一种激光器的制作方法

1.本技术涉及半导体光子技术领域，具体涉及一种激光器。


背景技术：

2.半导体光子技术常应用于高频率低脉冲激光器器件、车载雷达激光器器件等领域。
3.应用时，一种方法是将光子芯片直接贴装到陶瓷激光器电路板上，这样获得的激光器，其寄生电感及散热均为最佳。但却无法解决高温下半导体激光器功率衰减的问题，以及由于光学元件高温下发生位置变化，进而出现指标偏差的问题。另一种设计方法是，将芯片作为小模块，激光器电路板放在激光器外部进行供电，但对于光学元件来说，目前的设计方法的温度均不可控。在高温情况下，容易导致光学元件的光学特性发生偏差，进而导致光斑质量下降。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种激光器，能够解决高温过程中光学特性的偏差问题。
5.本技术实施例的一方面，提供了一种激光器，所述激光器包括衬底、设在所述衬底上的光子芯片、位于所述光子芯片发射方向的光学组件和温度控制器，所述衬底和所述光学组件均设在所述温度控制器上，所述光学组件包括支撑件和与所述支撑件连接的光学元件，所述支撑件通过焊接层和所述温度控制器连接。
6.将光子芯片和衬底形成的模块，以及光学组件均安装在温度控制器上，以保证光学组件的光学特性在高低温变化过程中发生较小的偏差，以保证光斑质量。
7.光学元件通过支撑件固定，光子芯片发射的光经光学元件射出；支撑件设在温度控制器上，且支撑件和温度控制器通过焊接层连接。
8.焊接的方式使支撑件在温度控制器上的稳定性更好，也就是光学元件的稳定性更好，通过焊接的方式，激光器在工作时发热，降低光学组件在温度控制器上的漂移程度，使光学组件更稳定，进一步降低对光斑质量的影响。
9.可选地，所述温度控制器的表面材料、所述衬底的材料和所述支撑件的材料的热膨胀系数匹配，能够降低材料高温热膨胀对光斑质量的影响。
10.可选地，所述激光器还包括设置于所述衬底上的温度传感器，所述温度传感器与所述温度控制器电连接。
11.可选地，所述激光器还包括激光器电路板，所述激光器电路板上设置有焊盘，所述光子芯片和所述焊盘之间通过键合线电连接。
12.激光器电路板上设有焊盘，焊盘和激光器电路板导通，光子芯片和焊盘之间通过键合线电连接，以导通光子芯片和激光器电路板。
13.可选地，所述激光器电路板的底部上设有热沉，通过热沉对激光器电路板散热，光
子芯片和光学元件通过温度控制器控温，散热和控温分开设置，提高激光器的可靠性。
14.可选地，所述光子芯片的正极通过至少一个正极键合线和正极焊盘电连接，所述光子芯片的负极通过至少一个负极键合线和负极焊盘电连接。
15.光子芯片包括正极和负极，焊盘包括正极焊盘和负极焊盘，光子芯片的正极和正极焊盘对应连接，光子芯片的负极和负极焊盘对应连接。
16.可选地，所述负极焊盘位于以所述光子芯片的负极为中心的圆周内。以光子芯片的负极为中心，光子芯片的负极和负极焊盘之间的距离为圆周的半径方向，因此以光子芯片键合部位为圆心，以最短键合路径为半径，在此圆环范围内，寄生电感最小。
17.可选地，所述正极键合线和所述负极键合线分别位于两个不同的平面内。能降低正极和负极之间的串扰，降低电感，提高功率，解决短脉冲激光器高温下的功率衰减问题和由于寄生电感导致的功率低下问题，提高激光器的可靠性。
18.可选地，所述正极键合线和所述负极键合线包括多个，多个所述负极键合线之间相互平行，多个所述正极键合线的一端向所述正极焊盘方向延伸、另一端向外发散呈扇形设置，多个所述正极键合线形成的区域覆盖多个所述负极键合线形成的区域。
19.可选地，所述正极键合线位于所述负极键合线远离所述衬底的一侧。负极键合线靠近衬底，正极键合线远离衬底，正极键合线覆盖在负极键合线之上，这样能降低正、负极相互之间串扰，降低寄生电感。
20.本技术实施例提供的激光器，衬底上设有光子芯片，光子芯片和衬底均设在温度控制器上，同时光学组件也设在温度控制器上，光学组件位于光子芯片发射方向；光学组件包括支撑件和与支撑件连接的光学元件，支撑件通过焊接层和温度控制器连接，将光子芯片、衬底和光学组件均安装在温度控制器上，这样一来，各器件均安装在温度控制器上，能保证各器件处于同一温度下，各器件的工作性能能较好的匹配，各器件工作性能的一致性得以保证，且能够保证光学组件的光学特性，在高低温变化过程中的偏差较小，进而保证光斑质量。同时，通过焊接将支撑件固定在温度控制器上，焊接的方式相较于粘结方式的优点：1.焊接用焊料cte更小，温度发生变化时自身发生偏移更小；2.焊料的抗剪切强度更高。支撑件在温度控制器上的稳定性更好，也就是光学元件的稳定性更好，通过焊接的方式，激光器在工作时发热，降低光学组件在温度控制器上的位置偏移程度，使光学组件更稳定，进一步降低对光斑质量的影响。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
22.图1是本技术实施例提供的激光器结构示意图；
23.图2是本技术实施例提供的激光器局部结构示意图之一；
24.图3是本技术实施例提供的激光器局部结构示意图之二；
25.图4是本技术实施例提供的激光器局部结构示意图之三；
26.图5是本技术实施例提供的激光器局部结构示意图之四。
27.图标：1
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光子芯片；11
‑
正极；12
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负极；110
‑
正极键合线；120
‑
负极键合线；2
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激光器电路板；21
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正极焊盘；22
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负极焊盘；3
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衬底；4
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热沉；5
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底板；6
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温度控制器；7
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光学元件；8
‑
支撑件；a
‑
电感范围。
具体实施方式
28.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
29.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
31.半导体光子技术常应用于高频率低脉冲激光器器件、车载雷达激光器器件等领域。目前的一种涉及方法是将光子芯片直接贴装到陶瓷激光器电路板(pcb)上，这样获得的激光器，其电感及散热均为最佳。但却无法解决高温下半导体激光器功率衰减的问题，以及由于光学元件高温下发生位置变化，进而出现指标偏差的问题。同时对整体pcb进行控温的难度及成本加大。另一种设计方法是，将芯片作为小模块，激光器电路板放在激光器外部进行供电。这样成本较低，但会有较高的寄生电感，导致功率低下。随着市场对短脉冲大功率半导体激光器需求的日益增长，这两种方法均无法同时满足低寄生电感与独立控温的要求。对于光学元件，目前的设计方法均为不控制其温度，这样在高温情况下，容易导致光学元件(包括光学透镜和透镜支撑件)的光学特性(包括光束指向性和发散角)发生偏差(例如：位置偏差)，进而导致光斑质量下降。
32.为解决上述问题，在此基础上，本技术实施例提供一种激光器，通过对光子芯片和光学组件同时进行温度控制解决短脉冲激光器高温下的光学元件的偏差以及功率衰减问题，再结合低电感电路结构的组合设计，同时解决短脉冲激光器高温下的由于寄生电感导致的功率低下问题。
33.具体地，请参照图1，本技术实施例提供的激光器，激光器包括衬底3、设在衬底3上的光子芯片1、位于光子芯片1发射方向的光学组件和温度控制器6，衬底3和光学组件均设在温度控制器6上。光学组件包括支撑件8和与支撑件8连接的光学元件7，支撑件8通过焊接层和温度控制器6连接。
34.光子芯片1设在衬底3上，光子芯片1和衬底3形成的模块设置在温度控制器6(tec，thermo electric cooler，半导体冷却器)上，同时，光学组件也设置在温度控制器6上，光子芯片1发射的光经光学组件射出。
35.如图2所示，将光子芯片1和衬底3形成的模块，以及光学组件均安装在温度控制器6上，以保证光学组件的光学特性在高低温变化过程中发生较小的偏差，以保证光斑质量。
36.光学元件7通过支撑件8固定，光子芯片1发射的光经光学元件7射出；支撑件8设在温度控制器6上，且支撑件8和温度控制器6通过焊接层连接。
37.现有技术一般采用粘结的方式固定支撑件8，当激光器工作时，在高低温的环境下，粘结的方式不稳定，会使光学组件在温度控制器6上发生位置偏移；位置偏移会对激光器的可靠性造成累积误差，影响激光器的工作性能。
38.温度控制器6的表面、衬底3和支撑件8采用相同的材料，或温度控制器6的表面材料、衬底3的材料和支撑件8的材料的热膨胀系数匹配，能够降低材料高温热膨胀对光斑质量的影响。
39.激光器还包括设置于衬底上的温度传感器，温度传感器与温度控制器6电连接，温度传感器用于实时反馈温度控制器6的温度控制情况。
40.本技术实施例提供的激光器，衬底3上设有光子芯片1，光子芯片1和衬底3均设在温度控制器6上，同时光学组件也设在温度控制器6上，光学组件位于光子芯片1发射方向；将光子芯片1、衬底3和光学组件均安装在温度控制器6上，这样一来，各器件均安装在温度控制器6上，能保证各器件处于同一温度下，各器件的工作性能能较好的匹配，各器件工作性能的一致性得以保证，且能够保证光学组件的光学特性，例如光束指向性和发散角等，在高低温变化过程中的偏差较小，进而保证光斑质量。同时，通过焊接将支撑件8固定在温度控制器6上，焊接的方式相较于粘结方式的优点：1.焊接用焊料cte更小，温度发生变化时自身发生偏移更小；2.焊料的抗剪切强度更高。支撑件8在温度控制器6上的稳定性更好，也就是光学元件7的稳定性更好，通过焊接的方式，激光器在工作时发热，降低光学组件在温度控制器6上的位置偏移程度，使光学组件更稳定，进一步降低对光斑质量的影响。
41.激光器还包括激光器电路板2，激光器电路板2上设置有焊盘，光子芯片1和焊盘之间通过键合线电连接。温度控制器6和激光器电路板2均设在底板5上。
42.激光器电路板2的底部设有热沉4，通过热沉4可对激光器电路板2散热。并且，激光器电路板2通过热沉4散热，光子芯片1和光学元件7通过温度控制器6控温，散热和控温分开设置，提高激光器的可靠性。
43.衬底3材料可以是高导热的陶瓷材料或高导热的金属材料；激光器电路板2材料可以是环氧玻璃布层压板材料，也可以是陶瓷材料。
44.激光器电路板2上设有焊盘，焊盘和激光器电路板2导通，光子芯片1和焊盘之间通过键合线电连接，以导通光子芯片1和激光器电路板2。
45.具体地，光子芯片1的正极11通过至少一个正极键合线110和正极焊盘21电连接，光子芯片1的负极12通过至少一个负极键合线120和负极焊盘22电连接。
46.光子芯片1包括正极11和负极12，焊盘包括正极焊盘21和负极焊盘22，光子芯片1的正极11和正极焊盘21对应连接，光子芯片1的负极12和负极焊盘22对应连接。
47.在本技术的一个实施例中，正极焊盘21位于光子芯片1的正极11的一侧，因此光子芯片1的正极11和正极焊盘21通过正极键合线110连接时，两者之间距离最短。
48.而使负极焊盘22位于以光子芯片1的负极12为中心的圆周内，示例地，负极焊盘22可位于该圆周内的任意位置，以光子芯片1的负极12为中心，光子芯片1的负极12和负极焊盘22之间的距离为圆周的半径方向，因此以光子芯片1键合部位为圆心，以最短键合路径为半径，在此圆环范围内，寄生电感最小。
49.如图5所示，该圆周形成电感范围a，负极焊盘22可位于该电感范围a内任意位置，示例地，图5示出了一个电感范围a内，负极焊盘22可设置的三个位置，一个电感范围a内负极焊盘22设置为一个，可设置于这三个位置的任意位置。
50.如图3所示，在本技术的另一个实施例中，正极焊盘21位于光子芯片1的正极11的一侧，负极焊盘22也位于光子芯片1的负极12的一侧，且正极焊盘21和负极焊盘22位于同一侧。此时，由光子芯片1的正极11通过正极键合线110和正极焊盘21连接，由光子芯片1的负极12通过负极键合线120和负极焊盘22连接，也就是说，正极键合线110形成的面和负极键合线120形成的面分别以“立交”的方式位于两个不同的平面内。
51.这样的设置，能降低正极11和负极12之间的串扰，降低寄生电感，提高功率，解决短脉冲激光器高温下的功率衰减问题和由于寄生电感导致的功率低下问题，提高激光器的可靠性。
52.一个光子芯片1的正极11可通过一个或多个正极键合线110和正极焊盘21电连接，一个光子芯片1的负极12可通过一个或多个负极键合线120和负极焊盘22电连接。
53.如图4所示，当正极键合线110和负极键合线120包括多个，多个负极键合线120之间相互平行，多个正极键合线110的一端向正极焊盘21方向延伸、另一端向外发散呈扇形设置，多个正极键合线110形成的区域覆盖多个负极键合线120形成的区域，这样能使正极11的信号区和负极12的信号区相匹配，避免覆盖不完全而造成信号遗漏。
54.正极键合线110位于负极键合线120远离衬底3的一侧，也就是说，正极键合线110所在的平面位于负极键合线120所在的平面之上，负极键合线120靠近衬底3，正极键合线110远离衬底3，正极键合线110覆盖在负极键合线120之上，这样能降低正、负极12相互之间串扰，降低寄生电感。
55.采用多个键合线键合，键合线可为金线或铝线，多个键合线可增加键合面积，以降低整体的寄生电感。
56.综上，本技术实施例提供的激光器，光子芯片1与光子芯片1衬底3形成的模块安装在温度控制器6上，光学组件同时安装在温度控制器6上，以保证光学组件的光学特性(光束指向性和发散角等)在高低温变化过程中发生较小的偏差；为降低光学胶对可靠性的累积误差，将光学元件7用胶粘结在热膨胀系数匹配的支撑件8上，支撑件8底部进行金属化，用低温焊料焊接在温度控制器6上。温度控制器6、衬底3、支撑件8采用相同的材料，或热膨胀系数匹配的材料，以降低材料高温热膨胀对光斑质量的影响。光子芯片1与衬底3形成的模块和光学组件在温度控制器6上，并与激光器电路板2分离，以光子芯片1键合部位为圆心，以最短键合路径为半径，使激光器电路板2键合范围在此圆环内，在此圆环范围内时，寄生电感最小。在另一个实施例中，正极键合线110覆盖在负极键合线120之上，降低正负极12相互之间串扰，降低寄生电感。
57.本激光器的光子芯片1与衬底3形成模块，与激光器电路板2分离，即光子芯片1部分和激光器电路板2为两部分，光子芯片1通过激光器电路板2上的焊盘，与激光器电路板2进行导线键合，形成低电感回路。光子芯片1模块和光学组件均通过温度控制器6控温，以保证温度控制器6上各器件均处于同一温度下，保证温度一致性，激光器电路板2通过热沉4独立散热，激光器电路板2结构可以是任意形状，方便激光器电路板2工程化设计；光子芯片1部分独立控温，并且使得激光器电路板2的散热同时对应处理，光子芯片1模块与激光器电
路板2可以分别控温与散热，大大提高了产品的可靠性，获得良好散热的同时，降低了寄生电感。随着市场对短脉冲大功率半导体激光器需求的日益增长，本技术实施例提供的激光器，可同时满足低寄生电感与独立控温的要求。
58.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。