翟 建 申闖 劉世凱 陳立紅

關(guān)鍵詞：TO56，激光器，焦距，共晶參數(shù)，封裝參數(shù)

0 引言

光通信用半導(dǎo)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(shù)小、工藝簡單、成本低等特點，因此獲得了廣泛的應(yīng)用，是當前國內(nèi)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(fā)射組件（Transmitter Optical Sub-Assembly，TOSA）、光接收組件（Receiver OpticalSub-Assembly，ROSA）和光雙向收發(fā)組件（BidirectionalOptical Sub-Assembly，BOSA）等[1]。

焦距參數(shù)是半導(dǎo)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(xù)光模塊耦合提供距離指引，從而確認光模塊結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)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(chǎn)品焦距值，如圖2所示。LD芯片通電后發(fā)射出的光，經(jīng)管帽透鏡折射后匯聚在一點，此位置也是激光二極管所產(chǎn)生的最大功率位置。

對激光器焦距的測試其實質(zhì)是測高斯光束的束腰位置，在工業(yè)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(chǎn)品的輸出光功率和調(diào)整接收光纖的XYZ三維位置來實現(xiàn)，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(jié)構(gòu)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(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)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(jié)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(jié)刻度對焦距的影響

LD芯片是半導(dǎo)體激光器用來將電信號轉(zhuǎn)換為光信號所用到的芯片，其發(fā)光點位于芯片發(fā)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(fā)光條的垂直高度定義為燒結(jié)刻度，由于LD發(fā)射出的光經(jīng)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(jié)刻度會直接影響封裝后產(chǎn)品的焦距值，如圖4所示，當LD燒結(jié)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(yè)生產(chǎn)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(shù)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(shù)將芯片、熱沉和管座引腳進行連接導(dǎo)通；封帽工序，采用電阻焊或電流焊技術(shù)完成管帽與管座的封裝等。在這些封裝工藝的作業(yè)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(dǎo)致耦合效率降低，從而影響最后的出光焦距[2]。

工業(yè)生產(chǎn)中通常使用同軸度來作為判定封裝后產(chǎn)品同軸偏移程度的參數(shù)，其具體指的是LD芯片發(fā)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(chǎn)品同軸度時，應(yīng)考慮透鏡倍率對測量值的影響。

影響半導(dǎo)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(chǎn)中，為提高產(chǎn)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(yè)過程中LD芯片的定位精度，在生產(chǎn)過程中定期抽檢量測芯片的位置，實時調(diào)整共晶設(shè)備參數(shù)，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(shù)，在生產(chǎn)過程中定期抽檢封帽后產(chǎn)品的同軸度，實時調(diào)整封帽設(shè)備參數(shù)。當發(fā)現(xiàn)電極表面不平整或達到電極最大使用次數(shù)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(dǎo)體激光器同軸封裝結(jié)構(gòu)的核心部件，起到透鏡定位的作用。在光電領(lǐng)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(xué)元件提供了密封可靠的保護，其內(nèi)部填充99%以上濃度的氮氣，杜絕氧氣及水汽等易發(fā)生反應(yīng)的氣體，以增強內(nèi)部元件的使命壽命。其二是管帽中的透鏡會對LD芯片發(fā)射出的光起到折射傳輸作用，半導(dǎo)體激光器同軸封裝參數(shù)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(zhì)、鍍膜等規(guī)格的管帽會對光線傳輸產(chǎn)生不同的影響，從而影響封裝后產(chǎn)品的焦距。

管帽透鏡的焦距、半徑和折射率的關(guān)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(yīng)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(yīng)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(guī)格設(shè)計的管帽。

3 結(jié)語

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