向平行于c边。
实施例三
如图6所示，在COS贴装的那个表面(a边和c边组成的上表面)上进行沟槽设计，沟槽为直线沟槽，沟槽的方向平行于a与c边。
实施例四
如图7所示，在COS贴装的那个表面上进行沟槽设计，沟槽为波浪形沟槽，沟槽的方向与a边为45度。
实施例五
如图8所示，在COS贴装的那个表面上进行沟槽设计，沟槽为波浪形沟槽，沟槽的方向与a边为60度。

Claims (4)

1.一种实现半导体激光器芯片锁波中无跳模的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在辅助热沉的上表面设置多个沟槽，且多个沟槽等距设置；
所述沟槽为直线沟槽或曲线沟槽，多个沟槽沿同一方向排布，或者多个沟槽在不同方向交错排布；所述沟槽的占空比范围为20％～60％，槽宽为辅助热沉宽度的2％～10％之间；
步骤二、将贴有单管芯片的陶瓷热沉贴装到辅助热沉的上表面；
步骤三、将辅助热沉安装到光纤的组件上。
2.根据权利要求1所述的实现半导体激光器芯片锁波中无跳模的方法，其特征在于：步骤一中，所述沟槽的横截面形状为矩形、V形、梯形或半圆形。
3.一种无跳模半导体激光器，包括依次叠加设置的单管芯片、陶瓷热沉和辅助热沉，其特征在于：所述辅助热沉与陶瓷热沉贴合的表面设置有多个沟槽，且多个沟槽等距设置；所述沟槽为直线沟槽或曲线沟槽，多个沟槽沿同一方向排布，或者多个沟槽在不同方向交错排布；所述沟槽的占空比范围为20％～60％，槽宽为辅助热沉宽度的2％～10％之间。
4.根据权利要求3所述的无跳模半导体激光器，其特征在于：所述沟槽的横截面形状为矩形、V形、梯形或半圆形。
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