CN117394130A - 一种采用倒装焊的多波长阵列激光器装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用倒装焊的多波长阵列激光器装置及其制备方法，包括由下至上依次叠设的衬底、缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、光栅层、InP缓冲层、腐蚀阻挡层、波导层和接触层；其中光栅层由激光器光栅构成，采用基于重构等效啁啾技术的非对称等效相移的光栅结构，激光器腔面两端分别采用HR镀膜、AR镀膜，将光栅等效相移位置于HR镀膜端面1/5腔长处，且激光器光栅具有光栅周期线性渐变；本发明的激光器倒装焊在特殊制作的过渡热沉上。本发明能改善多波长半导体激光器阵列的散热性能，降低激光器芯片的温升。本发明具有多通道阵列同时出光、结温低、输出光功率高、结构简单、集成度高等特性。
Description
技术领域
本发明涉及阵列激光器技术领域，具体涉及一种采用倒装焊的多波长阵列激光器装置及其制备方法。
背景技术
多波长半导体激光阵列在光纤通信系统的密集波分复用(DWDM)中具有重要意义，在并行光互连的片上数据传输平台中也不可或缺。激光阵列作为DWDM系统和并行光互连的核心元件，在满足通信和数据传输网络日益增长的带宽需求方面具有广阔的应用前景。单片集成激光阵列小型化、高可靠性和低成本的趋势推动了高性能光子网络和数据传输中光互连的发展。对于半导体激光阵列，可以实现稳定的单纵模激光工作和阵列中各通道的高输出功率。对于HR-AR镀膜的DFB激光阵列，可以实现高功率的输出，但是其单模特性会受HR端相位的影响。
此外，由于半导体激光器在工作中会产生大量的热，使得激光器芯片温度上升，激光器温度升高会导致其中心波长发生偏移、谱宽的展宽、输出功率降低以及可靠性下降等问题。如果不在器件能承受的时间段内散去这部分废热，势必对半导体激光器产生很严重的损害，主要体现在有源区温度(结温)的升高、阈值电流的升高、转换效率降低、激光器波长发生严重温漂等，严重时会使激光器的寿命减少甚至失效，激光器的散热问题已经成为了半导体激光器输出功率提高的最大阻碍之一，是半导体激光器必须要解决的问题。
目前，尚缺乏一种集成度高、结构简单、散热好、结温低、单模特性好的多波长阵列激光器装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用倒装焊的多波长阵列激光器装置及其制备方法，改善多波长半导体激光器阵列的散热性能，降低激光器芯片的温升。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种采用倒装焊的多波长阵列激光器装置，包括由下至上依次叠设的衬底、缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、光栅层、InP缓冲层、腐蚀阻挡层、波导层和接触层；其中光栅层由激光器光栅构成，采用基于重构等效啁啾技术的非对称等效相移的光栅结构，且激光器光栅具有光栅周期线性渐变；将激光器倒装焊在过渡热沉上，过渡热沉的基底材料采用AlN陶瓷，在基底材料上制作Tiw/Ni/Au金属电极图案，并在金属电极图案上方设有AuSn焊料。
为优化上述技术方案，采取的具体措施/限定还包括：
进一步地，激光器腔面两端分别采用HR镀膜、AR镀膜。
进一步地，将光栅等效相移位置于HR镀膜端面1/5腔长处，
进一步地，所述的多量子阱层作为增益介质覆盖多波长阵列激光器的波长输出范围。
进一步地，所述的衬底为n型掺杂的衬底，所述的下限制层为n型掺杂和不掺杂的限制层。
进一步地，所述的多量子阱层为InGaAlAs多量子阱。
作为优选地方案，所述的AuSn焊料中，以质量百分数计，Au组分占80％、Sn组分占20％。
本发明还保护上述的采用倒装焊的多波长阵列激光器装置的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在衬底上通过金属有机化合物气相沉积依次生长缓冲层和下限制层，然后再在下限制层上生长多量子阱层，在多量子阱层上生长上限制层，然后在上限制层上方生长光栅层；
步骤二、光栅层为激光器光栅，采用重构等效啁啾技术设计，通过调整取样周期来设置激射波长光栅周期渐变，将光栅等效相移位置于HR镀膜端面1/5腔长处；
步骤三、在光栅层上方生长InP缓冲层，用于对光栅层掩埋，然后在InP缓冲层上依次生长腐蚀阻挡层、波导层和接触层，得到多波长阵列激光器；
步骤四、在烧结的AlN陶瓷上蒸镀Tiw/Ni/Au金属膜层，在金属膜层上方蒸镀AuSn焊料，得到过渡热沉；
步骤五、加热至290-320℃，将多波长阵列激光器以倒装焊的方式焊接在过渡热沉上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用基于重构等效啁啾技术与非对称相移的光栅设计实现精准的阵列波长控制与稳定的单模工作；本发明的激光器采用非对称相移的光栅结构，能够抑制随机相位的影响；将光栅等效相移位置于HR镀膜端面1/5腔长处，通过分别对单颗激光器的取样周期设计，指定通道间隔的多波长激光器阵列，单颗激光器采用单一电极加电方式，阵列激光器可以实现同时点亮，实现各波长平坦化输出。
本发明将多波长激光器倒装焊至特制的过渡热沉上，能够有效降低激光器阵列热阻和结温，实现多波长阵列激光器更好的散热与更高效率的工作；本发明还通过对过渡热沉材料的选择和结构优化、焊料的制备以及焊接工艺的优化，以减小热阻、降低有源区温度、提高光谱质量和降低封装热应力，能够提高多波长半导体激光器阵列的散热性能和机械性能，实现多波长半导体激光器阵列良好散热。
本发明通过理论分析和实验，验证了倒装焊设计能有效降低激光器阵列热阻和结温，实现了多波长阵列激光器更好的散热与更高效率的工作，为多波长半导体激光器阵列良好散热的设计提供了参考意义。
本发明的阵列激光器具有良好的散热性、多波长输出、结构简单、功耗低、集成度高等特性。
附图说明
图1为本发明的多波长阵列激光器的单元光栅的结构示意图。
图2为本发明的多波长阵列激光器的结构示意图。
图3为本发明的过渡热沉的结构示意图。
图4为本发明采用倒装焊的多波长阵列激光器装置的装配结构图。
图5为本发明采用倒装焊的多波长阵列激光器装置的实物图。
图6为本发明采用倒装焊的多波长阵列激光器装置的测试光谱图(左)和P-I曲线图(右)。
具体实施方式
以下通过实施例的形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
本发明提供了一种采用倒装焊的多波长阵列激光器装置，包括由下至上依次叠设的衬底、缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、光栅层、InP缓冲层、腐蚀阻挡层、波导层和接触层；
其中光栅层由激光器光栅构成，采用基于重构等效啁啾技术的非对称等效相移的光栅结构，抑制HR端镀膜引入的随机相位对单模特性的影响，保证激光器阵列的单模特性，光栅结构和光栅之间的相移结构，采用重构等效啁啾技术实现，利用等效光栅结构实现等效线性渐变。
本发明通过特殊设计的过渡热沉和激光器阵列的装配，单颗激光器采用单一电极加电方式，阵列激光器可以实现同时点亮，实现各波长平坦化输出。
本发明中包括以下设计：
激光器腔面一端采用HR镀膜，另一端采用AR镀膜；激光器阵列的两端镀膜采取增透膜(Anti-reflection Coating,AR Coating)与高反膜(High-reflection Coating)的膜系能够提高激光器阵列的输出功率；
将光栅等效相移位置于HR镀膜端面1/5腔长处(此处的腔是指谐振腔)；
激光器光栅具有光栅周期线性渐变，通过分别对激光器阵列的取样周期进行设计，实现指定通道间隔的激光器阵列；
多量子阱层作为增益介质覆盖多波长阵列激光器的波长输出范围，多量子阱作为增益介质，提供所需增益，增益谱设计覆盖波长输出范围；优选地，多量子阱层为InGaAlAs多量子阱；
衬底为n型掺杂的衬底，下限制层为n型掺杂和不掺杂的限制层。
本发明将激光器倒装焊在过渡热沉上，并提供了特殊设计的过渡热沉：过渡热沉的基底材料采用AlN陶瓷，在基底材料上制作特殊设计的Tiw/Ni/Au金属电极图案，并在所设计的金属电极图案上方设有AuSn焊料。
具体的，过渡热沉的金属材料Tiw/Ni/Au中，TiW主要作为粘附层，增强金属膜层与AlN基底的粘附性；Ni金属作为阻挡层，防止金属间的扩散，增强焊接的可靠性；Au作为导电层，主要用于导电与金线的键合；该过渡热沉的焊接位置与芯片匹配，焊接处焊料为Au80Sn20合金，均匀适量涂覆，熔点在300度左右；所采用的AuSn焊料焊接时孔隙少，致密性好，因此具备较低的热阻；上述过渡热沉与芯片的P面焊接在一起，使有源区温度可得到有效的降低。优选地，AuSn焊料中，以质量百分数计，Au组分占80％、Sn组分占20％。
本发明还提供了采用倒装焊的多波长阵列激光器装置的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在衬底上通过金属有机化合物气相沉积依次生长缓冲层和下限制层，然后再在下限制层上生长多量子阱层，在多量子阱层上生长上限制层，然后在上限制层上方生长光栅层；
步骤二、光栅层为激光器光栅，采用重构等效啁啾技术设计，通过调整取样周期来设置激射波长光栅周期渐变，将光栅等效相移位置于HR镀膜端面1/5腔长处；
步骤三、在光栅层上方生长InP缓冲层，用于对光栅层掩埋，然后在InP缓冲层上依次生长腐蚀阻挡层、波导层和接触层，得到多波长阵列激光器；
步骤四、在烧结的AlN陶瓷上蒸镀Tiw/Ni/Au金属膜层，在金属膜层上方蒸镀AuSn焊料，得到过渡热沉；
步骤五、加热至290-320℃，将多波长阵列激光器以倒装焊的方式焊接在过渡热沉上。
在本发明的一个实施方案中，采用8通道激光器阵列，如图1所示，激光器光栅结构采用非对称相移的光栅结构，8通道激光器阵列选择将光栅等效相移位置于HR镀膜端面1/5腔长处，通过分别对单颗激光器的取样周期设计，实现最终激光器阵列波长以1.6nm间隔从1542.0nm至1553.2nm的覆盖。本发明多波长阵列激光器的结构如图2所示，特殊设计的过渡热沉的结构如图3所示。本发明采用倒装焊的多波长阵列激光器装置的装配结构图和实物图分别如图4、5所示。
在本发明的一个实施方案中，将设计的多波长激光器倒装焊至特制的过渡热沉上，通过理论分析和实验，验证了倒装焊设计能有效降低激光器阵列热阻和结温，实现了多波长阵列激光器更好的散热与更高效率的工作，为多波长半导体激光器阵列良好散热的设计提供了参考意义。
理论分析：
在半导体激光器内部，热产生机制主要由激光器芯片的结构及芯片外延材料的物理性质决定，根据其不同的生热物理本质，可将激光器芯片内部的热产生机制大致地分为：
焦耳热、复合生热、汤姆森热和光吸收热，当半导体激光器处于工作状态时，上述四种热源机制是同时存在，同时发生的，且相互影响，无法完全将其加以区分。
为了简单起见，在本发明的热特性分析中，并未对各种热源进行区分，而是统一地假定热源集中于激光器芯片的有源区内，并且均匀分布于各发光单元区域内(此为理想状态，对于实际的多波长半导体激光器阵列而言，因其外延片的生长的均匀性并非完美；另外，当器件工作时，注入电流的扩散过程也非均匀，这些因素都将使得各发光单元的生热量不一致)。
本发明所用的多波长阵列激光器装置激光器长(激光器脊波导方向)宽(激光器排列方向)高(垂直于贴装方向)规格依次为：750μm*3200μm(每个激光器宽度为400μm，8阵列激光器为：8*400μm＝3200μm)*120μm，有源区至过渡热沉(忽略焊料)距离为118μm，该激光器在注入电流为500mA时，发光功率为120mW，电压为2.5V，激光器发光时，总功率分别用来发光和放热，满足：
P总＝P电+Q热
又由热阻计算公式：
其中：Rth1表示激光器有源区至过渡热沉上表面处热阻，x1表示激光器有源区至过渡热沉上表面处长度，当芯片正面贴装时有x1＝118μm，k表示InP(为简化计算，激光器主要材料近似为只有InP，其导热率为：70W/(m*k))的导热率，A表示激光器与传热方向垂直的横截面面积，为长和宽的乘积，单个激光器在注入电流500mA时，发光功率为120mW，电压为2.5V。
通过计算可以得到，芯片正面贴装时：
且由：
式中ΔT1为正贴装情况下有源区的温升，Pt1为正贴装情况下的热功率，即有：
ΔT＝Rth1×Q热＝Rth1×(U单颗×I单颗-Q热)×8)＝0.702×(0.5×2.5-0.12)×8＝6.346K
通过计算不难看出，热阻与过渡热沉材料InP的导热率有非常大的关系，结温的升高正比于基地InP的热阻，而激光器倒装焊时，有源区的热量直接通过P面电极向过渡热沉进行散热，其结温与InP的热阻无关，因此通过倒装焊设计能有效降低激光器阵列热阻和结温，实现了多波长阵列激光器更好的散热与更高效率的工作。
以下结合仿真实施例分析对本发明做进一步的详细说明：
实施例中的多波长激光器，通过非对称相移的光栅结构，选择将光栅等效相移位置于HR镀膜端面1/5腔长处，通过分别对单颗激光器的取样周期设计，实现最终激光器阵列波长以1.6nm间隔从1542.0nm至1553.2nm的覆盖。
多波长激光器可采用n型掺杂的衬底，通过金属有机化合物气相沉积在衬底上依次生长n型掺杂的InP缓冲层、n型掺杂的限制层和不掺杂的限制层。相关限制层用于光场的约束及载流子的限制。后生长InGaAlAs多量子阱结构。
量子阱上方设计限制层，在限制层上方生长InGaAsP光栅层，其结构为所涉及的非对称相移的光栅结构，可采用重构等效啁啾技术设计其等效相移。
在光栅层上方生长p型InP进行掩埋，在接触层上方生长波导层相关腐蚀阻挡层，后进行波导层生长。
其中在非对称相移的光栅结构中引入1/5相移，整体激光器的布拉格光栅波长变化量设置为1.6nm，对其非对称相移的光栅进行仿真，保证单模输出。
由激光器阵列依次进行透射谱仿真可以判断其激射波长符合1/5相移处的布拉格波长，分别为1542.0nm、1543.6、1545.2、1546.8nm、1548.4nm、1550.0nm、1551.6nm、1553.2nm。八个尖峰对应着八个激光器依次激射，同时如图6所示，八通道可以保持近似低的阈值增益及非常高的阈值增益差，通过特别设计的过渡热沉设计，芯片通过倒装焊后续加电时，四波长整体阈值电流降低，光电转化效率提升，具有非常好的单模特性。
上述设计实施例相关测试结果如图6所示，从光谱测试中我们可以判断实际使用过程中可以依次激射8个波长，通道间隔均匀，输出光功率较为平坦，边模抑制比较高，由此可以判断所设计8通道多波长激光器可应用上述相关应用领域。
综上所述，本发明的采用倒装焊的多波长阵列激光器设计方案采用非对称相移的光栅结构，将光栅等效相移位置于HR镀膜端面1/5腔长处，并通过将此激光器倒装焊在特殊设计的过渡热沉上，实现加电后阈值增益低、整体激光器阈值电流减小、激光器热阻减小、结温降低、增大光电转化效率，具有非常好的单模特性。本发明最终实现了单颗激光器多波长输出，且结构简单、功耗低、集成度高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种采用倒装焊的多波长阵列激光器装置，其特征在于：包括由下至上依次叠设的衬底、缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、光栅层、InP缓冲层、腐蚀阻挡层、波导层和接触层；其中光栅层由激光器光栅构成，采用基于重构等效啁啾技术的非对称等效相移的光栅结构，且激光器光栅具有光栅周期线性渐变；将激光器倒装焊在过渡热沉上，过渡热沉的基底材料采用AlN陶瓷，在基底材料上制作Tiw/Ni/Au金属电极图案，并在金属电极图案上方设有AuSn焊料。
2.根据权利要求1所述的采用倒装焊的多波长阵列激光器装置，其特征在于：激光器腔面两端分别采用HR镀膜、AR镀膜。
3.根据权利要求2所述的采用倒装焊的多波长阵列激光器装置，其特征在于：将光栅等效相移位置于HR镀膜端面1/5腔长处。
4.根据权利要求1所述的采用倒装焊的多波长阵列激光器装置，其特征在于：所述的多量子阱层作为增益介质覆盖多波长阵列激光器的波长输出范围。
5.根据权利要求1所述的采用倒装焊的多波长阵列激光器装置，其特征在于：所述的衬底为n型掺杂的衬底。
6.根据权利要求1所述的采用倒装焊的多波长阵列激光器装置，其特征在于：所述的下限制层为n型掺杂和不掺杂的限制层。
7.根据权利要求1所述的采用倒装焊的多波长阵列激光器装置，其特征在于：所述的多量子阱层为InGaAlAs多量子阱。
8.根据权利要求1所述的采用倒装焊的多波长阵列激光器装置，其特征在于：所述的AuSn焊料中，以质量百分数计，Au组分占80％、Sn组分占20％。
9.权利要求1-8任一项所述的采用倒装焊的多波长阵列激光器装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在衬底上通过金属有机化合物气相沉积依次生长缓冲层和下限制层，然后再在下限制层上生长多量子阱层，在多量子阱层上生长上限制层，然后在上限制层上方生长光栅层；
步骤二、光栅层为激光器光栅，采用重构等效啁啾技术设计，通过调整取样周期来设置激射波长光栅周期渐变，将光栅等效相移位置于HR镀膜端面1/5腔长处；
步骤三、在光栅层上方生长InP缓冲层，用于对光栅层掩埋，然后在InP缓冲层上依次生长腐蚀阻挡层、波导层和接触层，得到多波长阵列激光器；
步骤四、在烧结的AlN陶瓷上蒸镀Tiw/Ni/Au金属膜层，在金属膜层上方蒸镀AuSn
焊料，得到过渡热沉；
步骤五、加热至290-320℃，将多波长阵列激光器以倒装焊的方式焊接在过渡热沉上。
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|---|---|---|---|
| CN202311347254.6A CN117394130A (zh) | 2023-10-18 | 2023-10-18 | 一种采用倒装焊的多波长阵列激光器装置及其制备方法 |
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| CN (1) | CN117394130A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118472765A (zh) * | 2024-05-09 | 2024-08-09 | 江西杰创半导体有限公司 | 可探测多种气体的dfb激光器及其制备方法 |
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2023
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