专利名称：激光设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光设备，配备有激光二极管，二极管配备有光学谐振器，用于向光学系统中发射激光；该激光设备还配备有监测二极管，该二极管具有光敏面，用于测量激光二极管的光学量。
背景技术：
传统的激光设备配备有一个激光二极管和一个监测二极管，监测二极管会感测激光二极管发出的一部分光，至少是它的一小部分，其目的可以是将激光二极管锁定在预定的工作点、实现安全功能(尤其是在超额发射能量的情况下)，也可以是为了检测激光二极管的老化并允许进行调节。
图3描述了现有s技术中的一个激光设备。在这种情况下，监测二极管是嵌入在硅片2′中的光敏二极管2′，它直接固定在基板3′上。为了能够计算关于感应激光51′的测量信号，利用焊线8′将监测二极管2′连接到设备的引线插头9′上。垂直发射激光二极管1′被牢固地焊接在监测二极管2′上面，激光二极管1′也通过焊线8连接到激光设备的引线插头9′上。
激光二极管1′发出的激光5′，通过激光设备的窗口4或者透镜系统4′进入光学系统。例如，该透镜系统4′可以连接到光学系统的光纤、其它光学元件或者光电元件。激光二极管1′所发激光5′的一部分51′，从窗口4′或者透镜系统4′反射(或反向散射)到监测二极管2′。而所发激光5′的大部分被耦合到光学系统中，例如耦合到光纤中。为了防止与该光束通路产生干涉，也为了保护组件(例如抵抗潮湿和机械应力)，激光设备拥有密封外壳31′。
发明内容
本发明的目的就是在已有技术的基础上，不增加激光设备的空间尺寸，而实现激光设备的简单设计。
根据激光设备发明的专利要求1，这个目标已经实现。在从属权利要求中，说明了本发明的有利改进。
因而，监测二极管的光敏面和激光二极管的一侧光学耦合。激光二极管产生的光和监测二极管测量的光，可以通过光学耦合建立有效的光学联系。除了改变激光二极管的光学特性这一主要目的之外，监测二极管或者其它集成组件还可以用于测试其它参数，例如温度。
激光二极管排列在接收激光的光学系统和监测二极管之间，因此，监测二极管的光敏面与激光二极管的背面光学耦合，这一背面与光学系统谐振器的出口侧相对。为了与监测二极管耦合，激光二极管背部也发射光，该光和发射到光学系统中的光有特殊的有效关系，例如可以是其中的一部分。
依据发明制作的激光器，至少拥有一个带有光学谐振器的激光二极管，以及一个带有光学激活区域，用于测量激光二极管的光学数量的监测二极管。谐振器的组成，举例来说，包括通常所说的布拉格反射器，根据设计，该反射镜主要实现反射功能，但是也能透射或者吸收一部分光线。可以从激光二极管出口侧析取一部分的光线，用于给监测二极管进行测量，但这不是没有必需的。
在本发明的有利配置中，激光二极管的背部直接与监测二极管相邻。直接邻近使得装配非常简单，甚至允许激光二极管和监测二极管组成的单元进行预装配。作为所述配置的选择之一，在激光二极管的背部和监测二极管之间提供有一个光学系统，在最简单的情况下，可以是一块透明塑料。如果打算在激光二极管和监测二极管之间减少除了光学类型之外的耦合，这样的方法会显得比较有利。其它类型的耦合，例如热耦合或者电耦合，会扰乱监测二极管感测的测量信号。
为了在激光二极管和监测二极管之间改进光学联系，另一有利配置是，激光二极管拥有光学反射镜，该反射镜装配在激光二极管的背部，用于和监测二极管进行光学耦合，这样反射镜透射一部分被监测二极管感测到的激光。例如，布拉格反射镜的独立反射镜数量减少，或者某些反射镜根据它们的反射参数进行了修改。反射镜拥有一个减少反射的子区域，该区域刚好位于监测二极管的光感应区域的对应位置。这样从激光二极管析取光线，相对于现有技术中通过光学系统的反射耦合，具有更好的可靠性。
在本发明的有利形式中，激光二极管的背部与监测二极管相对，拥有改进的反射性能。例如，背部的表面是打毛的。这减少了从监测二极管背向反射到激光二极管中的光线，过多背向反射光线对激光二极管操作有害。
监测二极管的接线柱最好安排在监测二极管衬底的重搀杂位置，因此它们最好安排在监测二极管光敏面内施主与受主结合的一侧。在本发明的改进中，监测二极管未与激光二极管相对的一面，被用以电路连接。这样配备的先决条件是，监测二极管的衬底不能充分地吸收激光二极管发出激光的波长。这样的低吸收率允许光学耦合穿过监测二极管的衬底。
依据本发明的另一改进，激光二极管未与监测二极管相对的一侧，被构建用来连接电路，这样激光二极管和监测二极管之间的光学耦合，就与激光二极管的电路接触和机械连接独立开来。更有利的是，激光二极管直接连接在衬底上。
依据本发明的有利配置，激光二极管牢固连接在衬底的出口一侧，这样衬底就与激光的光束路径处于有效光学联系之中。有利的是，在衬底上集成了一个光学系统。作为一个光学子系统，它可以是光束传输路径的一部分，例如，用于耦合到光导纤维中。
在本发明的有利配置中，为了实现简单和自动的装配，激光二极管的发光侧被固定，在这种情况下，可以采用倒装晶片技术，将激光二极管焊接、固定于衬底上。
更有利的是，激光二极管可以独立对应与监测二极管背部的装配对应定位。通过激光二极管的出口侧的光线出口和监测二极管光线检测的功能性分离，实现独立定位。
在上述情况中，分离激光二极管上固定有一个分离监测二极管。作为这种情况的另一选择，在本发明的一种改进中，监测二极管整体集成在激光二极管的背部。例如，它可以是布拉格反射镜的部分反射和部分吸收反射镜单元的一部分。
在本发明的优选配置中，在谐振器和衬底之间的空间充满了透明塑料。也可能在谐振器和监测二极管之间提供透明塑料。
装置最好封装在非透明塑料中，该塑料保护独立组件，并提高设备的机械稳定性能。
激光二极管最好利用倒装晶片技术安装在衬底上，该衬底作为一个子载片，对于激光二极管发射的波长是透明的。衬底可由硅或SiC组成。在这种情况下，不透明塑料最好完全包裹住激光二极管、监测二极管和衬底，光线出口窗除外。光线出口窗最好由衬底的子区域形成，特别是通过集成在衬底上的光束整形面的外部表面构成，例如透镜的外部表面。
衬底最好装配在焊接框架中，焊接框架在光线出口窗口附近有一个开口。不透明塑料也可以封装焊接框架，至少可以封装一部分。
而且，可以提供充满不透明塑料的包装，该包装至少封装了激光二极管、监测二极管和衬底，光线出口侧除外。例如，该包装可以是塑料包装。
激光二极管最好是垂直发射激光二极管(VCSEL)。监测二极管被装配在VCSEL激光二极管的背部。
在下面的内容中，将会参考借助于示例实施例所绘出的附图，更详细地说明本发明。
图1显示了本发明激光设备的总体示意图，图2给出了图1中的激光设备的详细示意图，以及图3显示了现有技术中的激光设备。
具体实施例方式
激光设备的设计以示意图的方式在图1中给出。接线插脚(没有显示)，可能是焊接框架30的一部分，通过导线81，82焊接到金属导体上、连接焊点或者直接连接到光电元件1，2。衬底6被固定在焊接框架30的一个内部区域。不透明封装混合物9围住了装置，尤其是接线插脚，衬底6和光电元件1，2。装置被包装31封装，该包装随意充满了灌注混合物或者是形成该包装31的外部轮廓的物质。灌注混合物在这种情况下，除用于保护和屏蔽前述器件外，也被用于机械支持，尤其是焊接框架和它的连接插脚。
图2显示了该激光设备的详细示意图。金属互联52构建在衬底6上。垂直发射激光二极管1使用倒装晶片技术连接到这些连接62上。垂直发射激光二极管1的触点16，装配在激光二极管1与衬底6相对的一侧13上。
触点16的优化结构是，由蒸发或者飞溅和构成的焊接材料(例如AuZn)组成。定位可能通过图象处理被动完成，或者通过操作激光二极管1来主动实施。
焊球16，也称为球格，形成了激光二极管1和焊接后的衬底6的内部连接62之间的公差不敏感金属连接，也可以被当作触点。在装配过程中，对定位几何公差的钝性，允许激光二极管1与其它光学系统实现需要的定位。
激光二极管1自然拥有谐振器15。在激光二极管的谐振器15的出口侧发射激光5，该激光所拥有的辐射波长，使它在衬底6和在二极管衬底12中不会被吸收，或者仅有小部分被吸收，这样光束路径5可以通过这些材料，而没有太多的激光损失。这样的发散波长，举例来说，其范围界于1μm和1.8μm之间，如等于1.3μm和1.55μm。
在衬底6和谐振器15或者二极管衬底12之间的区域，充满了塑料17，该塑料对于希望辐射的波长是透明的。
光束路径5因而对于邻近光学系统也有很强的抗干涉能力，所以激光设备的包装31没有必要设计成为密封形式。最好将其充满塑料，例如罐装或者密封。另外，光束5的传播媒介相对于空气来说为光密介质，因此光束5会变短，发射发散度减少。由光学系统的某些部分背部反射，进入到垂直发射激光二极管1中的光线，将会明显减少。
在描述的示例模型中，虽然不是必需的，但衬底5还是以集成形式作为光学系统(例如一个传播系统)的一部分。由硅构成的衬底，在图2中已经集成了透镜61或者类似的部件，用于会聚或者扩散产生的激光辐射5，或者将其耦合到光波导管中。
在激光二极管1的装配过程中，从透镜的一侧，通过从透镜61位置处的衬底6照亮，该透镜1作为双重功能以简化激光二极管1的装配，显得尤其方便。从透镜61照射出来的光斑，被用作激光二极管被动对齐的装配标记，因此不必在装配过程中对激光二极管1进行操作。
而且，激光二极管1倾斜安装更为有利，这样从衬底6发出的背向反射进入到激光二极管1中的光线将明显减少。为实现这样的目标，激光二极管1相对应于衬底6的表面，有轻度的装配倾斜，该倾斜通过使用精密的硅片触点的不同厚度，或者使用激光二极管1或者衬底6上的触点的不同层厚度来实现。
透镜61的表面构成了激光设备的光出口窗口。所有其它区域都被不透明塑料灌注混合物9包住。焊接框架30在镜头61(参考图1)的附近有一个孔30a。
结构互联62的使用，允许较低杂散电容和杂散电感的布局。而且，在射频范围的电路连接性能已经大大增强了。微波传输带和共面线可以集成在衬底上。因为激光二极管1被装配在距离衬底6很近的位置，所以在操作过程中，它可以以很小的热阻抗向衬底6和焊接框架30，进而向相邻的介质散发热量。
在某个配置中(没有显示出来)，激光二极管1的射频控制电路，例如驱动器，被附加集成在衬底上。在这种方法中，有可能通过硅片触点16产生从驱动器到激光二极管1的极短的电路连线。
监测二极管2使用胶接被直接固定在激光二极管1上面。胶接技术减少了监测二极管在装配过程中总体的热负载。监测二极管1被光学耦合到谐振器15的出口侧对面的背部11上。该背部11也发射光线51，该激光51的能量仅仅是光线5发射到光学系统中光线的一小部分，这些光线是为了被监测二极管2感应到。为实现这样的目的，监测二极管有一个光感应而(没有在图2中显示)，它被装配在背部发射光线51的光束路径51中，方便地吸收该激光光束51。
在背对着激光二极管1的侧面20，通过焊接图1中描述的电线82，监测二极管2已经连接了焊点21。根据监测二极管2的这一设计，可能出现非常节约成本的产品，因为监测二极管2背对激光二极管1的侧面不需要被固定。
监测二极管的光感应面更适宜置于监测器二极管2的顶面20，该顶面也包括连接焊点21，为了允许以简单方式接触光感应面。
在被介绍的某种示例实施例中，激光二极管2的背部11被打毛，因而使得从监测二极管2进入到激光二极管1的背部反射光线减小到最小程度。
根据所描述的激光设备的紧凑设计，有可能使用很小的包装尺寸。这样的设计特别适用于表面封装(SMD技术)。而且，紧凑设计允许垂直发射激光二极管1到4的密集安装为一维或两维矩阵形式。
在本发明的改进中，紧凑设计也允许自我对准处理。在这种情况下，在激光二极管上的焊接点，根据它们的几何形状匹配到衬底的焊接面上，这样，在焊接过程中，促使焊接点排成一线的机械力形成。在这种情况下，自我对准基于物理规则焊点尽可能使其表面张力最小。
概括地说，本发明的优点是，因为激光二极管的背部不需要固定，所以激光设备可以根据体积合适生产，例如在四英寸技术中。监测二极管2也是如此。用于半导体芯片的板的装配可以被使用了。预烧，和激光二极管1的光学和电路属性的测量一样，已经在板中成为可能，或者在SMD包装中进行过测试，因此缺陷部分可以更早地被抛弃。因为没有必要使用反射辐射，监测功能能够更有效地实现。
通过布局设计使激光二极管1和监测二极管2安装在同一个侧面，因为激光二极管1和监测二极管2的电触点都在同一侧，所以半导体芯片的可生产性和再生产性都明显提高了。布局设计使得监测二极管2可以使用长焊接电线82连接，同时，激光二极管1可以容易地根据射频技术，采用硅片触点16和短焊接线81实现连接。
权利要求
1.一种激光设备，它包括—一个带有光学谐振器的激光二极管，该二极管有出口侧面，用以向一个光学系统中辐射激光；—一个带有光感应面的监测二极管，用于测量激光二极管的至少一种光学量，其特征在于监测二极管(2)的光感应面和激光二极管(1)的背部(11)是光耦合的，所述背部(11)处在谐振器(15)的光线出口侧的另一侧，并且也发射光线。
2.如权利要求1所述的激光设备，其特点是激光二极管(1)的背部(11)直接和监测二极管(2)相邻。
3.如权利要求1或2所述的激光设备，其中的激光二极管拥有光学反射镜，其特点在于装配在激光二极管(1)的背部(11)上用于和监测二极管(2)光耦合的反射镜被设计成能够传送激光光线的一部分(51)，该部分可由监测二极管(2)感应。
4.根据前述权利要求中至少一条所述的激光设备，其特点在于激光二极管(1)的背部(11)有增强的反射率。
5.根据前述权利要求中至少一条所述的激光设备，其特点在于监测二极管(2)的背对激光二极管的表面被构造用于电连接。
6.根据前述权利要求中至少一条所述的激光设备，其特点在于激光二极管(1)背对监测二极管(2)的侧面(13)被构造用于电连接。
7.根据前述权利要求中至少一条所述的激光设备，其特点在于激光二极管(1)直接固定在衬底(6)上。
8.根据权利要求7所述的激光设备，其特点在于激光二极管(1)的发光侧(13)被构造，并且激光二极管(1)被连接和固定在衬底(2)上，采用的方法是倒装晶片技术的焊接方法。
9.根据权利要求7或8所述的激光设备，其特点在于一个光学系统，尤其是透镜(61)，被集成在衬底(6)中，并且激光二极管(1)可以根据光学系统(61)进行放置，而与背部监测二极管(2)的装配无关。
10.根据前述权利要求中至少一条所述的激光设备，其特点在于监测二极管(21)胶接在激光二极管(1)的背部(11)。
11.根据前述权利要求中至少一条所述的激光设备，其特点在于监测二极管被单片集成在激光二极管的背部。
12.根据权利要求7到11中至少一条所述的激光设备，其特点在于在谐振器(15)和衬底(6)之间的区域中，充满了透明塑料(17)。
13.根据前述权利要求中至少一条所述的激光设备，其特点在于在谐振器(15)和监测二极管(2)之间提供了透明塑料。
14.根据前述权利要求中至少一条所述的激光设备，其特点在于激光设备的组件被不透明塑料(9)罐装或者封装。
15.根据权利要求7至14中至少一件所述的激光设备，其特点在于激光二极管(1)被以倒装晶片技术反装在衬底上(6)。
16.根据权利要求15所述的激光设备，其特点在于衬底(6)是一个对激光二极管(1)的发射波长透明的子衬片。
17.根据权利要求14、15和16所述的激光设备，其特点在于除光波出口窗口外，不透明的塑料(9)完全包住了激光二极管(1)、监测器二极管(2)和衬底(6)。
18.根据权利要求17所述的激光设备，其特点在于光波出口窗口是通过衬底(6)的子区域形成的，特别是通过集成在衬底上的成形光束表面(61)的外表面形成。
19.根据权利要求18所述的激光设备，其特点在于衬底(6)排列在焊接框架(30)上并且该焊接框架(30)在光波出口窗口附近有一个孔(30a)。
20.根据权利要求17、18或19所述的激光设备，其特点在于提供了包装(31)，该包装充满了不透明塑料(9)，并且该包装至少封装了激光二极管(1)、监测二极管(2)和衬底(6)，光线出口侧除外。根据前述权利要求中至少一条所述的激光设备，其特点在于激光二极管(1)是一个垂直发射激光二极管。
全文摘要
本发明涉及激光设备，配备有激光二极管(1)，该二极管配备有用于发光的光学谐振器(15)，此光学谐振器还具有用来向光学系统发射激光的出口；该激光设备还配备有监测二极管(2)，该二极管具有光敏面，用于测量激光二极管的光学量。依照本发明，具有光敏面的监测二极管(2)与激光二极管(1)的处于谐振器发光侧的另一侧的背部(11)发生光耦合。激光二极管背部(11)也会产生激光。这一设计允许激光设备采用节省空间的SMD布局。
文档编号H01S5/026GK1431742SQ0310093
公开日2003年7月23日 申请日期2003年1月8日 优先权日2002年1月9日
发明者M·维格特, G·斯泰恩勒, H·D·沃尔夫, H·L·奥尔索斯 申请人:因芬尼昂技术股份公司