CN102378934A - 具有多部件安装框架的光学组件 - Google Patents

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Abstract

提供一种光学组件，包括激光二极管、耦合光学器件、波长转换器件以及多部件安装框架。耦合光学器件包括以放大系数M1形成相对面之一的波导的虚拟放大图像V的第一透镜部件以及以放大系数M2在余下的相对面处形成聚焦图像V的第二透镜部件。虚拟放大图像V在组件的界面间波导至波导光程的外部，且多部件安装框架包括独立地固定第一和第二透镜部件的相对对准的第一和第二框架部件。第一和第二框架部件彼此紧固使得第一和第二框架部件之间的角偏差沿界面间波导至波导光程外的固定界面H产生。虚拟放大图像V和固定界面H均定位在耦合光学器件的同一侧，或者是耦合光学器件的激光二极管侧或者是耦合光学器件的波长转换器件侧。公开并要求保护其它实施例。

Description

具有多部件安装框架的光学组件
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年4月7日提交的美国申请No.12/419,550的优先权。
背景
本公开总地涉及包含半导体激光器和与半导体激光器光学对准的互补光学部件的光学组件。更具体地，本公开涉及用于增强半导体激光器与相关联的波长转换器件的光学对准的光学封装设计。更具体地，本公开涉及其中需要对准两个不同光学部件的波导的任何光学组件，这些光学部件可包括半导体激光器、波长转换器件或包括光学波导的任何光学部件。
发明内容
通过将诸如红外或近红外分布反馈式(DFB)激光器、分布式布拉格反射器(DBR)激光器或法布里—珀罗激光器之类的单波长半导体激光器与诸如二次或三次谐波发生晶体之类的光波长转换器件相结合，可形成短波长光源。典型地，晶体用于产生基波激光信号的较高次谐波。为实现此目的，优选将激光发射波长调谐至晶体的光谱中心，并使激光器的输出与晶体在其输入面处的波导部分光学对准。
诸如MgO掺杂的周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体之类的典型二次谐波发生(SHG)晶体的波导光学模场直径可以非常小，即在几微米的数量级上。将来自激光二极管的束斑与SHG晶体的输入面的波导部分正确对准是非常有挑战性的。激光器、耦合光学器件、晶体等的相应位置在光学组件的光学对准中可分别起作用。
一般而言，当在特定光学组件的光波导对准中需要亚微米对准容限时，可考虑两种不同的固定方法——固化环氧树脂固定和激光焊接。在固化环氧树脂固定中，可通过使用例如UV固化环氧树脂来将组件元件设置在位置上，但该固定方法可能对诸如湿度和温度变化之类的外部因素非常敏感。因此，这种固定方法通常与亚微米稳定性不兼容。在激光焊接中，已知其对外部因素相对不敏感，在焊接过程中的热扩散导致在焊接操作期间组件略微移动。这种后焊接移位导致非常难以实现亚微米对准容限。此外，通常需要诸如激光锻造之类的相对复杂的附加操作，来补偿后焊接移位。
本发明人因此已经意识到需要创造设计，使得最后的固定步骤在显著放松横向对准容限的位置处执行。根据一个实施例，提供一种光学组件，该光学组件包括激光二极管、耦合光学器件、波长转换器件以及多部件安装框架。耦合光学器件包括以放大系数M1形成相对面之一的波导的虚拟放大图像V的第一透镜部件以及以放大系数M2在余下的相对面处形成聚焦图像V的第二透镜部件。第一和第二框架部件彼此紧固使得第一和第二框架部件之间的角偏差沿界面间波导至波导光程外的固定界面H产生。放大系数M1和M2允许放松光学组件中的横向对准容限。最后的对准步骤可在固定界面处执行，以消除或减轻后焊接移位或环氧树脂有关的不稳定性。此外，本文所述的方法可显著增加固定界面处的角对准容限。通过将安装界面设置成接近虚拟图像V或其光学等价物，可显著放松上述角容限。
虚拟放大图像V在光学部件的界面间波导至波导光程的外部。多部件安装框架包括独立地固定第一和第二透镜部件的相对对准的第一和第二框架部件。第一和第二框架部件彼此紧固使得第一和第二框架部件之间的角偏差沿界面间波导至波导光程外的固定界面H产生。虚拟放大图像V和固定界面H均定位在耦合光学器件的同一侧，或者是耦合光学器件的激光二极管侧或者是耦合光学器件的波长转换器件侧。
根据另一个实施例，提供一种光学组件，包括第一光学波导、耦合光学器件、第二光学波导以及多部件安装框架。第一波导、耦合光学器件、第二波导被配置成限定在第一波导和第二波导的相对输入/输出面之间延伸的界面间波导至波导光程。耦合光学器件包括以放大系数M1形成相对面之一的波导的虚拟放大图像V的第一透镜部件以及以放大系数M2在余下的相对面处形成聚焦图像V的第二透镜部件。虚拟放大图像V在界面间波导至波导光程的外部。多部件安装框架包括独立地固定第一和第二透镜部件的相对对准的第一和第二框架部件。第一和第二框架部件彼此紧固使得第一和第二框架部件之间的角偏差沿界面间波导至波导光程外的固定界面H产生。虚拟放大图像V和固定界面H均定位在耦合光学器件的同一侧。由此，通过在固定界面H处执行最后的组件对准步骤，显著放松横向对准容限。
根据又一个实施例，耦合光学器件将光学倍减系数引入界面间波导至波导光程，使得沿固定界面H的光学偏差产生聚焦图像V的以系数1/M2的缩小偏差。
附图简述
特定实施例的以下详细描述可在结合以下附图阅读时被最好地理解，在附图中相似的结构使用相似的附图标记指示，而且在附图中：
图1是根据本公开构想的一个实施例的光学对准的光学组件的示意图；
图2是图1的光学组件中的角偏差的示意图；
图3是不同于图1和2所示的光学组件中的角偏差的示意图；以及
图4是本公开构想的很多替换安装框架配置之一的示意图。
详细描述
首先参照图1，根据构想的一个实施例的光学组件100包括激光二极管10、耦合光学器件20、波长转换器件30以及包括第一和第二框架部件40、42的多部件安装框架。激光二极管10、耦合光学器件20、波长转换器件30被配置成限定在激光二极管10和波长转换器件30的相对输入/输出面12、32之间延伸的界面间的波导至波导光程50。
耦合光学器件20包括第一和第二透镜部件L1、L2，其中之一以放大系数M1形成相对面12、32之一的波导的虚拟放大图像V，而另一个以放大系数M2在余下的相对面12、32处形成聚焦图像V。在所示实施例中，虚拟放大图像V和固定界面H近似共同位于耦合光学器件20的激光二极管侧，但构想到可将耦合光学器件20配置成使得V和H在耦合光学器件20的波长转换器件侧上。在任一情况下，虚拟放大图像V和固定界面H在耦合光学器件20的同一侧上界面间的波导至波导光程50的外部。
参照图1，激光二极管10和第一透镜部件L1均固定到第一框架部件40。此外，波长转换器件30和第二透镜部件L2固定到第二框架部件42。第一和第二透镜部件40、42之间的横向对准容限减小系数M1，该系数M1由第一透镜部件L1的放大系数导出。
如图2所示，多部件安装框架的第一和第二部件40、42独立地固定第一和第二透镜部件L1、L2的相对对准，且彼此紧固使得第一和第二框架部件40、42之间的角偏差沿界面间的波导至波导光程50之外的虚拟光程52中的固定界面H产生。由此，上述角偏差产生虚拟图像V的最小偏差，以帮助保持光学系统的整体光学完整性。相反，参照图3，其中固定界面H在界面间的波导至波导光程50中，第一和第二框架部件40、42之间的小角偏差导致从点V至点V’的虚拟图像的大偏差。
在特定实施例中，耦合光学器件20可将倍减系数引入光学系统。例如，在优选整体为1的放大率的情况下，耦合光学器件的放大器可被设计成接近以下关系：
(M1)(M2)＝-1以及
M2＜1。
由此，沿固定界面H的任何光学偏差将产生聚焦图像V的以系数1/M2的缩小偏差。在不需要1放大率的情况下，可形成类似的关系。
在任何情况下，第一透镜部件L1可包括单个透镜或多个透镜，而第二透镜部件L2可包括单个透镜或多个透镜。此外，为了帮助消除波长转换器件30的波导上的激光二极管10的输出束的任何角偏差，耦合光学器件20可被配置成使得它们是近似远心的，这是其中在不使图像聚焦的情况下传输图像的光学配置。当以此方式传输激光二极管输出束的图像时，如果输出束的角方向在物面中正确对准，则它也将在像面中正确对准，与源的任何横向偏差无关。
如图1和2所示，固定界面H由一对交叉接触面P1和P2限定。第一和第二框架部件40、42例如经由激光焊接沿这些接触面P1、P2的部分彼此紧固。在紧固状态下，接触面P1之一将第一和第二框架部件40、42的相对运动固定成近似平行于界面间波导至波导光程50。另一接触面P2将第一和第二框架部件40、42的相对运动固定成近似垂直于界面间波导至波导光程50。如图2和4所示，固定界面H可垂直于光程50或相对于光程50偏斜，且可被配置成直接贯穿虚拟图像V的位置(参见图2)或从虚拟图像的位置偏移(参见图4)。在固定界面H从虚拟图像V的位置偏移的情况下，通常需要容忍从V至V’的一些偏差，但该偏差仍将大大低于图3所示情况，其中固定界面H穿过界面间的波导至波导光程50。
尽管第一和第二框架部件40、42可采用各种形式，然而在所示实施例中，它们呈现为相对紧密配合的同轴圆柱。同轴圆柱的圆柱形部分可邻接以限定第一接触平面P1。该圆柱可设置有凸缘部45，其可邻接以限定第二接触面P2。
光学组件还可设置有一个或多个自适应执行器，用于激光二极管10、波长转换器件20或耦合光学器件30的部件的机械调节。在光学组件100的操作期间，自适应执行器可用于通过监视光学组件100的经波长转换的输出强度来使光学组件100的经波长转换的输出强度最大化，从而使沿光程的特定调节与最优强度值相互关联。
已详细地并参照其具体实施例描述了本发明，显然在不背离所附权利要求书中所限定的本发明范围的情况下多种修改和变化是可能的。例如，尽管本公开的理念是结合包括相对简洁设计的相对简单的光学器件的光学组件来阐述的，然而可以预见本公开的理念可在多种光学组件中实践，包括那些具有配置成传统光学配置的传统光学元件的各种光学组件、配置在新的或传统光学配置中的附加或更少的光学元件或引入以简化或以其它方式改善所示光学配置的新颖光学元件。在任何情况下，本文所述的概念不应排他地限于具有所示光学配置的应用。
注意，类似“优选”、“普遍”和“通常”之类的术语在本文中采用时不用于限制要求保护的本发明的范围或者暗示某些特征是关键性的、必要的、或甚至对要求保护的本发明的结构或功能而言重要。相反，这些术语仅仅旨在标识本发明的实施例的特定方面，或强调可用于也可不用于本发明的特定实施例的替代或附加特征。
为了描述和定义本发明，注意在本文中采用术语“近似”来表示可归因于任何定量比较、数值、测量值、或其它表示的固有不确定程度。本文利用该术语来表示一定量表征偏离规定参考值的变化程度，但不会在此问题上导致主题的基本功能改变。
注意，所附权利要求中的一项或多项使用术语“其中”作为过渡短语。出于限定本发明的目的，应注意该术语是作为开放式的过渡短语而被引入所附权利要求中的，该开放式的过渡短语用于引入对所述结构的一系列特性的陈述，且应当按照与更常用的开放式前序术语“包括”相似的方式进行解释。

Claims (20)

1.一种光学组件，包括激光二极管、耦合光学器件、波长转换器件以及多部件安装框架，其中：
激光二极管、耦合光学器件、波长转换器件被配置成限定在激光二极管和波长转换器件的相对输入/输出面之间延伸的界面间的波导至波导光程；
耦合光学器件包括以放大系数M1形成相对面之一的波导的虚拟放大图像V的第一透镜部件以及以放大系数M2在余下的相对面处形成聚焦图像V的第二透镜部件；
虚拟放大图像V在界面间波导至波导光程的外部；
多部件安装框架包括独立地固定第一和第二透镜部件的相对对准的第一和第二框架部件；
第一和第二框架部件彼此紧固使得第一和第二框架部件之间的角偏差沿界面间波导至波导光程外的固定界面H产生；以及
虚拟放大图像V和固定界面H均定位在耦合光学器件的同一侧，所述同一侧是耦合光学器件的激光二极管侧或者是耦合光学器件的波长转换器件侧。
2.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，虚拟放大图像V和固定界面H占据界面间波导至波导光程外的虚拟光程。
3.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，虚拟放大图像V和固定界面H近似处于同一位置。
4.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于：
第一透镜部件形成激光二极管的输出面的虚拟放大图像V；
第二透镜部件在波长转换器件的输入面上形成聚焦图像V；以及
第一和第二透镜部件的相应放大系数M1和M2使得第二透镜部件将倍减系数引入耦合光学器件。
5.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于：
第一透镜部件形成波长转换器件的输入面的虚拟放大图像V；
第二透镜部件在激光二极管的输出面上形成聚焦图像V；以及
第一和第二透镜部件的相应放大系数M1和M2使得第二透镜部件将倍减系数引入耦合光学器件。
6.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，耦合光学器件的放大率接近以下关系：
(M1)(M2)＝-1。
7.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，耦合光学器件的放大率接近以下关系：
(M1)(M2)＝-1以及
M2＜1。
8.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，耦合光学器件将光学倍减系数引入界面间波导至波导光程，使得沿固定界面H的光学偏差产生聚焦图像V的以系数1/M2的缩小偏差。
9.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，第一透镜部件包括单个透镜或多个透镜，且第二透镜部件包括单个透镜或多个透镜。
10.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，耦合光学器件是近似远心的。
11.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，固定界面H由一对交叉接触面限定。
12.如权利要求11所述的光学组件，其特征在于：
接触面之一将第一和第二框架部件的相对运动固定成近似平行于界面间波导至波导光程；以及
接触面中的另一个将第一和第二框架部件的相对运动固定成近似垂直于界面间波导至波导光程。
13.如权利要求11所述的光学组件，其特征在于，第一和第二框架部件沿接触面中的至少一个的至少一部分彼此紧固。
14.如权利要求13所述的光学组件，其特征在于，所述第一和第二框架部件经由激光焊接紧固。
15.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述第一和第二框架部件包括同轴圆柱。
16.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述第一和第二框架部件包括有凸缘的同轴圆柱。
17.如权利要求16所述的光学组件，其特征在于：
同轴圆柱的圆柱形部分邻接以限定固定界面H的第一接触面；
同轴圆柱的凸缘部分邻接以限定固定界面H的第二接触面；以及
第一和第二接触面相交。
18.如权利要求17所述的光学组件，其特征在于：
第一接触面将第一和第二框架部件的相对运动固定成近似垂直于界面间波导至波导光程；以及
第二接触面将第一和第二框架部件的相对运动固定成近似平行于界面间波导至波导光程。
19.一种光学组件，包括激光二极管、耦合光学器件、波长转换器件以及多部件安装框架，其中：
激光二极管、耦合光学器件、波长转换器件被配置成限定在激光二极管和波长转换器件的相对输入/输出面之间延伸的界面间的波导至波导光程；
耦合光学器件包括放大系数为M1的第一透镜和放大系数为M2的第二透镜部件；
多部件安装框架包括独立地固定第一和第二透镜部件的相对对准的第一和第二框架部件；
第一和第二框架部件彼此紧固使得第一和第二框架部件之间的角偏差沿界面间波导至波导光程外的固定界面H产生；
固定界面H定位在耦合光学器件的一侧，所述一侧是耦合光学器件的激光二极管侧或者是耦合光学器件的波长转换器件侧；以及
耦合光学器件将光学倍减系数引入界面间波导至波导光程，使得沿固定界面H的光学偏差产生聚焦图像V的以系数1/M2的缩小偏差。
20.一种光学组件，包括第一光学波导、耦合光学器件、第二光学波导以及多部件安装框架，其中：
第一波导、耦合光学器件以及第二波导被配置成限定在第一波导和第二波导的相对输入/输出面之间延伸的界面间波导至波导光程；
耦合光学器件包括以放大系数M1形成相对面之一的波导的虚拟放大图像V的第一透镜部件以及以放大系数M2在余下的相对面处形成聚焦图像V的第二透镜部件；
虚拟放大图像V在界面间波导至波导光程的外部；
多部件安装框架包括独立地固定第一和第二透镜部件的相对对准的第一和第二框架部件；
第一和第二框架部件彼此紧固使得第一和第二框架部件之间的角偏差沿界面间波导至波导光程外的固定界面H产生；以及
虚拟放大图像V和固定界面H均定位在耦合光学器件的同一侧。
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