非致冷高功率980nm泵浦激光器封装技术研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 4.23MB 48 页 15积分

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摘要

高功率单模980nm泵浦激光器由于其优越的性能已经成为掺铒光纤放大器

(EDFA)最优良的泵浦源。随着光通信系统越来越关注它的可购买力，去除热电致

冷器(TEC)的非致冷泵浦激光器因具有小尺寸、低成本、低功耗的优势而得到长足

发展。

非致冷 980nm 泵浦激光器由于去除了 TEC，光电性能将受到其热特性的极大

影响。针对 980nm 泵浦激光器模块的封装结构，设计了倒装贴片型非致冷 980nm

泵浦激光器，并优化了激光器芯片外延层、热沉、基底、V型槽、透镜光纤和焊

料层等封装元件，以改善激光器的热特性、出纤功率、波长稳定性和器件可靠性。

基于所设计的倒装贴片型泵浦激光器结构参数和材料特性，利用软件 ANSYS10.0

对Mini-DIL 非致冷 980nm 泵浦激光器在 CW 驱动条件下的热场分布进行了模拟计

算，对比了相应倒装贴片和正装贴片激光器的热特性，并针对芯片倒装贴片结构

对激光器芯片封装工艺进行了改进。另外，对实际封装的激光器光电性能进行了

测试，并对激光器的可靠性进行了认证。

测试数据表表明，采用倒装贴片封装技术研制的非致冷 980nm 泵浦激光器，

其输出光谱在 070℃的中心波长漂移仅为 0.2nm，半峰值宽度小于 1nm，边模抑

制比保持在 45dB 以上，最大出纤功率达 240mW。研究结果证明倒装贴片的非致

冷980nm 泵浦激光器在热稳定性和光电性能方面都有较大提高，能够满足高性能

小型化掺铒光纤放大器对非致冷 980nm 泵浦激光器的性能要求。

关键词：980nm 泵浦激光器封装非致冷倒装贴片热特性有限元

ABSTRACT

High-power single-mode 980nm pump lasers are currently the subject of

considerable interest because they are capable of emitting high power light and are one

of the best sources for pumping optical fiber amplifier. As the focus in optical

telecommunication system turns more towards affordability, there is a push to produce

uncooled pump laser in a smaller size, lower cost and less power consumption

Mini-DIL housing without the thermoelectric cooler (TEC).

The performance of high-power uncooled pump laser without TEC is strongly

influenced by their thermal properties. According to the packaging structure of 980nm

pump laser module, we introduced the main applications and the key technologies to

improve the device performance with respect to thermal properties, output power,

wavelength stability and device reliability, such as pump laser flip-chip mounting

technique, the overall structure design of pump laser module, packaging processes

without epoxy glue, V-groove, lensed fiber and wavelength locking technology. Based

on the designed module structure and material parameters of Epi-down bonded

uncooled 980nm laser, the heat distribution of Mini-DIL uncooled 980nm pump laser

under the CW drive conditions was simulated by ANSYS10.0, and the thermal

properties of Epi-down and Epi-up bonded laser were compared. According to the

structure of Epi-down bonding, the laser chip package technique has been developed. In

addition, the photoelectric properties of designed and packaged module were tested, and

the reliability of laser module was certificated.

The test data show that the designed Epi-down bonded uncooled 980nm

semiconductor laser can work steady over a wide temperature range of 0~70℃, with a

small wavelength shift of 0.2nm, and a FWHM less than 1nm, along with and a good

SMSR of more than 45dB, and a high optical power of 240mW. The results show that

the optical and thermal characteristics of Epi-down bonded uncooled 980nm

semiconductor laser have been greatly improved, and it can support the high-end market

of erbium-doped fiber amplifiers.

Keyword: 980nm pump laser, packaging, uncooled, Epi-down bonding, thermal

characteristics, finite element method

III

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................... 1

§1.1 引言 ...................................................................................................................... 1

§1.2 非致冷高功率 980nm 泵浦激光器封装技术的研究意义 ................................. 2

§1.3 国内外研究现状与分析 ...................................................................................... 3

§1.4 课题的研究内容及实施方案 .............................................................................. 4

§1.5 课题的特色及创新之处 ...................................................................................... 5

第二章非致冷 980nm 泵浦激光器封装结构设计 ...................................................... 6

§2.1 激光器整体封装结构设计 .................................................................................. 6

§2.2 激光器芯片及封装元件 ...................................................................................... 6

第三章泵浦激光器热特性的有限元分析 ................................................................. 10

§3.1 基本热传输 .......................................................................................................10

§3.1.1 传导 ..............................................................................................................10

§3.1.2 对流 ..............................................................................................................11

§3.1.3 辐射 ..............................................................................................................11

§3.1.4 热传输模拟分析 ..........................................................................................12

§3.2 有限元软件 ........................................................................................................ 13

§3.3 非致冷高功率 980nm 泵浦激光器热特性分析 ............................................... 15

§3.3.1 非致冷 980nm 泵浦激光器结构和分析模型 ............................................ 15

§3.3.2 软件处理过程 ..............................................................................................16

§3.3.3 模拟结果和讨论 ..........................................................................................19

第四章非致冷高功率 980nm 泵浦激光器封装工艺 ................................................ 23

§4.1 芯片倒装贴片 .................................................................................................... 23

§4.2 激光器封装工艺 ................................................................................................ 24

§4.2.1 封装流程 ......................................................................................................24

§4.2.2 贴片工艺 ......................................................................................................25

§4.2.3 引线焊接工艺 ..............................................................................................26

第五章激光器性能评估和可靠性认证 ..................................................................... 27

§5.1 泵浦激光器性能评估 ........................................................................................ 27

§5.2 泵浦激光器可靠性认证 .................................................................................... 40

第六章结论 ................................................................................................................. 43

参考文献 ....................................................................................................................... 44

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................46

致谢……………………………………………………………………………….47

第一章绪论

§1.1 引言

在光纤数据通信网络中，泵浦激光器主要实现两大功能：发射光纤通信所需

谱段的信号，以及在 980nm 和1480nm 的吸收谱段泵浦掺铒光纤放大器(EDFA)。

光传输信号放大对于当今的海底、陆地长距离以及城市光通信网络来说都至关重

要。光通信的飞速发展已经证明 EDFA 是最重要的光放大器，因为 EDFA 通过泵

浦激光器将铒离子泵浦到高能级实现受激发射放大 1.55m信号光，其性能受到泵

浦激光器特性的极大影响。传统的高功率 EDFA 通常在前端使用 980nm 泵浦激光

器进行低噪音预放大，在后端使用 1480nm 泵浦激光器进行功率放大。

高功率单模 980nm 泵浦激光器因具有体积小、效率高、光谱匹配好、重复频

率高等优点成为光纤放大器的核心器件，在光通信系统中得到了广泛应用。近年

来，随着光通信系统越来越关注它的可购买力，EDFA 正向着低成本、低功耗、小

体积的趋势发展[1]。典型的精简光电子器件封装结构的方法是去除热电致冷器

(TEC)。TEC 被用于恒定激光器的工作温度(通常在 25℃)。去除 TEC 的激光器通

常被称之为非致冷泵浦激光器，因为 TEC 是“高功率电能消耗器件”，最大将会消

耗激光器总功率的 80%-90%，因此非致冷激光器消耗较少的功率，同时可以封装

于比蝶形管壳体积少 20%-30%的微型双列直插(Mini-DIL)封装管壳[2]。非致冷激光

器的应用降低了 EDFA 复杂性和成本。至于功耗方面的问题，980nm 泵浦激光器

相比 1480nm 泵浦激光器具有更大的优势：980nm 激光器效率更高，功耗更低，对

它的热量控制更为有效，适合作为非致冷激光器模块。

精确而稳定的泵浦激光器波长对于优化 EDFA 性能至关重要，尤其对于在变

化较大的泵浦条件下保持增益的平坦度。在较大变温环境下，非致冷激光器模块

的出射光谱将会产生漂移，使其偏离铒离子的吸收光谱。于是，光纤布拉格光栅

(FBG)因具有通用性、低成本等特点，成为稳定激光器出射光谱的首选器件[3~4]。

另外，由于非致冷泵浦激光器内部缺少了用于恒温的 TEC，激光器的工作温

度将受封装结构和管壳环境温度的极大影响。随着激光器芯片本身输出功率约每 2

年翻番的快速发展[5]，其芯片的热量累积将变得越来越严重。而激光器有源区温度

直接影响其输出功率，例如，一般的 980nm 激光器芯片，在 70℃工作时的输出功

率比在室温工作时降低近 15%。因此，如何减少激光器热阻，提高激光器输出功

率，并保证激光器的高可靠性，尽可能发挥泵浦激光器芯片的性能成为激光器封

装结构设计的关键[6~7]。

非致冷高功率 980nm 泵浦激光器封装技术研究

§1.2 非致冷高功率 980nm 泵浦激光器封装技术的研究意义

继2004 年出现转折之后，近年来全球光通信市场继续好转，相应地，光纤通

信也在通信技术和信息需求的双重要求推动下，成为最活跃、最具发展前途的产

业，特别是 FTTH 的迅速发展，使得 2005 年光网络硬件市场增长了 17%，城域

WDM 市场增幅也保持在 20%以上。预计到 2025 年，全球通信用光纤、光缆、光

有源器件、光无源器件等发面的市场将达到 7390 亿美元。光纤通信能在如此短的

时间内商用化并在传输上广泛应用，是与光纤放大器(尤其是掺铒光纤放大器)技术

的成熟和成功商用息息相关的。正是由于在光纤的传输过程中，无需受光电复杂

转换的瓶颈约束，光通信得以长足发展。在各种光纤放大器(EDFA、PDFA、RFA

等)中，几乎都需要泵浦源进行泵浦，以获得光增益，泵浦源是光纤放大器中最核

心的部件。

2002~2005 年间，随着通信市场的复苏，泵浦激光器市场经历了 3年的持续稳

步增长。即使在 2006 年半导体激光器市场年销售总额下降的情况下，泵浦激光器

市场年销售额依然增长了 10%，达 11.5 亿美元。另外，随着城域网和接入网的巨

大发展，预计在未来几年内，迫使通信公司安装更多的永久性基础设施，这就有

可能使增长局面持续。另一方面，伴随着泵浦激光器的平均输出功率持续攀升以

及泵浦激光器单价的稳步或缓慢下降，每瓦的价格在不断下降。强劲的增长势头

以及经济化的市场发展方向对泵浦激光器封装结构提出了低成本，低功耗，小尺

寸，高集成度的新要求。而在泵浦激光器成本结构中，其封装成本占到组件总成

本的一半。因此，封装技术不仅影响泵浦激光器模块的可靠性，关系到泵浦激光

器芯片的性能能否充分发挥，而且直接决定了它的可购买力。

本课题的研究重点就是对传统的 980nm 泵浦激光器封装结构进行优化设计，

针对封装设计所涉及的光学、电学、热学和机械等问题，对芯片衬底、热沉、透

镜光纤、光纤布拉格光栅进行了优化设计。采用倒装贴片结构，去除热电冷却器，

通过采用光纤直接耦合的 Mini-DIL 封装工艺，最终封装出非致冷高功率 980nm 泵

浦激光器，以实现对 980nm 泵浦激光器大功率、长寿命、高可靠、小尺寸、标准

化和低成本的要求。

此类封装的非致冷泵浦激光器市场前景十分广阔，一方面可以用于中长距离

光通信干线 DWDM 系统中，另一方面又可应用于日渐发展的城域网和接入网系

统。这两个市场均具有十分巨大的规模。随着 FTTH 需求的日趋明显，加之工业

用固体激光器对其需求的不断增加，小型化非致冷泵浦激光器的市场规模将是难

以想象的。

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I摘要高功率单模980nm泵浦激光器由于其优越的性能已经成为掺铒光纤放大器(EDFA)最优良的泵浦源。随着光通信系统越来越关注它的可购买力，去除热电致冷器(TEC)的非致冷泵浦激光器因具有小尺寸、低成本、低功耗的优势而得到长足发展。非致冷980nm泵浦激光器由于去除了TEC，光电性能将受到其热特性的极大影响。针对980nm泵浦激光器模块的封装结构，设计了倒装贴片型非致冷980nm泵浦激光器，并优化了激光器芯片外延层、热沉、基底、V型槽、透镜光纤和焊料层等封装元件，以改善激光器的热特性、出纤功率、波长稳定性和器件可靠性。基于所设计的倒装贴片型泵浦激光器结构参数和材料特性，利用软件ANSYS10....

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