半導體激光器封裝技術及封裝形式

半導體激光器的概念

半導體激光器是用半導體材料作為工作物質的激光器，由于物質結構上的差異，不同種類產生激光的具體過程比較特殊。常用工作物質有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。 半導體激光器件，可分為同質結、單異質結、雙異質結等幾種。同質結激光器和單異質結激光器在室溫時多為脈沖器件，而雙異質結激光器室溫時可實現連續工作。

半導體激光器的工作原理

半導體激光器是依靠注入載流子工作的，發射激光必須具備三個基本條件：

（1）要產生足夠的 粒子數反轉分布，即高能態粒子數足夠的大于處于低能態的粒子數；

（2）有一個合適的諧振腔能夠起到反饋作用，使受激輻射光子增生，從而產生激光震蕩；

（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。

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

半導體激光器優點：體積小、重量輕、運轉可靠、耗電少、效率高等。

半導體激光器的封裝技術

一般情況下，半導體激光器的發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，當正向電流流經pn結，發熱性損耗使結區產生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，半導體激光器的發光強度會相應地減少1%左右，封裝散熱；時保持色純度與發光強度非常重要，以往多采用減少其驅動電流的辦法，降低結溫，多數半導體激光器的驅動電流限制在20mA左右。

但是，半導體激光器的光輸出會隨電流的增大而增加，很多功率型半導體激光器的驅動電流可以達到70mA、100mA甚至1A級，需要改進封裝結構，全新的半導體激光器封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術，改善熱特性。例如，采用大面積芯片倒裝結構，選用導熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應用設計中，PCB線路板等的熱設計、導熱性能也十分重要。

進入21世紀后，半導體激光器的高效化、超高亮度化、全色化不斷發展創新，紅、橙半導體激光器光效已達到100Im/W，綠半導體激光器為501m/W，單只半導體激光器的光通量也達到數十Im。半導體激光器芯片和封裝不再沿龔傳統的設計理念與制造生產模式，在增加芯片的光輸出方面，研發不僅僅限于改變材料內雜質數量，晶格缺陷和位錯來提高內部效率，同時，如何改善管芯及封裝內部結構，增強半導體激光器內部產生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉優化設計，改進光學性能，加速表面貼裝化SMD進程更是產業界研發的主流方向。

半導體激光器的封裝形式

半導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極引出，再把芯片翻轉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、使用負溫度系數的熱敏電阻對制冷器的工作電流進行時時監控；

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、將耦合器件先進行8小時高溫存儲，再進行24小時高低溫循環確保激光焊接應力的釋放；

7、用平行封焊機將器件進行密封。本發明具有以下優點：芯片發光效率高、出纖功率高，生產直通率高、穩定性好、使用壽命長。

半導體激光器的應用

半導體激光器是成熟較早、進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，并且由于體積小、重量輕、壽命長，因此，品種發展快，應用范圍廣，已超過300種，半導體激光器的最主要應用領域是Gb局域網，850nm波長的半導體激光器適用于）1Gh/。局域網，1300nm -1550nm波長的半導體激光器適用于1OGb局域網系統。半導體激光器的應用范圍覆蓋了整個光電子學領域，已成為當今光電子科學的核心技術。半導體激光器在激光測距、激光雷達、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面獲得了廣泛的應用，形成了廣闊的市場。

1978年，半導體激光器開始應用于光纖通信系統，半導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模集成電路平面工藝組成光電子系統。由于半導體激光器有著超小型、高效率和高速工作的優異特點，所以這類器件的發展，一開始就和光通信技術緊密結合在一起，它在光通信、光變換、光互連、并行光波系統、光信息處理和光存貯、光計算機外部設備的光禍合等方面有重要用途。半導體激光器的問世極大地推動了信息光電子技術的發展，到如今，它是當前光通信領域中發展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光源。

半導體激光器再加上低損耗光纖，對光纖通信產生了重大影響，并加速了它的發展。因此可以說，沒有半導體激光器的出現，就沒有當今的光通信.GaAs/GaAlA。雙異質結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無不都采用分布反饋式半導體激光器（DFB一LD）。半導體激光器也廣泛地應用于光盤技術中，光盤技術是集計算技術、激光技術和數字通信技術于一體的綜合性技術。是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存儲手段，它需要半導體激光器產生的光束將信息寫人和讀出。