专利名称:基于光学灌封工艺的vcsel阵列封装结构及其高功率vcsel激光器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于光学灌封工艺的VCSEL阵列封装结构及其高功率VCSEL激光器。在该VCSEL阵列封装结构中，VCSEL阵列封装在激光器热沉上，并在VCSEL阵列的表面覆盖有一层光学灌封胶，光学灌封胶完全覆盖VCSEL阵列。本实用新型通过在VCSEL激光器的密封过程中引入灌封工艺，有效解决了VCSEL激光器的密封问题。并且，通过对光学灌封胶的形状、种类进行调整，结合不同的光学窗口，可以极大地减少VCSEL芯片和光学窗口之间的界面入射损耗，进一步提高激光器的透过率。同时，高导热性的光学灌封胶同时对光学窗口有一定的热传导和冷却作用，避免光学窗口在高功率情况下的发热。
【专利说明】
基于光学灌封工艺的VCSEL阵列封装结构及其高功率VCSEL激光器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于光学灌封工艺的VCSEL阵列封装结构，本实用新型同时涉及一种使用该封装结构的高功率VCSEL激光器。
【背景技术】
[0002]在半导体激光器领域，根据发光方向与激光芯片所在外延片平面的关系，激光器可划分为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL)与边发射半导体激光器(Edge Emitting Laser D1de)两类。
[0003]其中，垂直腔面发射激光器是一种出光方向垂直于外延片的半导体激光器，垂直腔面发射激光器的结构可参见图1所示的示意图。高功率VCSEL激光器，是由成百上千个沿着外延片表面分布的VCSEL发光点构成的二维阵列，因而具有很高的光学输出功率。这种高功率VCSEL激光器有着诸多优异的特性，包括极高的可靠性、高温工作稳定性、光学均匀分布、波长温漂小等，从而正在逐渐成为未来高功率半导体激光器发展的重要方向。
[0004]现有技术中，VCSEL阵列的封装结构如图2a和图2b所示，通常将单个VCSEL芯片直接焊接于一个具有高导热率的散热衬底上，然后将散热衬底的下表面焊接在热沉上，散热衬底具有良好的导热性，并通过热沉将VCSEL的热量及时散发出去，实现VCSEL的散热冷却。
[0005]在VCSEL的实际应用中，为了避免VCSEL芯片表面受到凝露、湿度、灰尘等影响，一般需要将VCSEL激光器做一定的密封处理，并通过光学窗口进行输出和应用。常规的方法，一般使用O型圈或者密封胶，将光学窗口、包覆壳体、VCSEL激光器芯片以及激光器热沉之间的缝隙进行密封，进而将VCSEL芯片前的空隙与外部空气隔离开来。这种密封方法，往往非常复杂繁琐且影响整体的外观结构。为此，需要提供一种结构简单、隔离效果好的VCSEL阵列的封装结构。
【发明内容】
[0006]本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种基于光学灌封工艺的VCSEL阵列封装结构。
[0007]本实用新型所要解决的另一技术问题在于提供一种使用上述封装结构的高功率VCSEL激光器。
[0008]为了实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案:
[0009]一种基于光学灌封工艺的VCSEL阵列封装结构，包括VCSEL阵列和激光器热沉，VCSEL阵列封装在激光器热沉上，在所述VCSEL阵列的表面覆盖有一层光学灌封胶，并且，所述光学灌封胶完全覆盖所述VCSEL阵列。
[0010]其中较优地，所述光学灌封胶使用软体胶或硬质胶。
[0011]其中较优地，所述光学灌封胶中添加有用于波长转换的荧光粉。
[0012]其中较优地，所述光学灌封胶固化形成光学窗口。
[0013]其中较优地，所述光学灌封胶固化形成锥形的梯台。
[0014]其中较优地，所述光学灌封胶填充在所述VCSEL阵列和设置在所述VCSEL阵列前方的光学窗口之间的缝隙中。
[0015]—种高功率VCSEL激光器，包括上述VCSEL阵列封装结构。
[0016]其中较优地，在所述VCSEL阵列的出光面前方设置有光学窗口，所述光学窗口通过包覆壳体固定在所述激光器热沉上，并且，在所述激光器热沉、所述包覆壳体和所述光学窗口构成的缝隙内填充有光学灌封胶。
[0017]其中较优地，所述光学窗口是平面光窗、光学透镜、光学棱镜或导光锥中的任意一种。
[0018]其中较优地，所述光学窗口的出射面镀有增透膜。
[0019]本实用新型提供的VCSEL阵列封装结构，在VCSEL的密封过程中首次引入了光学灌封胶，用于覆盖VCSEL芯片的表面，实现了 VCSEL激光器的防潮、防水、防尘等效果。同时，固化后的光学灌封胶可以通过模具形成任意几何形状，对VCSEL出射的激光光束进行光学整形。另外，光学灌封胶中也可以添加用于波长转换的荧光粉，实现高亮度的、不同波长甚至混合波长(如白光等)的光学输出。经过灌封的高功率VCSEL激光器，在恶劣的环境下拥有更高的可靠性，因而更适合实际应用。
[0020]同时，本实用新型提供了使用上述封装结构的高功率VCSEL激光器，通过使用光学灌封胶填充VCSEL芯片和光学窗口之间的空隙，实现了 VCSEL激光器的防潮、防水、防尘，并通过光学灌封胶与光学输出窗口的折射率匹配，极大地减少了 VCSEL芯片和光学窗口之间的界面入射损耗，并进一步提高了激光器的透过率。而且，高导热性的光学灌封胶同时对光学窗口有一定的热传导和冷却作用，避免光学窗口在高功率情况下的发热。
【附图说明】
[0021]图1是垂直腔面发射激光器的结构示意图；
[0022]图2a是现有技术中单个VCSEL芯片的封装结构的正视示意图；
[0023]图2b是现有技术中单个VCSEL芯片的封装结构的立体示意图；
[0024]图3是光学灌封VCSEL激光器的封装结构示意图；
[0025]图4是光学灌封的高功率VCSEL激光器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的技术内容详细描述。
[0027]如图3所示，本实用新型提供的VCSEL阵列封装结构，包括VCSEL阵列1、衬底2和激光器热沉3，VCSEL阵列I通过衬底2封装在激光器热沉3上。具体来说，VCSEL芯片直接焊接于衬底2的上表面上，然后将衬底2的下表面焊接在激光器热沉3上。衬底2具有良好的导热性，通过衬底2和激光器热沉3可以将VCSEL阵列I的热量及时传导出去，实现VCSEL阵列I的散热冷却。
[0028]在本实用新型提供的封装结构中首次引入了光学灌封胶4，通过在VCSEL阵列I的表面直接覆盖、灌封和固化一层光学灌封胶4，满足VCSEL激光器的气密性要求。光学灌封胶4完全覆盖VCSEL阵列1，并在整个激光器热沉3的表面铺展开来，从而使VCSEL激光器芯片完全浸没在密封胶体之中，实现了良好的气密性。这种VCSEL阵列封装结构具有优异的防水、防潮、防尘功能，可以适应恶劣的工作环境，如高温80摄氏度以上、相对湿度100%的环境，甚至在水下都可以正常工作；这种封装结构能够有效保护VCSEL芯片，避免环境破坏，具有极高的可靠性。本实用新型所提供的封装结构的结构简单、体积小巧、成本低廉，并且所使用的光学灌封工艺也极其简单，易于实施。
[0029]光学灌封胶4可以直接自然覆盖VCSEL阵列I，形成光滑的外表面；也可以通过外部模具灌封和固化，形成具有规则的任意几何形状的光学窗口，用于对VCSEL芯片出射的激光光束进行光学整形。例如可以将光学灌封胶4固化成锥形的梯台，使其同时作为光学窗口使用；当将光学灌封胶4固化后形成具有规则几何形状的光学窗口使用时，节省了VCSEL激光器的外部光学器件，便于VCSEL出射光束的光学整形。此外，光学灌封胶4也可以配合其他VCSEL输出的光学窗口进行使用，即使用光学灌封胶4直接填充VCSEL芯片和光学窗口之间的空隙，对VCSEL进行密封，本实用新型提供了一个实例对此进行说明，详细内容参见下文。
[0030]在实际使用中，光学灌封胶可以根据具体的应用需要选用不同的软体胶或硬质胶。光学灌封胶中还可以添加不同的用于波长转换的荧光粉，实现高亮度的、不同波长甚至混合波长(如白光等)的光学输出，从而丰富VCSEL在商业照明领域的扩展应用。
[0031]本实用新型灌封所用的光学灌封胶4具有高导热性、高透过率、高耐温性，可以适应VCSEL的高功率光学输出功率和高温工作特性。在VCSEL阵列工作的过程中，光学灌封胶4的热量可以通过VCSEL表面、衬底2和激光器热沉3进行传导冷却，因而不至于烧毁，可以满足散热方面的要求。
[0032]下面对使用上述封装结构的高功率VCSEL激光器的一个实例进行介绍。如图4所示，在该高功率VCSEL激光器中，包括:VCSEL阵列1、衬底2、激光器热沉3，VCSEL阵列I通过衬底2安装在激光器热沉3上，在VCSEL阵列I的出光面前方设置有光学窗口 6，光学窗口 6通过包覆壳体5固定在激光器热沉3上，从而在激光器热沉3，光学窗口 6和包覆壳体5之间形成一个缝隙，为了实现VCSEL阵列I的密封，在该缝隙中填充有具有高导热性、高透过率、高耐温性的光学灌封胶4，VCSEL芯片完全浸没在密封胶体之中，实现了良好的气密性，具有防水、防潮、防尘的功效。
[0033]这种光学灌封结构实现了激光芯片到光学窗口 6的直接入射匹配，不再有空气的介入。而且，当光学灌封胶4采用折射率与光学窗口 6接近的材料时，可以极大地减少VCSEL芯片和光学窗口 6之间的界面入射损耗，进一步提高激光器的透过率。通过在光学窗口 6的出射面镀有增透膜，可以进一步减少光学出射的界面损耗。实际使用中，光学窗口6可以选用平面光窗、光学透镜、也可以选用特定类型的光学棱镜、光锥等，以配合光束的光学整形。
[0034]此外，由于光学灌封胶4是具有高导热性、高透过率和高耐温性的材料，光学灌封胶即是灌封介质，也是光学传导介质和导热介质；光学灌封胶4同时对光学窗口 6有一定的热传导和冷却作用，避免光学窗口 6在高功率情况下的发热，以适应VCSEL的高功率光学输出功率和高温工作特性。为了增强高功率VCSEL激光器的散热，在激光器热沉3中设置有微冷却通道7，用于通水冷却。
[0035]综上所述，本实用新型在高功率VCSEL的封装中首次引入了光学灌封胶，简洁有效地解决了 VCSEL激光器的密封问题。使用光学灌封胶密封VCSEL阵列，可以实现VCSEL激光器的防潮、防水、防尘；从而使VCSEL激光器可以适应恶劣的工作环境，如高温80摄氏度以上、相对湿度100%的环境，甚至在水下工作；这种封装结构能够有效保护VCSEL芯片，避免环境破坏，具有极高的可靠性。
[0036]本实用新型提供的使用上述封装结构的半导体激光器，通过使用光学灌封胶填充VCSEL芯片和光学窗口之间的空隙，可以实现激光芯片到光学窗口的直接入射匹配，不再有空气的介入，同时实现VCSEL激光器的防潮、防水、防尘，并通过光学灌封胶与光学输出窗口的折射率匹配，可以极大地减少VCSEL芯片和光学窗口之间的界面入射损耗，进一步提高激光器的透过率。
[0037]以上对本实用新型提供的基于光学灌封工艺的VCSEL阵列封装结构及其高功率VCSEL激光器进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，在不背离本实用新型实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都应属于本专利保护的范围。
【权利要求】
1.一种基于光学灌封工艺的VCSEL阵列封装结构，包括VCSEL阵列和激光器热沉，VCSEL阵列封装在激光器热沉上，其特征在于: 在所述VCSEL阵列的表面覆盖有一层光学灌封胶，并且，所述光学灌封胶完全覆盖所述VCSEL阵列。2.如权利要求1所述的VCSEL阵列封装结构，其特征在于: 所述光学灌封胶使用软体胶或硬质胶。3.如权利要求1所述的VCSEL阵列封装结构，其特征在于: 所述光学灌封胶中添加有用于波长转换的荧光粉。4.如权利要求1所述的VCSEL阵列封装结构，其特征在于: 所述光学灌封胶固化形成光学窗口。5.如权利要求4所述的VCSEL阵列封装结构，其特征在于: 所述光学灌封胶固化形成锥形的梯台。6.如权利要求1所述的VCSEL阵列封装结构，其特征在于: 所述光学灌封胶填充在所述VCSEL阵列和设置在所述VCSEL阵列前方的光学窗口之间的缝隙中。7.一种高功率VCSEL激光器，其特征在于: 包括如权利要求1所述的VCSEL阵列封装结构。8.如权利要求7所述的高功率VCSEL激光器，其特征在于: 在所述VCSEL阵列的出光面前方设置有光学窗口，所述光学窗口通过包覆壳体固定在所述激光器热沉上，并且，在所述激光器热沉、所述包覆壳体和所述光学窗口构成的缝隙内填充有光学灌封胶。9.如权利要求7或8所述的高功率VCSEL激光器，其特征在于: 所述光学窗口是平面光窗、光学透镜、光学棱镜或导光锥中的任意一种。10.如权利要求9所述的高功率VCSEL激光器，其特征在于: 所述光学窗口的出射面镀有增透膜。
【文档编号】H01S5-024GK204290034SQ201420681459
【发明者】李阳, 李德龙 [申请人]李德龙