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LOGO Your site here VCSEL 芯片制造 4 欧姆接触 LOGO Your site here 4. 半导体LD耦合封装技术 耦合是指半导体激光器的输出光通过合适的方式进入光纤或其他光电子器件中,实现光的传输与应用。 半导体器件(如管壳、盖板、管座、光纤与管壳之间)的封装应该是全金属化焊接,不能采用胶接,而且保持良好的气密性,使器件不受使用外部条件的影响,提高激光器的可靠性。 (a)为双列直插式结构。(b) 为同轴式结构封装。 LOGO Your site here 4.1 半导体LD与光纤的耦合 半导体LD激光器输出的激光发散角较大,垂直结面发散角为20—50度,平行结面发散角为5—10度。单模光纤的纤芯为4—12μm,多模光纤50—80μm。常用耦合效率来衡量,即耦合到光纤内的光功率比发射总共率。 LD与多模光纤 直接耦合 LD与多模光纤微透镜耦合 LD与多模/单模光纤圆锥形半球透镜耦合 LOGO Your site here 光耦合透镜系统 LOGO Your site here 半导体LD的封装是指通过电连接、光耦合、温控、机械固定及密封等措施使半导体LD成为具有一定功能且性能稳定的组件的装配过程. 激光器封装的目的: ⑴隔绝环境,避免损害,保证清洁; ⑵为器件提供合适的外引线; ⑶提高机械强度,抵抗恶劣环境; ⑷提高光学性能; 封装器件的主要要求: ⑴气密性好,保证管芯与外界隔绝; ⑵结构牢固可靠,部件位置稳定,经受住各种环境; ⑶热性能好,化学性能稳定,抗温度循环冲击; ⑷可焊性好,工艺性好,有拉力强度; ⑸符合标准,系列化,成本低,适合批量生产。 4.2半导体LD封装技术 LOGO Your site here 驱动电流对封装技术的影响 一般情况下,半导体激光器的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm/℃,光谱宽度随之增加。另外,当正向电流流经pn结,发热性损耗使结区产生温升,在室温附近,温度每升高1℃,半导体激光器的发光强度会相应地减少1%左右。 以往多采用减少其驱动电流的办法,降低结温,多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。但是,半导体激光器的光输出会随电流的增大而增加,目前,很多大功率型半导体激光器的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级。 通过改进封装结构,可以增强半导体激光器内部产生光子出射的几率,提高光效,解决散热。例如,采用大面积芯片倒装结构,选用导热性能好的银胶,增大金属支架的表面积,焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。 LOGO Your site here TO封装技术 TO封装,即Transistor Outline 或者Through-hole封装技术,原来是晶体管器件常用的封装形式,在工业技术上比较成熟。TO封装的寄生参数小、工艺简单、成本低,使用灵活方便,因此这种结构广泛用于 2.5Gb/s以下LED、LD、光接收器件和组件的封装。TO管壳内部空间很小,而且只有四根引线,不可能安装半导体致冷器。由于在封装成本上的极大优势,封装技术的不断提高,TO封装激光器的速率已经可以达到 10Gb/s。 TO管壳所用材料主要为不锈钢或可阀。整个结构由 TO管座、内套、透镜座、外套以及内部光学系统组成,结构上下部有一致的同心度。 根据与外部的光学连接方式,TO封装可以分为插拔式封装(pluggable)、窗口式封装(window-can)和带尾纤(pigtailed)的全金属化耦合封装等三种形式。 LOGO Your site here TO(同轴)封装 拔插式 窗口式 带尾纤式 LOGO Your site here 插拔式同轴封装 插拔式封装结构示意图 LOGO Your site here 窗口式同轴封装 窗口式TO封装激光器的内部结构 激光器芯片是烧焊在载体上,激光器发出的光经过透镜聚焦,投射到外面的光接收器件。激光器通过金丝连接在两个管脚上。调制信号和偏置电流都通过这两个管脚。管座上的探测器监测激光器的工作状况。探测器可接收到激光器背面发出的光,产生光电流。当激光器的发光强度随着外界环境的变化而产生变化时,那么探测器产生的光电流也会变化。通过外电路的负反馈作用,控制激光器的偏置电流,使得激光器工作状态稳定。探测器用金丝与另外两个管脚相连。 LOGO Your site here 尾纤式同轴封装 (a)刨面示意图 (b)外观图
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