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。

0 引 言

光通信用半导体激光器的3个主要封装形式为同轴封装、双列直插封装和蝶型封装。其中同轴封装又可称为TO（Transistor Outline）-CAN型封装，具有寄生参数小、工艺简单、成本低等特点，因此获得了广泛的应用，是当前国内外市场上最为常见的光电子器件封装方式，如图1所示。其常见的器件类型有光发射组件（Transmitter Optical Sub-Assembly，TOSA）、光接收组件（Receiver OpticalSub-Assembly，ROSA）和光双向收发组件（Bi-directional Optical Sub-Assembly，BOSA）等[1]。

焦距参数是半导体激光器的一项重要指标，激光器焦距测试的目的是为后续光模块耦合提供距离指引，从而确认光模块结构是否满足设计要求，同时在耦合时减少耦合时间、提高耦合效率、降低耦合成本。

1 TO56激光器焦距测试原理

通常情况下，我们将管座上表面到管帽透镜汇聚焦点的距离定义为产品焦距值，如图2所示。LD芯片通电后发射出的光，经管帽透镜折射后汇聚在一点，此位置也是激光二极管所产生的最大功率位置。

对激光器焦距的测试其实质是测高斯光束的束腰位置，在工业上主要采用功率反馈法进行测量。功率反馈法是通过检测上电后激光器产品的输出光功率和调整接收光纤的XYZ三维位置来实现，首先确定接收光纤的基点，沿基点方向上下前后左右移动，通过实时探测所接收功率的大小，完成对目标功率极大值的搜索，并记录此时的光纤位置，从而计算出此时光纤位置距离管座上表面的距离，得出焦距值。

2 影响TO激光器封装后焦距的因素

通过 对 T O 激 光 器 结 构 的 分 析 ， 其 主 要 由 管座、PD芯片、PD垫块（载体）、LD芯片、LD垫块（热沉）和管帽等器件组成，其中PD芯片与PD垫块组成了LD芯片背出光的监控系统，用于监控LD芯片的背光，其对焦距的变化无影响，本文主要从LD芯片烧结刻度、封装同轴度和管帽型号几个方面探讨其对焦距的影响。

2.1 LD烧结刻度对焦距的影响

LD芯片是半导体激光器用来将电信号转换为光信号所用到的芯片，其发光点位于芯片发光条的最前端，图3是一种常见的1490nm波长芯片示意图。

我们通常将管座上表面到LD芯片发光条的垂直高度定义为烧结刻度，由于LD发射出的光经管帽透镜折射后形成焦距点，因此在物料及封装工艺一定的情况下，LD芯片不同的烧结刻度会直接影响封装后产品的焦距值，如图4所示，当LD烧结刻度变大时，焦距也会随之变大。

2.2 封装同轴度对焦距的影响

在实际工业生产过程中，TO封装包括多种工艺流程，比如：共晶工序，采用焊接技术将LD芯片、热沉和管座连接起来；键合工序，采用金丝球焊技术将芯片、热沉和管座引脚进行连接导通；封帽工序，采用电阻焊或电流焊技术完成管帽与管座的封装等。在这些封装工艺的作业过程中，总会不可避免地引入人为或机械误差，使得封装后的LD出光点与管帽透镜并非理想同轴，导致耦合效率降低，从而影响最后的出光焦距[2]。

工业生产中通常使用同轴度来作为判定封装后产品同轴偏移程度的参数，其具体指的是LD芯片发光点距离管帽透镜中心点之间的距离，如图5所示，一般使用影像仪进行量测。需要注意的是，不同种类的管帽会有不同的透镜倍率，在测量产品同轴度时，应考虑透镜倍率对测量值的影响。

影响半导体激光器同轴度的因素主要有LD芯片横向偏移位置精度、LD芯片倾斜角度以及管帽倾斜角度等。在实际生产中，为提高产品的同轴度，降低其对焦距的影响，通常采用如下措施。

（1）提高共晶作业过程中LD芯片的定位精度，在生产过程中定期抽检量测芯片的位置，实时调整共晶设备参数，以降低LD芯片共晶位置误差。

（2）精确控制管座凸台及LD垫块（热沉）的厚度及平整度，确保物料的一致性，降低LD芯片倾斜误差。51漫画

（3）管控封帽机上电极与下电极的平整度与最大使用次数，在生产过程中定期抽检封帽后产品的同轴度，实时调整封帽设备参数。当发现电极表面不平整或达到电极最大使用次数时，及时更换或打磨电极，避免封帽过程中的焊料融化不均或管帽形变等问题，降低管帽倾斜角度误差。

2.3 管帽透镜对焦距的影响

管帽是半导体激光器同轴封装结构的核心部件，起到透镜定位的作用。在光电领域，TO管帽主要有两大基本功能，其一是对用来传输或接收的光学元件提供了密封可靠的保护，其内部填充99%以上浓度的氮气，杜绝氧气及水汽等易发生反应的气体，以增强内部元件的使命寿命。其二是管帽中的透镜会对LD芯片发射出的光起到折射传输作用，半导体激光器同轴封装参数的变化主要由管帽的高度以及透镜的形状、大小和折射率等影响，不同类型、折射率、材质、镀膜等规格的管帽会对光线传输产生不同的影响，从而影响封装后产品的焦距。

管帽透镜的焦距、半径和折射率的关系为：

其中f、r和n分别为透镜的焦距、半径和折射率。从公式中可以看出，影响焦距的主要因素有管帽透镜半径和折射。当透镜的折射率一定时，随着管帽透镜的半径增加，透镜的焦距也会增加；当透镜的半径一定时，随着管帽透镜的折射率增加，透镜的焦距会降低。透镜的材料主要有Hardglass，Sapphire，Taf－3等，不同的材料对应着不同的折射率。

按照透镜类型，可以将管帽分为平窗帽、斜窗帽、球透镜帽、非球透镜帽等，其中球透镜帽又可分为大球透镜帽和小球透镜帽，非球透镜帽又可分为大非球透镜帽和小非球透镜帽。不同类型的管帽其折射率、对应焦距也不尽相同，因此针对不同的焦距要求，需搭配选用满足规格设计的管帽。

3 结语

影响TO封装激光器产品焦距的因素主要有LD芯片烧结刻度、封装同轴度以及所选用管帽透镜类型，在设计方案不变的情况下，我们应在实际生产过程中，提高LD芯片烧结刻度以及同轴精度，避免因制程因素导致的焦距不稳定性。