專利名稱：半導(dǎo)體激光器件與光纖的耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是關(guān)于半導(dǎo)體激光器件與光纖的耦合器，特別適用于高功率激光二極管與特種光纖的高效耦合，它是一種具有高效耦合和含半導(dǎo)體微致冷、溫度傳感控溫功能和對激光二極管光監(jiān)控功能的半導(dǎo)體激光器件與光纖的耦合器。
瓦級高功率半導(dǎo)體激光器件(或稱激光二極管，簡稱為LD)在醫(yī)療和空間激光通訊、激光引信、紅外照明、搜索跟蹤等諸多軍事應(yīng)用中深受重視。為了使其能應(yīng)用，人們都在謀求一種具有微致冷、溫度傳感控溫功能和對激光二極管的光監(jiān)控功能的光纖耦合小而輕的緊湊器件。這幾年美國SDL INC為代表的廠商競相推出這種器件產(chǎn)品(已有技術(shù)[1]美國SDL INC′.96/′97PRODUCT CATALOG，A.2，A.3，A.4，A.5)這種器件除了價格昂貴外，而且產(chǎn)品的尾纖輸出耦合效率不高，多為50～60％(已有技術(shù)[2]美國SDL INC.′93-″98PRODUCT CATALOG)，而且只有1～2瓦的半導(dǎo)體激光器件耦合器件具有微致冷溫控光控功能。對于激光功率P≥3、4瓦的半導(dǎo)體激光器件耦合器不具備致冷溫控光控功能，而且驅(qū)動電源也難尋找匹配。所以使用有諸多不便，滿足不了應(yīng)用要求。
本實用新型的目的為克服上述已有技術(shù)中所存在的不足，提供一種使高功率(1～6瓦)半導(dǎo)體激光器件與光纖的耦合器，它將具有內(nèi)建半導(dǎo)體微致冷溫控光控功能，能使耦合效率提高到70～85％，以及使用方便，滿足各種(包括軍事)應(yīng)用，結(jié)構(gòu)緊湊合理。
本實用新型的半導(dǎo)體激光器件與光纖的耦合器，含有管殼座17上帶有固定殼體螺孔7的管殼26。管殼26內(nèi)的管殼座7上置有半導(dǎo)體致冷器18，在半導(dǎo)體致冷器18的上面有兩者連成一體的熱沉銅塊4和散熱銅塊21。在熱沉銅塊4的上表面上沿光纖(14)的走向中心對稱的位置上有小半圓形的凹槽27。在凹槽27兩側(cè)的熱沉銅塊4上有馬夾固定螺孔3，在熱沉銅塊上還有置放熱敏電阻的圓孔(10)。前端帶有半球微透鏡的光纖耦合頭(13)由置于熱沉銅塊4上的凹槽27內(nèi)的耦合固定頭1固定于熱沉銅塊4上。耦合固定頭1的上面蓋有固定馬夾2。固定馬夾2是通過固定螺絲19旋于凹槽27兩側(cè)的馬夾固定螺孔3內(nèi)而固定。為了固定得更好，在固定馬夾2、耦合固定頭1與熱沉銅塊4上的凹槽27之間填滿填充料構(gòu)成的填充層12。置于散熱銅塊21一側(cè)的熱沉銅塊4上帶熱沉20的半導(dǎo)體激光器件5的中心與光纖耦合頭13的中心軸線OO相重合。置于管殼26內(nèi)的散熱銅塊21上空間中有光電探測器6。正個管殼26是密封的，管殼26內(nèi)充有干氮氣。如圖1所示。
管殼26內(nèi)的耦合固定頭1中心的光纖14前端帶光纖耦合頭13的另一端伸到管殼26外，靠近管殼26的一端在光纖14外圓上套有銅管16，在光纖14外圓與銅管16之間有熱縮管15。在伸到管殼26外側(cè)面的光纖14的尾端上有帶連接頭芯8的連接頭9。如圖1、圖2所示。
在有光纖14伸出管殼26側(cè)面的另外的側(cè)面上(前側(cè)面)有與管殼26絕緣，而且相互絕緣的多根引線電極11。如圖1所示。在管殼26外的管殼座7上的固定殼體螺孔7通常有四個用于把管殼26固定在散熱器上。管殼26前側(cè)面的相互絕緣并與管殼26絕緣的多根引線電極11通常有1～10根，其中第二根空缺備用。伸出管殼26外光纖14在靠近管殼26的一端，在銅管16與光纖14外圓上套有熱縮管15為的是緩沖保護光纖14。伸出管殼26外的光纖14尾端也是光纖14輸出端，因此帶有連接頭9，其連接頭9的連接芯頭8(也簡稱尾纖)本實用新型按不同纖芯直徑特別設(shè)計有多種匹配連接頭芯8。
所說的耦合固定頭1在中心位置上是光纖14。在光纖14外圓上套有細(xì)套管24。在細(xì)套管24的外圓上套有金屬套管23。在光纖14的外圓與細(xì)套管24之間，以及在細(xì)套管24外圓與金屬套管23之間均有固定密封層22。在光纖14前端上的光纖耦合頭13中裸露的纖芯與細(xì)套管24之間有密封膠層25。為了獲得高的耦合效率，要求密封膠層25的折射率n25等于或近似等于光纖14包層的折射率n14，即n25≌n14。
所說的在光纖14外圓與細(xì)套管24之間和在細(xì)套管24外圓與金屬套管23之間的固定密封層22是由焊錫和環(huán)氧樹脂膠構(gòu)成的。
所說的固定馬夾2是科伐制成的，或是其他金屬材料制成的。
所說的固定馬夾2，耦合固定頭1與熱沉銅塊4上的凹槽27之間填充層12是焊錫和環(huán)氧樹脂膠層。
所說的細(xì)套管24是玻璃毛細(xì)管，或是石英細(xì)管等。
散熱銅塊21用螺絲固定在熱沉銅塊4的右側(cè)。這樣，使固定光纖耦合頭13的熱沉銅塊4與固定半導(dǎo)體激光器件5的散熱銅塊21連成一體，不產(chǎn)生任何相對位移。而光纖耦合頭13通過多維微調(diào)架對準(zhǔn)半導(dǎo)體激光器件5的發(fā)射面進行對準(zhǔn)耦合，即光纖耦合頭13的中心軸線OO與半導(dǎo)體激光器件5的中心嚴(yán)格重合。當(dāng)獲取高耦合效率時，通過在固定馬夾2、光纖耦合頭13及固定熱沉銅塊4之間填充錫焊料(金屬化固定)及環(huán)氧樹脂膠固定封裝。用于光監(jiān)控的光電探測器6置于半導(dǎo)體激光器件5出光面前上側(cè)，散熱銅塊4的上部空間中，以漏光方式取監(jiān)控光電流。
本實用新型的光纖14可以采用特種光纖，如采用美國3 M Co最新研制成的TECSTM氟化聚合物作包層的單石英纖芯特種光纖，具有高強度，抗彎曲性能好，光纖芯及包層尺寸均勻，一致性好，光功率耦合效率高，數(shù)字孔徑NA＝0.39或NA＝0.22。用其它型號石英作包層的特種光纖，例如3M Co.TECS Si/Si光纖(Na＝0.22)耦合效果亦很好。
光纖耦合頭13，在纖芯頭部形成集成的半球微透鏡，其直徑以略大于(20％～30％)纖芯直徑為最佳，耦合效率最高。
本實用新型的耦合固定頭1，為了耦合固定，把耦合固定頭1做成如圖3所示結(jié)構(gòu)，耦合損耗最小，尾纖輸出光功能幾乎與未加固定前耦合時一樣，即光纖14的固定結(jié)構(gòu)不引進耦合損耗。
本實用新型耦合器件，當(dāng)半導(dǎo)體激光器件5發(fā)射的光束，被置于與它共中心軸線OO的光纖耦合頭13前端的半球微透鏡所接收。因為半球微透鏡的直徑大于光纖14纖芯的直徑，所以微透鏡接收到的光束絕大部分通過光纖14至尾端輸出，有高的耦合效率，一般情況下達(dá)到η≥70％，最佳耦合狀態(tài)下耦合效率達(dá)到ηmax≥85～90％，而尾纖光功率輸出的穩(wěn)定性很好，Δp/p＞0.5％。
本實用新型的耦合固定采用大小連環(huán)套的幾層金屬(科伐)套管代替已有技術(shù)的玻璃毛細(xì)管，其效果相同，不過以本實用新型的結(jié)構(gòu)為佳，方便、簡單。套管間環(huán)氧樹膠膠層宜薄，以便使纖芯中心度好。
本實用新型的優(yōu)點在高功率(1～6瓦)半導(dǎo)體激光器件與光纖耦合情況下，內(nèi)部帶有半導(dǎo)體微致冷器18和置于熱沉銅塊4上圓孔10里的熱敏電阻為溫度傳感器控溫，光電探測器監(jiān)控光功率功能，結(jié)構(gòu)緊湊合理，小型輕便，耦合時操作方便。尾纖端又加了本實用新型的特種芯徑的連接頭9標(biāo)準(zhǔn)FC，便于器件與應(yīng)用系統(tǒng)的對接。這大大擴大了這種耦合器件的應(yīng)用范圍。
本實用新型有耦合器中采用高強度，抗彎曲性能好的，對于各種惡劣環(huán)境條件下適應(yīng)性強的特種光纖14，采用美國的3M Co TECSTM。其中TECSTM光纖高數(shù)字孔徑NA＝0.39±0.02單芯石英光纖，更能適用于要求高輸出耦合效率和高尾纖光功率輸出的應(yīng)用。另外，在一些要求高耦合效率而較小數(shù)值孔徑(NA＝0.22±0.02)，尾纖輸出具有高亮度的應(yīng)用中則選用TECSTM石英芯石英包層的光纖14，這后一種光纖，由于石英包層外面還有一層TECS高強度氟化聚合物包層(低折射率)，就更提高了耦合效率。
本實用新型的光纖耦合頭13的纖芯頭部有直徑略大于纖芯直徑的半球微透鏡，這種結(jié)構(gòu)的制作工藝簡單，包括剝纖芯，腐蝕錐形頭和電弧法和纖芯頭部形成集成透鏡，都能有獨到的規(guī)范。
成功率很高，按照這種結(jié)構(gòu)做，耦合效率一般都能達(dá)到60～70％，甚至達(dá)到80～90％。已有技術(shù)均只對標(biāo)準(zhǔn)石英包層光纖適用，與本實用新型的光纖耦合頭結(jié)構(gòu)有很大差異，并且制作工藝難以規(guī)范。
本實用新型采用的耦合固定頭對光纖耦合頭的固定(見圖3)，通常標(biāo)準(zhǔn)光纖是纖芯和包層均是石英，只是折射率不同，在電弧燒成集成微透鏡時，透鏡鄰近部位(～7mm)的石英包層不被燒熔，完好保持包層的作用。因此，外加金屬套管或玻璃套管時可以把光纖外表金屬化，用焊錫也可以用環(huán)氧樹脂等折射率高(n～1.55)作填充料而不影響光纖14的光功率耦合效率和光傳輸。而現(xiàn)在針對幾瓦級高功率LD的幾百μm×1μm的發(fā)光面，必須采用芯徑與之相匹配的特種光纖。本實用新型選用單石英光纖TECSTM，在用電弧法形成集成微透鏡時，頭部約有8mm～10mm長的光纖(TECS)包層必須剝清爽，不然也會被電弧燒焦而破壞。這樣8～10mm長的裸露纖芯的固定(為了尾纖輸出穩(wěn)定，必須避免纖芯頭部晃動)就是個難題，金屬填料吸收光，焊錫等不能用。通常的環(huán)氧樹脂等粘固膠，其折射率高于1.48，均高于纖芯n14＝1.457，這樣半導(dǎo)體激光器件的激光就無法耦合到光纖14中去。如圖3所示，只有找到一種折射率接近光纖(TECS)包層的折射率(n＝1.404)的粘膠，才不會影響耦合和傳輸光的效率。所以本實用新型密封膠層25的折射率n25等于或近等于光纖14包層的折射率n14，即n25≌n14。如本實用新型對應(yīng)光纖(TECS)包層的折射率n14＝1.404用密封膠層的折射率n25＝1.406的有機硅膠，這是最理想的幾乎是完善的解決辦法，這種頭部加固結(jié)構(gòu)一點不影響耦合效率和光的傳輸，成功率達(dá)到100％。


圖1是本實用新型耦合器的頂視結(jié)構(gòu)圖圖2是圖1的A-A剖視示意圖圖3是圖2中B-B剖視中耦合固定頭1結(jié)構(gòu)的示意圖。
實施例如圖1、圖2、圖3的結(jié)構(gòu)。構(gòu)成本實用新型實施例的光纖14和半導(dǎo)體激光器件(LD)的參數(shù)如下表中所列。

上表中所說的尾纖就是圖1、圖2中所述的光纖14伸出管殼26外側(cè)面的光纖14尾端的連接頭9的連接頭芯8。
權(quán)利要求1.一種半導(dǎo)體激光器件與光纖的耦合器，含有<1>管殼座(17)上帶有固定殼體螺孔(7)的管殼(26)，管殼(26)內(nèi)的管殼座(17)上置有半導(dǎo)體致冷器(18)，置于管殼(26)內(nèi)還有光纖耦合頭(13)和帶有熱沉(20)的半導(dǎo)體激光器件(5)；<2>伸到管殼(26)外側(cè)面的有尾端帶連接頭芯(8)的連接頭(9)的光纖(14)，靠近管殼(26)外側(cè)面的一端光纖(14)外圓上套有銅管(16)，銅管(16)與光纖(14)外圓之間有熱縮管(15)，伸到管殼(26)外側(cè)面還有多根引線電極(11)；其特征在于<3>在管殼(26)內(nèi)的半導(dǎo)體致冷器(18)上面有兩者連成一體的熱沉銅塊(4)和散熱銅塊(21)；<4>在熱沉銅塊(4)的上表面上沿光纖(14)走向中心對稱的位置上有小半圓形的凹槽(27)，凹槽(27)兩側(cè)的熱沉銅塊(4)上有馬夾固定螺孔(3)，熱沉銅塊(4)上還有置放熱敏電阻的圓孔(10)；<5>前端帶有半球微透鏡的光纖耦合頭(13)由置于熱沉銅塊(4)上的凹槽(27)內(nèi)的耦合固定頭(1)固定于熱沉銅塊(4)上，耦合固定頭(1)的上面蓋有固定馬夾(2)，固定馬夾(2)通過固定螺絲(19)旋于凹槽(27)兩側(cè)的馬夾固定螺孔(3)內(nèi)而固定，固定馬夾(2)，耦合固定頭(1)與熱沉銅塊(4)上的凹槽(27)之間有填充層(12)；<6>置于散熱銅塊(21)一側(cè)的熱沉銅塊(4)上帶熱沉(20)的半導(dǎo)體激光器件(5)的中心與光纖耦合頭(13)的中心軸線(OO)相重合；<7>置于管殼(26)內(nèi)的散熱銅塊(21)上空間中有光電探測器(6)，管殼(26)是密封的，管殼(26)內(nèi)充有干氮氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器件與光纖的耦合器，其特征在于所說的固定光纖耦合頭(13)的耦合固定頭(1)中心位置上的光纖(14)外圓上套有細(xì)套管(24)，細(xì)套管(24)外套有金屬套管(23)，在光纖(14)與細(xì)套管(24)之間和細(xì)套管(24)與金屬套管(23)之間有固定封密層(22)，在光纖耦合頭(13)裸露的纖芯與細(xì)套管(24)之間有密封膠層(25)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體激光器件與光纖的耦合器，其特征在于所說密封膠層(25)的折射率n25等于或近似等于光纖(14)包層的折射率n14，即n25≌n14。
專利摘要一種半導(dǎo)體激光器件與光纖的耦合器,含有帶管殼座的管殼,在管殼內(nèi)有半導(dǎo)體致冷器,兩者連成一體的熱沉銅塊和散熱銅塊。在熱沉銅塊上有由固定馬夾固定的耦合固定頭、耦合固定頭將前端帶有半球微透鏡的光纖耦合頭固定于熱沉銅塊上。熱沉銅塊上還有熱敏電阻。散熱銅塊上有光電探測器。伸出管殼外外有尾端帶連接頭芯的連接頭,有多根引線電極。具有結(jié)構(gòu)緊湊合理,小型輕便,內(nèi)有溫控光控的功能,輸出耦合率高達(dá)80～90%的特點。
文檔編號G02B6/26GK2397504SQ99240338
公開日2000年9月20日 申請日期1999年11月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月16日
發(fā)明者胡衍芝 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所