OFP 封裝技術
–一種高功率光纖耦合半導體激光器的封裝技術
    01/26/2005，眾望達技術有限公司 鄭鴻章 
摘要
    最近幾年來，高功率半導體激光器越來越多地為許多應用而生產，如直接的材料處理、光纖激光和放大器泵浦、自由空間光通訊、印刷和醫(yī)療等。這些首要歸功于激光器結構設計、半導體材料和可靠的封裝技術的發(fā)展。特別是，半導體激光器的封裝使得激光器件能獲得高墻插效率，提高穩(wěn)定性能并節(jié)省使用者的使用成本。盡管最近幾年來獲得的種種進展，但封裝、測試及可靠性等依然占據光纖耦合輸出的半導體激光器的大量成本。我們開發(fā)的新半導體激光耦設計和工藝使得
低成本、高可靠性的半導體光纖激光器耦合變成可能，同時也使得可以使用自動化大批量的機器封裝。
    本文里，我們獻上一種小側面尺寸、非制冷的單反射陣面、高功率輸出的半導體封裝技術。
    這里討論這款小尺寸、小側面尺寸、高亮度、4w、100um、0.15NA光纖輸出的半導體激光器的平板式光學封裝的細化的設計信息、熱建模和可靠性數(shù)據以及這種獨特的封裝技術在非制冷環(huán)境中具有的良好熱性能和可靠性能。所有的封裝過程是在無流體環(huán)境中進行的。這種無膠的密封封裝，使得激光器的運行可靠性很高；此外，使用材料和封裝程序的節(jié)省，減低了可觀的封裝成本；因消除了所有非垂直裝配步驟，使得自動化封裝帶光纖耦合輸出得半導體激光器成為可能；其他獨到之處還包括緊固的無源連接部分和集成的光纖耦合等。這種封裝是特地為光纖激光泵浦、工業(yè)材料處理、固體激光泵浦、印刷和激光醫(yī)療市場而設計的。
關鍵詞：激光封裝，高功率半導體激光器，無制冷封裝，光學平板式封裝，多模封裝，光纖耦合激光器，小側面光學封裝，半導體激光器可靠性
1.介紹
     高功率、寬發(fā)光面、多模半導體激光器在各種領域的應用市場，如材料處理、光纖激光泵浦、印刷以及醫(yī)療等，在上個年代獲得了強勁的發(fā)展。在未來幾年中，這些領域的激光應用市場將于2位數(shù)百分比的速度增長。此外，由于改良的可靠性能、成本和工作效率的顯著優(yōu)越性繼續(xù)推進新應用市場的發(fā)展。此外，本階段的半導體激光器市場的發(fā)展也來自替代那些用于泵浦半導體激光器的短壽命、低效率的閃光燈。隨功率和可靠性能的發(fā)展，直接采用半導體激光器進行材料處理也獲的一定的市場份額。
    高功率泵浦里的半導體激光器有兩種類型：單發(fā)射體和列陣。采用單發(fā)射體激光器進行泵浦時，每一個激光器是單獨封裝在封裝物和熱沉上的，并且是獨立驅動或與其他類似的器件串聯(lián)驅動。
    單發(fā)射體的光纖耦合，每根光纖是單獨耦合到對應發(fā)射體的。一組這樣的獨立發(fā)射體可以通過外光學器件或光纖器件非相干地組合在一起，獲得更高的功率。這類高功率激光器的工業(yè)應用的可靠性數(shù)據已經被建立。相比之下，列陣激光器是多個發(fā)射體安裝在一個公共的熱沉上的，并且是絕對并OFP 封裝技術行運行的。當然，列陣激光器比單發(fā)射體激光器更有能力獲得更高的，低成本的連續(xù)激光功率，然而，列陣激光器需要高精度的光學和對準措施來獲得高的光纖耦合效率。
    同樣的輸出功率，半導體激光器的光斑質量比商用的Nd:YAG和CO2 激光器差一到二個級別。當使用長焦距（100~150mm）的透鏡聚焦時，這種劣質光斑使得在工作表面上的光功率密度限制在105W/cm左右。象厚鋼片之類的材料處理需要比這高得多的功率密度。一種使半導體激光獲得更高功率密度的辦法是采用光纖激光器。使用半導體泵浦，光纖激光器可以獲得高功率光斑。大部分通用的高功率光纖激光器系采用摻Yb纖芯的光纖和包層端泵或側泵方案。最近，千瓦級半導體泵浦光纖激光器(DPFL)已經商用化，這與傳統(tǒng)的CW激光系統(tǒng)的材料處理能力相媲美。此外，與Nd:YAG或CO2 激光器的系統(tǒng)相比，采用光纖激光器的用戶可以節(jié)省一筆可觀的運行費用。然而，為減低當前光纖激光器的成本，需要高性能低更成本的半導體激光器。一臺千瓦光纖激光器使用幾百個單管半導體激光器作為泵源。所以，開發(fā)一種低成本、可生產的泵浦半導體激光器的光纖耦合技術是很重要的。這種封裝技術必須允許光纖激光器的成本能與傳統(tǒng)激光器競爭。此外，這些器件要求比氣體和固體激光器的泵源擁有更高的可靠性。
    在Zewda, 我們專為這種高速市場需求的發(fā)展開發(fā)了一種高功率半導體激光器的封裝技術。
    本文獻上這種光學平板封裝(OFP)的設計和相應數(shù)據。這種封裝是為光纖耦合的單發(fā)射體，寬發(fā)射面的半導體激光器的工業(yè)應用環(huán)境而設計的。
2. 封裝設計
    圖1顯示光學平板封裝OFP的圖形和尺寸圖解。這種封裝主要由一個Cu-W的平板基片組成。
    這個基片的面積大小是0.5in. x 0.5in (12.7 x 12.7cm)。兩只引腳是激光器相應的陽極和陰極引腳。這種OFP設計使得在激光器運行中可以合適地夾緊熱沉。
    
         圖1: 光學平板封裝（OFP）的外型規(guī)格和尺寸。
     部分這種光學平板封裝（OFP）的設計特征包括：
1． 小的占空面積：如上圖所示，OFP占用很小的面積。這點使的在需要使用大量OFP的光纖激光器應用場合節(jié)省可觀的空間。另外，OFP的高度只有3.4mm，這比其他封裝形式，如14腳蝶形封裝小了不少。
2． 垂直封裝：OFP設計來消除在安裝過程中所有非垂直封裝的步驟。這使得這種設計非常適合自動化生產。
3． 無流質和膠：所有的封裝過程都在無流質和膠的環(huán)境中進行的，保證器件的長期穩(wěn)定性。
4． 低熱阻率：這種OFP設計具有比其他傳統(tǒng)封裝形式更低的熱阻率。這得益于減少了激光芯片和熱沉基板之間的材料接觸面的數(shù)量。我們已經測得在運行條件下，OFP的熱阻率小于6oC/W。
5． 低材料成本：OFP封裝的材料成本(BOM)在設計階段就已經節(jié)省了客觀的一筆。這使得有更少的封裝和工藝步驟，節(jié)省的庫存控制和低的材料和人工成本。節(jié)省的BOM如圖2所描述。OFP的組成包括采用一根直接與激光半導體耦合的金屬化透鏡光纖，裝在一個平板基板上。光纖基板是集成在封裝里面的，光纖用Au-Sn焊錫進行固定。
     
    圖2：OFP封裝與傳統(tǒng)激光封裝相比擁有降低的材料成本 (BOM)
6． 密封設計：對需要不透氣密封的應用要求，OFP封裝是可以做到的。
7． 承受高功率：對于單發(fā)射體半導體激光器，OFP封裝可以承受高達6W的光纖輸出功率。這對不同芯片廠家的更高功率的單反射體半導體激光器芯片是有幫助的。
3. 熱建模
    在OFP設計初期，熱建模扮演重要的角色。OFP設計用于運行在非制冷的工業(yè)環(huán)境中，運行溫度15到45oC。溫度值是在封裝基片上測得的。圖3顯示了OFP在基板溫度40oC ，激光芯片6w均勻熱穿透裝載功率下的熱模型。兩種不同的熱模型顯示如下：圖3a顯示芯片溫度（不是小平面的溫度）在直接與40oC 熱沉接觸時是61oC。 這個箱體定義在完美的平面基板和熱沉的接觸表面。當在封裝基板和熱沉之間插入一個熱接觸平片時芯片溫度上升到68oC。從這個數(shù)據可以計算出小平面的溫度，來估算這種封裝的壽命和可靠性。

    (a) 61oC 最高芯片溫度

    (b) 68oC 最高芯片溫度
    圖3： OFP封裝上的激光芯片熱模型數(shù)據。基體的溫度是40oC。兩組數(shù)據分別為(a)在熱沉和基板間無接觸材料和(b) 在熱沉和基板間有熱接觸材料。
    不同材料對熱擴散效率(CTE)的影響如下面的圖示（圖4）。移動楔角光纖頭對應半導體激光器的快軸特有意思，可以導致耦合輸出功率的減少。所有大于0.1-0.2 µm的任何移動都可以導致顯著的光纖耦合功率的下降。模型數(shù)據告訴我們，在運行中，相對激光面的楔角光纖頭的相對位移是很好地限制在這個限度內并認為不產生明顯的光學功率變化。
    
    圖4：基于給定一個導入OFP 6w熱負載的CTE模型，光纖到激光半導體界面的偏差。結果顯示偏差小于0.03µm，這能很好吻合維持高耦合效率的指標的要求。
4. 測試及性能OFP器件在CW的條件下測試各種參數(shù)值。展示的測試數(shù)據是在915或965nm連續(xù)模式下測得的數(shù)據。該半導體激光器有100µm的發(fā)射孔徑，并被耦合到105µm 纖芯/125µm包層，0.22NA的二氧化硅光纖中。激光驅動電流調節(jié)到在室溫下獲得4w出纖功率。OFP封裝被固定在一個溫控平臺上，以研究封裝性能的熱影響。器件波長用光譜分析儀測量。一批(10pc)簡易裝配的（未光纖耦合）半導體激光器裸芯出芯LIV數(shù)據顯示如圖5。這種裝配被嵌入水冷銅片上，并測試在25oC 溫度下最大額定電流6A，所有10個器件發(fā)射大于5W的光功率無顯示任何熱流動的跡象。
     
    圖5：一批(10pc)簡易裝配的（未光纖耦合）半導體激光器裸芯出芯直流LIV數(shù)據圖,下圖（圖6）顯示同一批(10pc)采用105µm 纖芯/125µm包層，0.22NA的二氧化硅光纖耦合后半導體激光器出光纖LIV數(shù)據。數(shù)據是在恒定25oC的激光器基板溫度下測得的。
    
    圖6：一批(10pc)采用105µm 纖芯/125µm包層，0.22NA的二氧化硅光纖耦
合后半導體激光器出光纖DCLIV數(shù)據圖,如上圖5和圖6所示，當激光器耦合到未鍍AR膜的楔角光纖中時，獲得80%或更佳的耦合效率。整個器件的工作范圍內，都維持這個耦合效率，說明這個結果與熱建模是一致的。許多OFP封裝被安排做長期的壽命實驗，以檢驗這種封裝在非制冷應用中的可靠性。由于OFP是設計在箱體溫度45oC以下的工作溫度，第一批長期壽命實驗就安排在該溫度下進行。然而，為了一步步跟進研究這種封裝設計在更惡劣環(huán)境中的工作穩(wěn)定性，500小時侯，箱體的溫度提高到55oC（如圖7），在4800小時的加速老化后沒有觀察到失效。OFP封裝將繼續(xù)進行實驗，以探測這些封裝的失效和故障率。
    
    圖7：OFP封裝運行在6A持續(xù)驅動電流下的壽命數(shù)據。測試溫度55oC，除了前500小時為45oC外。同時，OFP封裝也完全通過了Telcordia GR-468的以下機械性能測試：震動、高低溫循環(huán)和光纖拉力
5. 未來方向
     在下一代OFP封裝的半導體激光器中，將同時進行許多進一步的改良。進一步改善的OFP封裝已經在進行，用于容納大量的平板半導體激光器封裝，以獲支持更高功率的半導體的激光器。一定數(shù)量的OFP可以光學耦合在一起，以獲更高的光纖輸出功率。我們正在發(fā)展包含耦合多模OFP所需的光學器件、冷卻方案和驅動電路的模塊。這些模塊將擁有高透亮度的幾十瓦光纖輸出功率。緊湊的光纖功率耦合可采用風冷和水冷方式。這種模塊的雛形如下圖所示。
    
    圖8：水冷和風冷多OFP激光器耦合成高功率光纖耦合模塊的雛形圖
6. 結論
    總之，我們這里獻上一款高功率光纖耦合、單發(fā)射面、扁平光學封裝（OFP）的數(shù)據。這種OFP封裝具有許多獨特的性能，使得它非常適用于對那些要求高功率、低成本及高可靠運行的泵源的工業(yè)應用。這種封裝是為光纖激光泵浦、工業(yè)材料處理、固態(tài)激光器泵浦、印刷及醫(yī)療等市場而設計的。
7. 后記
    筆者在完成本文時，Zewda已經可以商用化大批量提供單發(fā)射體出纖功率高達6w的OFP半導體激光器。同時，高達100w的光纖耦合半導體激光器也商用化。
參考文獻
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6. 眾望達技術有限公司內部參考資料