СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ И УМЕНЬШЕНИЯ РАСХОДИМОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ВЕРТИКАЛЬНО ИЗЛУЧАЮЩЕГО ЛАЗЕРА Российский патент 2017 года по МПК G02B27/09 G02B27/42 H01S5/183 

Описание изобретения

Изобретение относится к радиоэлектронике. Оно может использоваться тогда, когда требуется изменить направление излучения полупроводникового вертикально излучающего лазера. Кроме того, будет уменьшаться и расходимость этого излучения.

Применение этого изобретения в радиоэлектронике объясняется следующим.

При больших частотах (скоростях передачи) в несколько гигабит в секунду в медных проводниках (дорожках) печатной платы возникают сильные искажения сигналов, как за счет увеличения сопротивления самих проводников, так и из-за резонансных явлений, и выход находят в использовании оптических соединений, когда исходный электрический сигнал при помощи микролазера преобразуют в оптический, затем осуществляют передачу оптического сигнала по волокну (полимерному оптическому волноводу), прием оптического сигнала микрофотодетектором и преобразование оптического сигнала в исходный электрический. Оптический сигнал в этом случае необходимо передать с наименьшими потерями, так как мощность микролазера очень мала, а излучение имеет свойство в значительной степени рассеиваться.

Для передачи оптического сигнала между компонентами электронного модуля используют лазеры и приемники, выполненные в виде соответствующих кристаллов. Особенности технологии получения этих элементов определяют их конструктивные особенности: излучающая и приемная площадки элементов могут быть направлены либо вверх (кристалл монтируется на подложку "лицом вверх"), либо вниз (кристалл монтируется на подложку "лицом вниз"). Поэтому для передачи оптического сигнала в этом случае существует и проблема поворота луча.

Во всех известных решениях с высокими эксплуатационными характеристиками для изменения направления лазерного излучения используются микрозеркала (http://www.lps.umd.edu/AdvancedComputing/AdvancedComputingSystemsIndex.html;

https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-17-26-24250&id=194158;

https://www.osapublishing.org/aop/fulltext.cfm?uri=oe-17-3-1215&id=176047;

https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-13-16-6259&id=85290).

Однако микрозеркала на этапе сборки нуждаются в точной юстировке по трем осям, что является существенной проблемой для серийного производства модулей, содержащих решения с VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser - вертикально излучающий лазер). Кроме того, микрозеркала не решают проблему рассеивания излучения, что негативно сказывается при дальнейшем распространении излучения в волноводе из-за потерь.

В диссертации (Karppinen M. High bit-rate optical interconnects on printed wiring board. Micro-optics and hybrid integration, Edita prima Oy, Helsinki, 2008, p. 71-72) используют зеркала и микролинзы для поворота и уменьшения расходимости лазерного излучения. Однако линзы и зеркала требуют тщательной юстировки, и при серийном производстве это оказывается узким местом.

В диссертации (Takahara H. Optoelectronic Packaging Trends in Japan. Stanford University, US-Asia TMC, May 2003, p. 6) также используют зеркала и микролинзы, которые требуют тщательной установки.

Известно, что использование дифракционных решеток позволяет отклонить пучок лазерных лучей и уменьшить его диаметр (htts://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-21-7-7868&id=251662; http://opto.ee.cuhk.edu.hk/Tsang/research.html). Особенностью применения дифракционной решетки в качестве отражательного оптического элемента является отсутствие жестких требований по ее расположению относительно излучающей площадки. Все это позволяет эффективно использовать дифракционную решетку для изменения направления и уменьшения расходимости излучения полупроводникового вертикально излучающего лазера, когда это требуется, если предполагается серийное производство.

Технический результат изобретения - расширение арсенала способов изменения направления и уменьшения расходимости излучения полупроводникового вертикально излучающего лазера.

Один из вариантов реализации использования дифракционной решетки для изменения направления и уменьшения расходимости излучения полупроводникового вертикально излучающего лазера сводится к следующему (пример иллюстрируется фиг. 1 и 2):

1. Снимают характеристики излучателя типа VCSEL (изготовленного ранее, покупного) путем проведения измерения диаграммы оптического излучения.

2. Создают компьютерную модель излучателя, в которой эти характеристики используют как исходные.

3. Используя модель излучателя, моделируют дифракционную решетку (шаг, материал и геометрию нарезки решетки) таким образом, чтобы обеспечить требуемый поворот излучения и диаграмму его распространения и после соединения с кристаллом излучателя оставить доступными электрические контактные площадки VCSEL или часть их.

4. На основании модели изготавливают кристалл дифракционной решетки 1.

5. Кристаллы излучателя 2 и дифракционной решетки разогревают до температуры 100…140°C.

6. Берут клей (например, Namics DA8483, ЕРО-ТЕК H20S, или КТК-7), также разогревают до температуры 100…140°C и выдерживают 4…6 мин.

7. Кристалл излучателя располагают в рабочем положении (в данном случае излучающей площадкой вверх).

8. На необходимую часть поверхности кристалла VCSEL методом трафаретной печати посредством шприцевания наносят клей, причем толщина слоя клея не должна превышать 7 мкм.

9. С помощью позиционера на кристалл излучателя помещают кристалл дифракционной решетки и производят склеивание соответствующих поверхностей с допуском по обеим координатам ±2…4 мкм. При этом прикладывают усилие монтажа в пределах 1…3 кгс в течение 0,5 с.

10. Сборку помещают в сушильную камеру на 120 мин для отверждения клея при температуре 170…180°C.

Способ изменения направления и уменьшения расходимости излучения полупроводникового вертикально излучающего лазера включает в себя измерение диаграммы направленности VCSEL. Используют модель излучения для моделирования дифракционной решетки таким образом, чтобы обеспечить требуемый поворот излучения и диаграмму его распространения. На основании модели изготавливают дифракционную решетку. Разогревают дифракционную решетку и кристалл излучателя. На кристалл излучателя помещают дифракционную решетку и производят их склеивание. Технический результат изобретения - расширение арсенала способов изменения направления и уменьшения расходимости излучения полупроводникового вертикально излучающего лазера. 2 ил.

Способ изменения направления и уменьшения расходимости излучения полупроводникового вертикально излучающего лазера, заключающийся в том, что для его реализации снимают характеристики излучателя типа VCSEL путем проведения измерения диаграммы оптического излучения, создают компьютерную модель излучателя, в которой эти характеристики используют как исходные, используя модель излучателя, моделируют дифракционную решетку таким образом, чтобы обеспечить требуемый поворот излучения и диаграмму его распространения и после соединения с кристаллом излучателя оставить доступными электрические контактные площадки VCSEL или часть их; на основании модели изготавливают кристалл дифракционной решетки, кристаллы излучателя и дифракционной решетки разогревают до температуры 100…140°C, берут клей (например, Namics DA8483, ЕРО-ТЕК H20S, или КТК-7), также разогревают до температуры 100…140°C и выдерживают 4…6 мин; кристалл излучателя располагают в рабочем положении, на необходимую часть поверхности кристалла VCSEL методом трафаретной печати посредством шприцевания наносят клей, причем толщина слоя клея не должна превышать 7 мкм, с помощью позиционера на кристалл излучателя помещают кристалл дифракционной решетки и производят склеивание соответствующих поверхностей с допуском по обеим координатам ±2…4 мкм с усилием монтажа в пределах 1…3 кгс в течение 0,5 с, наконец, сборку помещают в сушильную камеру на 120 мин для отверждения клея при температуре 170…180°C.