CN220122328U - 一种可工作在环境温度高达105℃的box封装半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器，包括：激光器封装外壳以及设置在所述激光器封装外壳内的半导体制冷器、半导体激光芯片、热沉、热敏电阻、背光二极管、基座、耦合透镜、光隔离器和光纤组件；基座设置在半导体制冷器上；热沉、耦合透镜和光隔离器均设置在基座上；半导体激光芯片、热敏电阻和背光二极管均设置在热沉上；光纤组件包括光纤基座、头部可伐毛细管和裸光纤；所述光纤基座设置在半导体制冷器的一侧，所述头部可伐毛细管套在裸光纤的头部，并该头部可伐毛细管设置在光纤基座上，裸光纤的尾部向外延伸出激光器封装外壳。

Description

一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器

技术领域

本实用新型涉及半导体激光技术领域，尤其涉及一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器。

背景技术

为了保证半导体激光器的性能，需要半导体激光芯片工作在稳定的温度下。像DFB半导体激光芯片，其波长会随温度漂移，温漂系数为0.1nm/℃，另外半导体激光芯片阈值电流、在一定的注入电流下的光输出功率等也会随温度而变化。而在半导体激光器的大多数应用中都要求把半导体激光的输出波长等参数严格地控制在一定的数值，但半导体激光器所处环境的温度变化很大。

为达到应用的要求在使用半导体激光器时往往必需对半导体激光的芯片进行控温。半导体激光器的使用工作环境温度范围依其应用而异。这些工作环境温度范围一般分为如下几类：商业级：0℃～+70℃，工业级：-40℃～+85℃，汽车级：-40℃～125℃和军品级：-55℃～+125℃。以往半导体激光器大多应用在光纤通信领域，在该领域所适用的半导体激光器的工作环境温度范围只限于商业级和工业级，也就是说其工作环境温度最高也就是85℃。但近年来半导体激光器的应用已扩展到激光传感器、激光雷达等领域，这样一来由于应用的需要对半导体激光器的工作环境温度要求也就不仅限于商业级和工业级。其中车载激光雷就是一个有代表性的例子。

车载激光雷达是使用激光作为探测手段，通过发射光束来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达相当于汽车的“眼睛”，具有强大而复杂的信息感知和处理能力，可以帮助汽车感知道路环境，规划自己的行驶路线，控制车辆达到预定的目标。车载激光雷达的核心部件是激光器，半导体激光器是车载激光雷达用的最多的激光器。车载激光雷达要求其所使用的半导体激光器对输出波长、线宽和功率有精准的控制，也就是说要求对其所使用的半导体激光器芯片的温度有精准的控制。

对于车载激光雷达尽管现今车规要求的工作环境为-40℃～85℃，但在激光雷达的密闭机壳里面，85℃的环境温度下激光雷达机壳内的温度至少上升20℃，所以车载激光雷达使用的半导体激光器的实际外壳温度会达到105℃。而当前，尚未存在能工作在环境温度高达105℃的半导体激光器。

另外由于温室效应不断的积累导致了全球变暖引起地表了温度的居高不下。如2022年高温来袭时科威特的气温甚至高达70℃。半导体激光器在航天、油田勘探开发等应用中工作环境的温度也超出工业级的-40℃～85℃的范围。所以半导体激光器要应用于上述的工作环境也必需能扛得住105℃或更高的高温。

实用新型内容

实用新型目的：为解决现有半导体激光器无法工作在环境温度为105℃或更高的场景下的问题，本实用新型提出了一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器。

技术方案：一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器，包括：激光器封装外壳以及设置在所述激光器封装外壳内的半导体制冷器、半导体激光芯片、热沉、热敏电阻、背光二极管、基座、耦合透镜、光隔离器和光纤组件；

所述基座设置在半导体制冷器上；所述热沉、耦合透镜和光隔离器均设置在基座上；所述半导体激光芯片、热敏电阻和背光二极管均设置在热沉上；

所述光纤组件包括光纤基座、头部可伐毛细管和裸光纤；所述光纤基座设置在半导体制冷器的一侧，所述头部可伐毛细管套在裸光纤的头部，并该头部可伐毛细管设置在光纤基座上，裸光纤的尾部向外延伸出激光器封装外壳。

进一步的，所述半导体制冷器为二级半导体制冷器。

进一步的，所述二级半导体制冷器包括冷面、热面、中间面和多个热电对，所述中间面设置在冷面与热面之间，多个所述热电对设置在冷面与中间面之间，以及设置在热面与中间面之间。

进一步的，在冷面与中间面之间设有18个热电对，在热面与中间面之间设置有24个热电对；每个热电对的柱子高度为0.41mm。

进一步的，所述激光器封装外壳为BOX封装外壳，所述BOX封装外壳包括底板和设置在底板上部的框体，在所述框体上设置有套管，所述光纤组件穿过套管设置在激光器封装外壳内，所述底板厚度大于等于3mm，该底板通过定位螺纹孔与外界散热板固定，所述定位螺纹孔位于底板的中部。

进一步的，所述裸光纤的尾部通过尾部可伐毛细管与激光器封装外壳密封连接，实现裸光纤的尾部向外延伸出激光器封装外壳，裸光纤的尾部采用低熔点玻璃材料把尾部可伐毛细管密封地融焊到裸光纤上。

本实用新型公开了一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器，包括：激光器封装外壳以及设置在所述激光器封装外壳内的半导体制冷器、半导体激光芯片、热沉、热敏电阻、背光二极管、基座、耦合透镜、光隔离器和光纤组件；

所述基座设置在半导体制冷器上；所述热沉、耦合透镜和光隔离器均设置在基座上；所述半导体激光芯片、热敏电阻和背光二极管均设置在热沉上；

所述光纤组件包括头部可伐毛细管和裸光纤；所述头部可伐毛细管套在裸光纤的头部，并该头部可伐毛细管设置在基座上，裸光纤的尾部向外延伸出激光器封装外壳。

进一步的，所述半导体制冷器为二级半导体制冷器，包括冷面、热面、中间面和多个热电对，所述中间面设置在冷面与热面之间，在冷面与中间面之间设有18个热电对，在热面与中间面之间设置有24个热电对；每个热电对的柱子高度为0.41mm。

进一步的，所述激光器封装外壳为BOX封装外壳，所述BOX封装外壳包括底板和设置在底板上部的框体，在所述框体上设置有套管，所述光纤组件穿过套管设置在激光器封装外壳内，所述底板厚度大于等于3mm，该底板通过定位螺纹孔与外界散热板固定，所述定位螺纹孔位于底板的中部。

进一步的，所述裸光纤的尾部通过尾部可伐毛细管与激光器封装外壳密封连接，实现裸光纤的尾部向外延伸出激光器封装外壳，裸光纤的尾部采用低熔点玻璃材料把尾部可伐毛细管密封地融焊到裸光纤上。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型得到的半导体激光器能工作到105℃的环境温度，且在稳定的注入电流条件下，半导体激光芯片的工作温度稳定，从而实现稳定的波长和功率的输出，同时使半导体激光器的制冷器的功耗限定在一个合理可接受的范围；

(2)本实用新型通过加厚BOX封装外壳的底板，以及通过去除封装外壳前后方的四个有定位螺丝孔的脚的结构，通过在加厚底板的中部开螺纹孔来实现BOX封装外壳的定位，来克服高温下BOX封装外壳的底板挠曲变形的问题；

(3)本实用新型通过采用光纤组件伸入到封装外壳内的装配组态，以及利用低熔点玻璃封焊到可伐毛细管的方法在光纤组件中的光纤上封焊可伐毛细管，减低光纤组件导入到封装外壳内的传导热量；

(4)本实用新型通过将光纤组件的耦合头部及其用于固定该部分的支架和光纤基座作为独立的部分不予制冷，可减少半导体激光器在高温环境下的无源热负载，当半导体激光器的有源热负载较大(如需半导体激光器输出较高功率)时，宜采用这种组态；

(5)本实用新型通过将封装外壳内除TEC外的所有部件包括光纤组件头部的可伐毛细管及其固定支架都装在一个狭长的镀金钨铜基座上，该镀金钨铜基座又共晶焊到同样有狭长线度的TEC上，能适当减低半导体激光器无源热负载并有利于降低在高温环境下耦合后的半导体激光器输出功率的跟踪误差；

(6)本实用新型的裸透镜和光隔离器采用胶来固定，在高温环境下可以避免导入额外无源热负载。

附图说明

图1为二级半导体制冷器的侧视示意图；

图2为二级半导体制冷器的性能计算曲线；

图3为封装外壳变形后的示意图；

图4为封装外壳底板加厚及定位螺纹孔移到底板中部的示意图；

图5为光纤组件的构成图；

图6为实施例1的半导体激光器内部的封装总装图；

图7为实施例2的半导体激光器内部的封装总装图。

具体实施方式

现结合附图和实施例进一步阐述本实用新型的技术方案。

实施例1：

假定半导体激光器的工作环境温度为-40℃～105℃，从半导体激光器的工作环境温度确定半导体激光芯片的工作温度。由于制冷器的制冷效率要低于其制热效率，所以半导体激光芯片的工作温度可设定得比室温稍高。考虑到半导体激光芯片自身的特点，把半导体激光芯片的工作温度设在35℃～40℃是合理的。半导体激光芯片工作在这种温度范围时，阈值电流不会升的太高，半导体激光芯片长期工作也不易劣化。当半导体激光芯片的工作温度为35℃，且半导体激光芯片和激光器外壳处于环境的最高温时的温差DT为70℃。在这种温差DT下，本实施例首先通过设计合理的半导体制冷器(TEC)和由半导体激光芯片、芯片热沉、基座和其它器件等所构成的热负载，使得在合理的半导体制冷器(TEC)功耗下，当激光器封装外壳处于105℃的环境温度时，半导体制冷器(TEC)也能把半导体激光芯片的温度稳定地控制在设定的工作温度下，如35℃。其次，本实施例优化激光器封装外壳的结构和优化半导体激光器的耦合系统，以克服在105℃的环境温度下由热膨胀所引起的激光器外壳变形所造成的光耦合效率的劣化效应。

其中，半导体制冷器(TEC)的结构决定其所能达到的最大温差DT值。单级半导体制冷器(TEC)最大能达到的温差大约为70℃，但当温差达到此值时，半导体制冷器(TEC)已不能泵浦热量了。二级半导体制冷器最大能达到的温差DT大约为85℃-95℃。所以当需要温差为70℃时，二级半导体制冷器还是可以泵浦热量，即可正常工作的。图1示出了二级半导体制冷器的侧视示意图，其包括：冷面11、热面12、中间面13和热电对14；其中，冷面11为二级半导体制冷器上级的顶面，采用线度为4.7mm(L)*4.4mm(W)的陶瓷片；热面12为二级半导体制冷器下级的底面，采用线度为5.5mm(L)*4.4mm(W)的陶瓷片，中间面13位于冷面11和热面12之间，用于连接二级半导体制冷器的上级和下级；在冷面11与中间面13之间设置有18个热电对14，在中间面13与热面12之间设置有24个热电对，热电对的柱子高度为0.41mm，二级半导体制冷器总高度为1.85mm。冷面11与热面12的温差就是DT。根据这个设计模型计算得出在半导体激光器的管壳温度为108℃，温差DT＝70℃，热负载Qc为0.35W时，二级半导体制冷器电流I＝0.6A，对应的二级半导体制冷器电压Vin约为2.3V。当热负载Qc为0.5W时，二级半导体制冷器电流I＝0.7A，对应的二级半导体制冷器电压Vin约为2.5V。图2中的(a)示出了当温差DT＝70℃时，热负载Qc随二级半导体制冷器电流I变化的计算结果，图2中的(b)示出了当温差DT＝70℃时，二级半导体制冷器电压Vin随二级半导体制冷器电流I变化的计算结果。当二级半导体制冷器电流I＝0.6A时，二级半导体制冷器的制冷系数(COP)为0.25；当二级半导体制冷器电流I＝0.7A时，二级半导体制冷器的制冷系数(COP)稍高于0.25，两者都在COP峰值附近。当热负载Qc约为0.35W时，二级半导体制冷器的功耗Pin为1.38W，当热负载Qc约为0.5W时，二级半导体制冷器的功耗Pin为1.75W。这些功耗是可以接受的。这说明只要把半导体激光器的总热负载控制在0.5W以下，半导体激光芯片的温度是可以稳定地控制在38℃(或35℃，Th＝105℃)，也就验证了本实施例的半导体激光器是可以稳定地工作在105℃环境温度下的。

半导体激光器的总热负载是由有源热负载和无源热负载两部分组成。有源热负载是由半导体激光芯片的工作电流和电压决定。当车载激光雷达使用1550nm波段的半导体激光器时，所需半导体激光器的最低输出功率折合成CW输出相当于4-5mW。对于1550nm波段的半导体激光器，这种输出功率所需的注入电流不超过60mA，如激光芯片电压约为1.6V，这样半导体激光器的有源热负载约为0.1W。所以半导体激光器总热负载主要来源于无源热负载。为了降低半导体激光器的总热负载，主要应降低半导体激光器的无源热负载。高温环境下半导体激光器的无源热负载则和半导体激光器外壳内各零部件的尺寸和组态密切相关。

考虑到所需二级半导体制冷器的线度和二级半导体制冷器热端(Th端)放出的热量Qh(Qh＝Qc+Pin)较大的情况，所以在这种情况下半导体激光器应采用散热效果好的大BOX封装外壳，较现成的就是蝶形封装外壳。为了有较高的导热系数，蝶形封装外壳的底板采用钨铜材料制成，而底板上部的框体因要和陶瓷材料或玻璃材料密封，所以使用热膨胀系数接近陶瓷或玻璃的可伐合金。由于钨铜的热膨胀系数大于可伐合金的热膨胀系数，在高温下蝶形封装外壳的底板的长宽的线膨胀量会大于框体对应的线膨胀量，因此，框体底部会受底板膨胀的影响被拉宽，使得框体的四个面特别是前后面发生倾斜而发生形变，蝶形封装外壳的底板则因受到框体反方向剪力的影响使其伸展受限而发生挠曲变形。当通过蝶形封装外壳底板前后方四个脚的孔把底板固定在散热板上时，蝶形封装外壳底板的热膨胀更是大大地受限，其挠曲变形会更大。图3示出了蝶形封装外壳的底板下拱挠曲变形的示意图(根据底板膨胀受阻情况的不同挠曲也可能出现上拱变形)，为了明显起见，图3中对蝶形封装外壳的挠曲变形做了夸张处理。其中，可伐合金框体31设置在蝶形封装外壳的底板34上，在可伐合金框体31的前端面32上设有外壳的窗口及其套管35，图3中的标号33对应可伐合金框体31的后端面。

为克服框体和底板高温下的变形，本实施例通过去掉底板的四个脚以避开定位螺丝紧固后对底板线膨胀的干涉而造成的底板挠曲变形，以及由材料和结构力学可知板材的挠曲变形会随板材厚度加大而挠度变小，加大底板的厚度可以减小框体被膨胀的底板拉伸时产生反方向剪力对底板线膨胀的抑制造成的底板挠曲变形。框体反方向剪力对底板挠曲变形的影响本来就不大，底板加厚后，如加厚到大于等于3mm时，据计算其对底板的变形基本可忽略不计了。本实施例在加厚底板后把外壳的定位螺孔改为定位螺纹孔41并移到底板的中部，具体结构可参见图4。底板中部是底板线变形最小地方，加上底板和其下的散热板间一般涂有导热硅脂，所以从散热板向上通过螺丝把外壳定位在散热板上是最不会引起附加应力的。钨铜底板和可伐合金框体之间热膨胀系数不同引起的框体前后面的倾斜从本质上讲是不可避免的。但只要底板不变形，框体前后面的倾斜变形并不影响外壳内部结构的组态。不过如要采用光窗型外壳并在外壳的外部进行光纤耦合的话，由于高温时光窗随框体倾斜，以光窗为基准面的光纤耦合的效率就会明显劣化。为了避开于光窗型外壳的不利之处，本实施例采用将光纤伸入到外壳内部，在外壳内部实现光纤耦合的封装内部组态，以避免高温时框体面倾斜变形使光耦合劣化的影响。在半导体激光器的外壳内除了半导体激光芯片外，还包括：激光芯片的热沉、热沉上的热敏电阻和背光二极管、承载热沉的镀金钨铜基座、激光从芯片耦合到光纤的透镜(考虑单透镜耦合)、光隔离器和通过框体前端套管伸进封装外壳内部的光纤组件。考虑到芯片的光斑很小所以为确保透镜位置精度以及光隔离器的温度特性，本实施例将透镜、光隔离器和芯片热沉安装在同一镀金钨铜基座上。

在光纤穿过封装外壳框体前端面的套管进入外壳内部的情况下，为了能实现气密封装，传统的方法是把一段裸光纤金属化，然后在光纤的头部和光纤在套管的部分套上镀金可伐毛细管并把镀金毛细管用焊锡焊在光纤上。固定有两个可伐毛细管的光纤形成一个光纤组件。在完成光纤组件的光耦合后，在外壳套管部的镀金毛细管被焊在套管上来实现气密封接。由于光纤组件是用焊锡固定在套管上，因此用来耦合的光纤组件头部是通过金属化光纤自身和高温相连的。

本实施例将光纤耦合部分独立来解决伸入外壳的光纤组件导入的传导热的问题，即把光纤组件的头部及固定该部分的支架、可伐基座和载有热沉(热沉上再有激光芯片、热敏电阻和背光二极管)、耦合透镜和光隔离器的镀金基座分离出来不予制冷，因为在采用去除外壳的四个定位脚并加厚底板后高温下外壳底板变形已可不计。

图6示出了半导体激光器内部的封装总装图，其包括：二级半导体制冷器61、设置在二级半导体制冷器61上的镀金钨铜基座62、设置在镀金钨铜基座62上的热沉63、设置在热沉63上的半导体激光芯片64、设置在热沉63上的热敏电阻65、设置在热沉63上的背光二极管66、设置在镀金钨铜基座62上的耦合透镜67、设置在镀金钨铜基座62上的光隔离器68、设置在二级半导体制冷器61一旁的可伐基座69和耦合光纤组件头部的毛细管510，固定毛细管的马鞍支架610，和裸光纤512。

其中，半导体激光芯片64、热敏电阻65、背光二极管66均通过共晶焊固定在热沉63上，且热沉63也通过共晶焊固定在镀金钨铜基座62上。

其中，耦合透镜67是从半导体激光芯片到光纤的耦合透镜，其采用1mm*1mm*0.62mm的裸透镜，其线度很小，对无源热负载的贡献很小。热沉63、半导体激光芯片64、热敏电65和背光二极管66均为线度非常微小的元件，对无源热负载的贡献也很小。在本组态下无源热负载的贡献主要来自于镀金钨铜基座62和光隔离器68。耦合透镜67和光隔离器68均采用胶固定在镀金钨铜基座62上，这样可省去用YAG激光焊接固定所需的金属支架导入所带来的额外无源热负载。

其中，耦合光纤组件包括头部可伐毛细管510、固定头部可伐毛细管510的马鞍支610和裸光纤部分512；通过马鞍支架610将头部可伐毛细管510固定在可伐基座69上。可伐基座69、头部可伐毛细管510、马鞍支架610和裸光纤部分512均不搭载在二级半导体制冷器61上，所以对无源热负载无任何贡献。

二级半导体制冷器61和可伐基座69均固定在加厚的封装外壳底板上，封装外壳底板厚度大于等于3mm并采用底板中部打螺纹孔定位，所以在105℃的环境温度下底板变形可以忽略不计。本实施例中镀金钨铜基62长4.5mm，宽3.7mm，最高部位高2.15mm，为了承载耦合透镜67和光隔离器68，将镀金钨铜基座62的上部加工成两个台阶。

在这种封装的组态下，当二级半导体制冷61的冷端为35℃，环境温度为105℃时，即DT＝70℃时，半导体激光器总无源热负载可算得为0.19W。所以当二级半导体制冷器61工作电流为0.6A时，所容许的有源热负载可达0.16W。如半导体激光芯片的电压为1.6V，这种情况下半导体激光芯片的电流可达100mA。在这种大电流下假定半导体激光器的光耦合效率为50％(一般BOX封装半导体激光器的耦合效率可达70％以上)，半导体激光器的输出光功率会大于10mW。如把二级半导体制冷器61的工作电流加大到0.7A，本实施例更可适用于激光的高功率输出，即输出功率达30mW左右的半导体激光器的封装。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例将耦合光纤组件的头部及固定该部分的支架集成在镀金钨铜基座上，并通过调整镀金钨铜基座和二级半导体制冷器的2D线度形态和降低光纤组件的传导热来减小半导体激光器的无源热负载。调整镀金钨铜基座和二级半导体制冷器的2D线度形态是把镀金钨铜基座设计成狭长形使其能载上光纤组件头部及固定该部分的支架，但总体线度接近不搭载光纤组件头部及固定该部分的支架及基座时的镀金钨铜基座总线度。另外在保持半导体制冷器的二级结构、上下热电对的个数和热电对柱子高度不变的情况下把二级半导体制冷器设计成相应的狭长形。二级半导体制冷器的这种仅2D的线度调整基本不影响其调整前特性。

为了降低光纤组件的传导热，本实施例将穿入外壳前端套管的光纤用低熔点玻璃材料把可伐毛细管密封地融焊到光纤上以避免光纤的金属化。由于石英的导热系数很低，这样通过光纤从高温处传导来的热流可大幅降低。图5示出了光纤组件的结构，图中，位于光纤组件头部的可伐毛细管510不镀金，与外壳套管进行密封的尾部可伐毛细管513需镀金，不金属化的裸光纤部分512通过低熔点玻璃圈516固定在可伐毛细管上，裸光纤头514碾磨成6°角设在光纤组件头部。根据数值计算，当两根可伐毛细管间的裸光纤长为5mm，DT＝70℃，外壳温度为105℃时，从封装外壳流入光纤头的热量不超过0.4mW。

具体的，图7示出了半导体激光器内部的封装总装图，其包括：二级半导体制冷器61、设置在二级半导体制冷器61上的镀金钨铜基座62、设置在镀金钨铜基座62上的热沉63、设置在热沉63上的半导体激光芯片64、设置在热沉63上的热敏电阻65、设置在热沉63上的背光二极管66、设置在镀金钨铜基座62上的耦合透镜67、设置在镀金钨铜基座62上的光隔离器68、设置在镀金钨铜基座62上的U形支架611和裸光纤512。

其中，半导体激光芯片64、热敏电阻65、背光二极管66均通过共晶焊固定在热沉63上，且热沉63也通过共晶焊固定在镀金钨铜基座62上。

其中，耦合透镜67是从半导体激光芯片到光纤的耦合透镜，其采用1mm*1mm*0.62mm的裸透镜，其线度很小，对无源热负载的贡献很小。热沉63、半导体激光芯片64、热敏电阻65和背光二极管66均为线度非常微小的元件，对无源热负载的贡献很小。在本组态下无源热负载的贡献主要来自于镀金钨铜基座62、耦合透镜67、光隔离器68、耦合光纤组件的头部可伐毛细管510及其U形支架611。耦合透镜67和光隔离器68均采用胶固定在镀金钨铜基座62上，这样可省去用YAG激光焊接固定所需的金属支架导入所带来的额外无源热负载。

其中，耦合光纤组件包括头部可伐毛细管510和裸光纤部分512；通过U形支架611将头部可伐毛细管510固定在镀金钨铜基座62上。

本实施例组态下镀金钨铜基座上比起实施例1，在镀金钨铜基座62上额外多装上了头部可伐毛细管510及U型支架611。所以比起实施例1，本实施例中镀金钨铜基座62必需加长。在加长的同时，为了降低无源热负载，缩小镀金钨铜基座62的宽度，相应地，二级半导体制冷器61的长和宽也做了调整。调整后的二级半导体制冷器61顶面的长宽为6.5mm(L)*3.18mm(W)。但二级半导体制冷器61底层的第一级依然有24个热电对，上层的第二级有18个热电对，这些电热对的高度也不变，所以二级半导体制冷器61的高度仍然为1.85mm。在这种设计下，本实施例的二级半导体制冷器61的性能与实施例1的基本一样。镀金钨铜基座62底面的尺寸和二级半导体制冷器61的冷面基本一样，但长和宽略缩进0.1mm-0.2mm。镀金钨铜基座62的上部也加工成阶梯形，除搭载头部可伐毛细管部分以外其余部分的高度和实施例1一样。由于镀金钨铜基座62宽度比实施例1的镀金钨铜基座小了，所以镀金钨铜基座62总的决定无源热负载的有效线度比起实施例1的镀金钨铜基座62增加得并不太多。本实施例采用U形支架是因为U形支架线度比马鞍支架小，相应地对无源热负载地贡献也小，另外它也适合于狭长的镀金钨铜基座62。

在本实施例的组态下，综合二级半导体制冷器61上所有部件，包括由键合金线导入和裸光纤的传导热等引起的无源热负载，在这种封装的组态下当二级半导体制冷器61冷端为35℃，环境温度为105℃时，即DT＝70℃时，半导体激光器总无源热负载可算得为0.25W。虽然本实施例的总无源热负载比实施例1稍高一点。但由于光纤耦合部也搭载在二级半导体制冷器61上一起制冷，所以光耦合稳定性要优于实施例1，高温时激光输出功率地跟踪误差会小于实施例1。当二级半导体制冷器61的工作电流为0.6A时，所容许的有源热负载可达0.10W。按半导体激光芯片的电压为1.6V，这时半导体激光芯片的电流达62mA左右。在这电流下本实施例的以50％耦合效率半导体激光器的输出光功率也可达5-6mW左右。

本实施例通过专门设计的二级半导体制冷器作为半导体激光器的制冷器，提供足够的TEC热端和冷端的温差DT，和在这种DT下的制冷量Qc，本实施例通过改进过的BOX封装外壳结构克服了高温下外壳结构的变形，以及本实施例通过设计抑制无源热负载的封装外壳内部部件的合理组态，使得在105℃高温环境下半导体激光器能正常工作。

Claims (10)

1.一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器，其特征在于：包括：激光器封装外壳以及设置在所述激光器封装外壳内的半导体制冷器、半导体激光芯片、热沉、热敏电阻、背光二极管、基座、耦合透镜、光隔离器和光纤组件；

所述基座设置在半导体制冷器上；所述热沉、耦合透镜和光隔离器均设置在基座上；所述半导体激光芯片、热敏电阻和背光二极管均设置在热沉上；

所述光纤组件包括光纤基座、头部可伐毛细管和裸光纤；所述光纤基座设置在半导体制冷器的一侧，所述头部可伐毛细管套在裸光纤的头部，并该头部可伐毛细管设置在光纤基座上，裸光纤的尾部向外延伸出激光器封装外壳。

2.根据权利要求1所述的一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器，其特征在于：所述半导体制冷器为二级半导体制冷器。

3.根据权利要求2所述的一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器，其特征在于：所述二级半导体制冷器包括冷面、热面、中间面和多个热电对，所述中间面设置在冷面与热面之间，多个所述热电对设置在冷面与中间面之间，以及设置在热面与中间面之间。

4.根据权利要求3所述的一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器，其特征在于：在冷面与中间面之间设有18个热电对，在热面与中间面之间设置有24个热电对；每个热电对的柱子高度为0.41mm。

5.根据权利要求1所述的一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器，其特征在于：所述激光器封装外壳为BOX封装外壳，所述BOX封装外壳包括底板和设置在底板上部的框体，在所述框体上设置有套管，所述光纤组件穿过套管设置在激光器封装外壳内，所述底板厚度大于等于3mm，该底板通过定位螺纹孔与外界散热板固定，所述定位螺纹孔位于底板的中部。

6.根据权利要求1所述的一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器，其特征在于：所述裸光纤的尾部通过尾部可伐毛细管与激光器封装外壳密封连接，实现裸光纤的尾部向外延伸出激光器封装外壳；裸光纤的尾部采用低熔点玻璃材料把尾部可伐毛细管密封地融焊到裸光纤上。

7.一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器，其特征在于：包括：激光器封装外壳以及设置在所述激光器封装外壳内的半导体制冷器、半导体激光芯片、热沉、热敏电阻、背光二极管、基座、耦合透镜、光隔离器和光纤组件；

所述基座设置在半导体制冷器上；所述热沉、耦合透镜和光隔离器均设置在基座上；所述半导体激光芯片、热敏电阻和背光二极管均设置在热沉上；

所述光纤组件包括头部可伐毛细管和裸光纤；所述头部可伐毛细管套在裸光纤的头部，并该头部可伐毛细管设置在基座上，裸光纤的尾部向外延伸出激光器封装外壳。

8.根据权利要求7所述的一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器，其特征在于：所述半导体制冷器为二级半导体制冷器，包括冷面、热面、中间面和多个热电对，所述中间面设置在冷面与热面之间，在冷面与中间面之间设有18个热电对，在热面与中间面之间设置有24个热电对；每个热电对的柱子高度为0.41mm。

9.根据权利要求7所述的一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器，其特征在于：所述激光器封装外壳为BOX封装外壳，所述BOX封装外壳包括底板和设置在底板上部的框体，在所述框体上设置有套管，所述光纤组件穿过套管设置在激光器封装外壳内，所述底板厚度大于等于3mm，该底板通过定位螺纹孔与外界散热板固定，所述定位螺纹孔位于底板的中部。

10.根据权利要求7所述的一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器，其特征在于：所述裸光纤的尾部通过尾部可伐毛细管与激光器封装外壳密封连接，实现裸光纤的尾部向外延伸出激光器封装外壳裸光纤的尾部采用低熔点玻璃材料把尾部可伐毛细管密封地融焊到裸光纤上。