關于影響半導體激光器封裝后焦距因素的分析

翟 建 申闖 劉世凱 陳立紅

關鍵詞：TO56，激光器，焦距，共晶參數，封裝參數

0 引言

光通信用半導體激光器的3個主要封裝形式為同軸封裝、雙列直插封裝和蝶型封裝。其中同軸封裝又可稱為TO（Transistor Outline）-CAN型封裝，具有寄生參數小、工藝簡單、成本低等特點，因此獲得了廣泛的應用，是當前國內外市場上最為常見的光電子器件封裝方式，如圖1所示。其常見的器件類型有光發射組件（Transmitter Optical Sub-Assembly，TOSA）、光接收組件（Receiver OpticalSub-Assembly，ROSA）和光雙向收發組件（BidirectionalOptical Sub-Assembly，BOSA）等[1]。

焦距參數是半導體激光器的一項重要指標，激光器焦距測試的目的是為后續光模塊耦合提供距離指引，從而確認光模塊結構是否滿足設計要求，同時在耦合時減少耦合時間、提高耦合效率、降低耦合成本。

1 TO56激光器焦距測試原理

通常情況下，我們將管座上表面到管帽透鏡匯聚焦點的距離定義為產品焦距值，如圖2所示。LD芯片通電后發射出的光，經管帽透鏡折射后匯聚在一點，此位置也是激光二極管所產生的最大功率位置。

對激光器焦距的測試其實質是測高斯光束的束腰位置，在工業上主要采用功率反饋法進行測量。功率反饋法是通過檢測上電后激光器產品的輸出光功率和調整接收光纖的XYZ三維位置來實現，首先確定接收光纖的基點，沿基點方向上下前后左右移動，通過實時探測所接收功率的大小，完成對目標功率極大值的搜索，并記錄此時的光纖位置，從而計算出此時光纖位置距離管座上表面的距離，得出焦距值。

2 影響TO激光器封裝后焦距的因素

通過對TO激光器結構的分析，其主要由管座、PD芯片、PD墊塊（載體）、LD芯片、LD墊塊（熱沉）和管帽等器件組成，其中PD芯片與PD墊塊組成了LD芯片背出光的監控系統，用于監控LD芯片的背光，其對焦距的變化無影響，本文主要從LD芯片燒結刻度、封裝同軸度和管帽型號幾個方面探討其對焦距的影響。

2.1 LD燒結刻度對焦距的影響

LD芯片是半導體激光器用來將電信號轉換為光信號所用到的芯片，其發光點位于芯片發光條的最前端，圖3是一種常見的1490nm波長芯片示意圖。

我們通常將管座上表面到LD芯片發光條的垂直高度定義為燒結刻度，由于LD發射出的光經管帽透鏡折射后形成焦距點，因此在物料及封裝工藝一定的情況下，LD芯片不同的燒結刻度會直接影響封裝后產品的焦距值，如圖4所示，當LD燒結刻度變大時，焦距也會隨之變大。

2.2 封裝同軸度對焦距的影響

在實際工業生產過程中，TO封裝包括多種工藝流程，比如：共晶工序，采用焊接技術將LD芯片、熱沉和管座連接起來；鍵合工序，采用金絲球焊技術將芯片、熱沉和管座引腳進行連接導通；封帽工序，采用電阻焊或電流焊技術完成管帽與管座的封裝等。在這些封裝工藝的作業過程中，總會不可避免地引入人為或機械誤差，使得封裝后的LD出光點與管帽透鏡并非理想同軸，導致耦合效率降低，從而影響最后的出光焦距[2]。

工業生產中通常使用同軸度來作為判定封裝后產品同軸偏移程度的參數，其具體指的是LD芯片發光點距離管帽透鏡中心點之間的距離，如圖5所示，一般使用影像儀進行量測。需要注意的是，不同種類的管帽會有不同的透鏡倍率，在測量產品同軸度時，應考慮透鏡倍率對測量值的影響。

影響半導體激光器同軸度的因素主要有LD芯片橫向偏移位置精度、LD芯片傾斜角度以及管帽傾斜角度等。在實際生產中，為提高產品的同軸度，降低其對焦距的影響，通常采用如下措施。

（1）提高共晶作業過程中LD芯片的定位精度，在生產過程中定期抽檢量測芯片的位置，實時調整共晶設備參數，以降低LD芯片共晶位置誤差。

（2）精確控制管座凸臺及LD墊塊（熱沉）的厚度及平整度，確保物料的一致性，降低LD芯片傾斜誤差。

（3）管控封帽機上電極與下電極的平整度與最大使用次數，在生產過程中定期抽檢封帽后產品的同軸度，實時調整封帽設備參數。當發現電極表面不平整或達到電極最大使用次數時，及時更換或打磨電極，避免封帽過程中的焊料融化不均或管帽形變等問題，降低管帽傾斜角度誤差。

2.3 管帽透鏡對焦距的影響

管帽是半導體激光器同軸封裝結構的核心部件，起到透鏡定位的作用。在光電領域，TO管帽主要有兩大基本功能，其一是對用來傳輸或接收的光學元件提供了密封可靠的保護，其內部填充99%以上濃度的氮氣，杜絕氧氣及水汽等易發生反應的氣體，以增強內部元件的使命壽命。其二是管帽中的透鏡會對LD芯片發射出的光起到折射傳輸作用，半導體激光器同軸封裝參數的變化主要由管帽的高度以及透鏡的形狀、大小和折射率等影響，不同類型、折射率、材質、鍍膜等規格的管帽會對光線傳輸產生不同的影響，從而影響封裝后產品的焦距。

管帽透鏡的焦距、半徑和折射率的關系為：

其中f、r和n分別為透鏡的焦距、半徑和折射率。從公式中可以看出，影響焦距的主要因素有管帽透鏡半徑和折射。當透鏡的折射率一定時，隨著管帽透鏡的半徑增加，透鏡的焦距也會增加；當透鏡的半徑一定時，隨著管帽透鏡的折射率增加，透鏡的焦距會降低。透鏡的材料主要有Hardglass，Sapphire，Taf－3等，不同的材料對應著不同的折射率。

按照透鏡類型，可以將管帽分為平窗帽、斜窗帽、球透鏡帽、非球透鏡帽等，其中球透鏡帽又可分為大球透鏡帽和小球透鏡帽，非球透鏡帽又可分為大非球透鏡帽和小非球透鏡帽。不同類型的管帽其折射率、對應焦距也不盡相同，因此針對不同的焦距要求，需搭配選用滿足規格設計的管帽。

3 結語

影響TO封裝激光器產品焦距的因素主要有LD芯片燒結刻度、封裝同軸度以及所選用管帽透鏡類型，在設計方案不變的情況下，我們應在實際生產過程中，提高LD芯片燒結刻度以及同軸精度，避免因制程因素導致的焦距不穩定性。