光模塊外殼加工

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本文目錄一覽：

1、光模塊外殼加工

2、光模塊的材質是什么？

光模塊外殼加工

文 / 張楠，李伊妮，余冠南

深圳市杰普特光電股份有限公司

玻璃、藍寶石等透明脆硬材料因具有較好的光學、化學穩定、物理抗沖擊、絕緣等特性，在建筑、汽車、顯示、電子設備、光伏、生物醫學、光通信及光存儲設備等領域均有廣泛的應用。近年來，隨著節能減排的社會可持續發展戰略需求，Low-E建筑玻璃、光伏、BIPV、新能源汽車等行業高速發展，對玻璃等透明脆硬材料的產品需求逐步增大，且對玻璃制造提出了更高效率、精度的加工要求。

傳統的玻璃加工方式采用機械刀具、砂輪或化學腐蝕等進行接觸式加工，易引入外部應力產生表面微裂紋、亞表層損傷、碎裂、環境污染等問題。且在玻璃產品日益輕薄化的趨勢下，更加增大了加工難度，因此，高峰值、大脈沖能量皮秒激光技術引起了廣泛關注。

激光加工技術是將激光光束聚焦在物體表面，利用聚焦光斑的高能量密度氣化或融化待加工材料，具有以下優點：

非接觸加工，無二次污染或破壞；熱影響區域小；加工精度高，易于自動化集成；加工靈活性強，可做異型切割或鉆孔。

隨著近年來超短脈沖、高峰值功率激光技術的發展，以皮秒激光為代表的超快激光加工技術已經在玻璃加工制程升級和改進改性等方面展現出極大的發展潛力。本文將從皮秒激光的技術發展及對脆硬材料加工兩方面作系統介紹。

皮秒激光技術

高功率皮秒激光通常采用主振蕩器功率放大（MOPA）結構，典型的皮秒激光由皮秒激光種子源、預放大及主放大等模塊構成；短波長激光輸出采用非線性晶體基頻變換產生。

工業制造用皮秒激光種子源波長多選用1064 nm或1030 nm，主要產生途徑有摻鐿光纖鎖模激光技術、全固態鎖模晶體激光技術以及半導體激光器直接調制技術。近年來，隨著光纖被動鎖模激光技術的可靠性及穩定性得到長期驗證，目前其已成為市場的主流皮秒種子源技術。

商用被動鎖模光纖激光器主要采用基于半導體可飽和吸收鏡（SESAM）鎖模[1]或非線性環路鏡鎖模技術[2]。線性SESAM腔具有高一致性、高可靠且自啟動等優點，但面臨SESAM單點壽命問題，長期壽命可通過SESAM移點解決；非線性環路腔中無易損器件，壽命得到保證，但100%自啟動的實現需借助輔助電路。

在工業高功率皮秒激光放大方面，國內外目前主要有棒狀晶體結構放大、碟片結構皮秒激光放大、Innoslab板條結構皮秒激光放大、晶體光纖的皮秒激光放大等方式。其中，光纖高功率放大相干合成[3]、碟片[4]、Innoslab板條[5]放大結構皮秒激光器功率均已超過千瓦量級。目前，高功率紅外皮秒激光器主流產品功率在100～400 W，但通常采用脈沖串工作模式，最大單脈沖能量在數百微焦耳到毫焦耳量級，進一步提高功率仍存在挑戰。

碟片結構皮秒激光器因其一維熱分布，具有高功率、高光束質量輸出能力，但增益長度過短，高功率輸出需多程放大，激光器的機械結構易受振動影響。板條結構皮秒激光器因其冷卻面大，具有高功率、高光束質量輸出能力，在100～200 W功率輸出的可靠性已在制造應用中得到證明，但高功率輸出（如500～1000 W）的長期運行是挑戰；光子晶體光纖放大器隨著功率提升，熱積累增加，引起放大光束質量退化，高功率輸出的長期運行高可靠性存疑。針對制造用超高功率、高性能和長期運行高可靠性要求的固體皮秒激光器仍需進一步技術攻關。

在皮秒激光器倍頻方面，倍頻技術用于近紅外波段到短波長輸出轉換，高效率長壽命的紫外倍頻主要依賴先進倍頻晶體生長和表面處理技術。受空間走離角度和模塊設計要求，商用激光器主要采用三硼酸鋰晶體（LBO）。

國外研究紫外倍頻晶體LBO晶體主要有俄羅斯地礦研究院和美國的CrystaLaser。國內主要有中科院理化所、中科院物構所和福晶科技在從事LBO晶體的生長，其中福晶科技LBO晶體已實現大規模商業化，其晶體毛坯尺寸及質量已經處于世界前列水平。國內外研究光學薄膜激光抗損傷的有美國桑迪亞國家實驗室、德國漢諾威激光中心、美國Gamdan Optics公司、上海光機所、長春光機所等研究機構。其中，上海光機所采用原子層沉積技術制備了355 nm的HfO2/SiO2雙層減反膜，膜層在355 nm處實測反射率低于0.2%，激光損傷閾值達到24.4 J/cm2（脈寬7.8 ns）[6]。

皮秒激光脆硬性材料加工

皮秒激光技術對于脆硬性材料的加工應用覆蓋二維碼標刻追溯、切割、鉆孔、除膜等。

二維碼標刻追溯

激光標刻主要有表面雕刻和玻璃內雕兩個大類。

表面標刻是激光器發出高能量激光光束，聚焦后的激光作用于玻璃表面如圖1（a）所示，激光的能量密度達到材料的破壞閾值，使表面材料瞬間熔融和氣化，通過控制激光在材料表面移動路徑，局部去除表面材料，從而形成需要的標記圖案。皮秒激光表面標刻在加工過程中因熱影響區域小，不會造成材料熱變形，也極大減少了內生應力。

圖 1 (a) 激光聚焦在材料表面；(b) 采用 JPT-PS-UV 系列激光器制作的玻璃表面標刻二維碼樣品；（c）激光聚焦在玻璃內部；（d）JPT 5W 紫外皮秒制作的激光玻璃內雕顯微鏡圖片

激光表面標刻出的圖案具有：

耐磨性：不會因環境關系（觸摸、溫度等）而消退；防偽性：標刻的圖案成型后不易仿制或更改，具有很強的防偽功能。

例如使用JPT紫外皮秒激光器在玻璃表面做二維碼標刻，觸摸無明顯凹凸感，在顯微鏡下觀察如圖1（b），碼點清晰。同樣，皮秒激光在半導體芯片行業二維碼追溯中已得到廣泛應用。

玻璃內雕則如圖 1（c）和（d）所示：將激光光束聚焦至玻璃內部，高能量密度的激光脈沖使得玻璃內部瞬間產生微米數量級至毫米數量級的微裂紋，由光的散射而呈現白色，在玻璃內部通過控制激光路徑而雕刻出理想的圖案。

激光切割

激光加工技術已廣泛應用于透明脆性材料的切割分離。根據切割加工原理的不同，激光切割脆性材料的方法主要可分為激光劃線斷裂法、激光熱應力切割法、激光成絲效應法和貝塞爾光束切割法等。

激光劃線斷裂法與傳統的機械劃線斷裂的方法類似，使用激光進行材料表面劃線后借助外力進行應力分離，切割質量較差，邊緣銳利需要后續打磨。激光熱應力切割法主要依靠激光光束進行加熱，隨后的冷卻系統進行降溫使得材料表面或內部形成適當的溫度梯度，誘導出熱拉應力，當其熱拉應力超過脆性材料的抗拉強度閾值時，就會在材料表面或內部產生微裂紋并沿激光運動方向擴展，使玻璃進行分離。

激光成絲效應法主要應用于超快激光領域，當激光的能量密度超過一定的閾值時，非線性自聚焦效應與等離子體引起的散焦效應會達到動態平衡，傳播光束不會產生明顯的發散，在介質中幾乎以恒定的尺寸傳播數倍于瑞利長度的距離。利用這種效應進行玻璃的分離，適用范圍小且較難控制。

貝塞爾光束又稱“無衍射光束”，其橫向光場分布不隨光束的傳播而變化，主瓣直徑可小到幾微米，但焦深可達幾毫米，如圖2（a）所示。利用貝塞爾光束這一特點，采用貝塞爾超快激光束切割玻璃（如圖 2（b）所示），只需稍微施加外力或熱應力梯度即可使激光改性截面處的玻璃分離，從而獲得較高的切割分離質量。

圖2（a）貝塞爾光束示意圖；（b）超快激光脆性材料切割裂片過程示意圖；（c）采用JPT-PS-IR系列大脈沖能量紅外皮秒系列激光器切割玻璃樣品斷面顯微鏡圖片；（d）厚玻璃圓形切割；（e）、（f）蓋板玻璃、攝像頭異形切割；（g）汽車雙層夾膠玻璃切割

例如激光切割高鋁蓋板玻璃，使用JPT-PSIR大脈沖能量固體紅外皮秒激光器搭配貝塞爾切割頭，通過軸運動、PSO打點的方式實現玻璃切割，再通過CO2 激光器出光，振鏡掃描軌跡加熱的方式或者是機械裂片的方式實現裂片。定位精準、耗時短、激光切割點大小均勻、軌跡平滑。切割后的玻璃輪廓清晰，如圖2（c）所示，薄玻璃斷面光滑、邊緣平整、崩邊可控制在10 μm以內，無碎屑。目前這種切割技術廣泛應用于電子產品的玻璃基板、玻璃蓋板、顯示面板、攝像頭等玻璃精密切割中，如圖2（d）~（g）采用JPT紅外皮秒激光器制作的樣品所展示，并可拓展至光伏玻璃等。

激光鉆孔

激光鉆通孔的主要方式如圖3（a）所示：激光透過玻璃聚焦于材料的下表面，由底部開始一層一層地將材料氣化，螺旋上升，逐層掃描直至玻璃上表面。由于不透光的材料鉆孔只能由上往下，并且氣化的材料從上方溢出容易吸收激光能量變為等離子體，形成等離子掩蓋效應，使得加工效率降低，且會產生錐度，通孔表現為入口大出口小的特征。而激光對玻璃采取由下往上的方式進行鉆孔時，避免了表面等離子體掩蓋效應的產生，加工效率高，通孔錐度小。

激光玻璃鉆孔相對于機械鉆孔具有無接觸、無耗材、可任意調節形狀、無污染、無需額外消耗水進行冷卻等優勢。例如使用JPT-PS-IR系列紅外皮秒激光器對基板玻璃進行鉆孔，在顯微鏡下觀察如圖 3（b）和（c）所示：孔徑 1 mm，玻璃崩邊在 30 μm以內。

圖3（a）激光自下而上鉆孔示意圖；（b）和（c）1 mm直徑孔徑基板玻璃鉆孔；（d）鉆孔樣品圖

除了常見的電子玻璃外，如今光伏行業持續發展，在光伏行業中玻璃背板的市場需求量很大，而玻璃背板關鍵技術之一就是玻璃鉆孔，背板玻璃一般需要預留出線孔，且還多出現異形孔等，傳統機械打孔技術效率與質量無法滿足，目前均采用光纖激光器進行光伏玻璃的鉆孔。此外，電子設備里的玻璃鉆微型孔工藝中，皮秒激光配合化學試劑濕法刻蝕能夠加工出深徑比較大且基本無裂紋的微孔。

激光除膜

激光除膜主要是利用高能量的激光束聚焦至需去除膜層的表面致使該膜層迅速氣化剝離，從而達到去除的目的。通常會選擇膜層吸收率較高而基底吸收率較低的波長，并且調整激光參數將激光能量密度控制在膜層破壞閾值到基底破壞閾值這一區間，避免激光損傷膜層下的基底。

傳統的除膜方法有機械打磨、化學腐蝕等，均屬于接觸式加工，且這些傳統技術手段存在精度差、容易損傷玻璃基底或是對環境不友好等不可避免的短板。例如，在節能減排的大環境驅動下，Low-E玻璃在國內呈現高增長趨勢，激光也被引入用于去除特定區域的雙銀、多銀等隔熱膜或介質膜層；或在半導體材料上選擇性去除鈍化/絕緣層等。

除以上應用外，工業級皮秒激光器也已在半導體晶圓加工、顯示面板切割、鈣鈦礦薄膜電池模切等行業獲得廣泛應用。隨著激光脈沖能量、平均功率、穩定性的進一步提升，其在新能源鋰電、 光伏晶硅產業、軍事、航天科技等領域實現高精度、高效率加工上將取得進一步的進展。

結束語

深圳市杰普特光電股份有限公司專注激光光源研發，利用MOPA技術基于摻銣釩酸釔晶體研制的JPT-PS-IR 系列工業級紅外皮秒激光器可實現2 mJ的脈沖能量輸出，工業級綠光皮秒激光器可以輸出50 W以上平均功率，紫外皮秒激光器可以實現30 W以上的平均功率輸出，參數性能均能滿足以上二維碼標刻、切割、鉆孔、除膜等應用場景的加工要求，在脆性材料加工、FPC電路板切割、醫用不銹鋼表面改性等領域中積累了豐富的工藝經驗。并且，公司在皮秒、飛秒鎖模技術、飛秒啁啾脈沖放大技術和高功率、高能量密度激光產品投入較大研發力量，在滿足高精度加工要求的前提下，推動加工效率的進一步提升，有望創造新的激光應用領域。

作者簡介

張楠，深圳市杰普特光電股份有限公司，激光戰略發展部高級項目經理，研究方向為光纖種子源鎖模技術、放大技術、及超短脈沖激光在光伏及脆性材料中的應用開發；

李伊妮，激光戰略發展部高級項目助理，研究方向為高效晶硅太陽能電池、鈣鈦礦薄膜電池及透明材料中的激光加工應用開發；

余冠南，固體超快產品線主任工程師，研究方向為固體超快激光器與參量放大器集成與產業化。

參考文獻

1. Gomes L A, Orsila L, Jouhti T,et al.Picosecond SESAM-based ytterbium mode locked fiber lasers[J]. IEEE J.Sel. Top.Quan tum Electron, 2004, 10(1):129-136.

2. Jiang T, Cui Y, Lu P, et al. All pm fiber laser mode locked with a compact phase biased amplifier loop mirror[J]. IEEE Photon.

3. Technol. Lett. ,2016, 28(16):1786-1789.Müller M, Aleshire C, Klenke A,et al.10.4 kW coherently combined ultrafast fiber laser[J].Opt. Lett., 2020, 45(11):3083-3086.

4. Dietz T, Jenne M, Bauer D,et al. Ultrafast thin-disk multi-pass amplifier system providing 1.9 kW of average output power and pulse energies in the 10 mJ range at 1 ps of pulse duration for glass-cleaving 5. applications[J]. Opt. Express, 2020, 28(8):11415-11423.

5.Russbueldt P, Mans T, Weitenberg J,et al.Compact diode-pumped 1.1 kW Yb:YAG Innoslab femtosecond amplifier[J]. Opt. Lett., 2010, 35(24):4169-4171.

6. Yin C Y, Zhu M P, Zeng T T, et al.HfO2/SiO2 anti-reflection films for UV lasers via plasma enhanced atomic layer deposition[J].Journal of Alloys and Compounds, 2021, 859:157875.

光模塊的材質是什么？

目前，光模塊的主要材質是由磷化銦（InP）和砷化鎵（GaAs）等化合物半導體材料制成，多是分立器件，成本昂貴，近期，隨著硅光技術逐步成熟，利用硅基材料和成熟的大規模集成電路制造技術制造的光模塊陸續在各個領域中實現了批量應用。

硅光技術理論上具有成本優勢，也是未來實現芯片間光互聯的必由之路。目前，由于工藝成熟度和良品率仍待提升，優勢并未體現，傳統技術也在持續優化，形成硅光與傳統分立器件光模塊同場競技的格局。

盡管硅基光模塊在100G時代對傳統光模塊沖擊有限，然而隨著硅光集成技術的進一步成熟和完善，硅基光模塊或將在400G時代逐漸發力。

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