半导体激光器巴条封装应力及评价

为了快捷而有效地检测半导体激光器的封装应力,设计了一种通过检测激光器巴条各个单元偏振度揭示出其封装应力分布的实验方法。实验测试半导体激光器巴条的各项参数,并利用有限元软件模拟,通过半导体能带与应力理论,说明偏振度与封装应力的影响关系。实验表明,巴条个别发光单元的偏振度较低、阈值电流较高是由于封装应力较大。通过计算,封装应力为141.92 MPa,偏振等效应力最大为26.73 MPa。实验器件在阈值以下的偏振度较好地反映了封装应力的分布趋势。利用阈值电流以下测量器件偏振度,可以为选择热沉及焊料材料、焊接工艺参数的改进等方面提供一个较为快捷而有效的检测方法。     

高功率半导体激光器低温特性分析

研制了一套微通道封装结构半导体激光器的低温测试表征系统,实现了对高功率半导体激光器在-60℃～0℃低温范围内的输出功率、电光转换效率和光谱等关键参数稳定可靠的测试表征.采用计算流体力学及数值传热学方法,模拟了无水乙醇、三氯乙烯以及五氟丙烷三种载冷剂的散热性能.模拟结果表明,压降均为0.47bar时,采用无水乙醇作载冷剂的器件具有最低的热阻(热阻为0.73K/W)和最好的温度均匀性(中心和边缘发光单元温差为1.45℃).低温测试表征系统采用无水乙醇作为载冷剂,最大可实现0.5L/min的载冷液体流量,最多能容纳5个半导体激光器巴条同时工作.基于该低温测试表征系统,对微通道封装结构976nm半导体激光器巴条在6%占空比下的低温特性进行了研究.测试结果表明,载冷剂温度由0℃下降到-60℃,半导体激光器的输出功率由388.37 W提升到458.37 W,功率提升比为18.02%;电光转换效率由60.99%提升到67.25%,效率提升幅度为6.26%;中心波长由969.68nm蓝移到954.05nm.器件开启电压增加0.04V,阈值电流降低3.93A,串联电阻增加0.18mΩ,外微分量子效率提高11.84%.分析表明,阈值电流的减小及外微分量子效率的提高,是促使半导体激光器在低温下功率、效率提升的主要因素.研究表明,采用液体微通道冷却的低温工作方式,是实现半导体激光器高输出功率、高电光转换效率的一种有效手段.     

多单管堆叠半导体激光器热分析及光纤耦合模拟仿真设计

多单管合束技术是获得高输出功率密度半导体激光器的重要方法,但其存在封装方式单一、体积大等问题,难以满足更高功率密度和较好光束质量的需求。本文设计了一种多单管半导体激光器堆叠排布的封装结构,通过将多个单管半导体激光器垂直封装在辅助热沉之间,使得器件更加小型化,在充分利用单管半导体激光器优势的同时,既增加了单管半导体激光器的散热通道,又实现了在体积不增加的基础上提高输出功率。通过ZEMAX软件对3个单管进行了空间合束模拟,将光束耦合进芯径200μm、数值孔径0.22的光纤中,可以达到28.6 W的激光输出,耦合效率为95%。     

4 mm腔长高功率单管半导体激光器封装应力的研究

为了减小长腔长高功率单管半导体激光器在封装过程中引入的热应力,根据应力改变禁带宽度的原理,理论上推导了应力与波长漂移的关系,提出了一种通过测量激光器脉冲条件下的光谱来定量计算激光器应力的方法。利用这种方法得到的研究结果表明,焊接质量直接决定着应力的大小,由焊接质量的不同引起的应力差值超过了300 MPa,提出了优化焊接回流曲线的方法,使激光器的应力由原来129.7 MPa降低到53.4 MPa,该方法还有效的解决了封装应力随储存时间变化的问题。实验表明,激光器光谱图的测量分析是研究高功率单管半导体激光器封装应力的有效方法,也是检测分析烧结工艺的有效手段。     

808 nm宽条型激光器绝热封装改善慢轴光束质量（英文）

为降低半导体激光器在慢轴方向的远场发散角,改善慢轴光束质量,本文提出了一种新型的绝热封装结构,可削弱激光器工作时因芯片横向温度不均而导致的热透镜效应,并基于傅里叶热传导方程,采用有限元分析软件ANSYS 18.0进行热特性仿真,利用Fineplacet贴片机对808 nm In_(0.1)Ga_(0.73)Al_(0.17)As/Al_(0.37)GaAs宽条形半导体激光器进行绝热封装,采用电荷耦合器件(CCD)图像采集分析法对其光束质量进行测量。实验结果表明采用绝热封装方式可减小慢轴发散角约40%,且慢轴发散角随工作电流变化更稳定,相对应的光参数积BPP和光束质量因子M~2也随之降低约33%和30%,芯片横向(慢轴方向)与热沉接触宽度越小,绝热封装对慢轴光束质量改善效果越好。绝热封装中空气隙的引入使得激光器光电特性产生恶化,输出功率降低约14%,光电转换效率降低约8.7%。绝热封装方式对改善半导体激光器的慢轴光束质量具有重要的指导意义。     

传导冷却半导体激光阵列温度均匀化研究

高功率半导体激光器阵列已经广泛应用于许多领域。Smile效应是由高功率半导体激光器阵列（巴条）本身在封装过程中与热沉之间热膨胀系数（CTE）失配导致的热应力造成的。各个发光点在横向上不在一条直线上,从而导致半导体激光阵列整体发光弯曲。较大的Smile值可以引起光束质量降低、造成光束耦合和光束整形困难。为了降低热串扰实现巴条温度均匀化,我们在传统CS热沉的基础上,引入高热导率铜基石墨烯（GCF）与孔状结构,对CS被动式制冷半导体巴条热应力分布不均导致的Smile效应进行了数值模拟与仿真分析。在热功率为60 W的条件下,一方面,当仅有GCF材料,并且其长度为8 mm时,温差从最初的7.94 ℃降低到3.65 ℃;另一方面,在合理的温升范围内,当GCF的长度为8 mm时,结合增加热沉热阻的孔状结构时,温差进一步降低到3.18 ℃。     

半导体激光器同轴封装的高频影响:分析与实验

存高频调制下,封装对半导体激光器的影响非常显著。通过分析封装前后激光器散射参量之间的火系,推导出可用于分析半导体激光器封装高频影响的两种方法：预测法和评价法,从而提供了分析激光器封装的另外两种等价方法。实验中,对同轴（TO）封装的高频特性进行了测试和分析,分析结果与传统比较法的测试结果吻合表明新方法有效。实验表明在10．2GHz以内同轴封装不会降低半导体激光器的频响带宽,即同轴封装的带宽可达10GHz,且发现同轴封装巾电感和电容元件之间的谐振效应对器件的顿响具有补偿作用。两方法可为筛选光电子器件封装提供依据,并为优化封装的设计提供参考。     

高功率半导体巴条激光器的热特性分析

对采用5层叠焊的微通道无氧铜热沉冷却的巴条激光器进行了流体动力学(CFD)分析。建立了条宽10 mm、腔长1.5 mm巴条芯片的流固耦合共轭传热模型,得到了不同流量水冷下激光器的热阻和压力损失曲线。分析了300 m L/min水流时,激光器的温度分布和冷却水的流动性能。实验条件下,测试了该微通道热沉封装的808 nm巴条激光器的热阻和压力损失。数值计算和实验测试所得的结果一致,在300 m L/min水流下,巴条热阻为0.38℃/W,在温度不高于70℃时可满足连续模式下90 W的散热要求。     

石墨片作辅助热沉的高功率半导体激光器热传导特性

为使边发射高功率单管半导体激光器有源区温度降低,增加封装结构的散热性能,降低器件封装成本,提出一种采用高热导率的石墨片作为辅助热沉的高功率半导体激光器封装结构。利用有限元分析研究了采用石墨片作辅助热沉后,封装器件的工作热阻更低,散热效果更好。研究分析过渡热沉铜钨合金与辅助热沉石墨的宽度尺寸变化对半导体激光器有源区温度的影响。新型封装结构与使用铜钨合金作为过渡热沉的传统结构相比,有源区结温降低4.5 K,热阻降低0.45 K/W。通过计算可知,激光器的最大输出功率为20.6 W。在研究结果的指导下,确定铜钨合金与石墨的结构尺寸,以达到最好的散热效果。     

水平腔面发射半导体激光器研究进展

近年来,水平腔面发射半导体激光器具有高功率、高光束质量及易封装集成等优良性能,已成为激光器领域的研究热点。本文详细阐述了几种水平腔面发射半导体激光器的结构设计、工作原理以及激光输出特性,并对该激光器国内外最新研究进展与发展现状进行了总结和论述。在此基础上,对该激光器的研究方向和发展趋势进行了分析与展望。目前,水平腔面发射半导体激光器的激光输出功率可达瓦级,美国Alfalight公司引入曲线形光栅的单一发射器输出功率可达73 W。随着应用领域的不断拓展,中远红外波段水平腔面发射激光器将成为未来的研究焦点。     

AuSn焊料组分对半导体激光器件性能的影响

为了提高半导体激光器件的可靠性,研究了AlN过渡热沉上AuSn焊料不同配比对半导体激光器器件性能的影响。利用MOCVD 生长975 nm芯片,通过对半导体激光器器件表面形貌、空洞、光谱特性、热阻特性以及寿命测试,Au组分比重低于72%的AlN过渡热沉封装器件表面颜色明显不同于组分相对较高的,空洞较多,平均波长红移约5 nm,在寿命试验中过早失效,最终得出AuSn焊料中Au组分比重最好大于72%,小于80%,才能保证封装器件焊接质量,为实际生产和使用提供了指导意义。     

Reduction of post-weld shift in semiconductor laser packaging

A reduction of post-weld shift (PWS) in semiconductor laser packaging using a laser welding technique is presented. It is found that the PWS and its association with the power coupling loss of the laser packaging can be reduced under proper pressure constraint. Characteristics of defect mechanisms in laser welding techniques for semiconductor laser packaging are also investigated experimentally. The results in the stainless-to-Kovar joints show that the surface cracks are dependent on the Au thickness on the Kovar material. The low solubility of gold in the Kovar is identified as the defect mechanism for surface cracks. Preliminary reliability data demonstrated that these laser packages without crack defects in the welded joints are reliable.     

Solder with discontinuous melting point in semiconductor laser arrays and stacks

High power semiconductor laser arrays must be mounted in the epitaxy-side down configuration for good heat transfer and so require a well-controlled solder. Selection of solder is very important in semiconductor laser arrays and stacks. Usually, the solder consists of two layers. The outer layer prevents In from oxidation. A new type of solder with several layers of Au between the two layers of In was made, which constitutes of multi-layer of W/Ni/Au/In/Cu. In packaging, the Au layer in the solder does not melt. Quick temperature decrease can avoid expansion of the solder. The solder cannot oxidize during packaging.     

激光混沌通信中半导体激光器接收机对高频信号的滤波特性

数值研究了基于半导体激光器的混沌通信系统中构成混沌同步的接收半导体激光器对高频信号的滤波特性.分析了闭环结构的接收机对不同频率、不同幅度的加载信号的提取能力.研究发现，混沌保密通信系统对传输信号的提取能力与信号的频率有关.当信号频率较低时，闭环结构的接收机对信号的滤波效果较好；当信号频率接近半导体激光器的弛豫振荡频率时，接收机的滤波效果较差.分析结果同时表明，混沌保密通信系统中接收机对传输信号的提取质量不仅与实现混沌同步的两激光器的同步质量有关，而且依赖于传输信号的幅度. 关键词： 混沌 混沌同步 半导体激光器 滤波     

封装热应力致半导体激光器“Smile”效应的抑制方法

封装热应力所致smile效应是阵列封装大功率半导体激光器中普遍存在的问题。为解决这一问题,本文在研究smile效应产生机理的基础上,提出采用错温封装技术和热沉预应力封装技术降低smile效应的措施。以某808nm水平阵列封装半导体激光器为例,采用仿真分析的办法研究了上述技术的可行性和有效性。仿真分析表明,采用传统封装技术,在恢复至室温22℃后,芯片smile值约为39.36μm,采用封装前升高芯片温度至429℃的错温封装技术,可以将smile值降至1.9μm;若采用热沉预应力技术,对热沉的两个端面沿长边方向分别施加190 N的拉力,可以将smile值降至0.35μm。结果表明,这两种封装措施是有效的。错温封装技术和热沉预应力封装技术具有易于实现的优点,其中热沉预应力技术对于各种smile效应类型和不同的smile值都可以调整和修正。     

“之字形”光路薄管固体激光大气长程传输光束质量分析

“之字形”光路薄管固体激光是一种结构紧凑、增益高且利于发射的新型激光光源。针对薄管固体激光光源及其大气长程传输过程中的光束质量退化问题,提出了基于直角锥面变形镜的薄管激光校正方法,进而通过建立薄管激光校正模型以及大气长程传输模型,开展了薄管激光大气长程传输光束质量分析。首先,针对大遮拦比窄环宽环形光束与发射系统的匹配问题,提供了一种薄管激光环形光束整形变换方案,有效实现了薄管激光的整形和变换。然后,分析了薄管激光光源光束质量、大气湍流效应和热晕效应等对整形变换后的薄管激光大气长程传输特性的影响,进而明确了薄管激光大气长程传输光束质量退化机理。最后,分析了直角锥面变形镜对薄管激光的光源畸变、大气湍流的低频分量和热晕导致的离焦相位等的校正效果。结果表明,经过直角锥面变形镜的校正,薄管激光光源光束质量明显改善,大气长程传输后的远场光束质量有所提高。若进一步配合常规变形镜进行联合校正,薄管激光大气长程传输后的远场光束质量可得到显著提升。     

Characterization of Kovar-to-Kovar laser welded joints and its mechanical strength

For the packaging of a pump laser in butterfly package, the most crucial assembly step is the fiber-to-laser diode coupling and attachment. The use of laser welding as the joining method offers several advantages if compared with the adhesive joints: strong joining strength, short process time and less contamination. This paper reports on laser welding process characteristics; weld strength and its fracture mode. The penetration depth and melt area of laser spot welds were found to be complicated functions of laser pulse energy, intensity, and beam diameter. Effects of pulse width, input power and size of the focal spot on the rate of energy input to the workpieces and consequently, the weld strength were reported. The weld strength was found to be dependent on the overlapping area between the two joining materials. Surface roughness, R_a, has influence on the fraction of energy absorbed, A, and therefore, affecting the penetration depth. Thermal analysis was carried out on the laser-welded joints and its heat-affected zone (HAZ) induced by various power densities was examined. These data are important in order to optimize and utilize the laser welding process as an effective manufacturing tool for fabrication of reliable pump laser.     

38.5% optical-to-optical efficiency neodymium-doped yttrium vanadate/magnesium-oxide-doped periodically poled lithium niobate integrated green module with watt-level output power for laser display applications

In this paper, 1.15 W linearly polarized continuous-wave green laser is achieved from a novel neodymium-doped yttrium vanadate/magnesium-oxide-doped periodically poled lithium niobate (Nd:YVO₄/MgO:PPLN) integrated packaging module (namely, mGreen) with an optical-to-optical efficiency as high as 38.5%. The presented package module is designed for mass production of green lasers at low cost to overcome the ??Green?? bottleneck in laser display industry.     

Message filtering characteristics of semiconductor laser as receiver in optical chaos communication

The message filtering characteristics of the receiver in closed-loop chaotic optical communication system are numerically studied based on laser rate equations. A pair of external cavity semiconductor lasers was employed as the chaotic carrier transmitter and the synchronized chaos receiver. We examined the filtering properties of the semiconductor laser receiver for message encoded with chaos masking. Our results demonstrate that, the lower the message frequency, the more easily the receiver filters out the message from chaotic carrier. We also analyzed the effects of each parameter mismatches between the transmitter and the receiver on the quality of the recovered message. Comparing the synchronization quality with the signal-to-noise ratio affected by parameter mismatches, we find that the quality of the recovered message depends not only on the synchronization quality but also on the filtering characteristics of the receiver. The filtering characteristics of receiver will be playing an important role on the quality of the recovered message in the case of large mismatches.