CN210775920U - 基于新型半导体激光芯片的半导体激光发射和耦合模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于新型半导体激光芯片的半导体激光发射和耦合模组，所述模组包括水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片、热沉、耦合镜和底板；所述HCSEL芯片固定于所述热沉上，所述热沉、耦合镜固定于所述底板上。所述HCSEL芯片的激光信号常规下一边准直，一边不准直，此时仅仅需要在另一个方向准直，然后加入耦合镜即可进入光纤；当HCSEL芯片的激光信号在快轴和慢轴两个方向都准直时，在半导体激光发射模组中就无需加入光学器件对HCSEL芯片发出的激光信号进行准直处理，HCSEL芯片出光后直接进入耦合镜，然后聚焦，大大简化了半导体激光发射模组的结构，由于结构简单，有效降低了半导体激光发射和耦合模组的复杂度和制作成本，简化了工序工艺，提升了效率。

Description

基于新型半导体激光芯片的半导体激光发射和耦合模组

技术领域

本实用新型涉及激光器件技术领域，特别涉及一种基于新型半导体激光芯片的半导体激光发射和耦合模组。

背景技术

半导体激光器由于体积小、重要轻、效率高等优点，广泛应用于工业、军事、医疗、通信、民用等领域。在实际应用中，大多半导体激光需要耦合进入光纤，在传统半导体激光发射和耦合模组发射的激光耦合进入光纤波导、晶体或者增益介质时，由于发散角度大，必须进行快轴和慢轴方向准直，而快轴准直镜加工困难、封装困难、成本过高，使得工序多且复杂，并且成本较高。

实用新型内容

为了解决相关半导体激光发射和耦合模组系统复杂，不易于集成，并且成本较高的问题，本公开提供了一种基于新型半导体激光芯片的半导体激光发射和耦合模组。

本实用新型提供了一种基于新型半导体激光芯片的半导体激光发射和耦合模组，所述半导体激光发射和耦合模组包括水平腔面发射激光器 (HCSEL)芯片、热沉、耦合镜和底板；所述HCSEL芯片固定于所述热沉上，所述热沉、耦合镜固定于所述底板上；所述HCSEL芯片发出的激光在两个方向上均准直或仅在一个方向上准直。

优选地，沿所述半导体激光发射和耦合模组中的光路方向，在所述耦合镜的前方装设有光纤头，通过所述耦合镜将激光聚焦于所述光纤头的芯径上 (可为光纤波导、晶体或者增益介质(实例中为光纤))。

优选地，所述耦合镜为柱面镜、球面镜、非球面镜、二元光学元件、衍射光学元件中的任一种或任几种的组合。

优选地，所述HCSEL芯片发出的激光仅在一个方向上准直时，所述半导体激光发射和耦合模组还包括快轴准直镜，所述快轴准直镜位于所述 HCSEL芯片和所述耦合镜之间。

优选地，所述快轴准直镜为柱面镜、球面镜、非球面镜、二元光学元件、衍射光学元件中的任一种或任几种的组合。

优选地，所述半导体激光发射和耦合模组还包括反射镜，所述反射镜位于所述HCSEL芯片和所述耦合镜之间。

优选地，所述反射镜为棱镜或平面反射镜。

优选地，所述HCSEL芯片、热沉的数量为1个或至少2个，所述耦合镜的数量为1个。

优选地，所述HCSEL芯片的出光方向垂直于所述HCSEL芯片中水平腔的上表面或者下表面，且为条形或方形出光方式。

半导体激光发射和耦合模组包括水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片、热沉、耦合镜和底板；所述HCSEL芯片固定于所述热沉上，所述热沉、耦合镜固定于所述底板上，HCSEL芯片发出的激光在两个方向上均准直或仅在一个方向上准直。当HCSEL芯片的激光信号在快轴和慢轴两个方向都准直时，在半导体激光发射和耦合模组中就无需加入光学器件对HCSEL芯片发出的激光信号进行准直处理，HCSEL芯片出光后直接进入耦合镜，然后聚焦，大大简化了半导体激光发射和耦合模组的结构，由于结构简单，有效降低了半导体激光发射和耦合模组的复杂度和制作成本，简化了工序工艺，提升了效率。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据一示例性实施例示出的基于新型半导体激光芯片的半导体激光发射和耦合模组示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的基于新型半导体激光芯片的半导体激光发射和耦合模组的俯视图。

图3是根据一示例性实施例示出的基于新型半导体激光芯片的半导体激光发射和耦合模组的侧视图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种HCSEL的结构示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的采用二元光栅或衍射光栅后的一种出光示意图。

图6是根据图5对应实施例示出的HCSEL的远场发散角度图。

图7是根据一示例性实施例示出的HCSEL芯片不同出光方式的示意图。

图8是根据一示例性实施例示出的基于新型半导体激光芯片的半导体激光发射和耦合模组的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同构造。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和连接关系进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1，图1是根据一示例性实施例示出的基于新型半导体激光芯片的半导体激光发射和耦合模组示意图。图1中，基于新型半导体激光芯片的半导体激光发射和耦合模组X包括水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片 10、热沉20、耦合镜30和底板40。HCSEL芯片10固定于所述热沉20上，所述热沉20、耦合镜30固定于所述底板40上。

HCSEL芯片10发出的激光在两个方向上均准直或仅在一个方向上准直。

由此可知，该半导体激光发射和耦合模组中的半导体激光芯片为 HCSEL(Horizontal Cavity Surface Emitting Laser，水平腔面发射激光器)芯片。

HCSEL芯片的出光面不需要特殊的腔面处理，表面损伤阈值高；另因表面出光，出光发散角小，避免了大的快轴发散角所附带的问题，其发出的激光信号具有在一个方向上或两个方向准直的特点；激光器共振腔较长，出光面积大，是理想的高功率照明光源。同时HCSEL芯片在制造上简单，更容易集成二维列阵。

当HCSEL芯片的激光信号在快轴和慢轴两个方向都准直时，在半导体激光发射和耦合模组中就无需加入光学器件对HCSEL芯片发出的激光信号进行准直处理，HCSEL芯片出光后直接进入耦合镜，然后聚焦，大大简化了半导体激光发射和耦合模组的结构，由于结构简单，有效降低了半导体激光发射和耦合模组的复杂度和制作成本，简化了工序工艺，提升了效率。

HCSEL芯片10固定于热沉20上，所述热沉20、耦合镜30固定于底板40上，从而快速散掉光电转换过程中所产生的余热，避免了长时间使用时HCSEL芯片10的过热问题，有效提高了HCSEL芯片10的使用寿命及性能。

HCSEL芯片10发出的激光经耦合镜30进行耦合后能够聚焦于光路的某一位置。

具体的，沿所述半导体激光发射和耦合模组中的光路方向，在所述耦合镜的前方装设有光纤波导、晶体或者增益介质，通过所述耦合镜将激光聚焦于所述光纤波导、晶体或者增益介质。

例如，在所述耦合镜的前方装设光纤头103，通过所述耦合镜将激光聚焦于所述光纤头103的芯径上。

可选的，耦合镜可为柱面镜、球面镜、非球面镜、二元光学元件、衍射光学元件中的任一种或任几种的组合。

具体的，耦合镜由一个或者多个组合球面或者球面和柱面组合。

图2-3是根据一示例性实施例示出的基于新型半导体激光芯片的半导体激光发射和耦合模组示意图，其中，图2为该半导体激光发射和耦合模组的俯视图，图3为该半导体激光发射和耦合模组的侧视图，如图2-3所示，该半导体激光发射和耦合模组还包括快轴准直镜102，快轴准直镜102位于 HCSEL芯片和耦合镜之间。

当HCSEL芯片的激光信号在一个方向准直(比如慢轴方向准直、在快轴方向不准直)时，在半导体激光发射和耦合模组中仅仅需增加快轴准直模块进行快轴准直即可，同样具有大大的简化半导体激光发射和耦合模组的结构，有效的降低半导体激光发射和耦合模组的复杂度和制作成本的优势。

具体的，快轴准直镜102为柱面镜、球面镜、非球面镜、二元光学元件、衍射光学元件中的任一种或任几种的组合，还可以为其它形式的器件。

例如，快轴准直镜102为柱面镜，平的方向面对芯片方向，凸的方向面对光纤方向，耦合镜为双凸的球面镜。当然根据不同HCSEL芯片，可采用其他类型的耦合镜对HCSEL芯片的快、慢轴进行耦合。

表1是根据一示例性实施例示出的半导体激光发射和耦合模组中快轴准直镜102和耦合镜的参数表。其中，芯片参数：4.6mm*0.2mm，90％能量包含角度0.2度*12度，光纤200um，NA 0.22。

表1快轴准直镜和耦合镜的参数

类别	焦距	材料
			快轴准直镜	16mm	Nd 1.7
耦合镜	15mm	Nd 1.7

图4是根据一示例性实施例示出的一种HCSEL的结构示意图。包括：发光区105、N电极106、基质107、激发区108、光栅109以及P电极110；由于HCSEL器件的水平振荡模式和不同于现有的通用半导体激光器的出光方式(端面发射激光器或垂直腔面发生激光器)，它可以同时拥有大的出光面积和高质量的光束，达到大功率、高亮度、光束均匀的激光特征，同时由于大的出光面积，其出光面功率密度大幅度变低，器件的工作寿命相应变长。 HCSEL芯片的特殊水平震荡结构及垂直出光方式还可以大大的降低芯片生产成本，方便和模组内其它光学器件集成。

例如，HCSEL芯片采用二元/衍射光栅产生并垂直输出光束，不仅可以锁定中心波长范围，降低谱宽，还能把波长温度漂移降低，且能输出任何形状的光束。光束形状包含一个方向准直，另一方向准直或非准直。

图5是根据一示例性实施例示出的采用二元光栅或衍射光栅后的一种出光示意图，光束的其中一个方向准直，另一个方向不准直，由图5可以看出，从HCSEL芯片发出的激光信号经过传输后，快轴方向(y方向)上的光线范围随着传输距离增大而越来越大，慢轴方向(x方向)上的光线范围随着传输距离增大却变化不明显。图5对应的远场发散角度图如图6所示，其中图6a是准直后的慢轴远场示意图，图6b是快轴远场示意图，目前仅仅是一边准直一边不准准直案例，实际中可以做到两个方向都是准直。

需要说明的是，在用于半导体激光发射和耦合模组中，HCSEL芯片可以正面出光，也可以是背面出光；光栅可以位于芯片表面，也可以位于芯片内部；还可以是其他的出光形式及光栅位置。在实际运用中，可根据具体的应用场景设置HCSEL芯片的出光方式及光栅位置。

图7是根据一示例性实施例示出的不同出光方式的示意图。图7中的锯齿状为光栅，图7(a)为光栅在表面时背面出光形式，图7(b)为光栅在表面时表面出光形式，图7(c)光栅在内部时正面出光，图7(d)为光栅在内部时背面出光。

可选的，半导体激光发射和耦合模组还包括反射镜104，所述反射镜104 位于所述HCSEL芯片和所述耦合镜之间。

其中，反射镜104固定于底板上，通过反射镜104可改变激光的传播方向，并可缩短两个光路之间的间隔，剔除间隙，提高亮度，使半导体激光发射和耦合模组的结构更加紧凑。

可选的，反射镜104为棱镜或平面发射镜，也可以为其他类型。

可选的，HCSEL芯片、热沉的数量为1个或至少2个，所述耦合镜的数量为1个，通过耦合镜，将1个或至少2个HCSEL芯片发出的激光进行耦合聚焦，有效提高了器件的使用效率。

具体的，HCSEL芯片、快轴准直镜102、反射镜104的数量相同，可为1个或至少2个，热沉的数量可与HCSEL芯片的数量相同，也可以为1 个，在此不进行限定。

由此，将多个HCSEL芯片发出的光路在经快轴准直并反射之后，通过耦合镜耦合聚焦到同一光纤中，实现了半导体激光芯片与光纤(可为光纤波导、晶体或者增益介质(实例中为光纤))之间的激光传输，有效实现了半导体激光芯片发出的激光在光纤中的应用。

图8是根据一示例性实施例示出的半导体激光耦合模组的结构示意图。如图8所示，HCSEL芯片、快轴准直镜102、反射镜104的数量均为2个， 2个HCSEL芯片固定于2个不同的热沉上，各HCSEL芯片发出的激光经快轴准直镜102进行准直，并经反射镜104发射后，通过同一耦合镜耦合聚焦于光纤头103中(可为光纤波导、晶体或者增益介质(实例中为光纤))。

表2是根据一示例性实施例示出的图8中快轴准直镜102和耦合镜的参数表。其中，芯片参数：4.6mm*0.088mm，90％能量包含角度0.2度*12度，光纤200um，NA 0.22。

表2快轴准直镜和耦合镜的参数

类别	焦距	材料
			快轴准直镜	18mm	Nd 1.7
耦合镜	25mm	Nd 1.7

在本说明书的描述中，参考术语“一种实施方式”、“示例性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于新型半导体激光芯片的半导体激光发射和耦合模组，其特征在于，所述半导体激光发射和耦合模组包括水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片、热沉、耦合镜和底板；

所述HCSEL芯片固定于所述热沉上，所述热沉、耦合镜固定于所述底板上

所述HCSEL芯片发出的激光信号在一个方向准直，一个方向不准直；或者所述HCSEL芯片发出的激光信号在两个方向都准直。

2.根据权利要求1所述的半导体激光发射和耦合模组，其特征在于，沿所述半导体激光发射和耦合模组中的光路方向，在所述耦合镜的前方装设有光纤波导、晶体或者增益介质，通过所述耦合镜将激光聚焦于所述光纤波导、晶体或者增益介质。

3.根据权利要求1所述的半导体激光发射和耦合模组，其特征在于，所述耦合镜为柱面镜、球面镜、非球面镜、二元光学元件、衍射光学元件中的任一种或任几种的组合。

4.根据权利要求1所述的半导体激光发射和耦合模组，其特征在于，所述HCSEL芯片发出的激光仅在一个方向上准直时，所述半导体激光发射和耦合模组还包括快轴准直镜，所述快轴准直镜位于所述HCSEL芯片和所述耦合镜之间。

5.根据权利要求4所述的半导体激光发射和耦合模组，其特征在于，所述快轴准直镜为柱面镜、球面镜、非球面镜、二元光学元件、衍射光学元件中的任一种或任几种的组合。

6.根据权利要求1所述的半导体激光发射和耦合模组，其特征在于，所述半导体激光发射和耦合模组还包括反射镜，所述反射镜位于所述HCSEL芯片和所述耦合镜之间。

7.根据权利要求6所述的半导体激光发射和耦合模组，其特征在于，所述反射镜为棱镜或平面反射镜。

8.根据权利要求1所述的半导体激光发射和耦合模组，其特征在于，所述HCSEL芯片、热沉的数量为1个或至少2个，所述耦合镜的数量为1个。

9.根据权利要求1所述的半导体激光发射和耦合模组，其特征在于，所述HCSEL芯片的出光方向垂直于所述HCSEL芯片中水平腔的上表面或者下表面，且为条形或方形出光方式。

Images