CN101762852A

CN101762852A - 半导体光电子器件的自适应耦合的结构

Info

Publication number: CN101762852A
Application number: CN200810240930A
Authority: CN
Inventors: 祝宁华; 王欣; 孙可; 谢亮
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2010-06-30

Abstract

本发明公开了一种半导体光电子器件的自适应耦合的结构，包括：一半导体光电子器件(a)，固定于圆形底座上；一外套管(c)，该外套管(c)的内径等于该圆形底座的外径，且该圆形底座焊接或紧密装配于该外套管(c)的一端；一内套管(d)，从该外套管(c)焊接或紧密装配圆形底座的相对端嵌套焊接于外套管(c)，且该内套管(d)的中轴线与所述外套管(c)的中轴线重合；一光接收装置(b)，焊接于内套管(d)内部，该光接收装置(b)的中轴线与内套管(d)的中轴线重合。本发明实现了对由于温度变化引起的光电子器件本征光电特性变化进行自适应补偿，保证了在较宽温度范围内耦合封装的光电子器件性能稳定。

Description

半导体光电子器件的自适应耦合的结构

技术领域

本发明涉及应用光纤或透镜作为光信号采集和传输媒介的光电子技术领域，尤其涉及一种半导体光电子器件的自适应耦合的结构。

背景技术

在光通信、光传感和航空航天技术领域中，广泛使用光纤或透镜作为光信号收集和传输媒介。通过光纤或透镜将半导体激光器、调制器的输出光信号耦合进光纤并进行传输，或将传输过来的光信号耦合进半导体光探测器等。半导体激光器、调制器和探测器这些器件在不同的温度下会有不同的光输出或光响应特性，这是因为半导体材料中载流子浓度对温度的响应十分敏感，温度的改变将对光电子器件的性能影响很大。例如：在同一驱动电流下，随着半导体激光器温度的升高，出光功率逐渐下降，光电探测器也会随着温度的升高，响应灵敏度变差。

通常在对光电子器件进行光信号耦合过程中，我们并不会考虑温度对光电器件性能的影响。这样，如果我们把光电子器件应用在较宽的温度范围，就会产生一些不良的结果。以半导体激光器与光纤直接耦合为例：

半导体激光器作为光信号源使用过程中，需要将半导体激光器发出的激光耦合进入光纤才能够用于光纤通信系统。光纤的耦合功率(P)与光纤端面同激光器出光端面间距(L)遵循下述规律：当激光器的输出光正射入光纤端面时，随着光纤端面同激光器出光端面间距(L)的增加，激光器的耦合功率先增大后减小(图1)。这样，在将光纤耦合固定时就涉及到耦合点的问题，通常半导体激光器与光纤耦合时，需要在室温(20℃)调整光纤位置，探测到最大耦合功率时，将光纤固定，此点即为耦合点，该激光器件在室温下工作时会有最大出光功率，适合在室温下工作。但是，激光器会随着工作环境的变化在一个较宽的温度范围(如：20℃--80℃)内工作，激光器在高温处的出光功率会降低(图2)，这时为了保证出光功率的稳定会增大加载在激光器上的电流，这样，在大注入电流下，激光器很容易烧坏，激光器的使用寿命大大降低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决以上问题，本发明提供了一种半导体光电子器件的自适应耦合的结构，利用不同材料线胀系数的差异，结合半导体光电子器件本身对温度的响应，使他们互相补偿，实现一种宽温度范围内工作稳定的光电子器件。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种半导体光电子器件的自适应耦合的结构，包括：

一半导体光电子器件a，固定于圆形底座上；

一外套管c，该外套管c的内径等于该圆形底座的外径，且该圆形底座焊接或紧密装配于该外套管c的一端；

一内套管d，从该外套管c焊接或紧密装配圆形底座的相对端嵌套焊接于外套管c，且该内套管d的中轴线与所述外套管c的中轴线重合；

一光接收装置b，焊接于内套管d内部，该光接收装置b的中轴线与内套管d的中轴线重合。

上述方案中，所述半导体光电子器件a朝所述外套管c内部的方向固定于圆形底座的中心。

上述方案中，所述圆形底座的中轴线与外套管c的中轴线重合。

上述方案中，所述半导体光电子器件a的光电特性随温度变化，是半导体激光器、调制器或探测器。

上述方案中，所述光接收装置b是光纤或透镜。

上述方案中，所述光接收装置b是光纤时，光纤端面是平面，或者是锥型透镜面。

上述方案中，所述半导体光电子器件a与光接收装置b的间距L为耦合距离。

上述方案中，所述外套管c和内套管d采用不同线胀系数的金属材料，在温度变化情况下能够自动调整耦合点位置，实现自适应补偿。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：在对光电子器件进行光耦合和封装过程中，利用不同线胀系数的金属材料来分别固定光电子器件和光纤或透镜的位置，使得在不同温度下光电子器件和光纤或透镜的相对位置自动发生变化，实现了对由于温度变化引起的光电子器件本征光电特性变化进行自适应补偿，保证了在较宽温度范围内耦合封装的光电子器件性能稳定。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，其中：

图1是耦合功率与光纤芯片间距的P-L曲线。

图2是将光纤耦合在P-L曲线的上升沿区间。

图3是本发明半导体光电子器件自适应耦合的调z方向的通用结构示意图。

图4是耦合功率随温度变化的P-T曲线。

图5是半导体激光器出光功率与温度的P-T曲线。

图6是自适应补偿半导体光电器件出光功率随温度变化的P-T曲线。

图7是本发明具体实例半导体激光器封装的剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的半导体光电子器件的自适应耦合的结构，适用于如下半导体光电子器件：首先，该光电子器件本身的光电性能对温度敏感；其次，该光电子器件的耦合效率和光电响应强度与耦合距离相关。本发明的通用示意结构如图3所示，将光电发射装置a及其底座与外套管c焊接或紧装配。光电接收装置b及内套管d在e处焊接，并同时插入外套管c。根据理论计算要求，调整光电接收装置b位置，到达合适的初始耦合点，再在f处将内套管b与外套管c焊接。

本发明提供的半导体光电子器件的自适应耦合的结构，包括：一半导体光电子器件a，固定于圆形底座上；一外套管c，该外套管c的内径等于该圆形底座的外径，且该圆形底座焊接或紧密装配于该外套管c的一端；一内套管d，从该外套管c焊接或紧密装配圆形底座的相对端嵌套焊接于外套管c，且该内套管d的中轴线与所述外套管c的中轴线重合；一光接收装置b，焊接于内套管d内部，该光接收装置b的中轴线与内套管d的中轴线重合。

光电发射或接收装置a(如：激光器、调制器或光电探测器等)，光信号耦合器件b(光纤或透镜)，间距L即为耦合距离。外套管c、内套管d利用线胀系数差别较大的两种材料制成。焊点e将光电接收装置b的接收端与内套管d焊在一起。焊点f将内套管d背离接收端的一端与外套管c焊在一起。

对于外套管c和内套管d我们选用不同线胀系数材料制作，外套管c长度的变化量与内套管d长度的变化量不同，即耦合距离L发生变化。这时，光电器件本征光电性能随温度上升而下降，但是耦合距离随温度的变化使得恰好对光电子器件这种本征光电性能的变化进行了补偿，达到自适应耦合的目的，保证器件的整体性能在较宽温度范围内保持稳定。

以半导体激光器的耦合为例，半导体激光器固定在一低线胀系数的金属底座上，光纤与高线胀系数的金属套桶固定到一起，在室温下，将光纤调整到比最大耦合功率点更靠近半导体激光器的位置，然后将载有半导体激光器的金属底座与载有光纤的金属套桶焊接到一起。这样在温度增高时，由于金属外壳线胀系数较大，将拉动光纤头远离半导体激光器，耦合距离L逐渐靠近最大耦合功率点，激光器的耦合功率理论上应该逐渐升高(图4)；然而，实际工作中随着温度的升高，半导体激光器的本征出光功率会逐渐下降(图5)，于是，通过本发明激光器本征出光功率的下降会从耦合功率的增加得到一定补偿(图6)，通过这种自适应补偿来保证半导体激光器件的出光功率在较长一个温度范围内维持稳定的状态。

本发明是一种宽温度范围光电子器件自适应光耦合结构，其中包括(如图7所示)：底座h、底座平台i用低线胀系数材料，如可阀材料制造，该材料线胀系数在4.9×10^-6m/m□℃左右。光电子器件a固定在底座平台i上。套管c1焊接在底座h上，套管c1选择高线胀系数材料，如不锈钢做材料。承压固定套管c2用激光熔焊e与套管c1相连，承压固定套管c2采用和套管c1相同的不锈钢材料制造。不锈钢的线胀系数在17.0×10^-6m/m□℃左右。穿透焊f将承压固定套管c2与光纤固定套d固定在一起。承压固定套管c2最底端用熔焊g与光纤保护套d固定在一起。光纤b被固定在光纤固定套d中。光纤固定套d用可阀材料制作。

以半导体激光器的耦合为例，请再次参阅图7，将半导体激光器a安放在底座平台i的正中。将管套c1套在底座h上，该过程为紧装配不需要焊接。管套c1与承压固定管套c2的连接面必须加工的非常平整，内径要略大于光纤固定套d。之后，将光纤b(已和光纤固定套d一体)与承压固定套管c2同时安装。光纤插入套管c1，但注意绝对不能顶到半导体激光器a。调整光纤b与承压固定管套c2的水平位置，使光纤头正好对准半导体激光器a。在室温下调整光纤的垂直位置，并在光纤另一端探测出光强度。当探测到出光功率最大时，将光纤b垂直向里(半导体激光器a方向)推进，直到出光功率下降到30％～50％。此时，在外部用激光将承压固定管套c2与管套c1焊接起来e。在承压固定管套c2的凹槽处f，用激光穿透焊将承压固定管套c2和光纤固定套d焊接在一起，在承压固定管套c2的顶端内部g，用熔焊将承压固定管套c2和光纤固定套d固定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种半导体光电子器件的自适应耦合的结构，其特征在于，包括：

一半导体光电子器件(a)，固定于圆形底座上；

一外套管(c)，该外套管(c)的内径等于该圆形底座的外径，且该圆形底座焊接或紧密装配于该外套管(c)的一端；

一内套管(d)，从该外套管(c)焊接或紧密装配圆形底座的相对端嵌套焊接于外套管(c)，且该内套管(d)的中轴线与所述外套管(c)的中轴线重合；

一光接收装置(b)，焊接于内套管(d)内部，该光接收装置(b)的中轴线与内套管(d)的中轴线重合。

2.根据权利要求1所述的半导体光电子器件的自适应耦合的结构，其特征在于，所述半导体光电子器件(a)朝所述外套管(c)内部的方向固定于圆形底座的中心。

3.根据权利要求1所述的半导体光电子器件的自适应耦合的结构，其特征在于，所述圆形底座的中轴线与外套管(c)的中轴线重合。

4.根据权利要求1所述的半导体光电子器件的自适应耦合的结构，其特征在于，所述半导体光电子器件(a)的光电特性随温度变化，是半导体激光器、调制器或探测器。

5.根据权利要求1所述的半导体光电子器件的自适应耦合的结构，其特征在于，所述光接收装置(b)是光纤或透镜。

6.根据权利要求5所述的半导体光电子器件的自适应耦合的结构，其特征在于，所述光接收装置(b)是光纤时，光纤端面是平面，或者是锥型透镜面。

7.根据权利要求1所述的半导体光电子器件的自适应耦合的结构，其特征在于，所述半导体光电子器件(a)与光接收装置(b)的间距L为耦合距离。

8.根据权利要求1所述的半导体光电子器件的自适应耦合的结构，其特征在于，所述外套管(c)和内套管(d)采用不同线胀系数的金属材料，在温度变化情况下能够自动调整耦合点位置，实现自适应补偿。