激光器封装图
半导体激光器 制造 封装
TO封装技术
❖ TO封装，即Transistor Outline 或者Throughhole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。
半导体LD的特点及与LED区别
特点：效率高、体积小、重量轻、 可 靠 ， 结构简 单 ； 其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器 可选择的波长主要局限在红光和红外区域。
LD 和LED的主要区别 LD发射的是受激辐射光。 LED发射的是自发辐射光。 LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结
(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间， 不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。
2二次外延生长
生长：
1.低折射率层 2.腐蚀停止层 3.包层 4.帽层：接触层
DFB-LD
3一次光刻
❖ 一次光刻出双 沟图形
DFB-LD
4脊波导腐蚀
选择性腐蚀到四元 停止层
DFB-LD
5套刻
PECVD生长SiO2 自对准光刻 SiO2腐蚀
DFB-LD
6三次光刻：电极图形
DFB-LD
7欧姆接触
半导体激光器的制作工艺、 封装技术和可靠性
目录
1.半导体材料选择 2.制作工艺概述 3.DFB和VCSEL激光器芯片制造 4.耦合封装技术
1.半导体激光器材料选择
❖ 半导体激光器材料主要选 取Ⅲ-Ⅴ族化合物（二元、 三元或四元），大多为直 接带隙材料，发光器件的 覆盖波长范围从0.4μm到 10μm。
TOSAROSA基本知识
TOSA ROSA基本认识什么是TO SATOSA是一种光发射器件，其功能是把电信号转换为光信号半导体激光器LD分类•半导体激光器1＞法布里■珀罗型激光器F-P LD2、分布反馈激光器DFB LD3、分布B「agg反射型激光器DBR LD4、量子阱激光器QWLD5、垂直腔面发射激光器VCSEL半导体激光器LD•:•激光器被视为20世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光器LD倍受重视。
❖光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD 和发光二极管LEDo♦主要差别：住发光二极管输出非相干光；住半导体激光器输出相干光。
发光二极管LED•:•对于光纤通信系统，如果使用多模光纤且信息比特率在100〜200Mb/s以下，同时只要求几十微瓦的输入光功率，那么LED是可选用的最佳光源。
•比起半导体激光器，因为LED不需要热稳定和光稳定电路，所以LED的驱动电路相对简单，另外其制作成本低、产量高。
发光二极管LED•LED的主要工作原理对应光的自发发射过程, 因而是一种非相干光源。
•LED发射光的谱线较宽、方向性较差，本身的响应速度又较慢，所以只适用于速率较低的通信系统。
•:•在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器作光源。
半导体激光器LD❖半导体激光器的优点：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。
❖按结构分类：F-P LD、DFB LD、DBR LD、QW LD、VCSEL❖按性能分类：低阈值LD、超高速LD、动态单模LD、大功率LD❖按波长分类：光接收管芯可分为：850nm和"00T650nm通用；激光器管芯可分为：850nm, 1310nm,1490nm, 1550nm以及CWDM管芯；半导体激光器的工作特性♦激光器件的绝对最大额定值：住光输出功率（P。
和Pf）:从一个未损伤器件可辐射出的最大连续光输出功率。
P。
是从器件端面输出的光功率，Pf是从带有尾纤器件输出的光功率。
DFB蝶形封装激光器
DFB 蝶形封装激光器1,描述分布式反馈特定波长激光器, 波长1550±2nm,输出光功率≥10mw,内置 光隔离器, 带制冷的14脚蝶形外壳,直径为900um 紧套管,长度为1m 的 单模尾纤，连接器FC/APC2,性能规格2.1,极限值参数符号最小最大单位激光器反向电压 V RLMAX — 2.0 V 正向电流 I FLMAX — 150 mA 工作温度范围 T O -20 70 ℃ 贮藏温度范围 T stg -40 85 ℃ 光电二极管反向电压 V RPDMAX — 10 V 光电二极管正向电流 I FPDMAX — 2 mA 热敏电阻温度 — — 100 ℃ 制冷器工作电流——1.9A2.2,电特性 参数符号测试条件最小典型最大单位峰值光功率 P P — 10 — — mW 阈值电流 I TH CW — 14 25 mA 驱动电流 — P O =10mW — 100 — mA 激光器正向电压 V LF P O =10mW— 1.4 2.0 V 激光器工作温度 T LD — 22 — 30 ℃ 监视器反向压 V RMON — 3 5 10 V 监视器电流 I RMON P O =10mW 0.01 — 2 mA 监视器暗电流 I D I F =0mA,V R MON =5V— 0.01 0.1 µA 输入阻抗 Z IN — — 25 — Ω 热敏电阻电流 I TC — 10 — 100 µA 热敏电阻阻抗 R TH T L =25℃ 9.5 — 10.5 k Ω 制冷器电流I TECT L =25℃, T around =70℃ ——1.2A制冷器电压 V TEC T L =25℃, T around =70℃— — 3.5 V2.3,光学特性参数符号测试条件最小典型最大单位中心波长λCCWT L=15～35℃1548 1550 1552 nm线宽LW CW 5mW — 3 —MHz 带宽(@-3dB) BW 5mW，-3dB 2.5 ——GHz 杂讯比RIN 5mW,50MHz-2.5GHz —-140 —dB/Hz 边模抑制比SMSR CW 35 42 —dB 光隔离度—0℃～70℃30 ——dB 波长飘移—25 years ——±0.1 nm 温度波长系数dλ/d T ——0.09 —nm/℃动态谱宽△λ 2.5GHz, @-20dB —0.32 —nm2.4,光纤和连接器参数符号描述最小典型最大单位尾纤长度L 单模光纤 1.00 — 1.10 m连接器类型—FC/APC ————3,封装尺寸引脚定义01引脚定义02编号Pin No. 针脚定义/Pin Function1 热敏电阻/ Thermistor2 热敏电阻/ Thermistor3 激光器直流负极/Laser DC bias cathode (-)4 光电二极管正极/ PD monitor anode (-)15 光电二极管负极/ PD monitor cathode (+)26 制冷器正极/ Thermoelectric cooler (+)7 制冷器负极/ Thermoelectric cooler (-)8 无/ NC9 无/ NC10 无/ NC11 激光器正极，接外壳/Laser anode (+),Case12 激光器射频负极/ Laser RF cathode(-)13 激光器正极，接外壳/Laser anode (+),Case14 无/ NC。
激光基础知识
按照 运转方式 分类：连续激光器、单次脉冲激光器、重复脉冲激光器、锁模激
光器、单模和稳频激光器、可调谐激光器
按照 显示波段 分类：远红外激光器、中红外激光器、近红外激光器、可见光激
光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X射线激光器
半导体激光器 半导体激光器，即用半导体材料（砷化镓GaAs、砷化铟InAs、铝镓砷 AlxGaAs、铟磷砷InPxAs）为工作物质的激光器。
品 品种 种不 不齐 齐
光器的 国内生产的光纤激 留在1μm 激射波长至今仍停 已经成 的波段上，而国外 2μm波长 功开发出1.5μm和 光器， 的人眼安全光纤激 安全光 这使得中国在人眼 到限制。 纤激光应用方面受
一 单一 长单 波长 波
缺 缺乏 乏高 高端 端产 产品 品
在高重复率、脉宽为皮 秒 或飞秒量级的商用超短 光 脉冲的锁模激光器方面 存 在很大的空白
半导体激光器结构图
PN结——半导体激光器的心脏 将P型半导体和N形半导体"紧密接触"，其接触面就形成PN结，在PN 结界面上存在多数载流子梯度，因而产生扩散运动，形成空间电荷区 及内部电场
零偏压时的PN结能带图
正向偏压时的PN结能带图
一些常见半导体激光器
单管 / C-mount封装
单管 / F-mount封装
常见的 工作物 质
液体
有机化合物液体 无机化合物液体
GaAs 、GaN……
半导体
自由电子
自由电子束
激光器“有多少种”？
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激光器
按照 工作物质 分类：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、
自由电子激光器
激光器封装简要说明
QCL in butterfly package图1，封装好的激光器外形上图包括外壳，引脚，激光出射窗口，热沉，TEC模块，热敏电阻，激光器模块。
外壳：尺寸2*2.5*1cm3材质要求：底部采用传热性较好的纯铜，并在内部与TEC模块紧密接触（用导热胶与TEC制热面粘结），侧面与顶部可采用其他材料。
两边对称引脚接口，位于侧面的中上部位，以较方便连接内部部件为宜。
透镜窗口，高度在侧面中部以上，位于前侧面的中心位置，方便激光的输出以及内部激光器的放置，大小以透镜为标准。
引脚：两边对称排列2*4根，圆柱形，铜质，直径1.27mm，长度3.5cm，引脚间距2mm。
激光出射窗口：使用材料BaF2。
热沉：使用导热系数较大的纯铜（也可以采用其他材质，视条件而定，要求导热系数较好）。
厚度不小于0.15cm。
TEC模块：1.5*1.5*0.33cm3。
底部与外壳紧密接触，上部与热沉接触良好，TEC 周围使用隔热材料做成的隔热圈，减少制热面产生的热量向制冷面传递。
热敏电阻：采用贴片式热敏电阻。
激光器模块：封装详细结构如图2。
图2，激光器模块封装建议图如图2所示为激光器模块封装的建议图；*所提供的激光器裸管中阳极与阴极（此处阳极，阴极是为了方便表达，封装时对应为裸管的上下表面）表层都没有镀上欧姆接触层，在封装激光器模块前需在激光器上下两面镀上欧姆接触层，皆为Ti/Au（40/120nm），在上表面为了使得金丝能与欧姆接触层更好的连接，需再镀上5um厚的Au。
阴极（基板为）铜或铝，它与激光器的阴极短接，作为激光器的阴极来使用，同时也是为了较快地散热，它的厚度见附图。
基板的下方应加一层导热性好的绝缘层，使得激光器基板与热沉有较好的电隔离，且不影响其导热性能。
中间红色一层为绝缘层，采用高绝缘材料，其厚度见附图。
上面一层为阳极接触层，同样可以用铜片或者铝片（首先选择铜），阳极的铜板不一定要求与图示上所画大小，但要求保持较低的电阻。
TOSA_ROSA基本认识
什么是TOSA
TOSA是一种光发射器件，其功能是把电信号 转换为光信号
❖ 通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。不依靠外加电源 （直流或交流）的存在就能独立表现出其外特性的器件就是无源器件。 否则就称为有源器件。
❖
有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些器件是光发射机、
SC-TOSA
SC-TOSA物料组成：
1.管壳 2.管芯套 3.过渡环 4.陶瓷套筒 5.陶瓷插芯 6.激光器
SC-TOSA
1、SC金属组件装配所需物料:
开口陶瓷套筒
金属件 插芯
SC-TOSA
SC-LD金属组件:
SC-TOSA
SC-TOSA所需物料:
过渡环 SC-LD金属组件:
管芯座 LD管芯
5PIN LC SFP ROSA结构
LC塑料件
透镜
5PIN PINTIA管芯
ROSA物料组成
5PIN LC SFP ROSA结构
参数
❖ 1.光响应度R：R=Ip/Pi；Ip表示光电探测器产生的光电流，Pi表示输入光电探测器的 ❖ 光功率； ❖ 2.暗电流Id：指在规定反向电压（PIN光电二极管反偏5V）或者90%击穿电压（APD） ❖ 时，在无光入射情况下器件内部产生的电流； ❖ 3.反向击穿电压Vbr：在无入射光照时反向电流（暗电流）达到一个预定值（典型值 ❖ 10uA）的反向电压。 ❖ 4.隔离度ISOx1/x2含义：“/”前面的数字表示组件的接收波长。接收波长x1光源大小 ❖ 为1uW，干扰光x2大小为1mW；ISOx1/x2=10*log(Ix1/Ix2)+30，其中Ix1表示在输入 ❖ 光x1波长的1uW的光源下的响应电流，Ix2表示在输入光x2波长的1mW的光源下的响 ❖ 应电流，ISO13/14=10*log(I13/I14)+30（dB） ❖ ISO13/15=10*log(I13/I15)+30 ❖ 5.串扰CT13/14：表示发射波长1310nm对接收1490nm的串扰；“/”前的数字表示串扰 ❖ 光的波长，“/”后面的数字表示接收波长；CT13/14=10*log((Ict14/Po13)/R14)；Ict为 ❖ 串扰电流，Po为组件发射功率，R为组件接收响应度； ❖ 6.响应度偏振PDL：用来衡量偏振状态对响应的影响的一个参数，不同偏振状态 ❖ 下，最大响应度与最小响应度的比值。PDL=10*log（Rmax/Rmin） ❖ 7.灵敏度：在一定波长、速率、误码率（BER＝10-10或10-12）条件下能接收到的最 ❖ 小光功 ❖ 8.饱和度：在一定波长、速率、误码率（BER＝10-10或10-12）条件下能接收到的最大光功率
VCSEL激光器技术科普!
什么是VCSEL激光器？V C SE L激光器全名为垂直共振腔表面放射激光器（V e rt ic a l C a vit y Su rf ac e E mit t in g La se r,V CS E L），简称面射型激光器。
它以砷化镓半导体材料为基础研制，是一种半导体激光器。
其激光垂直于顶面射出，与激光由边缘射出的边射型激光有所不同。
因此相较于边射型激光器，V C SE L激光器具有低阈值电流、稳定单波长工作、可高频调制、容易二维集成、没有腔面阈值损伤等优点，在半导体激光器中占有很重要的地位。
边发射激光器和面发射激光器V C S E LVCSEL 芯片基本结构V C SE L 的结构示意图如下图所示。
它是在由高、低折射率介质材料交替生长成的分布布喇格反射器（D B R）之间连续生长单个或多个量子阱有源区所构成。
典型的量子阱数目为3~5个，它们被置于驻波场的最大处附近，以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场。
在底部还镀有金属层以加强下面D B R 的光反馈作用，激光束从顶部透明窗口输出。
实际上，要完成低阈值电流工作，和一般的条型半导体激光器一样，必须使用很强的电流收敛结构，同时进行光约束和截流子约束。
由上图可见，V C SE L 的半导体多层模反射镜D B R 是由GaA s/A lA s 构成的，经蚀刻使之成为a ir-p o st（台面）结构。
在高温水蒸汽中将A lA s 层氧化，变为有绝缘性的A l xO y 层，其折射率也大大降低，因而成为把光、载流子限制在垂直方向的结构。
对V CS E L 的设计集中在高反射率、低损耗的D B R 和有源区在腔内的位置。
VCSEL的结构与关键工艺介绍V C SE L有几个关键工艺，这几个关键工艺决定了器件的特性与可靠性。
銦镓砷In GaA s井（we ll）铝镓砷AlG a A s垒（b arr ie r）的多量子阱（M QW）发光层是最合适的，跟LE D用I n来调变波长一样，3D传感技术使用的940纳米波长V C S E L的銦In组分大约是20%，当銦In组分是零的时候，外延工艺比较简单，所以最成熟的V C SE L激光器是850纳米波长，普遍使用于光通信的末端主动元件。
7-3 半导体激光器封装PPT课件
阵列器件热沉的分类
无源热沉（passive heatsinks) ：
有源热沉（active heatsinks)：
无源热沉的热结构
2t 0
t 0 (y=0,y=b); t=0 (z=c)
y
t 0
x
t q[H (e y)H (d x)]
整体结构简单、理想化的情况。
求解方法—数值解法
数值解法： 利用有限个离散点值的集合表征物理场 （量）的连续变化情况。
适用领域： 外形结构比较复杂、很难获得解析解的情 况下。
热阻概念的引入
热量的传递同自然界中的其它转移过程， 如电量的转移、质量的转移有着共同的规 律，可归结为： 过程中的转移量 = 过程中的动力/过程中 的阻力
nd
e
2 n c a
n z
J(x z)
a
e a
2nc
2qgasin nd a
e
n a
z
cos
n
x
2nc
a
n 1
bn2
2
1
e
a
bn2
2
1
e
a
计算结果
I
t
t
热沉尺寸：
25 257.5mm3 热流密度： 4 106W/m2 λ=398W/m﹒K
Cu heat sink
PL wavelength (nm) PL wavelength (nm)
847
mounted on Cu heatsink
846
847
Mounted on expansion-matched heatsink
846