СПОСОБ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ДИОДНОГО МОДУЛЯ Российский патент 2025 года по МПК G02B27/09 H01S5/40 

Область техники

Изобретение относится к диодным лазерам, в которых излучение с нескольких чипов на сабмаунте заводится в многомодовое оптическое волокно. В изобретении предложена конструкция диодного модуля, которая позволяет осуществлять замену поврежденных чипов на сабмаунте без повреждения остальных чипов на сабмаунте, установленных в модуле. Это может быть востребованным для сборки диодных модулей с высоким значением яркости выходного излучения, так как такие диодные модули буду содержать большое количество чипов на сабмаунте, что, соответственно, повышает вероятность выхода из строя хотя бы одного чипа на сабмаунте во время производства модуля либо во время его эксплуатации. Также в изобретении предложен способ компенсации уменьшения эффективности ввода излучения в оптическое волокно из-за искривления диодного модуля из-за установки крышки.

Интегральная микросхема (ИС, ИМС) - микроэлектронное устройство, представляющее собой электронную схему произвольной сложности.

Сабмаунт - буферная деталь для обеспечения теплоотвода от интегральной микросхемы и упрощения возможности интеграции микросхемы в устройство.

Быстрая ось лазера - это направление, перпендикулярное направлению распространения излучения, в котором наблюдается наиболее быстрое расхождение излучения.

Медленная ось лазера - это направление, перпендикулярное направлению распространения излучения, в котором наблюдается наиболее медленное расхождение излучения.

Уровень техники

Диодные модули, пигтелированные многомодовым оптическим волокном, широко используются для обработки материалов, в медицине и для накачки мощных лазеров. Для создания все более мощных лазеров появляется требование ко все большей яркости диодных модулей, что означает использование в одном диодном модуле большого количества лазерных чипов (диодов), излучение которых заводится в оптическое волокно. Для использования в диодных модулях, как правило, лазерный чип сначала устанавливается на сабмаунт и уже потом эта сборка - чип на сабмаунте - впаивается в диодный модуль. Для заведения излучения со множества чипов в оптическое волокно излучение с чипа сначала коллимируется по быстрой оси с помощью первой линзы (FAC), затем коллимируется по медленной оси с помощью второй линзы (SAC), затем с помощью зеркала направляется на объектив, где происходит фокусировка излучения в торец волокна по медленной и быстрой осям, как правило, с помощью двух линз - FAOL, SAOL. При этом чипы располагаются на разных высотах так, чтобы излучения от чипов образовывали единый пучок, состоящий из коллимированных пучков чипов, расположенных на разных высотах. Использование большого количества чипов на сабмаунте в одном диодном модуле создает проблему ремонта таких модулей, т.к. чем больше чипов, тем больше вероятность того, что во время производства или эксплуатации будет поврежден хотя бы один чип на сабмаунте, что приведет к тому, что весь диодный модуль уже не будет соответствовать заявленным требованиям по выходной мощности и становится бракованным. Отпаять один чип на сабмаунте, не перегревая остальные чипы, припаянные к модулю, может быть довольно сложным, так как корпус модуля исполняется из материала с высокой теплопроводностью (как правило меди) для осуществления хорошего теплоотвода от чипов во время работы. Перегрев чипов на сабмаунте или их повторная пайка может приводить к их деградации, ухудшению качества теплового контакта с корпусом, что приведет к уменьшению времени их жизни при работе в модуле. В данном изобретении предлагается конструкция диодного модуля и порядок сборки диодного модуля, которые позволяют провести замену поврежденных чипов на сабмаунте, не вызывая деградацию остальных чипов, что может быть особенно актуально для конструкций диодных модулей, в которых достигаются высокие значения яркости излучения и, соответственно, используется большое число чипов. Также одной из проблем производства таких диодных модулей является их надежная герметизация. Для ее достижения крышка модуля как правило приваривается к корпусу модуля либо прикручивается на винты с нанесением слоя герметика. В обоих случаях после установки крышки в модуле создаются напряжения, которые могут приводить к искривлению модуля и уменьшению процента заводимой в оптическое волокно мощности. В данном изобретении предлагается способ компенсации падения эффективности ввода излучения в оптическое волокно из-за этих напряжений.

Раскрытие сущности изобретения

Задача изобретения заключается в увеличении ремонтопригодности лазерного диодного модуля.

Технический результат заключается в возможности замены неисправных интегральных микросхем на сабмаунте, без нарушения работы остальных интегральных микросхем модуля и без ухудшения теплового контакта остальных интегральных микросхем на сабмаунте. Дополнительно технический результат заключается в компенсации падения эффективности ввода излучения в оптическое волокно при установке на него крышки, а также в увеличение эффективности заведения излучения в оптическое волокно диодного модуля при герметичном соединении крышки модуля с корпусом.

Способ создания лазерного диодного модуля, характеризующийся тем, что на сабмаунте устанавливают на интегральную микросхему линзу, выполненную с возможностью коллимирования лазерного пучка по быстрой оси. На сабмаунте впаивают на оптическую плату интегральные микросхемы с установленной линзой. Далее на оптическую плату устанавливают линзы, выполненные с возможностью коллимирования лазерного пучка по медленной оси.

На плату объектива устанавливают оптическое волокно и линзы, выполненные с возможностью фокусирования излучения по быстрой и медленной оси в волокно. Оптические платы и плату объектива впаивают в корпус лазерного диодного модуля, пайку проводят при температуре меньше, чем температура плавления припоя, использованного для припайки интегральных микросхем на сабмаунте к оптическим платам. Интегральные микросхемы соединяют между собой электрическим контактом.

На оптические платы устанавливают зеркала, угол которых подбирают с возможностью увеличения заведенной оптической мощности в оптическое волокно. Углы установки зеркал имеют определенные смещения от оптимального положения, выполненные с возможностью компенсации ухудшения ввода оптической мощности в волокно, вызванное этим искривлением модуля при установке на него крышки. Далее лазерный диодный модуль герметизируют и устанавливают на него крышку.

Температура плавления припоя, использующегося для установки интегральной микросхемы на сабмаунте на оптическую плату - 180°С. Температура припоя для установки оптических плат в корпус - 135°С. Сверху максимальная температура ограничена температурой припайки интегральной микросхемы к сабмаунту (около 260°С Снизу минимальная температура ограничена температурой хранения изделия (около 100°С), чтобы не было размягчения припоя и, следовательно, разъюстировки модуля.

Разные стороны сабмаунта разваривают тонкой проводящей проволокой, например, из золота, например, с помощью ультразвуковой сварки.

Угол падения излучения на зеркала около 42-48 градусов. Из-за искривления модуля будет меняться угол падения каждого из пучков интегральной микросхемы на линзы объектива. Из-за этого пучок будет фокусироваться в другом месте, чем до искривления, что будет приводить к дополнительным потерям на ввод излучения. Смещением угла поворота зеркала можно заранее направить пучок от интегральной микросхемы под углом так, чтобы при установке крышки он попадал оптимальным образом.

Опционально, при сборке платы объектива к торцу волокна одной стороной подваривают кварцевый блок, другая сторона которого имеет площадь поверхности больше, чем площадь поверхности торца волокна. За счет этого уменьшают плотность излучения на поверхности, куда вводится излучение и которое имеет просветляющее покрытие. Таким образом заметно уменьшаются требования к порогу разрушения покрытия, что может быть важным для диодных модулей с большой яркостью излучения.

Также же опционально в такой модуль устанавливают объемную брегговскую решетку перед линзами объектива так, чтобы часть излучения в узком спектральном диапазоне от лазерных чипов отражалась от решетки обратно в чип, осуществляя таким образом генерацию излучения лазерным чипом на длине волны отражения решетки. Таким образом с диодного модуля получают излучение в более узком спектральном диапазоне, и при этом спектр излучения становится значительно менее чувствителен к изменению температуры лазерных чипов.

Осуществление изобретения

В случае повреждения одной из интегральных микросхем на сабмаунте, плата выпаивается из лазерного диодного модуля, а также из модуля удаляются все установленные зеркала. В модуль устанавливается новая оптическая плата с новыми компонентами. После этого все зеркала модуля устанавливаются заново.

Аналогично меняется плата объектива, в случае повреждения любого из компонентов на ней. За счет использования для установки оптических плат и плат объектива более низкотемпературного процесса пайки, чем температура плавления припоя, использованного для установки интегральной микросхемы на сабмаунте, при замене поврежденной оптической платы или платы объектива не происходит перегрева чипов на сабмаунте и не возникает необходимости в переюстировке FAC и SAC линз, установленных на соседние оптические платы.

При помощи предложенного технического решения достигается высокая ремонтопригодность диодного модуля. Также за счет наличия смещения углов установки зеркал относительно оптимального значения достигается увеличение эффективности заведения излучения в оптическое волокно диодного модуля при герметичном соединении крышки модуля с корпусом.

Изобретение относится к диодным лазерам, в которых излучение с нескольких чипов заводится в оптическое волокно. Способ создания лазерного диодного модуля характеризуется тем, что на сабмаунте устанавливают на интегральную микросхему линзу, коллимирующую лазерный пучок по быстрой оси. На сабмаунте впаивают на оптическую плату интегральные микросхемы с линзой. На оптическую плату устанавливают линзы, коллимирующие лазерный пучок по медленной оси. На плату объектива устанавливают оптическое волокно и линзы, фокусирующие излучения по быстрой и медленной оси в волокно. Платы впаивают в корпус лазерного диодного модуля при температуре меньше, чем температура плавления припоя для припайки интегральных микросхем на сабмаунте к оптическим платам. Микросхемы соединяют между собой электрическим контактом. На оптические платы устанавливают зеркала, угол которых подбирают с возможностью увеличения заведенной оптической мощности в оптическое волокно. Углы установки зеркал смещают от оптимального положения так, чтобы компенсировать ухудшения ввода оптической мощности в волокно, вызванное искривлением модуля при установке на него крышки. Модуль герметизируют и устанавливают крышку. Технический результат - возможность замены неисправных элементов без ухудшения теплового контакта интегральных микросхем. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ создания лазерного диодного модуля, характеризующийся тем, что на сабмаунте устанавливают на интегральную микросхему линзу, выполненную с возможностью коллимирования лазерного пучка по быстрой оси, на сабмаунте впаивают на оптическую плату интегральные микросхемы с установленной линзой, на оптическую плату устанавливают линзы, выполненные с возможностью коллимирования лазерного пучка по медленной оси, на плату объектива устанавливают оптическое волокно и линзы, выполненные с возможностью фокусирования излучения по быстрой и медленной оси в волокно, к торцу волокна, в которое заводят излучение, оптические платы и плату объектива впаивают в корпус лазерного диодного модуля, пайку проводят при температуре меньше, чем температура плавления припоя, использованного для припайки интегральных микросхем на сабмаунте к оптическим платам, интегральные микросхемы соединяют между собой электрическим контактом, на оптические платы устанавливают зеркала, угол которых подбирают с возможностью увеличения заведенной оптической мощности в оптическое волокно, углы установки зеркал имеют определенные смещения от оптимального положения, лазерный диодный модуль герметизируют и устанавливают на него крышку.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что к торцу волокна, в которое заводится излучение, одной из сторон приваривают кварцевый блок, на другую сторону которого наносят просветляющее покрытие, сторона с покрытием имеет площадь поверхности больше, чем площадь поверхности торца волокна.

3. Способ п. 1, отличающийся тем, что перед коллимированным излучением интегральных микросхем располагают объемную брегговскую решетку, отражающую часть излучения в узком спектральном диапазоне обратно в интегральные микросхемы для стабилизации спектрального состава излучения диодного модуля.