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
半导体激光器封装技术及封装形式
半导体激光器封装技术及封装形式半导体激光器的概念半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。
常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）等。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。
半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体激光器的工作原理半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：（1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；（2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。
半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。
半导体激光器优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。
半导体激光器的封装技术一般情况下，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，影响颜色鲜艳度。
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，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，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，很多功率型半导体激光器的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的半导体激光器封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。
例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导。
1550nm蝶形SLED激光器
1550nm 14 PIN 蝶形封装SLED 宽带激光器产品说明：1550nm14PIN 蝶形封装带温控尾纤型SLED 宽带激光器系列，采用高性能SLED 宽带激光器芯片，内置半导体制冷器，先进的激光焊接工艺实现14PIN 蝶形（butterfly ）尾纤式封装，结构紧凑，体积小，在光纤通信、光纤传感、光纤测控等领域得到广泛应用；半导体制冷器高精度温度控制下，激光器功率高稳定输出，使得激光器在居多领域得到广泛应用。
飞博源(FBYGD)光电为您提供实物图如右所示。
产品特征及应用领域：额定极限工作条件：参 数符号 参数值 单 位 激光二极管正向电流I f(LD)150 350 mA 激光二极管反向电压 V r(LD) 2V 致冷器工作电流 I TEC 1.6 A 致冷器工作电压 V TEC 2.6 V 工作温度 T opr -45～+70 ℃ 储存温度 T stg -55～+80 ℃ 引线焊接温度 T sld 260 ℃ 引线焊接时间Ti sld10s技术参数：（测试环境温度为25℃）参数 符号 测试条件 Min Typ Max 单位出光功率 P O Iop =100 0.2 − 4 mW Iop =300 5 − 10光谱宽度 Bw Iop=100 30 40 − nm 工作电压 V opIop=100 −1.2 − V 中心波长 λcIop=100− 1550 − nm 光谱纹波Iop =100 −− 0.2dB 偏振消光比 FER 低偏 −− 1.5dB 偏振消光比FER高偏15− − dB 热敏电阻 Rth Ttherm = 25ºC 9.51010.5k Ω引脚定义与尺寸图：。
关于影响半导体激光器封装后焦距因素的分析
关于影响半导体激光器封装后焦距因素的分析翟 建 申 闯 刘世凯 陈立红*（河北杰微科技有限公司）摘 要：基于半导体激光器（LD ）的TO56封装方式，LD芯片共晶位置及同轴封装结构的差异，会对封装后激光器产品的焦距产生影响。
为了研究LD芯片共晶、封装参数对焦距的影响，本文重点分析了影响TO56激光器产品焦距的因素，并得出结论：提升LD芯片烧结刻度及封装同轴的精度，选取合适高度、透镜大小和折射率的管帽可以提高产品封装后焦距稳定性。
关键词：TO56，激光器，焦距，共晶参数，封装参数Analysis of Factors Affecting Focal Length of Semiconductor Laser afterPackagingZHAI Jian SHEN Chuang LIU Shi-kai CHEN Li-hong *（Hebei Jiewei Technology Co., Ltd.）Abstract: Based on the semiconductor laser (LD) TO56 packaging mode, the laser product focal length changes after packaging due to the influence of the eutectic position of LD chip and the coaxial packaging structure. In order to study the influence of LD chip eutectic and package parameters on focal length, this paper focuses on analyzing the factors affecting the focal length of TO56 laser products, and draw the conclusion: increasing the precision of LD chip sintering scale and packaging coaxial, and selecting the appropriate height, lens size and refractive index of the tube cap can improve the focal length stability of products after packaging.Keywords: TO56, laser, focal length, eutectic parameters, packaging parameters作者简介：翟建，初级工程师，本科，现任河北杰微科技有限公司工艺工程师，主要从事光通信器件封装研究。
半导体激光to封装
半导体激光to封装【最新版】目录一、半导体激光器封装的目的二、半导体激光器的主要封装形式三、半导体激光器芯片和封装的特点四、半导体激光器封装技术的发展历史五、总结正文一、半导体激光器封装的目的半导体激光器封装的主要目的是完成输出电信号，保护管芯正常工作，并输出可见光。
封装设计需要考虑电参数和光参数，因此不能简单地将分立器件的封装用于半导体激光器。
二、半导体激光器的主要封装形式半导体激光器主要有以下几种封装形式：TO 封装、C-mount 封装、butterfly 封装、塑料封装和陶瓷封装。
其中，LED 一般采用直径 5mm 的塑料封装。
在功率较低的情况下，这种封装方式是可行的。
三、半导体激光器芯片和封装的特点半导体激光器芯片和封装的研发方向不再局限于传统的设计理念和制造生产模式。
为了提高光输出，研发工作不仅关注改变材料内杂质数量、晶格缺陷和位错，还致力于改善管芯及封装内部结构，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、取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化 SMD 进程。
四、半导体激光器封装技术的发展历史半导体激光器封装技术的发展历史可以追溯到 20 世纪 70 年代。
当时，工程师开发了外部量子效率（EQE）和高功率半导体激光器。
为适应新激光器的能力，工程师开始设计更高效的封装技术，以便更好地控制激光器的温度。
随着技术的发展，各种封装技术相继出现，如晶圆片封装、TO-CAN 封装、铝氮化镓（AlGaN）LD 封装等。
五、总结半导体激光器封装技术经历了从传统设计理念到现代高效封装技术的发展过程。
在提高光输出、改善内部结构、提高光效、解决散热等方面，封装技术不断优化和创新。