一种可工作在环境温度高达105℃的BOX封装半导体激光器的制作方法

本技术涉及半导体激光，尤其涉及一种可工作在环境温度高达105℃的box封装半导体激光器。

背景技术：

1、为了保证半导体激光器的性能，需要半导体激光芯片工作在稳定的温度下。像dfb半导体激光芯片，其波长会随温度漂移，温漂系数为0.1nm/℃，另外半导体激光芯片阈值电流、在一定的注入电流下的光输出功率等也会随温度而变化。而在半导体激光器的大多数应用中都要求把半导体激光的输出波长等参数严格地控制在一定的数值，但半导体激光器所处环境的温度变化很大。

2、为达到应用的要求在使用半导体激光器时往往必需对半导体激光的芯片进行控温。半导体激光器的使用工作环境温度范围依其应用而异。这些工作环境温度范围一般分为如下几类：商业级：0℃～+70℃，工业级：-40℃～+85℃，汽车级：-40℃～125℃和军品级：-55℃～+125℃。以往半导体激光器大多应用在光纤通信领域，在该领域所适用的半导体激光器的工作环境温度范围只限于商业级和工业级，也就是说其工作环境温度最高也就是85℃。但近年来半导体激光器的应用已扩展到激光传感器、激光雷达等领域，这样一来由于应用的需要对半导体激光器的工作环境温度要求也就不仅限于商业级和工业级。其中车载激光雷就是一个有代表性的例子。

3、车载激光雷达是使用激光作为探测手段，通过发射光束来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达相当于汽车的“眼睛”，具有强大而复杂的信息感知和处理能力，可以帮助汽车感知道路环境，规划自己的行驶路线，控制车辆达到预定的目标。车载激光雷达的核心部件是激光器，半导体激光器是车载激光雷达用的最多的激光器。车载激光雷达要求其所使用的半导体激光器对输出波长、线宽和功率有精准的控制，也就是说要求对其所使用的半导体激光器芯片的温度有精准的控制。

4、对于车载激光雷达尽管现今车规要求的工作环境为-40℃～85℃，但在激光雷达的密闭机壳里面，85℃的环境温度下激光雷达机壳内的温度至少上升20℃，所以车载激光雷达使用的半导体激光器的实际外壳温度会达到105℃。而当前，尚未存在能工作在环境温度高达105℃的半导体激光器。

5、另外由于温室效应不断的积累导致了全球变暖引起地表了温度的居高不下。如2022年高温来袭时科威特的气温甚至高达70℃。半导体激光器在航天、油田勘探开发等应用中工作环境的温度也超出工业级的-40℃～85℃的范围。所以半导体激光器要应用于上述的工作环境也必需能扛得住105℃或更高的高温。

技术实现思路

1、实用新型目的：为解决现有半导体激光器无法工作在环境温度为105℃或更高的场景下的问题，本实用新型提出了一种可工作在环境温度高达105℃的box封装半导体激光器。

2、技术方案：一种可工作在环境温度高达105℃的box封装半导体激光器，包括：激光器封装外壳以及设置在所述激光器封装外壳内的半导体制冷器、半导体激光芯片、热沉、热敏电阻、背光二极管、基座、耦合透镜、光隔离器和光纤组件；

3、所述基座设置在半导体制冷器上；所述热沉、耦合透镜和光隔离器均设置在基座上；所述半导体激光芯片、热敏电阻和背光二极管均设置在热沉上；

4、所述光纤组件包括光纤基座、头部可伐毛细管和裸光纤；所述光纤基座设置在半导体制冷器的一侧，所述头部可伐毛细管套在裸光纤的头部，并该头部可伐毛细管设置在光纤基座上，裸光纤的尾部向外延伸出激光器封装外壳。

5、进一步的，所述半导体制冷器为二级半导体制冷器。

6、进一步的，所述二级半导体制冷器包括冷面、热面、中间面和多个热电对，所述中间面设置在冷面与热面之间，多个所述热电对设置在冷面与中间面之间，以及设置在热面与中间面之间。

7、进一步的，在冷面与中间面之间设有18个热电对，在热面与中间面之间设置有24个热电对；每个热电对的柱子高度为0.41mm。

8、进一步的，所述激光器封装外壳为box封装外壳，所述box封装外壳包括底板和设置在底板上部的框体，在所述框体上设置有套管，所述光纤组件穿过套管设置在激光器封装外壳内，所述底板厚度大于等于3mm，该底板通过定位螺纹孔与外界散热板固定，所述定位螺纹孔位于底板的中部。

9、进一步的，所述裸光纤的尾部通过尾部可伐毛细管与激光器封装外壳密封连接，实现裸光纤的尾部向外延伸出激光器封装外壳，裸光纤的尾部采用低熔点玻璃材料把尾部可伐毛细管密封地融焊到裸光纤上。

10、本实用新型公开了一种可工作在环境温度高达105℃的box封装半导体激光器，包括：激光器封装外壳以及设置在所述激光器封装外壳内的半导体制冷器、半导体激光芯片、热沉、热敏电阻、背光二极管、基座、耦合透镜、光隔离器和光纤组件；

11、所述基座设置在半导体制冷器上；所述热沉、耦合透镜和光隔离器均设置在基座上；所述半导体激光芯片、热敏电阻和背光二极管均设置在热沉上；

12、所述光纤组件包括头部可伐毛细管和裸光纤；所述头部可伐毛细管套在裸光纤的头部，并该头部可伐毛细管设置在基座上，裸光纤的尾部向外延伸出激光器封装外壳。

13、进一步的，所述半导体制冷器为二级半导体制冷器，包括冷面、热面、中间面和多个热电对，所述中间面设置在冷面与热面之间，在冷面与中间面之间设有18个热电对，在热面与中间面之间设置有24个热电对；每个热电对的柱子高度为0.41mm。

14、进一步的，所述激光器封装外壳为box封装外壳，所述box封装外壳包括底板和设置在底板上部的框体，在所述框体上设置有套管，所述光纤组件穿过套管设置在激光器封装外壳内，所述底板厚度大于等于3mm，该底板通过定位螺纹孔与外界散热板固定，所述定位螺纹孔位于底板的中部。

15、进一步的，所述裸光纤的尾部通过尾部可伐毛细管与激光器封装外壳密封连接，实现裸光纤的尾部向外延伸出激光器封装外壳，裸光纤的尾部采用低熔点玻璃材料把尾部可伐毛细管密封地融焊到裸光纤上。

16、有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

17、(1)本实用新型得到的半导体激光器能工作到105℃的环境温度，且在稳定的注入电流条件下，半导体激光芯片的工作温度稳定，从而实现稳定的波长和功率的输出，同时使半导体激光器的制冷器的功耗限定在一个合理可接受的范围；

18、(2)本实用新型通过加厚box封装外壳的底板，以及通过去除封装外壳前后方的四个有定位螺丝孔的脚的结构，通过在加厚底板的中部开螺纹孔来实现box封装外壳的定位，来克服高温下box封装外壳的底板挠曲变形的问题；

19、(3)本实用新型通过采用光纤组件伸入到封装外壳内的装配组态，以及利用低熔点玻璃封焊到可伐毛细管的方法在光纤组件中的光纤上封焊可伐毛细管，减低光纤组件导入到封装外壳内的传导热量；

20、(4)本实用新型通过将光纤组件的耦合头部及其用于固定该部分的支架和光纤基座作为独立的部分不予制冷，可减少半导体激光器在高温环境下的无源热负载，当半导体激光器的有源热负载较大(如需半导体激光器输出较高功率)时，宜采用这种组态；

21、(5)本实用新型通过将封装外壳内除tec外的所有部件包括光纤组件头部的可伐毛细管及其固定支架都装在一个狭长的镀金钨铜基座上，该镀金钨铜基座又共晶焊到同样有狭长线度的tec上，能适当减低半导体激光器无源热负载并有利于降低在高温环境下耦合后的半导体激光器输出功率的跟踪误差；

22、(6)本实用新型的裸透镜和光隔离器采用胶来固定，在高温环境下可以避免导入额外无源热负载。