[发明专利]内部冷却的、热封闭的模块化激光器封装系统

说明书

相关申请的交叉引用

本发明要求2010年8月25日提交的、且发明名称为“内部冷却的、热封闭的模块化激光器封装系统”的美国临时专利申请No.61/337,059的优先权和利益，并在此引用其作为参考。

背景技术

半导体激光器广泛应用于多种用途。半导体激光器的性能受温度变化的影响。如果周围温度改变，半导体激光器的光学和电学参数也将改变且恶化激光器的性能。为了满足在宽温度范围内操作的应用条件和需要，通常将半导体激光器封装起来且分类成三个主要冷却类型，即非冷却、内部冷却和外部冷却。简单地说，非冷却系统包括激光器芯片和安装在相同外壳内的光学部分，而不具有冷却装置。非冷却系统的一个示例是同轴半导体激光器。外部冷却系统包括安装在激光二极管外壳外上的冷却装置。此外，内部冷却系统包括激光二极管芯片、光学部分和安装在相同外壳内的冷却装置。内部冷却系统的一个示例是金属蝶形激光器。

如公知的，非冷却激光器封装不包含任何有源冷却组件。诸如波长、输出功率、电至光功率转化效率等激光性能的改变或者在应用时被忽视，或者通过电或光反馈来补偿。非冷却激光器封装的一个示例是同轴封装，如图2所示，其中激光器芯片1和监控光电二极管2被安装在晶体管外壳(TO)头3中，且由镜头盖5密封。使用透镜6将激光耦合进光纤9、或光纤短截线中。光纤耦合部分由套管7和塑料管8保护。由于TO头和镜头盖被大量生产用于CD或DVD激光器，因而相对于蝶形封装这种封装成本非常低。然而，激光器芯片温度几乎直接与周围温度变化成比例地变化。

对于要求激光器在可控温度下工作的应用，可以将外部冷却施加到另外的非冷却激光器封装。这种类型的外部冷却激光器模块已经在工业中普通使用或在在先发明中描述，如以Murry等的美国专利公开No.2007/0189677举例，其中同轴激光器封装内部夹设有固定到外部TEC的散热器。外部电路板进一步连接到同轴激光器以适应其它覆盖区。然而，外部冷却激光器封装不像内部冷却封装那样在过热温度下很好地工作。例如，蝶形激光器封装在激光器芯片和周围环境之间能容易地获得50℃的温差，如图1曲线2所示，相比之下，传统外部冷却激光器封装只能获得30℃或更小的温差。这种构造也导致TEC低效率工作，且因而显著地比蝶形激光器封装消耗更多的功率。

典型地，内部冷却激光器封装允许通过自动温度控制补偿环境温度变化来使半导体激光器二极管芯片在固定温度下工作。通常，温度控制是通过内部组件来实现，例如热电冷却器(TEC)和电热调节传感器，其中电热调节传感器在来自外部功率电路的反馈回路下工作。

内部冷却激光器封装的一个示例是通常描述为14-针“蝶形封装”的封装，如图3所示。该模块包括激光二极管1、背部监控光电二极管2和热敏电阻3，其都安装在热导性子基台9上，依次焊接到TEC8的冷却侧。用于改善光学性能的透镜和光学隔离结构7的耦合组件也被焊接到相同的TEC8上以保持与激光器芯片的温度相同。模块内也可以构建用来帮助隔离DC和RF输出到激光二极管的电偏压T和无线电频率阻抗匹配电路。由于如果暴露到湿气的话，激光二极管和监控光电二极管会退化，因此具有全部其内部组件的蝶形封装典型地被密封。因而，整个蝶形封装体由金属和陶瓷材料制成。

发明内容

在本发明中，公开了一种内部激光器模块。内部激光器模块能够提供如同传统内部冷却激光器模块所提供的类似的高性能，且具有提高的成本效率和可制造性。在示例性的内部冷却激光器模块中，如为同轴半导体激光器的激光器子组件安装在热电冷却器(TEC)冷却基板上，其中热电冷却器冷却基部具有几个包含在恰当地设计外壳内的其它组件。技术和设计原理适合于增加内部冷却激光器模块的绝热和光电参数，以便增加或最大化在宽温度动态范围内激光器性能的稳定。

对于安装有包含在外壳内的TEC的激光器，具有两个主要的热源。第一主要热源是由激光器芯片产生的热能，以及第二热源是由周围热源传输到激光器上的热能，例如周围空气。前者直接与激光器偏置电流成比例，而后者与激光器和周围环境之间的温度差成比例，其中温度差是驱动热能传输到激光器上的动力。