光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法

专利名称：光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法
技术领域：
本发明涉及一种光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，属于光电子有源器件的封装和耦合技术领域。具体而言，本发明叙述了一个结构紧凑、传热性能好的气密性封装和光束准直方法。
背景技术：
光电子有源器件(如半导体激光器、半导体激光器阵列等)通常需要气密性封装，这是因为空气中的有害气体、湿度等会使光电子有源器件的性能很快退化，大大缩短光电子有源器件的寿命。此外，在许多的实际应用中，光电子有源器件所产生的光功率(或能量)需要耦合进光纤(或光纤阵列)，这就需要在气密性封装的金属壳体上开一个孔，将光纤引入金属壳体内达到与光电子有源器件耦合的目的。如美国专利#4119363、#5127072、和#6061374；然而，这个光纤导入孔的气密性封装工艺比较复杂，通常是气密性封装失效的主要原因。
用于光电子有源器件的光束的准直透镜一般尺寸很小，例如，半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合通常需要采用长为十几毫米、直径仅为100多微米的园柱透镜，如美国专利#5127068和#5268978；该细长的圆柱透镜的光学对准和定位非常困难，而且随着工作环境(如温度)的变化，该细长的微透镜极易发生弯曲形变，影响耦合效率。

发明内容
发明的目的是利用几个简单的零部件，提供一个结构紧凑的气密性封装。该封装不仅能够有效地保护光电子有源器件，而且其它不需要气密性保护的元部件(如耦合光学系统、光纤等)能够得以方便地放置在气密性封装壳体以外，提供有效的光功率(或能量)耦合。
本发明的另一目的是通过将准直用的透镜直接集成到其气密性封装的窗口玻璃上；并利用简单、可靠的调整方法，直接从气密性封装的光电子有源器件得到准直的光束输出，因而有效地解决准直用的透镜的光学对准和定位问题。
本发明的另一目的是通过选择传热性佳的基座材料，使气密性封装壳体中的有源光电子器件产生的热量能够有效地导出壳体得以扩散，进一步改善器件的工作性能，延长器件的工作寿命。
本发明的另一目的是通过在气密性封装的壳体中放置光电探测器，能对光电子有源器件的工作状况实行有效的监测，提供可靠的控制反馈信号。
本发明的技术方案本发明的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，主要包括基底座、热沉、有源器件、光电子有源器件的连接、器件电极、封装壳和接入窗口，其特征是接入窗口是集成有准直透镜的窗口玻璃，集成有准直透镜的窗口玻璃焊接到封装壳上，有源器件和透镜窗口间的光学对准和定位通过调整基底座和封装壳之间的相对位置来实现。
所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，光电探测器放置在基底座上有源器件旁，其阴极连接在器件输出电极13的内端，而其阳极直接与基底座连接。
所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其基底座选用导热性好的材料，基底座与封装壳之间有由热传导系数和膨胀系数低的材料制成的中间环作为过渡部件，中间环上面是调整环，中间环下部的内孔与基底座的凸台是紧配合，中间环和基底座实现密封，中间环的上部内孔则用来接受调整环，调整环上部是偏心内孔，用来调整有源器件和透镜窗口上准直透镜间的光学对准和定位。
所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其基底座选用导热性好的材料，基底座与封装壳之间有由热传导系数和膨胀系数低的材料制成的中间环作为过渡部件，中间环上面是调整环，调整环的底面与中间环上端面是面接触，有源器件和透镜窗口准直透镜间的光学对准和定位是通过调整环的底面在中间环上端面平移来实现。
所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其有源器件是单个发光单元，准直透镜与之对应。
所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其有源器件是多个发光单元组成的一维阵列，准直透镜与之对应。
所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其有源器件是多个一维发光单元阵列组成的二维阵列，准直透镜与之对应。
所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其集成有准直透镜的窗口玻璃的两个表面镀上对有源器件发射波长减反的介质膜。
本发明的优点本发明提供了一个结构紧凑的气密性封装，能够有效地保护光电子有源器件；直接从气密性封装的光电子有源器件得到准直的光束输出，有效地解决准直用的透镜的光学对准和定位问题；热量能够有效地导出壳体得以扩散，进一步改善器件的工作性能，延长器件的工作寿命；能对光电子有源器件的工作状况实行有效的监测，提供可靠的控制反馈信号。


图1为本发明的光电子有源器件气密性封装的典型分解示意图；图2为基底座1的俯视示意图；图3为中间环2及电极的示意图；图4为中间环2及电极的剖视示意图；图5为有源器件4固定在基底座1上之后的示意图；图6为光电探测器的放置和电极接线的示意图；图7为集成有准直柱透镜的窗口玻璃俯视图；图8为图7的左视图；图9为集成有准直透镜的窗口玻璃焊接到封装壳6上的示意图；图10、图11为调整环5的示意图；
图12为半导体激光器阵列的最后气密性封装和光束准直的示意图。
具体实施例方式
图1为本发明的光电子有源器件气密性封装的典型示意图。主要元器件包括基底座1、中间环2、热沉3、有源器件4、调整环5、封装壳6和透镜窗口7。通过选择适当的基座1的材料，有源光电子器件产生的热量能够有效地导出壳体得以扩散；通过将准直用的透镜直接集成到其气密性封装的窗口玻璃7上，直接从其窗口得到准直的光束输出。材料选择的其他主要考虑是封装工艺的简易性和元器件间的膨胀系数匹配；此外，有源器件4和透镜窗口7间的光学对准和定位通过中间环2、调整环5和封装壳6来实现。以下是元器件的材料选择、功能、及其相互作用的说明。
图2为基底座1的示意图，基底座1应选用导热性好的材料，紫铜(Copper)是一个很好的选择，它的热传导系数高达388W/m.K。安装孔9用于将气密性封装的有源器件固定在待用系统(未包括)中；凸台8用来放置光电探测器、以及提供中间环2的定位；凸台10用来放置有源器件。
虽然紫铜是非常好的导热材料，但正是因为它的导热性使得它不适用于常规的金属化焊接工艺；而且，紫铜的膨胀系数较高(18ppm/℃)，与窗口玻璃的膨胀系数(一般小于10ppm/℃)相差较大，这就需要引入一个过渡部件。
中间环2正是这样一个过渡部件，它应由热传导系数和膨胀系数较低的材料制成。柯伐合金(Kovar)是一个较佳的选择，它热传导系数为17W/m.K、膨胀系数为5ppm/℃。因为柯伐合金的膨胀系数与紫铜的膨胀系数相差较大，中间环2与基底座1间难以利用常规工艺得到可靠的、高质量的金属化焊接，激光焊接是一个较好的解决办法。此外，调整环5和封装壳6同样由柯伐合金制成。
图3为中间环2及电极的示意图。中间环2的一侧上有电极11、12和13；电极12直接焊接在中间环2上作为接地极，电极11和13利用常规玻璃烧结工艺制成，并利用玻璃填料14提供密封和绝缘。
图4为中间环纵向剖视示意图，中间环2的内孔16与基底座1的凸台8是紧配合，中间环2和基底座1由激光焊在一起而实现密封；中间环2的内孔15则用来接受调整环5。
图5为有源器件4固定在基底座1上之后的示意图。在将中间环2和基底座1焊在一起之后，下一封装步骤是将有源器件固定在基底座1的凸台10上。有源器件4可以是单一发光单元、也可以是由多个发光单元组成的一维阵列、还可以是由多个一维发光单元阵列组成的二维阵列。有源器件4由常规半导体工艺固定在热沉3上，热沉3通常为一长方体，由导热性好的材料制成；氧化铍陶瓷是一个较佳的选择，它的膨胀系数与紫铜的膨胀系数接近，能很方便地利用焊料直接焊到紫铜基底座上。有源器件可包括三种单个发光单元、多个发光单元组成的一维阵列、多个一维发光单元阵列组成的二维阵列，准直透镜与之对应。
图6为光电探测器的放置和电极接线的示意图。光电探测器17放置在基底座1的凸台8上，其阴极通过连接线19接在电极13的内端，而其阳极直接焊接在放置在基底座1的凸台8上，光电探测器的信号通路为电极12、中间环2、基底座1、光电探测器阳极、光电探测器、光电探测器阴极、连接线19和电极13。光电探测器接收的是在壳体内散射的来自有源器件的光束，这种接收方法对大功率有源器件是很有效的，这是因为气密性封装后的壳体是一个对来自有源器件的散射光的“积分球”，因而使得光电探测器接收到的光信号准确地代表了有源器件的出射功率。另一方面，连接线18将电极11与有源器件的阴极连接在一起，连接线20将有源器件的阳极与基底座1连接在一起，有源器件的驱动电流通路为电极12、中间环2、基底座1、连接线20、有源器件阳极、有源器件、有源器件阴极、连接线18和电极11。
为了得到准直光束输出，本发明将准直透镜直接集成到窗口玻璃上。根据有源器件4上发光单元的分布，准直透镜71可以是单一准直透镜、也可以是由多个准直透镜组成的一维阵列、还可以是由多个一维准直透镜阵列组成的二维准直透镜阵列。作为一特例，图7为集成有准直柱透镜的窗口玻璃，可以用来对多个发光单元组成的一维半导体激光器阵列阵列的快轴方向进行准直。窗口玻璃7上集成的准直圆柱透镜71可以采用模压制作工艺、光刻腐蚀工艺等制成。集成有准直透镜的窗口玻璃的两个表面再镀上对有源器件发射波长减反的介质膜。图8为图7的左视图，7为集成有准直柱透镜的窗口玻璃，71为准直透镜。
图9为集成有准直透镜的窗口玻璃焊接到封装壳6上的示意图。集成有准直透镜的窗口玻璃7再用常规的玻璃-金属封装工艺焊接到封装壳6上。因为封装壳6由柯伐合金制成，窗口玻璃的应选用膨胀系数接近的材料，Schott玻璃AF45是一个较佳的选择，它的膨胀系数是4.5ppm/℃。
图10、图11为调整环5的示意图，为了实现有源器件4和透镜窗口7间的精密光学对准和定位，本发明利用调整环5上的偏心孔来达到这一目的。调整环5上有偏心孔21和外圆柱面22。外圆柱面22将完全放置在中间环2的内孔15内，当调整环5在中间环2的内孔15内转动时，偏心孔21的中心轴线将作横向移动，达到横向精密调整放置在偏心孔21上的准直透镜与有源器件的相对位置的目的。
作为光电子有源器件气密性封装和光束准直的一个特例，图11为半导体激光器阵列的最后气密性封装和光束准直的示意图。基底座1、中间环2、热沉3、和有源器件4(在这里是一维半导体激光器阵列)首先通过图5所示方法装配在一起，封装壳6和透镜窗口7(在这里是集成有准直柱透镜的窗口玻璃)也用图9所示方法装配在一起；再将调整环5的外圆柱面22完全放置在中间环2的内孔15内，外圆柱面22与内孔15是过盈配合，即调整环5能在中间环2上转动、但不致松动；最后将封装壳6(带有透镜窗口7)放置在调整环5的偏心孔21内，同样，封装壳6的外径与偏心孔21是过盈配合。
有源器件4和透镜窗口7间的光学对准通过反复调整封装壳6和调整环5来实现转动封装壳6能使柱透镜与一维半导体激光器阵列平行，转动调整环5能使柱透镜与一维半导体激光器阵列横向对齐，沿轴向在调整环5的偏心孔21内移动封装壳6能调整柱透镜与一维半导体激光器阵列间的间隔。
一旦柱透镜与一维半导体激光器在横向、轴向以及方位角调整完毕，中间环2、封装壳6和调整环5可以用焊料焊接在一起，达到定位和密封的目的。为了得到最佳的光电子有源器件的气密性封装，焊料应不含焊剂(如松香等)。为了易于用焊料焊接，中间环2、封装壳6和调整环5的表面应作适当的处理(如镀金等)。
当有源器件4是由多个一维发光单元阵列组成的二维阵列、且准直透镜7是由多个一维准直透镜阵列组成的二维准直透镜阵列时，只要在调整环5上再加上一个具有偏心孔的调整环，上述光学对准及定位方法同样适用。
另一实现有源器件4和透镜窗口7间的横向精密光学对准和定位的方法是调整环5上无需外圆柱面22，调整环5的底面与间环2上端面接触、并可通过精密调整机构在中间环2的上端面平移，对准后固定焊接；此时，调整环5上的孔可以不再是偏心孔。柱透镜与一维半导体激光器阵列平行的调整仍然是通过转动封装壳6来实现；同样，沿轴向在调整环5的偏心孔21内移动封装壳6能调整柱透镜与一维半导体激光器阵列间的间隔。
权利要求
1.一种光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，主要包括基底座、热沉、有源器件、光电子有源器件的连接、器件电极、封装壳和接入窗口，其特征是接入窗口是集成有准直透镜的窗口玻璃，集成有准直透镜的窗口玻璃焊接到封装壳上，有源器件和透镜窗口间的光学对准和定位通过调整基底座和封装壳之间的相对位置来实现。
2.根据权利要求1所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其特征是光电探测器放置在基底座上有源器件旁，其阴极连接在器件输出电极(13)的内端，而其阳极直接与基底座连接。
3.根据权利要求1或2所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其特征是基底座选用导热性好的材料，基底座与封装壳之间有由热传导系数和膨胀系数低的材料制成的中间环作为过渡部件，中间环上面是调整环，中间环下部的内孔与基底座的凸台是紧配合，中间环和基底座实现密封，中间环的上部内孔则用来接受调整环，调整环上部是偏心内孔，用来调整有源器件和透镜窗口上准直透镜间的横向光学对准和定位。
4.根据权利要求1或2所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其特征是基底座选用导热性好的材料，基底座与封装壳之间有由热传导系数和膨胀系数低的材料制成的中间环作为过渡部件，中间环上面是调整环，调整环的底面与中间环的上端面是面接触，有源器件和准直透镜窗口间的横向光学对准和定位是通过调整环的底面在中间环的上端面平移来实现。
5.根据权利要求1或2所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其特征是集成有准直透镜的窗口玻璃的两个表面镀有对有源器件发射波长减反的介质膜。
6.根据权利要求1或2所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其特征是有源器件是单个发光单元，准直透镜与之对应。
7.根据权利要求1或2所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其特征是有源器件是多个发光单元组成的一维阵列，准直透镜与之对应。
8.根据权利要求1或2所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其特征是有源器件是多个一维发光单元阵列组成的二维阵列，准直透镜与之对应。
9.根据权利要求3或4所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其特征是集成有准直透镜的窗口玻璃的两个表面镀有对有源器件发射波长减反的介质膜。
10.根据权利要求6-7之一所述的光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，其特征是集成有准直透镜的窗口玻璃的两个表面再镀上对有源器件发射波长减反的介质膜。
全文摘要
本发明提供一种光电子有源器件的气密性封装和光束准直方法，主要包括基底座、热沉、有源器件、光电子有源器件与输出电极的连接、封装壳和接入窗口，其接入窗口是集成有准直透镜的窗口玻璃，集成有准直透镜的窗口玻璃焊接到封装壳上。光电探测器放置在基底座上有源器件旁，其阴极连接在器件输出电极13的内端，而其阳极直接与基底座连接。有源器件和透镜窗口间的光学对准和定位通过在基底座和封装壳之间的调整环来实现。
文档编号G02B6/26GK1523389SQ03118680
公开日2004年8月25日 申请日期2003年2月21日 优先权日2003年2月21日
发明者樊承钧 申请人:樊承钧