CN112713496A - 一种高速激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高速激光器，所述激光器包括壳体，所述壳体内设置有激光芯片热沉、激光器芯片、背光探测芯片、探测芯片热沉和热电制冷器，所述壳体内同轴封装有管座和管帽，所述热电制冷器一侧设置在所述管座上，另一侧设置在基板下方，所述基板上方设置有所述激光芯片热沉、所述探测芯片热沉和热敏电阻，所述激光器芯片贴装在所述激光芯片热沉上，所述背光探测芯片贴装在所述探测芯片热沉上；所述热电制冷器包括半导体制冷片、导热片和散热片，导体制冷片固定在导热片以及散热片之间，所述半导体制冷片与所述导热片以及所述散热片之间均填充有绝缘导热胶体，从而提高制冷效果，避免啁啾效应，使激光器实现高速、长距离稳定波长地传输。

Description

一种高速激光器

技术领域

本发明属于光通信器件技术领域，尤其涉及一种高速激光器。

背景技术

半导体激光器是光纤通信中的光源器件，具有电光直接转换、响应速度快、体积小、寿命长等特点。半导体激光器信号的调制方式主要有直接调制激光器(DFB激光器)和外调制激光器(EML激光器)两种。直接调制激光器是通过改变输入电流来调制激光器的输出，DFB激光器由于具有动态单模、响应速度快的特点，已经成为光纤通信中的主要光源。

通常情况下，DFB激光器如果没有进行温度控制，容易产生啁啾(Chirp)效应，难以实现波分复用达到长距传输。现有的半导体激光器采用TO同轴封装结构，通过封装制冷器于DFB激光发射器内部，达到温度精准控制、抑制啁啾的目的。

但是，该结构仅通过热电制冷器来控制激光发射器的工作温度，而现有的热电制冷器存在的一个不足就是热电转换率低，冷端与热端的制冷温差较小，制冷效率低。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种高速激光器，通过在激光器内置高精度的微型热电制冷器，提高制冷效果，避免啁啾(Chirp)效应，使激光器实现高速、长距离稳定波长地传输。

为实现上述目的，本发明提出一种高速激光器，包括壳体，所述壳体内设置有激光芯片热沉、激光器芯片、背光探测芯片、探测芯片热沉和热电制冷器，所述壳体内采用TO封装结构同轴封装有管座和管帽，所述热电制冷器一侧设置在所述管座上，另一侧设置在基板下方，所述基板上方设置有所述激光芯片热沉、所述探测芯片热沉和热敏电阻，所述激光器芯片贴装在所述激光芯片热沉上，所述背光探测芯片贴装在所述探测芯片热沉上；

所述热电制冷器包括半导体制冷片、导热片和散热片，所述半导体制冷片固定在所述导热片以及所述散热片之间，所述半导体制冷片与所述导热片以及所述散热片之间均填充有绝缘导热胶体，所述导热片与所述基板连接。

优选地，所述热电制冷器还包括隔热垫片，所述隔热垫片粘接在所述散热片位于所述半导体制冷片的同一侧，且所述半导体制冷片位于所述隔热垫片的内侧，所述隔热垫片远离所述热端导热片的一侧与所述导热片接触。

优选地，所述散热片外侧设置有若干散热翅片。

优选地，所述绝缘导热胶体为导热硅脂，所述半导体制冷片的冷端通过所述导热硅脂粘接固定在所述导热片的一侧，所述半导体制冷片的热端通过所述导热硅脂粘接固定在所述散热片的一侧。

优选地，所述半导体制冷片包括若干成对的P-N结构以及导电接片，每对所述P-N结构包括一个P型电极和一个N型电极，所述P型电极与所述N型电极交替设置。

优选地，所述导热片和所述散热片采用铝合金或铜材质制成。

优选地，所述壳体上贴装有温度传感器，所述温度传感器用于检测所述壳体的温度，所述温度传感器为负温度系数热敏电阻。

优选地，所述基板采用钨铜基板。

优选地，所述热电制冷器通过环氧胶贴装到所述管座上，所述热敏电阻和所述背光探测芯片均采用环氧胶贴装。

优选地，所述管座外侧设置有若干个与外部系统电连接的引脚，所述管帽上设置有透镜，所述激光器芯片设置在所述管帽内，所述激光器芯片的出光光轴与所述管座的中心轴线以及所述管帽的透镜光轴同轴设置。

本发明提供的高速激光器采用TO-8封装结构，激光器的腔体由管座、壳体和适配器组成，腔体内的管座、管帽以及激光器芯片同轴安装，以便得到更好的耦合效率，减小封装体积；热敏电阻用来探测激光器芯片的工作温度，激光器芯片工作温度的变化会引起热敏电阻阻值的变化，该变化通过电路传输至热电制冷器的控制电路，控制电路通过调节热电制冷器的输入电流控制激光发射器的工作温度；热电制冷器包括半导体制冷片、导热片和散热片，半导体制冷片与导热片以及散热片之间均设置有绝缘导热胶体，能有效提高制冷效率，该热电制冷器低功耗且温度稳定，能对激光器的温度进行精准控制，有效抑制啁啾效应，本发明的高速激光器采用了同轴封装，体积小，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种高速激光器的整体结构示意图；

图2为本发明提供的一种高速激光器的热电制冷器原理示意图；

图3为本发明提高的一种高速激光器的半导体制冷片位置示意图。

附图标号说明：

1、壳体；2、激光芯片热沉；3、激光器芯片；4、背光探测芯片；5、探测芯片热沉；6、热电制冷器，61、半导体制冷片，62、导热片，63、散热片，64、绝缘导热胶体，65、隔热垫片，66、散热翅片；7、管座；8、管帽；9、基板；10、热敏电阻；11、温度传感器；12、引脚。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1和图2所示，一种高速激光器，包括壳体1，所述壳体1内设置有激光芯片热沉2、激光器芯片3、背光探测芯片4、探测芯片热沉5和热电制冷器6，所述壳体1内采用TO封装结构同轴封装有管座7和管帽8，所述热电制冷器6一侧设置在所述管座7上，另一侧设置在基板9下方，所述基板9上方设置有所述激光芯片热沉2、所述探测芯片热沉5和热敏电阻10，所述激光器芯片3贴装在所述激光芯片热沉2上，所述背光探测芯片4贴装在所述探测芯片热沉5上；

所述热电制冷器6包括半导体制冷片61、导热片62和散热片63，所述半导体制冷片61固定在所述导热片62以及所述散热片63之间，所述半导体制冷片61与所述导热片62以及所述散热片63之间均填充有绝缘导热胶体64，所述导热片62与所述基板9连接。

激光器的热电制冷技术是在激光芯片的热沉下方贴装一只热电制冷器6，热电制冷器6的下方紧贴着密封TO管座7，使芯片能够更好的散热。热电制冷器6能够精确控制芯片的温度，因为激光器芯片3的工作温度与波长一一对应，在激光器里面通过控制其芯片的温度，便可确保其激光发射的波长能够稳定，稳定的波长能够提高激光器的传输距离。

本发明提供的激光器采用TO-8封装结构，激光器的腔体由管座7、壳体1和适配器组成，管座7需满足2.5G通信传输速率，腔体内的管座7、管帽8以及激光器芯片3须同轴安装，以便得到更好的耦合效率，减小封装体积；背光探测芯片4用来监测激光器芯片3的工作状态，因此，背光探测芯片4和激光器芯片3应贴装成一定角度，优选地，角度范围为6°～8°，可得到最佳的背光电流，且不会引入反射光。热电制冷器6通过环氧胶贴装在管座7上，激光器芯片3通过金锡焊料贴装到激光芯片热沉2上，然后金锡焊接在基板9上，背光探测芯片4通过环氧胶贴装在探测芯片热沉5上，然后贴装到基板9上，再将基板9银胶粘贴到热电制冷器6上，对半导体激光芯片及其热沉进行金线键合时要求进行多线平等键合，以达到减少电感，提高频率传输性能，然后把管帽8焊接到底座上，完成产品的封帽。

热敏电阻10用来探测激光器芯片3的工作温度，激光器芯片3工作温度的变化会引起热敏电阻10阻值的变化，该变化通过电路传输至热电制冷器6的控制电路，控制电路通过调节热电制冷器6的输入电流控制激光发射器的工作温度。

本发明提供的高速激光器的热电制冷器6包括半导体制冷片61、导热片62和散热片63，半导体制冷片61与导热片62以及散热片63之间均设置有绝缘导热胶体64，此种热电制冷器6的结构提高了热电制冷器6的制冷效率，该热电制冷器6低功耗且温度稳定，能对激光器的温度进行精准控制，有效抑制啁啾效应，本发明的高速激光器采用了同轴封装，体积小，成本低。

请参照图3，所述热电制冷器6还包括隔热垫片65，所述隔热垫片65粘接在所述散热片63位于所述半导体制冷片61的同一侧，且所述半导体制冷片61位于所述隔热垫片65的内侧，所述隔热垫片65远离所述散热片63的一侧与所述导热片62接触。

如图2所示，所述散热片63外侧设置有若干散热翅片66。

本实施例中，隔热垫片65和散热翅片66的设置，进一步提高了热电制冷器6的制冷效果，保证半导体制冷片61正常运行，延长了半导体制冷片61的使用寿命。

具体的，所述绝缘导热胶体64为导热硅脂，所述半导体制冷片61的冷端通过所述导热硅脂粘接固定在所述导热片62的一侧，所述半导体制冷片61的热端通过所述导热硅脂粘接固定在所述散热片63的一侧。

本实施例中，采用导热硅脂作为绝缘导热胶体64，导热性能更好，导热硅脂是一种高导热绝缘有机硅材料，耐高低温，具有高导热率和极佳的导热性，可以保证半导体制冷片61和激光器芯片3的稳定使用。

具体的，所述半导体制冷片61包括若干成对的P-N结构以及导电接片，每对所述P-N结构包括一个P型电极和一个N型电极，所述P型电极与所述N型电极交替设置。

本实施例中，P-N结构的P型电极和N型电极交替设置，掺杂五价杂质元素和三价杂质元素形成P型电极和N型电极，形成具有具有珀耳帖效应的半导体结构，相邻的P-N结构之间通过顶部或底部的金属材料相互连接，P-N结构中P型电极和N型电极彼此间形成交互形式的连接结构，确保整个P-N结构中直流电通入的方向相同，使P-N结构的顶部结点处都产生吸热现象，底部结点处产生放热现象。P-N结构最外层的P型电极或者N型电极通过金属引线向外延伸，作为接触电极，热电制冷器6的电极通过金属引线向外延伸，由外接电源对热电制冷器6进行供电，使热电制冷器6和激光器能同时工作。

具体的，所述导热片62和所述散热片63采用铝合金或铜材质制成。

本实施例中，采用铝合金或铜材质制成导热片62和散热片63，代替陶瓷片，优化了生产成本，同时，免去陶瓷片的设置，可降低传热热阻，提高制冷效率，减小热电制冷器6工作时的电流和电力消耗。

参见图1，所述壳体1上贴装有温度传感器11，所述温度传感器11用于检测所述壳体1的温度，所述温度传感器11为负温度系数热敏电阻10。

本实施例中，温度传感器11用于检测激光器壳体1的温度，并输出壳体1温度检测信号至热电制冷器6的控制电路，控制电路利用温度传感器11输出的壳体1温度检测信号调整激光器温度的设定值，将热敏电阻10输出的激光器芯片3温度与经过调整的激光器温度的设定值比较，根据比较结构控制热电制冷器6的电流大小和方向。

具体的，所述基板9采用钨铜基板9，所述热电制冷器6通过环氧胶贴装到所述管座7上，所述热敏电阻10和所述背光探测芯片4均采用环氧胶贴装。

具体的，所述管座7外侧设置有若干个与外部系统电连接的引脚12，所述管帽8上设置有透镜，所述激光器芯片3设置在所述管帽8内，所述激光器芯片3的出光光轴与所述管座7的中心轴线以及所述管帽8的透镜光轴同轴设置。

本实施例中，本发明的高速激光器采用标准TO封装，大幅减小激光器组件体积，降低生产成本，激光器芯片3的出光光轴与管座7的中心轴线以及管帽8的透镜光轴同轴设置，以得到最佳的耦合效率，并减小封装体积，本发明通过在激光器内设置高精度的微型热电制冷器6，及时高效地散去激光器组件内部大量的热量，稳定激光器芯片3的工作温度，使激光器实现高速、长距离稳定波长地传输，本发明通过控制传统激光器的啁啾效应，采用温度控制获得波长的稳定，由此实现DFB激光器的波分复用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高速激光器，包括壳体(1)，所述壳体(1)内设置有激光芯片热沉(2)、激光器芯片(3)、背光探测芯片(4)、探测芯片热沉(5)和热电制冷器(6)，其特征在于，所述壳体(1)内采用TO封装结构同轴封装有管座(7)和管帽(8)，所述热电制冷器(6)一侧设置在所述管座(7)上，另一侧设置在基板(9)下方，所述基板(9)上方设置有所述激光芯片热沉(2)、所述探测芯片热沉(5)和热敏电阻(10)，所述激光器芯片(3)贴装在所述激光芯片热沉(2)上，所述背光探测芯片(4)贴装在所述探测芯片热沉(5)上；

所述热电制冷器(6)包括半导体制冷片(61)、导热片(62)和散热片(63)，所述半导体制冷片(61)固定在所述导热片(62)以及所述散热片(63)之间，所述半导体制冷片(61)与所述导热片(62)以及所述散热片(63)之间均填充有绝缘导热胶体(64)，所述导热片(62)与所述基板(9)连接。

2.如权利要求1所述的高速激光器，其特征在于，所述热电制冷器(6)还包括隔热垫片(65)，所述隔热垫片(65)粘接在所述散热片(63)位于所述半导体制冷片(61)的同一侧，且所述半导体制冷片(61)位于所述隔热垫片(65)的内侧，所述隔热垫片(65)远离所述散热片(63)的一侧与所述导热片(62)接触。

3.如权利要求2所述的高速激光器，其特征在于，所述散热片(63)外侧设置有若干散热翅片(66)。

4.如权利要求3所述的高速激光器，其特征在于，所述绝缘导热胶体(64)为导热硅脂，所述半导体制冷片(61)的冷端通过所述导热硅脂粘接固定在所述导热片(62)的一侧，所述半导体制冷片(61)的热端通过所述导热硅脂粘接固定在所述散热片(63)的一侧。

5.如权利要求2所述的高速激光器，其特征在于，所述半导体制冷片(61)包括若干成对的P-N结构以及导电接片，每对所述P-N结构包括一个P型电极和一个N型电极，所述P型电极与所述N型电极交替设置。

6.如权利要求5所述的高速激光器，其特征在于，所述导热片(62)和所述散热片(63)采用铝合金或铜材质制成。

7.如权利要求6所述的高速激光器，其特征在于，所述壳体(1)上贴装有温度传感器(11)，所述温度传感器(11)用于检测所述壳体(1)的温度，所述温度传感器(11)为负温度系数热敏电阻(10)。

8.如权利要求1所述的高速激光器，其特征在于，所述基板(9)采用钨铜基板(9)。

9.如权利要求1所述的高速激光器，其特征在于，所述热电制冷器(6)通过环氧胶贴装到所述管座(7)上，所述热敏电阻(10)和所述背光探测芯片(4)均采用环氧胶贴装。

10.如权利要求9所述的高速激光器，其特征在于，所述管座(7)外侧设置有若干个与外部系统电连接的引脚(12)，所述管帽(8)上设置有透镜，所述激光器芯片(3)设置在所述管帽(8)内，所述激光器芯片(3)的出光光轴与所述管座(7)的中心轴线以及所述管帽(8)的透镜光轴同轴设置。

Images