半导体激光器的扁平封装

  OFP 封装技术
–一种高功率光纤耦合半导体激光器的封装技术
    01/26/2005，众望达技术有限公司 郑鸿章 
摘要
    最近几年来，高功率半导体激光器越来越多地为许多应用而生产，如直接的材料处理、光纤激光和放大器泵浦、自由空间光通讯、印刷和医疗等。这些首要归功于激光器结构设计、半导体材料和可靠的封装技术的发展。特别是，半导体激光器的封装使得激光器件能获得高墙插效率，提高稳定性能并节省使用者的使用成本。尽管最近几年来获得的种种进展，但封装、测试及可靠性等依然占据光纤耦合输出的半导体激光器的大量成本。我们开发的新半导体激光耦设计和工艺使得
低成本、高可靠性的半导体光纤激光器耦合变成可能，同时也使得可以使用自动化大批量的机器封装。
    本文里，我们献上一种小侧面尺寸、非制冷的单反射阵面、高功率输出的半导体封装技术。
    这里讨论这款小尺寸、小侧面尺寸、高亮度、4w、100um、0.15NA光纤输出的半导体激光器的平板式光学封装的细化的设计信息、热建模和可靠性数据以及这种独特的封装技术在非制冷环境中具有的良好热性能和可靠性能。所有的封装过程是在无流体环境中进行的。这种无胶的密封封装，使得激光器的运行可靠性很高；此外，使用材料和封装程序的节省，减低了可观的封装成本；因消除了所有非垂直装配步骤，使得自动化封装带光纤耦合输出得半导体激光器成为可能；其他独到之处还包括紧固的无源连接部分和集成的光纤耦合等。这种封装是特地为光纤激光泵浦、工业材料处理、固体激光泵浦、印刷和激光医疗市场而设计的。
关键词：激光封装，高功率半导体激光器，无制冷封装，光学平板式封装，多模封装，光纤耦合激光器，小侧面光学封装，半导体激光器可靠性
1.介绍
     高功率、宽发光面、多模半导体激光器在各种领域的应用市场，如材料处理、光纤激光泵浦、印刷以及医疗等，在上个年代获得了强劲的发展。在未来几年中，这些领域的激光应用市场将于2位数百分比的速度增长。此外，由于改良的可靠性能、成本和工作效率的显著优越性继续推进新应用市场的发展。此外，本阶段的半导体激光器市场的发展也来自替代那些用于泵浦半导体激光器的短寿命、低效率的闪光灯。随功率和可靠性能的发展，直接采用半导体激光器进行材料处理也获的一定的市场份额。
    高功率泵浦里的半导体激光器有两种类型：单发射体和列阵。采用单发射体激光器进行泵浦时，每一个激光器是单独封装在封装物和热沉上的，并且是独立驱动或与其他类似的器件串联驱动。
    单发射体的光纤耦合，每根光纤是单独耦合到对应发射体的。一组这样的独立发射体可以通过外光学器件或光纤器件非相干地组合在一起，获得更高的功率。这类高功率激光器的工业应用的可靠性数据已经被建立。相比之下，列阵激光器是多个发射体安装在一个公共的热沉上的，并且是绝对并OFP 封装技术行运行的。当然，列阵激光器比单发射体激光器更有能力获得更高的，低成本的连续激光功率，然而，列阵激光器需要高精度的光学和对准措施来获得高的光纤耦合效率。
    同样的输出功率，半导体激光器的光斑质量比商用的Nd:YAG和CO2 激光器差一到二个级别。当使用长焦距（100~150mm）的透镜聚焦时，这种劣质光斑使得在工作表面上的光功率密度限制在105W/cm左右。象厚钢片之类的材料处理需要比这高得多的功率密度。一种使半导体激光获得更高功率密度的办法是采用光纤激光器。使用半导体泵浦，光纤激光器可以获得高功率光斑。大部分通用的高功率光纤激光器系采用掺Yb纤芯的光纤和包层端泵或侧泵方案。最近，千瓦级半导体泵浦光纤激光器(DPFL)已经商用化，这与传统的CW激光系统的材料处理能力相媲美。此外，与Nd:YAG或CO2 激光器的系统相比，采用光纤激光器的用户可以节省一笔可观的运行费用。然而，为减低当前光纤激光器的成本，需要高性能低更成本的半导体激光器。一台千瓦光纤激光器使用几百个单管半导体激光器作为泵源。所以，开发一种低成本、可生产的泵浦半导体激光器的光纤耦合技术是很重要的。这种封装技术必须允许光纤激光器的成本能与传统激光器竞争。此外，这些器件要求比气体和固体激光器的泵源拥有更高的可靠性。
    在Zewda, 我们专为这种高速市场需求的发展开发了一种高功率半导体激光器的封装技术。
    本文献上这种光学平板封装(OFP)的设计和相应数据。这种封装是为光纤耦合的单发射体，宽发射面的半导体激光器的工业应用环境而设计的。
2. 封装设计
    图1显示光学平板封装OFP的图形和尺寸图解。这种封装主要由一个Cu-W的平板基片组成。
    这个基片的面积大小是0.5in. x 0.5in (12.7 x 12.7cm)。两只引脚是激光器相应的阳极和阴极引脚。这种OFP设计使得在激光器运行中可以合适地夹紧热沉。
    
         图1: 光学平板封装（OFP）的外型规格和尺寸。
     部分这种光学平板封装（OFP）的设计特征包括：
1． 小的占空面积：如上图所示，OFP占用很小的面积。这点使的在需要使用大量OFP的光纤激光器应用场合节省可观的空间。另外，OFP的高度只有3.4mm，这比其他封装形式，如14脚蝶形封装小了不少。
2． 垂直封装：OFP设计来消除在安装过程中所有非垂直封装的步骤。这使得这种设计非常适合自动化生产。
3． 无流质和胶：所有的封装过程都在无流质和胶的环境中进行的，保证器件的长期稳定性。
4． 低热阻率：这种OFP设计具有比其他传统封装形式更低的热阻率。这得益于减少了激光芯片和热沉基板之间的材料接触面的数量。我们已经测得在运行条件下，OFP的热阻率小于6oC/W。
5． 低材料成本：OFP封装的材料成本(BOM)在设计阶段就已经节省了客观的一笔。这使得有更少的封装和工艺步骤，节省的库存控制和低的材料和人工成本。节省的BOM如图2所描述。OFP的组成包括采用一根直接与激光半导体耦合的金属化透镜光纤，装在一个平板基板上。光纤基板是集成在封装里面的，光纤用Au-Sn焊锡进行固定。
     
    图2：OFP封装与传统激光封装相比拥有降低的材料成本 (BOM)
6． 密封设计：对需要不透气密封的应用要求，OFP封装是可以做到的。
7． 承受高功率：对于单发射体半导体激光器，OFP封装可以承受高达6W的光纤输出功率。这对不同芯片厂家的更高功率的单反射体半导体激光器芯片是有帮助的。
3. 热建模
    在OFP设计初期，热建模扮演重要的角色。OFP设计用于运行在非制冷的工业环境中，运行温度15到45oC。温度值是在封装基片上测得的。图3显示了OFP在基板温度40oC ，激光芯片6w均匀热穿透装载功率下的热模型。两种不同的热模型显示如下：图3a显示芯片温度（不是小平面的温度）在直接与40oC 热沉接触时是61oC。 这个箱体定义在完美的平面基板和热沉的接触表面。当在封装基板和热沉之间插入一个热接触平片时芯片温度上升到68oC。从这个数据可以计算出小平面的温度，来估算这种封装的寿命和可靠性。

    (a) 61oC 最高芯片温度

    (b) 68oC 最高芯片温度
    图3： OFP封装上的激光芯片热模型数据。基体的温度是40oC。两组数据分别为(a)在热沉和基板间无接触材料和(b) 在热沉和基板间有热接触材料。
    不同材料对热扩散效率(CTE)的影响如下面的图示（图4）。移动楔角光纤头对应半导体激光器的快轴特有意思，可以导致耦合输出功率的减少。所有大于0.1-0.2 µm的任何移动都可以导致显著的光纤耦合功率的下降。模型数据告诉我们，在运行中，相对激光面的楔角光纤头的相对位移是很好地限制在这个限度内并认为不产生明显的光学功率变化。
    
    图4：基于给定一个导入OFP 6w热负载的CTE模型，光纤到激光半导体界面的偏差。结果显示偏差小于0.03µm，这能很好吻合维持高耦合效率的指标的要求。
4. 测试及性能OFP器件在CW的条件下测试各种参数值。展示的测试数据是在915或965nm连续模式下测得的数据。该半导体激光器有100µm的发射孔径，并被耦合到105µm 纤芯/125µm包层，0.22NA的二氧化硅光纤中。激光驱动电流调节到在室温下获得4w出纤功率。OFP封装被固定在一个温控平台上，以研究封装性能的热影响。器件波长用光谱分析仪测量。一批(10pc)简易装配的（未光纤耦合）半导体激光器裸芯出芯LIV数据显示如图5。这种装配被嵌入水冷铜片上，并测试在25oC 温度下最大额定电流6A，所有10个器件发射大于5W的光功率无显示任何热流动的迹象。
     
    图5：一批(10pc)简易装配的（未光纤耦合）半导体激光器裸芯出芯直流LIV数据图,下图（图6）显示同一批(10pc)采用105µm 纤芯/125µm包层，0.22NA的二氧化硅光纤耦合后半导体激光器出光纤LIV数据。数据是在恒定25oC的激光器基板温度下测得的。
    
    图6：一批(10pc)采用105µm 纤芯/125µm包层，0.22NA的二氧化硅光纤耦
合后半导体激光器出光纤DCLIV数据图,如上图5和图6所示，当激光器耦合到未镀AR膜的楔角光纤中时，获得80%或更佳的耦合效率。整个器件的工作范围内，都维持这个耦合效率，说明这个结果与热建模是一致的。许多OFP封装被安排做长期的寿命实验，以检验这种封装在非制冷应用中的可靠性。由于OFP是设计在箱体温度45oC以下的工作温度，第一批长期寿命实验就安排在该温度下进行。然而，为了一步步跟进研究这种封装设计在更恶劣环境中的工作稳定性，500小时侯，箱体的温度提高到55oC（如图7），在4800小时的加速老化后没有观察到失效。OFP封装将继续进行实验，以探测这些封装的失效和故障率。
    
    图7：OFP封装运行在6A持续驱动电流下的寿命数据。测试温度55oC，除了前500小时为45oC外。同时，OFP封装也完全通过了Telcordia GR-468的以下机械性能测试：震动、高低温循环和光纤拉力
5. 未来方向
     在下一代OFP封装的半导体激光器中，将同时进行许多进一步的改良。进一步改善的OFP封装已经在进行，用于容纳大量的平板半导体激光器封装，以获支持更高功率的半导体的激光器。一定数量的OFP可以光学耦合在一起，以获更高的光纤输出功率。我们正在发展包含耦合多模OFP所需的光学器件、冷却方案和驱动电路的模块。这些模块将拥有高透亮度的几十瓦光纤输出功率。紧凑的光纤功率耦合可采用风冷和水冷方式。这种模块的雏形如下图所示。
    
    图8：水冷和风冷多OFP激光器耦合成高功率光纤耦合模块的雏形图
6. 结论
    总之，我们这里献上一款高功率光纤耦合、单发射面、扁平光学封装（OFP）的数据。这种OFP封装具有许多独特的性能，使得它非常适用于对那些要求高功率、低成本及高可靠运行的泵源的工业应用。这种封装是为光纤激光泵浦、工业材料处理、固态激光器泵浦、印刷及医疗等市场而设计的。
7. 后记
    笔者在完成本文时，Zewda已经可以商用化大批量提供单发射体出纤功率高达6w的OFP半导体激光器。同时，高达100w的光纤耦合半导体激光器也商用化。
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6. 众望达技术有限公司内部参考资料