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学术：高速半导体激光器同轴封装工艺误差分析

Original 2016-12-21 ☞ 信息与电子前沿

今日荐文

今日荐文的作者为中国电子科技集团公司第八研究所专家刘勇，李锦华，周雷，司淑平。本篇节选自论文《高速半导体激光器同轴封装工艺误差分析》，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第4期。下面和小编一起开始学习吧~

1.引言

随着宽带接入的不断普及以及数据业务和语音、视频、图像等多媒体综合业务的迅速发展，传统的局域网、广域网等网络容量已不能满足需求；这就需要开发出传输容量更大、价格更低以及传送更高效的光网络。这促使10G 光器件、光模块以及光传输系统相关技术得到快速的发展。半导体激光器是10G 光模块以及光传输系统所需要的核心光器件之一，发展与其相应的封装技术是十分重要的。但以工艺简单、成本低、损耗小等特点的同轴封装是半导体激光器封装最主要的形式，逐步成为各个器件生产商研发生产的话题。

目前，低速率的同轴封装工艺相当成熟，但高速率的同轴封装工艺还需要进一步完善。特别在高速LD封装中，封装成本占高速LD成本的50%～70%，这种封装不可避免地产生工艺误差，引起高速LD的成本增加，致使高速LD组件的耦合效率下降，引起高速LD的性能指标下降。本文不考虑高速LD同轴封装过程中产生寄生参数以及其它因数对高速LD组件耦合效率的影响，分析讨论高速LD封装过程中产生同轴封装工艺误差对高速LD组件耦合效率的影响。

2.高速LD的工作原理

图1是高速LD封装的内部结构,激光器芯片是烧结在载体上，激光器发出的光经过透镜聚焦，投射到外面的光纤端面，经光纤传输出去。激光器芯片通过金丝连接在两个管脚上。调制信号和偏置电流都通过这个两个管脚，管座上的探测器芯片监测激光器芯片的工作状况。探测器芯片可接收到激光器芯片背面发出的光，产生光电流。当激光器的发光强度随着外界环境的变化而产生变化时，探测器芯片产生的光电流也会变化。通过外电路的负反馈作用，控制激光器芯片的偏置电流，使得激光器芯片工作状态稳定。探测器芯片用金丝与另外两个管脚相连。金丝的长短以及焊接容易产生寄生参数，即，寄生电容、电感和电阻，寄生参数对高速LD组件的耦合效率也存在一定影响。

图1 高速LD的内部结构

3.同轴封装误差对高速LD组件耦合效率的影响

高速半导体激光器同轴封装的光耦合系统示意图如图2所示。从图中可以看出，在不考虑封装误差的情况下,影响高速LD组件耦合效率的主要因素是经过透镜折射后的激光高斯光束模场与多模光纤的模场尺寸不匹配产生的损耗和透镜的像差损耗。但在实际生产过程中,同轴封装工艺包括多种操作工艺：高精度打金丝；高精度贴高速LD芯片，采用金丝将芯片和管脚连接起来，采用电阻封焊机在氮气保护环境下将带透镜的官帽封焊在管座上等等。但在这些封装过程中，不可避免地产生工艺误差，致使高速LD的性能指标下降。因此本文分别针对高速LD管帽倾斜、芯片不居中、芯片倾斜这三种情况下产生工艺误差对高速LD组件耦合效率的影响。

图2 高速LD与光纤的耦合系统示意图

从物理波动光学的角度来说，透镜对光场振幅和相位起到变换作用，为了简化问题，在理性状态下，把透镜看成一个面，建立光耦合系统的理论分析模型，高速LD组件的耦合效率可以通过如下计算公式得到：

（1）

式中ψ_L(x,y)表示激光光束的高斯光场分布式；ψ_F(x,y)表示多模光纤的高斯模场分布式,*表示复数共轭。

实验室设计的高速LD组件为尾纤型结构,图3所示。以这种结构为例, 通过ZEMAX绘制高速LD与光纤的耦合光路，分析光场，结合MATLAB编程软件分析高速LD组件的耦合效率与同轴封装工艺误差的关系。高速LD组件的参数：VCSEL芯片,其远场发散角为15°，输出光功率为1.5mw；传输速率为10Gbps，模场直径为50μm的多模光纤；两种带有球透镜的管帽,其结构参数如表1 所示，分析同轴封装工艺误差对高速LD组件耦合效率的影响。

图3 高速LD组件为尾纤型实物图

表1选用的高速LD管帽结构参数

型号	管帽1	管帽2
透镜材料	Bk-7	Taf-3
透镜焦距/mm	1.03	0.75
透镜直径/mm	1.8	2
管帽高度/mm	4	3.8
透镜孔径/mm	1.8	1.2
透镜折射率	1.4135	1.7042

3. 1 高速LD管帽倾斜误差对高速LD组件耦合效率的影响

高速LD组件的光路是主要由激光器芯片、耦合透镜和多模光纤组成的。在不考虑封装误差时，采用这两种管帽的耦合效率理想曲线如图4（a）、（b）所示。将光纤耦合端面分别固定在管帽1、2的理想位置,研究管帽倾斜误差对高速LD组件耦合效率的影响。当管帽与光轴发生倾斜，使聚焦光束光轴与光纤光轴不重合，如5所示，产生高速LD管帽的倾斜误差，即误差为1～8°时，管帽1、2耦合效率的变化趋势如图6所示。从图中可以看出，当管帽的倾斜误差为8°时, 管帽1耦合效率下降90% ,管帽2的耦合效率也下降50%。若保持高速LD组件耦合效率达90%以上(输出光功率≥1.35mw)，管帽1倾斜误差范围是±1.8°,管帽2倾斜误差范围是±3.8°。

因此，管帽倾斜对高速LD组件耦合效率的影响极大,其原因：（1）采用电阻封焊技术将管帽封焊在管座上时,由于电阻封焊机的电极不平整，当气缸推动电极往下压管帽时，在管帽下边缘与管座接触的瞬间受力不均,引起管帽发生倾斜；（2）由于管帽的加工精度难以控制。从而引起从透镜出射光束偏离芯片与光纤的轴线方向,导致耦合效率降低。

（a）管帽1

（b）管帽2

图4 高速LD组件耦合效率变化曲线

图5 高速LD管帽倾斜示意图

（a）管帽1

（b）管帽2

图6　高速LD管帽倾斜误差对高速LD组件耦合效率的影响　

3．2 高速LD芯片横向偏移误差对高速LD组件耦合效率的影响

将光纤耦合端面固定在图4所示的这两条耦合曲线的理想位置,这时高速LD发光功率最大，研究高速LD芯片的横向偏移误差对高速LD组件耦合效率的影响。当芯片与管座的中心位置发生横向偏移，使激光光束偏离管座中心，经透镜折射后的光斑和光纤纤芯不同轴，如图7所示，产生高速LD芯片横向偏移误差，即误差为1～10μm时,高速LD组件的耦合效率变化曲线如图8所示。从图中可以看出，当芯片的横向偏移误差为10μm 时，管帽1、2的耦合效率分别下降22%和10%。若保持耦合效率达90%以上(输出光功率≥1.35mw)，采用管帽1时，高速LD芯片横向偏移误差范围是±3.5μm，采用管帽2时，高速LD芯片横向横向偏移误差范围是±10μm。因此，高速LD芯片横向偏移误差对高速LD组件的耦合效率存在一定的影响,其原因：将高速LD芯片焊接在管座上,有可能使激光器芯片的出光面偏离管座中心,从而使从透镜出射的光束不再是圆形而是椭圆形的高斯光束,导致耦合效率降低。

图7　高速LD芯片横向偏移示意图

(a) 管帽1

(b)管帽2

图8 高速LD芯片横向偏移误差对高速LD组件耦合效率的影响

3．3 高速LD芯片倾斜误差对高速LD组件耦合效率的影响

将光纤耦合端面固定在图4所示的理想位置,研究高速LD芯片倾斜误差对高速LD组件耦合效率的影响。当光束的出光方向偏离光轴，致使高速LD芯片发出的激光光束经透镜折射不能有效聚焦在光纤端面上，如图9所示，产生高速LD芯片倾斜误差，即误差为1～10°时，高速LD组件的耦合效率变化曲线分别如图10所示。从图中可以看出，当高速LD芯片的倾斜误差到10°时, 管帽1的耦合效率下降5.5 % ,2号管帽的耦合效率下降5%。因此，高速LD芯片倾斜误差对高速LD组件耦合效率的影响都很小，可以忽略不计，其原因：在封装工艺的操作过程中, 高速LD管座的上表面不够平整或者由于压焊的焊料不够均匀, 可能使从高速LD芯片发出的光不再与耦合透镜和光纤同轴。

图9 高速LD芯片倾斜示意图

(a) 1号管帽

(b)2号管帽

图10 高速LD芯片倾斜误差对高速LD组件耦合效率的影响

4．在生产中高速LD同轴封装误差对高速LD组件耦合效率的影响

高速半导体激光器TO管芯是无法直接使用的，必须通过一定的方法将电信号加载到激光器的正负端，并通过稳定的光学链路将光引出。为达到此目的，需要对高速LD进行光耦合与焊接封装。通常，对高速LD的耦合与焊接封装必须从光、电子、机械、热等多方面进行考虑，通过设计巧妙的耦合夹具将加工精密的光学、电子学和金属元器件按照一定的顺序进行准直和装配。这种高速半导体激光器同轴封装的工艺流程为：首先采用高精度金丝键合机在支撑激光器芯片的载体上打金线，然后采用高精度贴片机将激光器芯片贴在载体上，采用金丝将芯片电极与管脚连接起来，再用封帽机将带有透镜的管帽与管座在氮气保护环境下密封起来，然后采用储能焊机在氮气保护环境下将金属管体封焊在管座上，将封焊好的激光器TO放入专用耦合夹具下夹头内，多模光纤耦合端面插入耦合夹具上夹头内，金属插针套在光纤端面上，调节耦合夹具两个旋柱，沿着光轴方向升降光纤端面的高度，寻求激光器最大光耦合的位置，确定最佳光耦合的位置，如图12,13所示。采用耦合仪读出高速LD组件耦合最大光功率值如表2所示。从表中数值可以看出,高速LD管帽倾斜误差对高速LD组件耦合效率影响最大，其次，芯片横向偏移误差，芯片倾斜误差对高速LD组件耦合效率影响最小。这个结果与上述分析结果相符合。

图12 高速LD耦合封装组件图

图13 高速LD耦合封装过程图

表2 高速LD组件在极限误差处耦合输出光功率值

名称型号	1#（输出光功率/mw）	2#（输出光功率/mw）
管帽倾斜角误差（8°）	0.22	0.71
芯片横向偏移误差（10μm）	1.15	1.32
芯片倾斜角误差（10°）	1.31	1.37

5.减少高速LD同轴封装工艺误差的措施

根据上述理论分析的指导下，在实际生产过程中采取的措施如下：

1）精确控制打金丝和芯片定位精度及金丝焊接的稳定性可以减少的高速LD芯片横向偏移误差。

2）精确控制陶瓷基片和焊盘的平整度，清洁焊料，减小高速LD芯片倾斜误差。

3）严格检查电阻封焊机电极的平整度，如果发现电极不平整，取下电极打磨或更换电极，减少管帽封焊带来的管帽形变，即减少高速LD管帽倾斜误差。

6.结论

本文详细分析了高速LD管帽倾斜、芯片横向偏移、芯片倾斜对高速L组件D耦合效率的影响,并得出结论：管帽的倾斜误差和芯片的横向偏移误差对高速LD组件耦合效率的影响较大，但管帽倾斜影响最大。这个结果在生产中得以验证，并提出解决工艺误差的措施。我们在高速LD封装过程中尽量减少或避免产生这些工艺误差，减少产品生产成本，提高产品的性能指标。