半導(dǎo)體激光器封裝技術(shù)及封裝形式

半導(dǎo)體激光器的概念

半導(dǎo)體激光器是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，不同種類產(chǎn)生激光的具體過程比較特殊。常用工作物質(zhì)有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）等。激勵(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種形式。 半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器在室溫時(shí)多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。

半導(dǎo)體激光器的工作原理

半導(dǎo)體激光器是依靠注入載流子工作的，發(fā)射激光必須具備三個(gè)基本條件：

（1）要產(chǎn)生足夠的 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)；

（2）有一個(gè)合適的諧振腔能夠起到反饋?zhàn)饔?，使受激輻射光子增生，從而產(chǎn)生激光震蕩；

（3）要滿足一定的閥值條件，以使光子增益等于或大于光子的損耗。

半導(dǎo)體激光器工作原理是激勵(lì)方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)（即利用電子）在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。

半導(dǎo)體激光器優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等。

半導(dǎo)體激光器的封裝技術(shù)

一般情況下，半導(dǎo)體激光器的發(fā)光波長隨溫度變化為0.2-0.3nm/℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，當(dāng)正向電流流經(jīng)pn結(jié)，發(fā)熱性損耗使結(jié)區(qū)產(chǎn)生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，半導(dǎo)體激光器的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地減少1%左右，封裝散熱；時(shí)保持色純度與發(fā)光強(qiáng)度非常重要，以往多采用減少其驅(qū)動(dòng)電流的辦法，降低結(jié)溫，多數(shù)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流限制在20mA左右。

但是，半導(dǎo)體激光器的光輸出會(huì)隨電流的增大而增加，很多功率型半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到70mA、100mA甚至1A級(jí)，需要改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，全新的半導(dǎo)體激光器封裝設(shè)計(jì)理念和低熱阻封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)，改善熱特性。例如，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)，選用導(dǎo)熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點(diǎn)的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，PCB線路板等的熱設(shè)計(jì)、導(dǎo)熱性能也十分重要。

進(jìn)入21世紀(jì)后，半導(dǎo)體激光器的高效化、超高亮度化、全色化不斷發(fā)展創(chuàng)新，紅、橙半導(dǎo)體激光器光效已達(dá)到100Im/W，綠半導(dǎo)體激光器為501m/W，單只半導(dǎo)體激光器的光通量也達(dá)到數(shù)十Im。半導(dǎo)體激光器芯片和封裝不再沿龔傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念與制造生產(chǎn)模式，在增加芯片的光輸出方面，研發(fā)不僅僅限于改變材料內(nèi)雜質(zhì)數(shù)量，晶格缺陷和位錯(cuò)來提高內(nèi)部效率，同時(shí)，如何改善管芯及封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)半導(dǎo)體激光器內(nèi)部產(chǎn)生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)光學(xué)性能，加速表面貼裝化SMD進(jìn)程更是產(chǎn)業(yè)界研發(fā)的主流方向。

半導(dǎo)體激光器的封裝形式

半導(dǎo)體激光器的封裝方法

1、將VCSEL芯片貼在表面鍍金的熱沉上，用金絲鍵合的工藝將芯片正負(fù)極引出，再把芯片翻轉(zhuǎn)90°固定；

2、利用制冷器工作原理，使激光器芯片工作的溫度始終保持在24℃±1℃的范圍；

3、使用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻對(duì)制冷器的工作電流進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控；

4、用金屬化光纖直接與芯片耦合；

5、用激光焊接工藝將光纖固定；

6、將耦合器件先進(jìn)行8小時(shí)高溫存儲(chǔ)，再進(jìn)行24小時(shí)高低溫循環(huán)確保激光焊接應(yīng)力的釋放；

7、用平行封焊機(jī)將器件進(jìn)行密封。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：芯片發(fā)光效率高、出纖功率高，生產(chǎn)直通率高、穩(wěn)定性好、使用壽命長。

半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用

半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進(jìn)展較快的一類激光器，由于它的波長范圍寬，制作簡單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且由于體積小、重量輕、壽命長，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣，已超過300種，半導(dǎo)體激光器的最主要應(yīng)用領(lǐng)域是Gb局域網(wǎng)，850nm波長的半導(dǎo)體激光器適用于）1Gh/。局域網(wǎng)，1300nm -1550nm波長的半導(dǎo)體激光器適用于1OGb局域網(wǎng)系統(tǒng)。半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)。半導(dǎo)體激光器在激光測距、激光雷達(dá)、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆、自動(dòng)控制、檢測儀器等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，形成了廣闊的市場。

1978年，半導(dǎo)體激光器開始應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)，半導(dǎo)體激光器可以作為光纖通信的光源和指示器以及通過大規(guī)模集成電路平面工藝組成光電子系統(tǒng)。由于半導(dǎo)體激光器有著超小型、高效率和高速工作的優(yōu)異特點(diǎn)，所以這類器件的發(fā)展，一開始就和光通信技術(shù)緊密結(jié)合在一起，它在光通信、光變換、光互連、并行光波系統(tǒng)、光信息處理和光存貯、光計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的光禍合等方面有重要用途。半導(dǎo)體激光器的問世極大地推動(dòng)了信息光電子技術(shù)的發(fā)展，到如今，它是當(dāng)前光通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光源。

半導(dǎo)體激光器再加上低損耗光纖，對(duì)光纖通信產(chǎn)生了重大影響，并加速了它的發(fā)展。因此可以說，沒有半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，就沒有當(dāng)今的光通信.GaAs/GaAlA。雙異質(zhì)結(jié)激光器是光纖通信和大氣通信的重要光源，如今，凡是長距離、大容量的光信息傳輸系統(tǒng)無不都采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器（DFB一LD）。半導(dǎo)體激光器也廣泛地應(yīng)用于光盤技術(shù)中，光盤技術(shù)是集計(jì)算技術(shù)、激光技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)。是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存儲(chǔ)手段，它需要半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的光束將信息寫人和讀出。