微调激光器温度的结构的制作方法

通过可调节的散热结构达到调节半导体激光器温度进而调节其波长，本发明属于激光和激光应用领域。

背景技术：

使用普通的FP腔半导体激光器芯片，通过外腔光栅稳定波长的半导体激光器模块，需要激光芯片的增益谱覆盖被锁定的波长。为了获得更好的锁定效果，锁定波长应尽量靠近增益谱峰。在实际应用当中，需要在一定温度范围内，或一定工作电流区间内实现稳定的锁波长特性。温度、工作电流的变化都会使增益谱发生移动，因此无法保证增益谱峰和锁定波长重合。在这种情况下，需要按照发射波长对芯片进行筛选，并且对芯片的封装一致性提出很高的要求。这种筛选和要求必然带来成本的提高。尤其在多芯片的半导体激光器封装当中，需要所有的芯片都尽量能够达成相同的波长锁定效果。因此如何保证芯片的增益谱或发射光谱的一致就是一个很重要的问题。在实际的多支激光器芯片合束产生高功率的锁波长输出的模块的生产过程中，由于测量误差、安装误差、透镜或光纤的残余反射等因素影响，往往会在芯片和透镜安装到位，开始调试光栅时，发现个别芯片的增益谱或发射谱偏离了设定值，或者与其他芯片有了差异，从而导致无法达到一致的锁定效果，造成激光器的波长锁定工作区间变小，或无法达到性能要求。这时需要更换芯片，或者返工，造成的时间、人工的损失将会非常高。因此，需要在筛选的基础上再采取有效的方法，减少这种问题的发生，降低成本。

技术实现要素：

在通过外腔光栅的效应制作锁波长半导体激光模块时，大多数情况下需要挑选合适波长的FP腔激光器芯片，而且芯片的波长范围选择比较窄，例如在锁定波长上下1nm的范围内。这样将会筛掉相当数量的芯片，增加了成本。如果在芯片安装到模块中后，有调节其波长（增益谱）的机制，那么在筛选芯片的时候就能放宽波长区间，例如放宽1nm，这样在挑选芯片的时候就已经能够大大提高选出率了。即使经过这种筛选，在将激光器芯片安装到位以后，因为测量误差、散热条件的差异、残余反射等因素，其实际波长的离散性还会加大，这更需要一种能够原位调节芯片波长的机制。

本专利提出的结构专门用于波长锁定半导体激光器的芯片增益谱或波长的微调。该结构在半导体激光器芯片安装到位之后，允许在一定范围内调节激光器芯片的散热条件，也就是散热热阻，以达到改变激光器工作结温，从而改变其增益谱的目的，使激光器，尤其是多芯片的激光器的波长锁定效果更好、更一致。同时，在筛选激光器芯片的时候，也可以放宽波长准确度的要求，降低成本。

具体的封装结构，半导体激光器芯片（1）贴装在热沉（2）上。热沉安装在散热底板（4）上，如图1（a）所示；或者热沉（2）先安装到一个过渡热沉（3）上，再将过渡热沉（3）安装到散热底板（4）上，如图1（b）所示。散热底板和过渡热沉为金属、陶瓷等高导热材料制成。封装结构中可以有一只或多只激光器芯片。通常散热底板（4）会安装在外部散热结构上，例如散热片或水冷板。在过渡热沉（2）或散热底板（4）上临近激光器的位置，制作出槽（5）或者洞（6）的结构（图2的a、b，以下简称结构）。由于它们的存在，激光器的散热受到影响，热阻发生变化，在工作时，温度会有所上升。不同的结构位置和大小，所产生的热阻变化也不一样。通过在结构内填充附加的导热物质（7），可以改变热阻，从而调节激光器的温度，使其增益谱移动，达到所需的波长锁定效果。

在结构内填充的物质（7）可以是金属、陶瓷，也可以将有一定导热率的胶灌入槽或洞的机构并固化。所有的填充物质与槽或洞结构的壁有良好的热接触。

填充物质的大小和在槽或洞内的位置可以设计为可调节，也就是热阻可调节。图4.a所示一种典型结构，在热沉上激光器芯片下部开一个洞（6.1），填充物（8）与洞加工为密配合，二者紧密接触，填充物塞入洞中不同的位置，所提供的散热通道也不同，导热效果也不同，从而达成对热阻的连续调节。

附图说明

图1 半导体激光器安装示意图，a 直接安装在散热底板上，b 多只激光器通过过渡热沉安装在散热底板上。

图2 半导体激光器芯片安装到具有槽或洞的结构的散热底板上示意图。

图3 在槽中放置不同形状和大小的填充物示意图。

图4 a在洞中有可调位置金属棒的示意图，b 剖视图，c 理论计算的热阻和棒位置关系。

图5 多芯片直接安装到散热底板上，有光学准直、外腔稳波长光栅以及温度调节功能的整体结构示意图。

具体实施方式

在前面发明内容中已经描述了通过改变激光器的温度来调节波长的结构。以通常800nm~1000nm的半导体激光器为例，其固定电流下的波长-温度系数大约为0.3nm/K。即如果芯片有3゜C左右的温度变化，则增益谱将移动大约1nm。3゜C的温度差异，对于激光器的可靠性通常不会造成根本性的影响。所以只要将激光器芯片的温度变化控制在合适范围内，就不用担心可靠性有明显变化。

在实际器件当中，安装好激光器芯片后，在位测量其光谱特性，根据实测结果，对其散热通道进行相应的调节、调整，以使其波长符合要求。

图2为原理上可以采取的方式。半导体激光器芯片（1）焊装在热沉（2）上，作为一个整体安装在散热底板（4）上，一般为焊接。当然也可以像图1b所示通过一个过渡热沉（3）安装到底板（4）上。在散热底板（4）上靠近激光器的位置做出槽（5）或者洞（6）的结构，由于它们的存在，使得激光器散热通道部分受阻，散热的热阻增加。槽或洞距离激光器越近，它对激光器散热造成的影响越大。当然，图2当中的散热底板，也可以是类似图（1）中的过渡热沉，槽或洞的结构可以同样做到过渡热沉上。

在槽（5）和洞（6）中填充导热物质，调整散热状态。

图3给出了两个采用图2中槽结构进行填充的例子。如果散热底板（4）的底面安装在外部散热结构上，则通过在槽中填充或放置导热物质（7），可以对激光器的散热通道进行调整，从而微调其热阻。填充物一般都是有一定导热率的物质，例如通常散热底板（4）或者过渡热沉（3）都是高导热金属制成，如铜。填充物也可以是铜，这样二者同质，可以保证不产生额外的应力。对槽进行填充，可以增加散热通道。填充物（7）的形状、大小以及填充方式都可以根据情况进行选择，例如图3中两种填充方式。可以看出，当填充物完全填满槽（5）时，可以获得最好的散热效果，或者说与不挖槽效果一样。通过选择填充不同大小的填充物（7），可以获得不同的热阻，从而调节激光器的工作波长。

图4给出了一种可以连续调节热阻的设计方案。图4a给出了外形示意图。散热底板（4）为金属制成，在内部沿长边方向开一个洞（6.1），洞从激光器（1）和热沉（2）下方通过，散热底板（4）的下表面贴到外部散热装置上。这样从底板（4）上表面到下表面的散热通道就被洞（6.1）阻挡，热流只能从洞两侧传播，热阻比较大。用一个和洞密配合的同样金属材料的棒（8）插到洞（6.1）中，见图4b。热阻随着插入的深度连续变化，当全部插入时底板（4）就是不打洞的完整结构，有最小的热阻。图4c为理论模拟结果，当激光器（1）的发热功率一定时，其温度与棒（8）抽出的长度的关系，图中显示了完全插入状态一直到大部分抽出状态的温度曲线。

图5为一个在多芯片锁波长结构中的应用实例。多只半导体激光器芯片安装在铜制散热底板（4）上，每一个激光器芯片都通过一个快轴准直柱面镜（9）和一个慢轴柱面镜（10）将其发射光整形为平行光。在每一个快轴准直柱面镜（9）后，放置一个透射式体全息光栅（11），它对固定角度、固定波长的光有反射，使激光器（1）发出的光被锁定到光栅（11）所确定的波长上。在安装好准直透镜（9）和（10）后，安装光栅（11）之前，逐个测量激光器芯片（1）的工作波长。在散热底板（4）上，每个芯片下方都开有一个类似图4所示的洞（6.1），这个洞内壁攻有螺纹。用一个和洞内壁螺纹完全密配合的铜螺钉（8.1）作为调节手段，将铜螺钉（8.1）用改锥旋进洞内，一边旋，一边测量其发射光谱，直到调节到光谱符合要求的位置固定住。由于事先测量了波长，可以预估旋进的量。逐一将各个激光器对应的螺钉（8.1）调整到位，这样就能保证所有的芯片发光波长的一致性，为后面安装光栅（11）提供了良好的一致性保证。这种结构中，相邻激光器（1）之间有热串扰。可以采用加过渡热沉的方式，每个过渡热沉之间为热绝缘，螺钉调整结构做到过渡热沉上，这样的方式可以有效减少热串扰。

填充物在填充到位后，用焊锡或胶进行固定，可以更好地保证它们和散热底板或过渡热沉之间的接触良好，避免额外不可控的热阻。也可以用焊锡或导热胶直接填充，虽然比较粗糙，但是更简便。

本发明所设计的这种调节结构，在对热阻进行调整的时候都是单向的。也就是说无论热沉还是散热底板，它们在完整状态都是散热最好的，开洞或槽都使散热变差，热阻变大，对应的激光器温度升高，波长也变长。所以在筛选单只激光器的时候，如果扩大波长范围，只能是向短波长一端进行扩展。但即使这样，也已经能够有效扩大筛选范围了。