多單管堆疊半導(dǎo)體激光器熱分析及光纖耦合模擬仿真設(shè)計

王嬌嬌， 石琳琳， 馬曉輝， 張 賀， 李 巖， 李衛(wèi)巖， 徐 莉

(長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室， 吉林 長春 130022)

1 引 言

半導(dǎo)體激光器具有可靠性高、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、 波長范圍寬、成本低等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于固態(tài)或光纖激光器泵浦源、醫(yī)療美容、加工制造、激光通信等領(lǐng)域[1-5]。然而,傳統(tǒng)的單管芯半導(dǎo)體激光器的輸出功率不足以應(yīng)用到許多高功率領(lǐng)域，因而通過合束技術(shù)來獲得高功率、高亮度、高光束質(zhì)量的半導(dǎo)體激光光源是目前的普遍手段[6-7]。

單管半導(dǎo)體激光器具有壽命長、散熱性能好、亮度高、無需光束整形、光束質(zhì)量好、耦合效率高等優(yōu)點，通過多單管光纖耦合后可以獲得高亮度、高功率的激光輸出[8-10]。目前多單管半導(dǎo)體激光器多使用階梯式熱沉或反射鏡等方式進行空間合束[11]。德國Direct Photonics Industrie采用階梯反射鏡合束技術(shù)將8個單管半導(dǎo)體激光器合束耦合到芯徑100 μm、數(shù)值孔徑0.15的光纖中，準(zhǔn)直合束效率為95%，耦合效率大于90%[12]。美國nLIGHT公司采用垂直堆棧合束技術(shù)將每只單管半導(dǎo)體激光器快慢軸方向準(zhǔn)直后直接輸出，過程中不需要反射鏡對光路進行轉(zhuǎn)折，提高了合束效率[13]。從上述研究現(xiàn)狀來看，多單管半導(dǎo)體激光器空間合束技術(shù)相對比較成熟。然而，目前研究中采用的階梯熱沉封裝方式可能會導(dǎo)致每一路光程差不同，若疊加單管半導(dǎo)體激光器過多會導(dǎo)致光斑大小呈線性變大。階梯熱沉的階梯高度一般為1 mm左右，單管半導(dǎo)體激光器排放間距較大，使得耦合難度增加，且受透鏡孔徑的影響，整個光學(xué)耦合系統(tǒng)體積變大，從而限制了單管半導(dǎo)體激光器的使用數(shù)量。此外，采用階梯熱沉的封裝方式對每個階梯熱沉的平行度有很高的要求，對后期加工工藝要求較高。合束過程中使用的反射鏡也會在一定程度上降低光束質(zhì)量和亮度，并且多個鏡片或者光柵的使用也提高了加工難度和不穩(wěn)定性。因此，如何改進半導(dǎo)體激光器的封裝方式，使其在一定的封裝體積下能夠容納更多的單管半導(dǎo)體激光器耦合進光纖且降低工藝的難度，使得多單管半導(dǎo)體激光器合束更加簡單靈活，是本文研究的重點。

本文提出了一種多單管半導(dǎo)體激光器堆疊排布的封裝結(jié)構(gòu)，通過散熱設(shè)計在單管半導(dǎo)體激光器的N面和P面焊接輔助熱沉，在節(jié)省封裝空間的同時使得半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的熱量可以雙向傳導(dǎo)，增加了散熱通道。在實現(xiàn)有效的激光輸出的同時，通過光學(xué)設(shè)計確定多單管半導(dǎo)體激光器堆疊所用的光學(xué)元件的數(shù)量。光束整形需要的光學(xué)元件相對較少，有效地降低了封裝工藝難度，且與傳統(tǒng)多單管半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)相比，節(jié)省了空間，使得器件更加小型化。

2 封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 多單管堆疊結(jié)構(gòu)熱特性分析

半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率在50%左右，其他的注入功率則基本以熱能的形式耗散掉。產(chǎn)生的廢熱會導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器輸出波長紅移，輸出功率降低，光電轉(zhuǎn)換效率下降以及閾值電流增大等后果。因此，對半導(dǎo)體激光器來說散熱特性的分析及設(shè)計尤為重要，將最終影響激光器的輸出功率。在傳統(tǒng)的多單管半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)中，單管半導(dǎo)體激光器一般以Cu熱沉高度差恒定的階梯形式封裝在基礎(chǔ)熱沉上，每個階梯高度一般為1 mm左右，這種高度差增加了整個封裝結(jié)構(gòu)的體積。而且采用傳統(tǒng)的封裝方式將芯片平放焊裝在熱沉表面，該散熱方式主要是通過熱沉底部散熱，散熱方式比較單一。針對這兩點，本文將單管半導(dǎo)體激光器垂直封裝在兩個輔助熱沉之間，輔助熱沉的高度固定，在不增加整體高度的同時，又可以使每個單管半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的熱量通過P面和N面擴散。圖1為多單管半導(dǎo)體激光器堆疊排布封裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 多單管半導(dǎo)體激光器堆疊排布封裝結(jié)構(gòu)示意圖

對半導(dǎo)體激光器進行穩(wěn)態(tài)熱分析過程中，針對模型做了如下假設(shè)[14-17]：在半導(dǎo)體激光器工作過程中，所產(chǎn)生的廢熱主要來自有源區(qū)內(nèi)載流子的復(fù)合、吸收和自發(fā)輻射；在模擬過程中，由于單管半導(dǎo)體激光器體積較小，與空氣接觸的激光器表面積相對較小，因此忽略激光器的空氣對流散熱和輻射散熱；采用COS(Chip on submount)封裝方式，其熱沉底面固定在制冷器上，模擬過程中將底部的溫度設(shè)置為298 K。該COS銅熱沉的尺寸為4.5 mm×5.75 mm×0.5 mm。

計算中所使用的半導(dǎo)體激光器光電參數(shù)為：連續(xù)條件下輸出功率為10 W，中心波長為976 nm，電光轉(zhuǎn)換效率為50%，輔助熱沉采用鎢銅合金(WCu10)，WCu10熱沉尺寸為0.4 mm×5.75 mm×1.55 mm。其熱膨脹系數(shù)與芯片相匹配，在封裝過程中，能夠減小芯片的殘余應(yīng)力，加工簡單，價格適宜。模擬中所使用的材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

激光器有源區(qū)的溫度對激光器的光電性能和壽命都有很大影響。激光器的熱阻是衡量激光器散熱性能的重要參數(shù),反映了激光器的散熱性能。半導(dǎo)體激光器熱阻的表達式為：

(1)

其中Tj為有源區(qū)溫度，T0為熱沉溫度，Ptem為熱功率。半導(dǎo)體激光器的熱阻主要與器件材料、結(jié)構(gòu)、工藝及封裝方式等因素有關(guān)[18]。采用有限元軟件ANSYS分別對單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量N=1，2，3時的封裝結(jié)構(gòu)進行了熱模擬，溫度分布云圖如圖2所示。

圖2 不同單管數(shù)量下封裝結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖。(a)N=1；(b)N=2；(c)N=3。

由圖2可知，當(dāng)單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量N=1時，芯片有源區(qū)結(jié)溫為318.189 K，熱阻Rth1=2.02 K/W。當(dāng)單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量N=2時，芯片結(jié)溫增加到322.699 K，熱阻Rth2略有增加，為2.47 K/W。當(dāng)單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量N=3時，結(jié)溫增加到326.072 K，熱阻隨之增加，Rth3=2.8 K/W。由以上分析可知，雖然隨著單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量的增加，每個單管半導(dǎo)體激光器的結(jié)溫有所升高，但在該溫度范圍內(nèi)，單管半導(dǎo)體激光器仍能正常工作。且在每個WCu熱沉高度固定的情況下，單管半導(dǎo)體激光器之間間距僅有0.4 mm，實現(xiàn)了高密度封裝。表明該結(jié)構(gòu)能夠在保障封裝體積小型化的同時使更多數(shù)量單管半導(dǎo)體激光器出射的光經(jīng)合束后耦合進光纖，從而實現(xiàn)更高功率的激光輸出。

2.2 多單管堆疊結(jié)構(gòu)的P-I特性分析

影響半導(dǎo)體激光器最終輸出功率的一個重要因素是熱阻。多單管半導(dǎo)體激光器封裝可以實現(xiàn)較高輸出功率，但是產(chǎn)生的熱量也會影響到激光器的最終輸出功率。通過對封裝結(jié)構(gòu)中接近失效時的每個單管的最大輸出功率進行研究，可以分析出激光器的可靠性。對于半導(dǎo)體激光器，其輸出功率與熱阻的關(guān)系由下式表示：

(2)

其中T1為激光器特征溫度，T0為熱沉溫度，P為激光器的輸出功率，Rth為熱阻，V為激光器偏置電壓，I為工作電流，η為激光器的斜率效率，IRet為閾值電流。

半導(dǎo)體激光器輸出功率隨電流變化的曲線如圖3所示。由圖3可知，激光器的熱阻越小，其最大輸出功率越高。本文首先分析了在單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量分別為N=1，2，3的封裝結(jié)構(gòu)中每個單管輸出功率的變化。從圖中可以看出，當(dāng)單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量N=1時，半導(dǎo)體激光器的熱阻最小，為2.02 K/W，其最大輸出功率為28.56 W。在單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量N=2的封裝結(jié)構(gòu)中，每個單管半導(dǎo)體激光器的最大輸出功率降低到24.97 W。在單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量N=3的封裝結(jié)構(gòu)中，總熱阻有所提高，每個單管半導(dǎo)體激光器的最大輸出功率為22.91 W。這是由于單管半導(dǎo)體激光器之間間距較小，會產(chǎn)生熱串?dāng)_現(xiàn)象，因此隨著單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量的增加，其熱阻會逐漸增大，每個單管的最大輸出功率隨之減小。

圖3 每個單管半導(dǎo)體激光器不同熱阻下的P-I特性曲線

圖4 不同單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量下的P-I 特性曲線

圖4為在不同單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量下封裝結(jié)構(gòu)總的最大輸出功率曲線圖。如圖4所示，雖然當(dāng)封裝3個單管時，其中每一個單管的最大輸出功率有所下降，但是3個單管合并輸出的總的最大輸出功率相較于單管數(shù)量較少的封裝結(jié)構(gòu)來說是增加的，在相同的輸入電流前提下能得到更大的輸出功率，最大輸出功率可達到85.68 W。由于多單管半導(dǎo)體激光器堆疊而產(chǎn)生的熱串?dāng)_并沒有給總輸出功率造成太大影響。

3 光學(xué)設(shè)計與模擬

典型的半導(dǎo)體激光器在垂直于PN結(jié)(快軸)方向上發(fā)光寬度為1 μm，光束發(fā)散角一般為30°～60°；平行于PN結(jié)(慢軸)方向上的發(fā)光寬度為100 μm，光束發(fā)散角一般為6°～12°[18-19]?？炻S光束質(zhì)量相差較大，這種具有嚴(yán)重像散和發(fā)散角的光束限制了半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用。因此，在實際應(yīng)用時需要對半導(dǎo)體激光器光束進行光束整形后再進行光纖耦合，從而使半導(dǎo)體激光器能更廣泛地應(yīng)用于多個領(lǐng)域。

多單管疊陣由3個單管半導(dǎo)體激光器組成，單管半導(dǎo)體激光器輸出功率為10 W，單管半導(dǎo)體激光器之間的間距為0.4 mm。模擬采用腔長4 mm、中心波長976 nm的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，具體參數(shù)如表2所示 。

表2 半導(dǎo)體激光器快慢軸參數(shù)

首先采用芯徑200 μm、數(shù)值孔徑0.22的裸石英光纖對快軸進行準(zhǔn)直，使用ZEMAX軟件進行模擬，準(zhǔn)直后快軸發(fā)散角為0.6°。采用焦距為6.08 mm的柱透鏡對慢軸進行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后慢軸發(fā)散角為1.2°。經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直后的光斑圖如圖5所示。準(zhǔn)直后快慢軸的光參數(shù)積(BPP)如表3所示。

采用焦距為4.95 mm的非球面鏡對光束進行聚焦，為了將聚焦后的光束耦合進芯徑200 μm的光纖中，快慢軸的尺寸應(yīng)小于141 μm，模擬聚焦后的光束在慢軸方向尺寸為110 μm，快軸方向尺寸為120 μm，如圖6所示。光束入射角為6.8°，角度小于數(shù)值孔徑為0.22所能容納的最大入射角度，滿足光纖耦合條件，能夠?qū)?個邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器出射的光耦合進芯徑200 μm、數(shù)值孔徑為0.22的光纖中。為了提高半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量和輸出功率，目前采用的光束整形系統(tǒng)比較復(fù)雜且占用體積較大，相對于傳統(tǒng)封裝方式，采用多單管半導(dǎo)體激光器封裝方式的光學(xué)設(shè)計更加簡單，減少了透鏡的使用數(shù)量，縮小了系統(tǒng)的整體光路，可以使得器件更加小型化。圖7為準(zhǔn)直快慢軸光束及聚焦耦合過程，整體光路長16 mm。光束經(jīng)過光纖后輸出的光斑圖如圖8所示，輸出光功率為28.6 W，系統(tǒng)的耦合效率為95%。

圖5 經(jīng)快慢軸準(zhǔn)直后的光斑圖

表3 單管半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直前后參數(shù)

圖7 準(zhǔn)直快慢軸光束及聚焦耦合過程

圖8 光纖端面輸出的光斑圖

4 結(jié) 論

為了提高半導(dǎo)體激光器的輸出功率且節(jié)省封裝器件的使用空間，本文設(shè)計了一種多單管半導(dǎo)體激光器堆疊排布的封裝結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的階梯熱沉封裝結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)通過將單管半導(dǎo)體激光器豎直排布封裝在輔助熱沉之間，在不增加整體高度的同時，可以使每個單管半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的熱量通過P面和N面擴散，從而增加了半導(dǎo)體激光器的散熱通道，且使得器件更加小型化。通過ANSYS分別模擬了單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量N=1，2，3時的芯片溫度分布情況，結(jié)果表明使用該封裝結(jié)構(gòu)后芯片能正常工作，且當(dāng)采用一個單管封裝時，芯片結(jié)溫為318.189 K，其熱阻最小為2.02 K/W。通過P-I特性曲線分析了在不同單管半導(dǎo)體激光器數(shù)量下封裝結(jié)構(gòu)的輸出功率，當(dāng)采用3個單管半導(dǎo)體激光器封裝時，總的最大輸出功率可達到85.68 W。通過ZEMAX對多單管半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)進行模擬，使用光纖及柱面鏡對快慢軸準(zhǔn)直，而后采用非球面鏡將準(zhǔn)直后的光束進行聚焦，最終耦合進芯徑200 μm、數(shù)值孔徑為0.22的光纖中。模擬顯示，系統(tǒng)輸出光功率為28.6 W，耦合效率為95%。該結(jié)構(gòu)設(shè)計能使半導(dǎo)體激光器在更小的設(shè)計空間實現(xiàn)較高的輸出功率，而且空間的減小簡化了耦合光路，使得器件更具有穩(wěn)定性。