CN1063587C - 大功率半导体激光器包装件及其包装方法 - Google Patents

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Abstract

一种大功率半导体激光器的包装件及其包装方法，它包括密封的充有干燥含氧气体介质的容器。该包装还可含有针对有机杂质的吸气剂，如由多孔氧化硅或沸石组成的吸气剂。用来制作容器的材料的氢含量可以通过在高温下焙烧一段较长时间，比如150℃200小时，而得以降低。

Description

大功率半导体激光器包装件及其包装方法
本发明涉及一种大功率半导体激光器包装件及包装方法。
维持激光器的稳定性和延长激光器寿命需要控制激光器操作环境，尤其是温度、湿度和气氛，该气氛对半导体激光材料相对呈惰性。已有技术告诉我们，不含氧气的气氛可以延长激光器寿命。同样优选的是干燥气体，以防止与激光材料反应并且保护与激光操作有关的微型电路的完整性。进一步的有关适当的微型电路包装的论述，可以参见“Considerations in the Hermetic Packaging ofHybrid Microcircuits”，Byrnes等人，Solid StateTechnology，1984。例如，干氮气和微量氦气组成的气氛提供了一种令人满意的激光器工作环境。术语“干燥”，在本文中，通常指气体介质的水含量小于约5000ppm。然而，因为半导体激光器面功率已增大至50mW或更高，所以这些通常公认的有关激光器稳定、长期工作的策略已显不够。对于一个面大小为约2微米×1微米的激光器而言，50mW的输出功率转换成面平均功率密度时，达到1×106W/cm2数量级。当大功率激光器在干的氦气/氮气气氛中工作时，激光器的端面，它基本划定了产生激光的腔的界限，会发生反射率的变化，甚至会被毁坏。会污染容器的材料包括在生产大功率半导体激光设备中使用的焊料，油，环氧树脂和清洁剂等，它们导致了端面涂层表面的颗粒性污染和导体污染，并且在上面产生杂质沉积。这样的沉积会改变面反射率，降低发射功率，和增加面吸收，从而导致面过热并最终造成激光器失效。因此，对于那些需要大功率并且要保证激光器稳定性和长寿命的激光应用场合，需要新的策略。
本发明的目的在于，通过提供一种对激光材料呈保护性的环境而实现了大功率半导体激光器稳定、长期和连续的工作。即，本发明提供了一种大功率半导体激光器包装件(或称“包装的大功率半导体激光器”)及其包装方法。“大功率半导体激光器”指前面功率至少为50mW的半导体激光器。因为激光器的前面非常小，因此，大功率的另一等价定义可以表述为前面功率密度为1×106W/cm2或更高的载量级。
根据本发明的基本方面，大功率半导体激光器包装件包括激光器和任选的吸气剂，它们由充有氧气浓度至少为100ppm的气体介质的密封容器包围。
本发明的其它有利的方面以及进步之处皆由此体现。令人惊奇的是，在容器的气体介质中掺入氧气大大降低了由密封时存在于容器内的残留有机杂质所引起的激光器端面的受损可能性。尽管这样的气氛已大大延长了大功率半导体激光器的使用寿命，但是将含氧气氛和能吸附或吸收(捕获)有机材料的吸气剂结合起来还可进一步延长。这种寿命延长对于远程通讯领域中使用的大功率半导体激光器尤为重要，在这些场合需要10年或更长的期望使用寿命。氧气可以大体上将沉积物从激光器端面结构上去除，或者在杂质沉积于面结构之前与杂质反应从而防止在端面上形成沉积，因而避免了对激光器端面结构的破坏。因为水对微型电路有不利影响，所以非常低的水含量，低于1000ppm是优选的。
使用氢含量低的材料，如金属，来制作激光器的容器壁很有好处，可以尽量避免容器壁所释放的氢与为了控制杂质而包含于容器中的氧互相反应而形成水。一种优选的达到所需的低氢含量的方法是，在装配完整的容器之前，在较高温度下，如约150℃，焙烧容器材料一段较长时间，如约200小时。
图1是半导体激光器的分解示意图。
图2和3是包装在干的惰性环境中的半导体激光器与包装在空气中的激光器相比，两者的背面功率与时间的关系。
图4是安装于容器中的激光装置的侧视剖面图。
图1显示了本领域熟练技术人员所熟悉的半导体激光器的结构。激光器本体3的前面10和背面12是大致上互相平行的解理面。这些面由钝化层保护。钝化层可以是硅层。钝化层用来保护激光器端面免受污染和腐蚀。钝化层还保护激光器端面免受氧化。前面镜9为一厚度约为1/4激光波长的涂层。背面镜7由相邻的若干反射材料层组成，其中相邻的层通常由不同材料构成。构成镜7的层的数目、组成和厚度都经选择，以得到前面与背面输出功率的预定的比率。典型的前面与背面功率比为约40∶1。
图1所示的普通类型的半导体激光器失效的一种可能机理如下：
激光器端面的发射面积为10平方微米数量级或更小。这样，当功率水平达到或超过约50mW时，通过端面单位面积的光子数目(光子通量)就相对很大。光子与激光器包围容器中的微量杂质反应的可能性与光子通量成正比。因此，在面镜上或附近，杂质分子发生光子离解的可能性增加了。换句话说，光子通量在面镜上或附近激发了活泼的或易挥发杂质分子，从而增加了杂质的反应性，并可能导致在面镜上形成沉积。此外，因为大功率半导体激光器通常是连续工作的，尤其在远程通讯应用中，所以一旦杂质分子沉积于面镜上，在杂质位置由于吸收连续碰撞于其上的激光而造成局部加热使问题迅速变大。
杂质分子可以来源于制造过程中所用的焊料、环氧树脂、或清洁剂，即异丙醇或OPTICLEAR(一种光学材料清洗剂的商标名)。至于环氧树脂，延长这种材料的固化时间有助于减少，但不能消除，杂质的生成。在这些材料中的有机化学品的例子是丙烯，萜烯和枞酸。红外光子对这些碳链的作用可以是除去水，留下一个能与构成面镜的材料中的原子相结合的活性碳链片段。另一机理是光子能从碳链中除去氢，从而产生活性的碳链片段。镜材料的例子有氧化铝和氮化硅。在激光器容器中游离氧气的存在可以通过在活性片段与面镜结合之前与它结合而保护面镜。或者，氧气可以淬灭活性物种的激发态，从而保护面镜。另一种可能是游离氧分子会破坏“镜原子”－“碳链片段”之间的键，从而将活性片段从面镜上去除。因此氧气可以有效地作为杂质分子的吸收剂。
在上面的概述中，为了保护面镜或面结构而需要的氧气的量取决于杂质分子的数目和存在于容器中的能与氧气结合的其他活性部位的数目。所需的氧气量还取决于要质分子的种类。因此，确定加入到容器中的气体介质的氧气的合适量，通常是由实验确定的。因为已知的氧的有害作用，即与氢反应形成会危害微型电路的水，所以加入到容器中的气体介质中的氧气的优选量是刚够维持面结构性能恒定时的量。
所述的由光子引起的杂质离解现象在功率更大(光子通量更大)的前面中最可能发生。在没有游离氧存在下，光反应产物会结合于面结构，或者产生面结构上的沉积，尤其是在前面镜上。沉积物会改变面镜的反射率或吸收率。吸收率增加会使面的温度升高到面材料的熔点，从而毁坏端面。同样，面的温度升高会造成整块激光材料中结的迁移，从而破坏激光器。因此，那些在低功率水平基本上不重要的微量杂质随着功率和相关的光子通量的增加而变得重要。对于低光子通量器而言成功的最大程度地延长其寿命的策略对于高光子通量激光器可能是无效的。
假定发生光反应，据信，存在于端面附近的反应气体，如氧气，如上所述，会与光反应活性产物结合，从而防止这些反应产物沉积于面镜上，或者去除那些早已结合于面镜上的反应产物。因此，氧气成了激光器气氛中的保护性因素，与已有技术所指出它是缩短微型电路寿命的潜在因素相反。
应理解，上面所述的机理的有效性对于本发明并不重要，同样该提出的机理对本发明的功能也不是必须的。
已发现，正如将在下面的实施例中阐述的那样，一个标准的激光器包装程度，如MIL-STD-1772A，包括用某物质如异丙醇清洗容器内部，将干燥惰性气体注入容器和密封激光器容器，所得到的激光器容器，所得到的激光器寿命之短是不能接受的，对于大功率激光器，即前面功率至少为50mW的激光器，其寿命仅为几十小时数量级。
按这种标准程序包装激光器，但将干空气引入激光器容器氛围中，却具有可接受的寿命。此外发现某些在干燥惰性氛围中工作时发生功率下降的激光器，当引入空气环境时便恢复了。
如上所述，用于注入激光器容器中的气体最好含有至少100ppm氧气和低于约1000ppm水。可购得的“重组空气”是一种合适的气体源。例如，Airco G as Inc.(Portland，Oregon)销售的空气产品号00.1可用于本发明的激光器包装中。如制造商所言，该产品具有如下组成：－20％O2(标准值)；－80％N2(标准值)；0.2ppmCO(标准值)；＜0.1ppm CO2(标准值)：＜0.1 ppm NOx(标准值)；＜0.1ppm总碳氢化合物(保证值)；和＜3ppm H2O(保证值)。
除了将激光器包装在氧气中，最好在激光器容器中还含有吸附性或吸收性的吸气剂。为了该目的可以使用多种吸气剂材料。该材料应具有如下性能：(1)它应具有相当大的吸附或吸收有机杂质的能力，较佳是具有相当大的比吸附能力或比吸收能力的，从而只需将少量材料包含于激光器容器中；(2)在容器的工作温度范围(即，范围约-40℃-约85℃)它的吸附或吸收能力应保持足够以保护激光器及其线路，使得在使用中吸气剂温度变化时不会大量释放吸附的或吸收的杂质；(3)在运输、处理和使用中要应基本具有物理完整性，例如，材料应尽可能少地释放能粘附于面镜的粉末或颗粒；和(4)在将材料引入容器之前，应该易于将有机污染物从材料中去除，即在使用之前材料是可清洗的。
用于特定激光器容器的吸气剂的量至少部分需凭经验确定，取决于选定的用于激光器包装的吸气剂材料的特性，在封口时留于容器中的有机杂质的数量，以及容器的体积。通常，对于比表面积高，如表面积为100m2/g数量级和相应的孔大小的分布足以容纳大量有机化合物的吸气剂材料，容器中每cm3应使用约0.1g的吸气剂。
较佳地，使用块状吸气剂以便于装入激光器容器中。例如，可将一块吸气剂材料安装于容器盖的内表面。通常，这种安装不应使用有机材料如环氧树脂或胶水，而应使用机械方式。例如可以使用金属线，弹簧夹或螺丝固定。类似地，可以采用焊料机械固定，例如，在吸气剂材料块上形成穿孔，将吸气剂置于容器盖内表面上，通过向穿孔注入熔融焊剂而将吸气剂焊于盖上。其他的固定方法，如果合适，当然可以使用。
适合用于实施本发明的吸气剂材料的例子包括多种多孔氧化硅，如Corning Incorported(Corning，New York)出售的VYCOR牌多孔氧化硅，产品号7930，以及多种沸石，如W.R.Grace & Cm-pany出售的Na-Al-Si沸石，产品号10A。如果合适，可以在本发明中使用各种吸气剂材料的混合物。
正如上面所述，在包装气氛中的氧气起着重要的最大限度减少由有机杂质引起的激光器损坏的作用。然而，使用氧气也存在不好的方面，即氧会与氢反应而在激光器容器中形成水。接着，水会危害容器中电子元件，包括半导体激光器的整体工作，例如在连接元件的导体之间形成短路。使用除了吸附或吸收有机杂质之外还能吸附或吸收水的吸气剂材料，如上面提及的VYCOR材料，有助于减少这一问题。
根据本发明，水的问题也可以这样处理，即减少容器中那些可与含氧的氛围中的氧反应的烃的数量。用于构成容器壁的金属是容器中氢的主要来源。例如，一种用于构成电子封装件的常用材料是电镀以镍和金的Kovar(一种镍钴合金)。在其制造过程中，Kovar常在氢中退火。同样，在电镀过程中，产生了氢并被吸收于金属中。随着时间推移，氢从金属中释放出来，与容器中的氧反应，形成水。因此，氢的问题通常最初并不表示出来，但是密封于含氧气的氛围中后，随着半导体激光装置的老化而逐渐变得突出。
本发明处理氢问题的方法是对那些用于制造容器的材料进行预处理。具体的，材料在高温下焙烧一段较长时间，以大大减少吸附或吸收于其中的氢的含量。例如，在镀以镍和金的Kovar的例子中，可以在约150℃下焙烧约200小时。通过将焙烧温度升至约350℃可以进一步去除氢，尽管通常并不需要如此高的温度处理。对于电镀的Kovar的温度和时间通常也可以用于其他本领域所知的用于构成密封容器的材料。对比实施例1
从IBM研究所(Zurich，Switzerland)获得980nm InGaAs半导体激光器，其结构大致如图1所示。激光器镜的构型使之通过前面输送90％总功率，通过背面输送10％。激光器在驱动电流195mA下工作，产生150mW的前面功率。激光器包围在密封的注有混合比为1∶9的He/N混合气体。在密封前，容器用异丙醇和OPTI-CLEAR清洗。包围激光器的气氛中水含量＜1000ppm。
用一个对980nm波长敏感的半导体光敏二极管连续监测背面功率随时间的变化。因为已选定的激光的前面和背面的功率比，前镜反射率的微小增加，仅会使前面功率产生微小减少，但却会使背面功率产生一个成比例的大增加。因此，背面监视器对前面反射率的微小变化很敏感。图4是安装于平台25上的激光器21和背面光敏二极管23的剖面图。该装置密封于容器27内。
参见图2，曲线13显示了在约45小时内测试对比实施例1处于He/N氛围的设备时，观察到的背面功率的增加。快速向上的趋势表明前面反射率的增加，和因此造成的激光过早失效。对比实施例2
另一激光器，它基本上与对比实施例1的激光器相同，并用对比实施例1相同的程序包装，但用空气代替其中的He/N混合气。图2的曲线11显示了对该激光测得的背面功率。在264小时后，背面功率曲线是正常的，表明激光器具有正常的期望寿命。对比实施例3
如实施例1所述，将980nm InGaAs激光器包装在干的惰性气体中。驱动电流同样为约195mA而最初前面功率为约150mW。参见图3，曲线15显示了背面功率单调增加。数据预示激光器会过早失效。经过约100小时，在激光失效之前终止实验。对比实施例4
在环境空气中对实施例3的激光器容器进行穿孔，打破容器的密封从而允许环境空气进入。再施加激光驱动电流并重新监视背面功率。曲线17显示背面功率减少至额定水平，然后以正常老化斜率继续下降。正常老化斜率为在500小时内背面功率下降约5％。即在最初500小时的工作时间内，激光背面激光下降约5％。
在干燥空气中重测试，表明该气体优于干燥的He/N混合气。
据信，低至100ppm的氧浓度足以维持激光器端面镜的完整性，因为充分清洗容器能将气态杂质降至很低的水平。通常，有机杂质可以通过过清洗而尽量减少。相反，如果杂质浓度相对较高，氧气浓度应增大以便按化学计量与存在的杂质分子反应。较佳地，氧浓度是这样的，即使形成有机杂质的无害氧化产物的反应在热力学上是极为有利的。在这种情况下，氧含量将大于化学计量的量。
除了氧气之外，其他的构成空气的气体元素和化合物，据信在保持大功率激光器面结构的完整性方面并无长处。因此，氧气与大量共知的气体的混合气体可以作为大功率半导体激光器的合适的气体介质。例如，氩、氦或氦气与氧气的混合气体能构成一种适合于激光器的气氛。
图4中光波导放大器纤维19与激光器前面21相耦合并通过容器壁27。该构型是典型的提供能量给放大器纤维的激励激光器构型。
实施例5
一个如实施例1所述类型的980nm InGaAs半导体激光器，以及用于把激光器能量提供给放大器纤维的其他部件，和VYCOR玻璃吸气剂(产品号7930)，按下述方式被包装于一个充满含氧气体的氢含量低的Kovar容器中。
激光器容器是用镀有金和镍的Kovar制成的，被制成两部分：承载激光器和其他部件的本体部分和携带VYCOR吸气剂的盖。两部分在用N2清洗的炉中于150℃焙烧200小时。容器的内部容积约为5cm3。
VYCOR吸气剂在650℃至少焙烧0.5小时以活化材料并且去除以前吸附或吸收的有机物。重量约为0.75g的一段材料，用上述方法利用在吸气剂上形成的穿孔固定于先前焙烧过的盖子上。
半导体激光器和其他部件安装于容器的本体部分。本体部分和带有固定好的吸气剂的盖部分在100℃真空焙烧12小时。最后，将两部分一起在上面提及的00.1空气产品的气氛中。封口最好是以不用助熔剂的电阻加热方式进行。
已发现，该半导体激光器能在较长时间，即超过5000小时，成功地工作，且包装中水含量很低，即在测试结束时在包装气体中的水含量低于5000ppm。因此，该包装的大功率半导体激光器是适合在远程通讯系统中用于提供能量给放大器纤维。

Claims (11)

1．一种大功率半导体激光器包装件，所述半导体激光器包装件包括一密封于充有气体介质的容器中的激光器，所述气体介质含有其含量足以防止杂质对所述激光器造成损坏的氧，其特征在于，所述激光器包装件包括：
一包括GaAs基片的大功率半导体激光器；所述激光器的工作功率不小于50mW，和
充于所述激光器的密封容器包装件中的气体介质中的氧含量大于100ppm。
2．如权利要求1所述的激光器包装件，其特征在于，容器含有的材料经过降低其氢含量的加工过程。
3．如权利要求2所述的激光器包装件，其特征在于，降低氢含量的加工过程包括在提高的温度下焙烧材料，较佳为在约150℃焙烧约200小时。
4．如权利要求1所述的激光器包装件，其特征在于，所述激光器包装件包括多孔氧化硅或沸石吸气剂。
5．如权利要求1所述的激光器包装件，其特征在于，所述密封容器包括盖子，所述盖子携带吸气剂，或者所述吸气剂是以机械方式固定于盖子上。
6．如权利要求1-5之任一项所述的激光器包装件，其特征在于，所述气体介质中的水含量小于5000ppm。
7．如权利要求6所述的激光器包装件，其特征在于，所述气体介质中的水含量小于1000ppm。
8．如权利要求1-5之任一项所述的激光器包装件，其特征在于，所述气体介质含有对激光器的材料呈相对惰性的组分。
9．如权利要求6所述的激光器包装件，其特征在于，所述气体介质含有对激光器的材料呈相对惰性的组分。
10．一种如权利要求1-9之任一项所述的激光器的用途，其特征在于，所述激光器包装件用于激励光波导放大器纤维的装置中。
11．一种制造大功率半导体激光器包装件的包装方法，所述激光器密封于充有气体介质的容器中，该气体介质含有对激光器材料相对惰性的组分并且含有一定量的足以防止杂质引起激光器损坏的氧气，其特征在于，所述激光器包装件包括一含有GaAs基片的大功率半导体激光器，所述激光器工作功率不小于50mW，且所述气体介质中的氧含量大于100ppm。
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