[发明专利]大功率半导体激光器包装件及其包装方法

说明书

本发明涉及一种大功率半导体激光器包装件及包装方法。

维持激光器的稳定性和延长激光器寿命需要控制激光器操作环境，尤其是温度、湿度和气氛，该气氛对半导体激光材料相对呈惰性。已有技术告诉我们，不含氧气的气氛可以延长激光器寿命。同样优选的是干燥气体，以防止与激光材料反应并且保护与激光操作有关的微型电路的完整性。进一步的有关适当的微型电路包装的论述，可以参见“Considerations in the Hermetic Packaging ofHybrid Microcircuits”，Byrnes等人，Solid StateTechnology，1984。例如，干氮气和微量氦气组成的气氛提供了一种令人满意的激光器工作环境。术语“干燥”，在本文中，通常指气体介质的水含量小于约5000ppm。然而，因为半导体激光器面功率已增大至50mW或更高，所以这些通常公认的有关激光器稳定、长期工作的策略已显不够。对于一个面大小为约2微米×1微米的激光器而言，50mW的输出功率转换成面平均功率密度时，达到1×10⁶W/cm²数量级。当大功率激光器在干的氦气/氮气气氛中工作时，激光器的端面，它基本划定了产生激光的腔的界限，会发生反射率的变化，甚至会被毁坏。会污染容器的材料包括在生产大功率半导体激光设备中使用的焊料，油，环氧树脂和清洁剂等，它们导致了端面涂层表面的颗粒性污染和导体污染，并且在上面产生杂质沉积。这样的沉积会改变面反射率，降低发射功率，和增加面吸收，从而导致面过热并最终造成激光器失效。因此，对于那些需要大功率并且要保证激光器稳定性和长寿命的激光应用场合，需要新的策略。

本发明的目的在于，通过提供一种对激光材料呈保护性的环境而实现了大功率半导体激光器稳定、长期和连续的工作。即，本发明提供了一种大功率半导体激光器包装件(或称“包装的大功率半导体激光器”)及其包装方法。“大功率半导体激光器”指前面功率至少为50mW的半导体激光器。因为激光器的前面非常小，因此，大功率的另一等价定义可以表述为前面功率密度为1×10⁶W/cm²或更高的载量级。

根据本发明的基本方面，大功率半导体激光器包装件包括激光器和任选的吸气剂，它们由充有氧气浓度至少为100ppm的气体介质的密封容器包围。

本发明的其它有利的方面以及进步之处皆由此体现。令人惊奇的是，在容器的气体介质中掺入氧气大大降低了由密封时存在于容器内的残留有机杂质所引起的激光器端面的受损可能性。尽管这样的气氛已大大延长了大功率半导体激光器的使用寿命，但是将含氧气氛和能吸附或吸收(捕获)有机材料的吸气剂结合起来还可进一步延长。这种寿命延长对于远程通讯领域中使用的大功率半导体激光器尤为重要，在这些场合需要10年或更长的期望使用寿命。氧气可以大体上将沉积物从激光器端面结构上去除，或者在杂质沉积于面结构之前与杂质反应从而防止在端面上形成沉积，因而避免了对激光器端面结构的破坏。因为水对微型电路有不利影响，所以非常低的水含量，低于1000ppm是优选的。

使用氢含量低的材料，如金属，来制作激光器的容器壁很有好处，可以尽量避免容器壁所释放的氢与为了控制杂质而包含于容器中的氧互相反应而形成水。一种优选的达到所需的低氢含量的方法是，在装配完整的容器之前，在较高温度下，如约150℃，焙烧容器材料一段较长时间，如约200小时。

图1是半导体激光器的分解示意图。

图2和3是包装在干的惰性环境中的半导体激光器与包装在空气中的激光器相比，两者的背面功率与时间的关系。

图4是安装于容器中的激光装置的侧视剖面图。

图1显示了本领域熟练技术人员所熟悉的半导体激光器的结构。激光器本体3的前面10和背面12是大致上互相平行的解理面。这些面由钝化层保护。钝化层可以是硅层。钝化层用来保护激光器端面免受污染和腐蚀。钝化层还保护激光器端面免受氧化。前面镜9为一厚度约为1/4激光波长的涂层。背面镜7由相邻的若干反射材料层组成，其中相邻的层通常由不同材料构成。构成镜7的层的数目、组成和厚度都经选择，以得到前面与背面输出功率的预定的比率。典型的前面与背面功率比为约40∶1。

图1所示的普通类型的半导体激光器失效的一种可能机理如下：