Типы корпусов для лазерных диодов
Поскольку материал, из которого обычно производятся чипы лазерных диодов (например, арсенид галлия), очень хрупкий, для каждого лазерного диода (ЛД) требуется хороший, подходящий под режим работы корпус, который смог бы обеспечить защиту от механических и термических воздействий. Все корпуса ЛД предотвращают попадание пыли или других загрязнений внутрь себя, т.к. дым, пыль или масло могут привести к немедленному или необратимому повреждению лазера. Также по мере развития технологий появление мощных ЛД требует всё более сложной конструкции корпуса, чтобы эффективно отводить тепло, образующееся при работе лазерного чипа и рассеиваемое через монтажные плиты и радиаторы.
Обычно лазерный чип монтируется на площадку из материала с аналогичным КТР (коэффициентом теплового расширения, англ. "CTE"), который соответствует КТР матрицы. Подложка служит распределителем тепла, которая затем монтируется на ТЭО (термоэлектрический охладитель, англ. "TEC") для быстрой и эффективной передачи тепла. Затем вся сборка монтируется на радиатор из чистой меди или сплава меди и вольфрама для наилучшего отвода тепла (рис. 1).
Рисунок 1 – Интеграция сабмаунта в корпус лазера.
Мощные ЛД преобразуют электрическую энергию в свет с эффективностью около 10–50%. Остальная часть конвертируется в тепло и должно рассеиваться в течение короткого промежутка времени, иначе нагрев вызовет термическую нагрузку на материал чипа ЛД и, в конечном итоге, приведёт к его выходу из строя. Помимо этого, известно, что температура напрямую влияет на ширину запрещенной зоны полупроводника и выходную длину волны, что на практике даёт дрейф центральной длины волны примерно на ±1 нм при изменении температуры три градуса Цельсия. Также выходная мощность лазера зависит от температуры и будет уменьшаться при её повышении.
Чтобы эффективно рассеивать тепло, традиционно припаивают лазерный чип к радиатору, который сделан из меди из-за ее высокой теплопроводности, ответственной за скорость передачи тепловой энергии. Обычно для соединения радиатора с ЛД на основе арсенида галлия (GaAs) используется мягкий индиевый припой, поскольку КТР меди недостаточно хорошо соответствует КТР GaAs. Индий обладает более высокой пластичностью, чем медь, обеспечивает большую надежность для работы лазера в CW-режиме (см. приложение п.1) и QCW-режиме (см. приложение п.2).
Однако цикличное включение/выключение лазера, а также работа в импульсном режиме может вызвать переменное механическое напряжение, что приводит к растрескиванию материала индия или его смещению, что в дальнейшем приводит к выходу из строя всего устройства. Обычно маломощные лазеры могут прослужить дольше, прежде чем выйдут из строя, так как мощные ЛД часто сталкиваются с такими проблемами и выходят из строя намного быстрее, поскольку у них гораздо большая контактная поверхность между кристаллом и радиатором. Тепловое расширение радиаторов всегда является серьёзной проблемой.
Благодаря всё более совершенным технологиям многие компании, занимающиеся исследованиями и разработками в области лазеров, разработали более сложные диодные лазерные массивы высокой мощности и с более высокой производительностью, подходящие как для работы в CW, так и в QCW режимах. В обоих режимах различными компаниями была продемонстрирована мощность, превышающая 900 Вт. Тем не менее, принцип монтажа этих лазерных чипов по-прежнему не сильно изменился с точки зрения теплопроводности, сопротивления, расширения и т.д. В то время как более теплопроводная медная опора радиатора предлагает экономичное решение, несоответствие КТР лазерных материалов остается проблемой, и проблема усугубляется по мере того, как устройства начинают выделять всё больше тепла работая при всё больших мощностях. Причина этого заключается в свойствах меди как материала, которая имеет тенденцию к расширению при повышении температуры, вызывая излишнюю механическую нагрузку. Радиатор из чистой меди при высоких мощностях не может обеспечить соблюдение допусков по тепловому расширению.
С другой стороны, вольфрамовая медь обеспечивает гораздо более низкую степень теплового расширения по сравнению с чистой медью, сохраняя при этом необходимый коэффициент теплопроводности. Вольфрамовая медь представляет собой сплав меди и вольфрама, который обычно состоит из меди на 10–50% по весу, а оставшаяся часть состоит из вольфрама. Чем выше содержание вольфрама, тем ниже КТР. Медно-вольфрамовый радиатор с припоем из золота и олова является методом, который обеспечивает хорошую теплопроводность и тепловое расширение.
Ниже показаны графики зависимости относительной мощности и срока службы лазеров на разных основах (рис. 2). Как видно, вольфрамовая медь значительно увеличила срок службы кристалла лазерного кристалла во время работы.
Рисунок 2 – Срок службы относительно мал при работе ЛД в QCW-режиме (слева), в то время как срок службы значительно больше при использовании улучшенной подложки из CuW (справа).
Текущая тенденция к увеличению размера кристалла и, соответственно, увеличению требований к рассеиваемой мощности сделала CuW идеальным материалом для корпусов ЛД. Кроме того, традиционный радиатор CuW обеспечивает теплопроводность от 180 до 230 Вт/мК с КТР от 6.5 до 9 ppm/C°, который соответствует кристаллу ЛД. А благодаря последним достижениям техники, теплопроводность медно-вольфрамового сплава может быть увеличена примерно до 320 Вт/мК. Все эти решения по управлению тепловым режимом могут быть реализованы с использованием вольфрамовой меди.
Технологии мощных ЛД быстро развивались в последние годы, однако технология корпусирования по-прежнему остаётся слабым местом и является одним из тормозов развития области мощных полупроводниковых лазеров.
1. Корпус типа C-mount
Используется для лазеров и лазерных систем, лазерных измерений и контроля, прецизионной оптики. Количество контактов до 6 или 8. Типичная длина волны составляет от 680 до 980 нм с номинальной выходной мощностью до 7 Вт.
Рисунок 3 – Элементы корпуса типа C-mount.
Лазерный диод припаян непосредственно к медно-вольфрамовому радиатору, который играет роль P-контакта, а другая сторона резонатора диода соединена проволокой с металлическим контактом, который является катодом и играет роль N-контакта (рис. 3). Отверстие в середине используется для монтажа.
Как правило, ТО-корпуса имеют количество контактов от 2 до 12 контактов. Материал основания – холоднокатаная сталь (англ. "CRS") или CuW.
Рисунок 4 – Устройство корпуса типа ТО с фотодиодом обратной связи и free-space выводом.
Корпуса типа ТО очень распространены как в лазерной технике, так и в электронике. В зависимости от типа, корпуса могут иметь разный полезный объём, и, соответственно, могут содержать только чип лазерного диода, так и чип с ТЭО, фотодиодом обратной связи, усилителями (в случае с фотодиодами) и различной управляющей электроникой (рис. 4).
Рисунок 5 – Внешний вид лазерного диода в корпусе типа ТО волоконным выводом.
Такие корпуса могут быть оснащены различных типов вводами/выводами: с плоским полированным окном с покрытиями и без, с различных форм линзами, а также с оптическими волокнами (рис. 5). Всё это обуславливает большую гибкость таких корпусов при использовании в качестве компонента более масштабных систем, а также его дешевизну в тривиальных случаях.
Корпуса типа «Butterfly» являются одним из самых стандартных форматов корпусировки лазерных диодов. Они нашли широчайшее применение в оптических телекоммуникационных и научно-исследовательских применениях. На рис. 6 показан типичный 14-контактный корпус типа 14-pin Butterfly, в котором лазерный чип установлен на сабмаунте из нитрида алюминия (AlN). Подставка из AlN монтируется на ТЭО, который крепится к опорной плите, изготовленной из CuW, Ковара или CuMo.
Рисунок 6 – Элементы корпуса 14-pin BTF (слева) и положение оптических компонентов на сабмаунте (справа).
В зависимости от применения ЛД, корпуса типа 14-pin BTF могут иметь разную распиновку. Также существуют различные варианты по набору внутренних компонентов, которые влияют на значения выводов. Стандартно ЛД в таких корпусах подразделяют на «Тип 1» и «Тип 2». Корпусировка под первым типом применяется для лазерных диодов, предназначенных для накачки легированных оптических волокон, а ЛД в корпусах 14-pin BTF Type 2 – для применений в области телекоммуникаций (рис. 7).
Рисунок 7 – Стандартные распиновки лазерных диодов в корпусе типа 14-pin BTF.
Однако также встречаются и разновидности данного корпуса с меньшим количеством пинов (например, 10-pin BTF, рис. 8), а также c коннектором для РЧ-сигнала (рис. 9). Применение таких корпусов обуславливается требованиями компактности конкретного приложения. Так, например, корпус 7-pin BTF + SMA.
Рисунок 8 – Внешний вид корпуса 10-pin BTF.
Рисунок 9 – Внешний вид корпуса 7-pin с РЧ-коннектором типа SMA.
Данный тип корпусов перспективен для телекоммуникационных приложений и обычно имеет от 6 до 8 контактов. Основа может быть разной: CuW, холоднокатаная сталь (англ. "CRS") или Alumina (оксид алюминия). Внешний вид и внутреннее устройство корпуса mini-DIL приведены на рис. 10.
Рисунок 10 – Внешний вид корпуса mini-DIL (слева) и его внутреннее устройство (справа).
Высокая компактность обуславливает применение таких диодов в телекоммуникационных узлах в качестве источника накачки легированных волокон, однако малое количество контактов и ограниченный внутренний объём корпуса налагает ограничения на возможную «начинку» в таких ЛД. Такие диоды производятся, как правило, без ТЭО, что или ограничивает максимальную рабочую оптическую мощность таких ЛД, или приводит к необходимости использования эффективного внешнего радиатора и системы охлаждения.
5. Корпус TOSA
Корпуса типа TOSA/ROSA в основном предназначены для использования с приёмопередатчиками для целей передачи данных в телекоммуникациях. На рис. 11 показан примерный внешний вид корпуса TOSA/ROSA, геометрия которого в зависимости от применения может варьироваться.
Рисунок 11 – Внешний вид корпуса типа TOSA/ROSA.
В качестве вывода могут устанавливаться различные сокеты, совместимые со стандартными волоконно-оптическими коннекторами типа LC и имеющие интегрированный оптический изолятор для поглощения обратных отражений света.
6. Корпус HHL
Корпуса типа HHL (High Heat Load) это самые большие из доступных стандартных корпусов ЛД. Они предназначены для мощных лазеров и обычно имеют 9 контактов (рис. 12). Материал основы может быть различным: ковар, CuW или CuMo.
Рисунок 12 – Внешний вид одной из разновидностей корпуса HHL с оптическим выводом типа free-space.
В зависимости от требуемой конфигурации сильно разнится набор содержащихся внутри корпуса компонентов, а также расположение оптического вывода. Он может быть как типа free-space (рис. 12), так и оконцован оптическим волокно (как правило, многомодовым). Иногда на вывод помещают интегрированный в корпус оптический коннектор, с которым стыкуется волоконно-оптический пигтейл. Такой способ вывода света активно используется в случае с УФ-лазерами, т.к. в таких устройствах происходит быстрая деградация оптического волокна и требуется периодическая замена пигтейла.
7. Субмодули лазерных массивов Golden/Silver Bullet (корпус ASM)
Обычно такие устройства применяются при оптической накачке твердотельного лазера. Основание корпусов (рис. 13) обычно состоит из керамических охладителей, а торцевые блоки с обеих сторон сделаны из CuW для тепло- и электропроводности.
Типичные длины волн для ЛД с таким корпусом:
- 803–808 нм, 880 нм, 885 нм, 940 нм (корпус Golden Bullet)
- 800–1550 нм (корпус Silver Bullet)
Выходная мощность диодов находится в диапазоне 20-40 Вт (CW-режим) и 50-300 Вт (QCW-режим).
Рисунок 13 – Слева изображён корпус Golden Bullet, справа — Silver Bullet.
Эти массивы ЛД основаны на двух основных типах технологий: твёрдом припое (Golden Bullets) и мягком припое (Silver Bullets). Golden Bullets изготавливаются с использованием золото-оловянного припоя и радиаторов с таким же КТР, как у линейки ЛД. В результате массивы, изготовленные из Golden Bullets, чрезвычайно устойчивы к ползучести припоя и другим режимам отказа, возникающим в результате теплового расширения и сжатия массива.
Silver Bullets же являются отличным недорогим вариантом для многих массивов лазерных диодов и построены с использованием медных радиаторов и индиевого припоя. Обычно при правильных условиях эксплуатации массивы в корпусе Silver Bullets обеспечивают более 40000 часов (~4.5 лет) непрерывной работы.
Как правило корпуса типа Golden Bullets требуются для приложений, включающих большое количество тепловых циклов. В этих приложениях наблюдается значительное тепловое расширение и сжатие массивов лазерных диодов. Чтобы сохранить физическую целостность корпуса, требуются такие методы изготовления, как твёрдая пайка и формирование теплоотводов с согласованным КТР. Также было показано, что корпуса Golden Bullets имеют более длительный срок службы в приложениях, требующих высоких уровней мощности, чем Silver Bullets.
Такие корпуса имеют специальное кондуктивное охлаждением для отвода излишнего тепла от линейки ЛД и используются в мощных лазерных системах. Типичная длина волны диодов в таких корпусах: 806, 880, 885 или 940 нм. Выходная оптическая мощность варьируется в пределах 20-40 Вт для CW-режима и в пределах 100-1600 Вт для QCW-режима.
Рисунок 14 – Типичная схема слоев материалов в CCP.
Рисунок 15 – Схема крепления CS-mount.
Выше показан пример (рис. 15) приклеивания лазерного диода к креплению типа CS; между кристаллом и радиатором располагается КТЕ-согласованный сабмаунт, который играет роль буферного слоя. Линейка диодов соединена с подставкой CuW с помощью золото-оловянного припоя, который установлен на медном радиаторе, играющем роль стороны P. Сторона N соединена проводом со стороной P. Типичная выходная мощность составляет 60-300 Вт в режимах CW/QCW, что делает такой тип подходящим для твердотельной накачки, обработки материалов, медицины, репрографии и освещения.
За счёт высокой выходной мощности диоды в такой топологии подходят для таких применений как, военное, дальнометрия, различный сенсинг медицина. Типичные длины волн: 808, 880, 885 и 940 нм, а выходные мощности в районе 20 Вт (для CW) и 100-5200 Вт (для QCW).
На рис. 16 представлена архитектура массива вертикальных диодных лазеров. Каждая диодная линейка припаяна к подставке CuW припоем AuSn на стороне P. Сторона N соединена индиевым припоем.
Рисунок 16 – Архитектура полосного вертикального массива.
Для изготовления сабмаунта применяется композит CuW, так как он имеет идеальные показатели теплового расширения, которые соответствуют материалу лазерного диода (GaAs). Слой оксида бериллия (BeO) обеспечивает быстрый отвод тепла на медный радиатор, сохраняя при этом электрическую изоляцию между диодом и радиатором.
10. Микроканальный охлаждаемый блок (MCCP)
Применение таких корпусов (рис. 17) обуславливается высокими выходными мощностями, достигаемыми диодами в таких топологиях. Они могут использоваться в лазерной накачке, дальнометрии или медицинских применениях. Типичная длина волны диодов в таких корпусах: 806-808, 880 и 980 нм. Выходная мощность в среднем от 100 до 900 Вт.
Рисунок 17 – Внешний вид сборки MCCP.
Благодаря превосходной тепло- и электропроводности подставки CuW и близкому соответствию КТР с материалом кристалла GaAs, корпус MCCP позволяет складывать несколько мощных лазерных диодов в матрицу с использованием припоя золото/олово, а затем подсборка охлаждается водой через каналы охлаждения, как показано ниже (рис. 18).
Рисунок 18 – Схема водяного охлаждения в корусах типа MCCP.
Заключение
В последнее время CuW используется во многих местах в корпусах лазеров, особенно в подставках для кристаллов и радиаторах. Другие методы соединения медно-вольфрамового сплава с другими металлами, такими как ковар, для формирования миниатюрных радиаторов, поднесущих или сборочных узлов подходят для приложений, требующих облегченной конструкции. По мере появления более мощных лазерных диодов требования к установке диодного лазера возрастают. В связи с современной технологической тенденцией разработки диодных лазеров большей мощности монтажная подложка или радиатор оказывают значительное влияние на производительность диодной лазерной системы. Материалы, которые использовались ранее, в настоящее время не могут удовлетворить требованиям терморегулирования диодных лазеров. К счастью, вольфрамовая медь обеспечивает высокую надежность для защиты электронного материала снаружи.
Приложение
1. CW (Continuous Wave) – режим непрерывной работы лазера. Излучение может происходить в одной моде резонатора или в нескольких модах.
2. QCW (Quasi Continuous Wave) – режим квазинепрерывной генерации излучения. В CW режиме некоторые лазеры демонстрируют слишком сильный нагрев усиливающей среды. Его можно уменьшить за счёт QCW режима, когда мощность накачки включается только на ограниченные промежутки времени. Эти промежутки достаточно короткие для значительного снижения тепловых эффектов, но всё же достаточно длительные, чтобы лазерный процесс был близок к стационарному, т.е. оптически лазер находится в состоянии непрерывной работы. Рабочий цикл (процент времени «включенного состояния») может составлять, например, несколько процентов, что значительно снижает нагрев и все связанные с ним тепловые эффекты, такие как тепловые линзы и повреждения из-за перегрева. QCW режим позволяет работать с более высокой выходной пиковой мощностью за счёт более низкой средней мощности.
Импульсный режим со значительно более коротким временем накачки, при котором оптический устойчивый режим не достигается, называется переключением усиления (gain switching).
QCW обычно работает на более высокой частоте кГц (импульс нс-мс) по сравнению с импульсным Гц. В основном QCW используется для продления срока службы батареи или уменьшения нагрева. QCW и импульсный режим обычно реализуются путем добавления драйвера лазерного диода для управления входом для различных приложений.
