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1、第27卷第4期半导体学报Vol.27No.42006年4月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSApr.,2006垂直腔面发射激光器的TO封装的耦合3效率模拟分析1,•1121刘超王欣袁海庆钟宝祝宁华(1中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室,北京100083)(2香港城市大学电子工程系,香港)摘要:采用FRESNEL光学软件和MATLAB软件,详细分析了垂直腔面发射激光器的TO封装组件对耦合效率的影响.发现增加耦合透镜的折射率、减少管帽的高度和耦合透镜的尺寸可以提高耦合效率.关键词:耦合效率;垂
2、直腔面发射激光器;封装EEACC:4320J;4330中图分类号:TN305194文献标识码:A文章编号:025324177(2006)04207512051引言2VCSEL的TO封装的光学耦合系统垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有许多边发射激光器不具备的优点,比如阈值电流低、光束发散由于VCSEL的出光方向垂直于芯片的外延生角小、可以在片测试等,使其在光纤通信、光互连、并长方向,所以VCSEL的TO封装结构与半导体光行光信息处理等领域具有广阔的应用前景.随着近电探测器的TO封装结构类似.我们设计的TO封年来人们对VCSEL芯
3、片研制的日益关注,发展与装为插拔式结构,其侧向剖面如图1所示.这种封装之相适应的封装设计技术是十分必要的.结构的具体工艺流程为:首先将烧结好芯片的热沉[1]VCSEL芯片的封装形式有塑料封装、TO焊接在管座上;然后采用金丝球焊技术将芯片的电(transistoroutline)封装、陶瓷衬底封装和倒装[2]焊.其中,TO封装曾经是晶体管器件常见的封装形式,后来被广泛应用于光电子器件封装.由于其操作工艺简单、成本低、技术成熟,VCSEL芯片的TO封装日益受到人们的重视.迄今为止,关于边发射激光器TO封装已有很[3～7]多相关报道,
4、由于VCSEL芯片的研发历史比边发射激光器短,有关其TO封装的工作却未见报道,只有文献[8]简单分析了VCSEL与多模光纤直接耦合时的轴向、横向和倾斜角度的容差.VCSEL应用于高速远程光通信时,为了减少模式色散,只能图1VCSEL的插拔式TO封装剖面图用单模光纤而非多模光纤作为光的传输媒质.因此,Fig.1Cross2sectiondiagramofpluggableTO2pack2分析VCSEL的TO封装与单模光纤组成的光学系agedofVCSEL统的耦合效率是十分必要的.本文通过FRESNEL软件结合MATLAB软件,分析
5、了VCSEL的TO封极和相应的管脚连接起来;再用盖帽机将管座用带装的耦合效率随封装元件结构参数的变化.这将对有透镜的管帽密封起来;其后采用激光点焊技术将VCSEL的TO封装的设计和生产提供有益的参考.起到保护作用的环状金属套管焊接在管座上;接着套上调节套管,并在金属套管和调节套管的结合缝3国家自然科学基金国际合作重大资助项目(批准号:00410760)•通信作者.Email:chliu@red.semi.ac.cn2005208227收到,2005211225定稿○c2006中国电子学会752半导体学报第27卷处实施激光点焊;最
6、后通过调整带有单模光纤的陶具有近似圆形对称的光场结构,所以其TO封装的瓷插针的高度,在耦合效率最大的位置,用激光光束耦合透镜可以采用制作工艺相对简单、成本相对低将其和调节套管焊接在一起.由图1可以看出TO廉的球形透镜.封装的光路是由VCSEL芯片、管帽上的耦合透镜我们用于模拟分析的实验样品包括:由德国慕和单模光纤三部分组成.尼黑技术大学肖特基研究所研发设计制备的VC2SEL芯片样品,其远场发散角为20°,输出光功率为3VCSEL的TO封装的光学系统的1mW;模场直径为10μm的单模光纤;两种带有球耦合损耗来源形耦合透镜的管帽,其
7、结构参数如表1所示.我们以这两种管帽为例,分析了当管帽的高度、球透镜的尺根据文献[4]报道,边发射激光器的TO封装的寸和折射率变化时,VCSEL的TO封装耦合效率变耦合损耗主要来自以下五个方面:透镜的像差、激光化趋势.器与单模光纤的模场形状的失配和尺寸的差异、菲表1模拟选用的TO管帽结构参数涅尔反射损耗、透镜表面的不平整产生的波前形变.Table1ParametersrelatedtoTO2capforsimulation对于理想的VCSEL的TO封装光路来讲,激光器管帽编号1#2#透镜材料Bk27Taf23和光纤的模场都可以近
8、似为圆形的高斯光束,所以透镜折射率1.51681.8042由于模场的形状产生的损耗可以忽略;菲涅尔反射透镜直径/mm1.60.8损耗是由于光纤和透镜表面存在菲涅尔反射引起透镜焦距/mm1.170.45[9]的,可以通过镀合适的减反膜来消除;对于质量检管帽高度/m
