CN102449521A - 包括激光源和化合物面波长转换器件的近耦合无热光学封装 - Google Patents

包括激光源和化合物面波长转换器件的近耦合无热光学封装 Download PDF

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CN102449521A CN2010800238217A CN201080023821A CN102449521A CN 102449521 A CN102449521 A CN 102449521A CN 2010800238217 A CN2010800238217 A CN 2010800238217A CN 201080023821 A CN201080023821 A CN 201080023821A CN 102449521 A CN102449521 A CN 102449521A
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Abstract

本公开的具体实施例使SHG晶体或其它类型的波长转换器件(20)与激光源(10)紧密接近，以消除对耦合光学器件的需要，减少封装组件的数量并降低封装体积。根据本公开的一个实施例，提供一种光学封装(100)，包括激光源(10)和波长转换器件(20)。激光源(10)被定位成使得该激光源(10)的输出面(12)近耦合于波长转换器件(20)的输入面(22，24)的波导部分(30)。波长转换器件(20)的输入面(22，24)包括α切面(22)和β切面(24)。输入面的α-切面(22)相对于波长转换器件(20)的波导轴以水平角α定向，以允许激光源(10)的输出面(12)和波长转换器件(20)的输入面(22，24)的近耦合。输入面(22，24)的β-切面(24)相对于波长转换器件(20)的波导轴以水平角β定向，以与波长转换器件(20)的水平倾斜角φ配合，以减少从波长转换器件(20)的输入面(22，24)进入激光源(10)的背反射。公开了另外一些实施例。

Description

包括激光源和化合物面波长转换器件的近耦合无热光学封装
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年5月26日提交的美国申请No.12/471,666的优先权。
背景
本公开涉及经频率转换的激光源、激光投影系统，尤其涉及在诸如蜂窝电话、PDA、膝上型计算机等应用中用于激光源和多色激光投影仪的光学封装配置。
发明内容
本发明人已经认识到经频率转换的激光源和多色激光投影仪必须紧凑以便用于很多投影应用。该目标在需要三个独立颜色源(红、绿、蓝)的多色投影系统中尤其具有挑战性。尽管红色和蓝色源相当紧凑，然而经频率转换的绿色激光源在该方面尤其具有挑战性，因为它们通常利用IR激光源和二次谐波发生(SHG)晶体或一些其它类型的波长转换器件。有源和无源耦合光学器件通常用于确保IR泵浦光与SHG晶体波导的适当对准。封装还可包括用于在宽温度范围上增强机械稳定性的硬件。这些组件共同地增加总封装体积和操作复杂性。
本公开的具体实施例使SHG晶体或其它类型的波长转换器件与激光源紧密接近，以消除对耦合光学器件的需要，减少封装组件的数量并降低封装体积。该封装还被设计成在宽操作温度范围内无源地无热。根据本公开的一个实施例，提供一种光学封装，包括激光源和波长转换器件。激光源被定位成使得该激光源的输出面近耦合(proximity-couple)于波长转换器件输入面的波导部分。波长转换器件的输入面包括α-切面和β-切面。输入面的α-切面相对于波长转换器件的波导以水平角α定向，以允许激光源的输出面和波长转换器件的输入面的近耦合。输入面的β-切面相对于波长转换器件的波导以水平角β定向，以与器件的水平倾斜角配合，来减少从波长转换器件的输入面进入激光源的背反射。公开了另外一些实施例。
附图简述
本公开的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，在附图中类似的结构以类似的附图标记指示，而且在附图中：
图1和2示出根据一个实施例的近耦合的光学封装；
图3A和3B是在与图1和2所示的光学封装相似的光学封装中提供波长转换器件的另一个替换方案的示意性俯视图；
图4A-4D是示出在与图1和2所示的光学封装相似的光学封装中波长转换器件垂直倾斜的方式的示意性正视图；
图5和6示出根据实施例的光学封装，其中激光源和波长转换器件设置在包括用于波长转换器件的安装槽的共同基板上；
图7-10示出根据实施例的光学封装，其中波长转换器件由提升基板支承；以及
图11-14示出根据实施例的光学封装，其中激光源和波长转换器件由包括悬挂狭槽的共同衬底支承。
详细描述
首先参考图1和图2，示出了根据本公开的一个实施例的光学封装100。图1示出包括激光源10和波长转换器件20的光学封装100。波长转换器件20包括由α-切面22和β-切面24形成的输入面、输出面26和从输入面延伸至输出面26的波导30。激光源10被定位成使得该激光源10的输出面12近耦合于波长转换器件20的输入面的波导部分。
为了描述和限定本公开，注意到，当激光源的输出面和波长转换器件的输入面的接近是将来自激光源的光学信号耦合到波长转换器件的波导的主要机制时，可将激光源视为“近耦合”于波长转换器件。典型的近耦合封装在激光源和波长转换器件的光路中将不采用准直、聚焦或其它类型的耦合光学器件，尽管可构想到一些近耦合封装可在激光器和波长转换器件之间采用相对次要的光学元件，诸如光学薄膜、保护性元件、校正透镜、滤光器、光学漫射器等。在任何情况下，对于近耦合封装，可构想到激光器和波长转换器件的接近将负责从激光器耦合到波长转换器件的光强的至少30％。
图2更详细地示出波长转换器件20的输入面，其中以相似的附图标记指示相似的结构。如上所述，波长转换器件的输入面包括α切面22和β切面24。输入面的α-切面22相对于波长转换器件20的波导30以水平角α定向，以允许激光源10的输出面12和波长转换器件20的输入面的近耦合。输入面的β-切面24相对于波长转换器件20的波导30以水平角β定向，并且与水平倾斜角φ配合，以减少从波长转换器件20的输入面进入激光源10的背反射，这通常由从波导的输入面向后反射至激光源输出面的接受光锥的光所导致。
为了促进上述近耦合，应将角α和角β选择成满足以下关系：
α＜180°-β＜φ。
如图2、3A和3B所示，其中以相似附图标记指示相似结构，并且波导30相对于激光源10的输出面12以水平倾斜角φ定向，以进一步增强近耦合，沿来自波导30的共同方向测量，α-切面22的角α通常被确立为小于水平倾斜角φ的值。或者，可能仅仅足以确保α-切面22、β-切面24或两者相对于波长转换器件20的波导30定向为锐角，为了描述和限定本公开，该锐角是小于90°的角。例如，但并非作为限制，水平倾斜角φ可落在约75°和约85°之间，α-切面22的角α可比水平倾斜角φ小约10°至约15°，而β-切面24的角β可约为80°。为了最优光耦合到波导，角φ和β是相关的，且可由公知的折射公式确定。
不管为角α和角β选择的具体角度如何，α-切面22和β-切面24将在输入面上形成顶点28。如图3B所示，顶点28与输入面的波导部分间隔开小于约20μm的波导间隔y。此外，顶点28与激光源10的输出面12间隔开界面间隔x，该界面间隔x可在小于约5μm的量级上。在所示的实施例中有利于近耦合，因为角α和β的相对符号和大小提供空出的体部25，该空出的体部25原本存在于不包括α-切面22的波长转换器件中。在近耦合封装中，空出的体部25(其边界在图2中以虚线示出)分离激光源10的输出面12，并且示出α-切面22增强近耦合的程度。换句话说，α-切面22去除波长转换器件20中原本会对紧密近耦合造成物理阻碍的部分。该去除部分在图2中示为空出的体部25。可通过将波导放置成更接近波长转换器件的适当边缘来最小化该去除部分。
激光源10优选地在不使用中间光学组件的情况下近耦合于波长转换器件20的波导30部分。为了描述和限定本公开，注意到“中间光学组件”是其光学性质不是支持激光源或波长转换器件的功能所必须的那些组件。例如，中间光学组件可包括定位在激光源和波长转换器件之间的光路中的准直或聚焦透镜，但可不包括形成在激光器的输出面上或波长转换器件的输入面上的抗反射或反射涂层。
在图2和3A的实施例中，波长转换器件的输出面26定向成匹配β-切面24的角β。或者，如图3B所示，构想到波长转换器件20的输出面26可包括与波长转换器件的输入面的α-切面和β-切面成镜像的另一对面。
图4A-4D是示出波长转换器件20在光学封装100中垂直倾斜以补充激光源10输出面12的相应倾斜的方式的示意性正视图。更具体地，共同参考图4A-4D，在一些应用中，激光源10的输出面12将相对于激光源10的光轴15定向成仰角δ。该角度通常约为几度，但在图4A-4D中为了图示的目的而放大。类似地，波长转换器件20的输入面将相对于波长转换器件的波导定向成仰角θ。该仰角θ通常超过90°，但可根据选择用于光学封装的特定波长转换器件20而采用各种值，包括图4B中所示的直角。输入面的仰角θ和波长转换器件20的垂直倾斜角γ(相对于光轴15获取的)被选择成至少部分地补偿由激光输出面角δ引入的光学失准。这些角度通过折射公式相关，且取决于激光二极管和波长转换器件的折射率和角度。
现在参照图4B-4D，在一些实施例中为了进一步促进近耦合，优选的是为波长转换器件20的输入面提供相对于波导30定向成仰角ω的ω-切面29。ω-切面29与图1-3的α-切面22的功能类似之处在于它去除波长转换器件20中原本会对紧密近耦合造成物理阻碍的部分。例如，参见图4B中示出的空出的体部25。
为了帮助维持波长转换器件20和激光源10由独立层叠支承的近耦合光学封装中的最优光学耦合，可使独立层叠的相应热膨胀系数匹配，以解决相应层叠的热膨胀，否则当光学封装在正常操作期间经受温度偏移时将导致激光源10和波长转换器件20之间的耦合效率损失。在很多情况下，使本文示出的近耦合光学封装无热不困难，因为没有耦合光学器件允许减小的层叠高度，使得更易于使独立层叠的相应热膨胀系数匹配。
例如，参考图1，其中激光源10由激光器层叠11支承，且波长转换器件20由转换器层叠21支承，可通过确保两个独立层叠11、21的相应热膨胀系数匹配来使光学封装100无热。例如，在一个实施例中，在光学封装100的操作温度范围内两个独立层叠11、21的热膨胀系数匹配在约0.5μm内，或者更佳地在0.1μm内。在其它示例中，激光器层叠11可包括氮化铝、Au金属化垫和钼，而转换器层叠21可包括硅。为了限定和描述本公开，注意到“层叠”可包括任何数量的层。另外，构想到，热膨胀系数的匹配程度可根据耦合效率的期望程度来增加或降低。
图1还示出下热孔50来减小光学封装100操作期间在波长转换器件20内形成的热梯度。因为激光源10近耦合到波长转换器件20，所以尤其在光学封装100被动冷却时(例如，通过自然对流)，由于波长转换器件20的输入面和输出面26之间的温度差而沿波长转换器件20的长度引起显著的热梯度。这些热梯度通过使相匹配波长移出基波激光的光谱带宽而降低波长转换器件20的效率。如图1所示，可在波长转换器件20的输入面附近设置下热孔50，以帮助热隔离波长转换器件20的输入端，并减小沿波长转换器件20的操作热梯度。
无热化的另一个示例在图5和6的实施例中示出，其中波长转换器件20和激光源10由包括安装槽72的共同衬底70支承。安装槽72包括渐缩壁部分74和最小横向尺寸z，该横向尺寸z超过波长转换器件20的相应横向尺寸z′，使得当波长转换器件20定位在渐缩壁部分74之间的安装槽72中时，纵向间隙76在波长转换器件20和安装槽之间延伸。纵向定向的结构78定位在安装槽72的渐缩壁部分74和波长转换器件20的侧面之间。为了描述和限定本公开，注意到，纵向指的是从波长转换器件20的输入面至波长转换器件20的输出面26的方向。
在图5和6的实施例中，纵向定向的结构78可包括单个纵向结构，如圆柱，或一系列纵向布置的分立元件，如一系列球，并且用于在粘合剂的帮助下将波长转换器件20固定在光学封装100中。纵向定向的结构78可以是任何材料，诸如金属、熔融氧化硅等，并且通常对称地布置在波长转换器件20的两侧上。在粘合剂固化期间由粘合剂收缩导致的任何类型的移动在所示类型的配置中通常会被抵消。此外，所提出的技术需要最小的粘合剂，同时提供稳固接合。它还实现接近零间隙的近耦合，且可用于各种光学封装配置。共同衬底可包括含有但不限于钼、铜钨、“410”不锈钢等的材料。除金属外，还构想到绝缘体或介电材料用于实现上述无热化。
在图7-10的实施例中，波长转换器件20由固定至提升衬底60的输入端氧化硅提升件62和输出端氧化硅提升件64支承。输入端氧化硅提升件62和输出端氧化硅提升件64配置成有助于热隔离波长转换器件20，并且相对于激光源10的输出面12垂直倾斜波长转换器件20的输入面。如图10中最清楚地示出，输入端氧化硅提升件62可固定在形成于提升衬底60中的凹入部分66中。由本公开构想到凹入部分66还与输出端氧化硅提升件64的形状互补。由本公开进一步构想到输入端氧化硅提升件62和输出端氧化硅提升件64可由改进无热化的任何材料制成。
在图11-14的实施例中，波长转换器件20和激光源10由包括悬挂狭槽82的共同衬底80支承。波长转换器件20通过悬桥对84悬挂在悬挂狭槽82内，每个悬桥通过例如热绝缘粘合剂、激光焊接点或其它固定方式固定至波长转换器件20并且在悬挂狭槽82的相对两侧上固定至衬底80。图11-14的悬挂构造有助于热隔离波长转换器件20，并且提供使光学封装100无热化的有效方式。此外，构想到，悬桥84可在衬底80内制造的孔、狭槽或其它类型的凹槽内附连至衬底80。如果为凹槽内的桥84提供足够的间隙，则可通过允许调节波长转换器件20的对准来使制造更有效率。
悬桥84可由具有足够热膨胀系数的任何材料制造，诸如钢，并且可具有各种横截面形状，例如圆柱形，使得悬桥84可在组装期间自调节。这种自调节的示例是在激光源10和波导30的最初对准期间悬桥84的旋转。悬桥84还可是各种形状中的任一种，包括具有大曲率半径的形状，诸如所示的“Ω”形、正方“U”形等。
悬桥84特别有优势，因为它们能够被配置成允许相对于激光源10在至少两个自由度上对准波长转换器件20。此外，悬桥84能够被配置成使得当在悬桥84中发生温度偏移时，由桥84中热膨胀的纵向分量生成的力沿波导30的纵向维度相互抵消，从而基本实现在纵向上的无热化。
悬桥84还能够被配置成使得当桥84和波长转换器件20中发生温度偏移时，悬桥84在垂直于波导30的纵向维度的方向上的位移抵消波长转换器件20在相反方向上的位移。
还应注意，本文中对本公开的部件以特定方式“配置”以使特定属性具体化、或以特定方式起作用的叙述都是结构性的叙述，与期望用途的叙述相反。更具体地，本文所提到的部件被“配置”的方式表示该部件的现有物理状态，因此，它应被理解为对部件的结构特性的明确陈述。
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发明的范围或者暗示某些特征对要求保护的发明的结构或功能而言是关键性的、必要的、或甚至重要的。相反，这些术语仅仅旨在标识本公开的实施例的特定方面，或强调可用于也可不用于本公开的特定实施例的替代或附加特征。
为了描述和限定本公开，注意在本文中利用术语“基本上”和“大约”来表示可归因于任何数量比较、值、测量或其它表示的固有不确定度。还在此采用术语“基本上”和“大约”以表示数量表示可不同于规定参考值而不在此问题上导致本主题的基本功能改变的程度。
已参照本公开的具体实施例详细地描述了本公开的主题，但显然多种修改和变化是可能的，且不背离所附权利要求书中所限定的发明的范围。更具体地，虽然本公开的某些方面在本文中被标识为优选的或特别有优势的，但可构想本公开不一定限于这些方面。
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)

1.一种光学封装，包括激光源和波长转换器件，其中：
所述波长转换器件包括输入面、输出面和从输入面延伸至输出面的波导；
所述激光源被定位成使得所述激光源的输出面近耦合于波长转换器件的输入面的波导部分；
所述波长转换器件的波导相对于激光源的输出面以水平倾斜角φ定向；
所述波长转换器件的输入面包括α切面和β切面；
所述输入面的α-切面相对于波长转换器件的波导以水平角α定向，以允许激光源的输出面和波长转换器件的输入面的近耦合；
所述输入面的β-切面相对于波长转换器件的波导以水平角β定向，并且与水平倾斜角φ配合，以减少从波长转换器件的输入面进入激光源的背反射；以及
α＜180°-β＜φ。
2.如权利要求1所述的光学封装，其特征在于：
所述激光源限定光轴，并且所述激光源的输出面相对于光轴以仰角δ定向。
波长转换器件的输入面相对于波长转换器件的波导以仰角θ定向；
所述波长转换器件的波导相对于激光源的光轴以垂直倾斜角γ定向；以及
仰角θ和垂直倾斜角γ被选择成至少部分地补偿由激光输出面角δ引入的光学失准。
3.如权利要求2所述的光学封装，其特征在于，所述波长转换器件的输入面还包括相对于波长转换器件的波导以仰角ω定向的ω-切面，以允许激光源的输出面与波长转换器件的输入面的近耦合。
4.如权利要求1所述的光学封装，其特征在于，输入面的α-切面相对于波长转换器件的波导以锐角α定向。
5.如权利要求1所述的光学封装，其特征在于，输入面的β-切面相对于波长转换器件的波导以锐角β定向。
6.如权利要求1所述的光学封装，其特征在于：
输入面的α-切面相对于波长转换器件的波导以锐角α定向；以及
输入面的β-切面相对于波长转换器件的波导以锐角β定向。
7.如权利要求1所述的光学封装，其特征在于，波长转换器件的输出面包括与波长转换器件的输入面的α-切面和β-切面成镜像的另一对面。
8.如权利要求1所述的光学封装，其特征在于：
所述激光源被定位成使得所述激光源的输出面通过界面间隔x近耦合于波长转换器件的输入面的波导部分；
所述波长转换器件的波导相对于激光源的输出面以水平倾斜角φ定向；
角α和β的相对符号和大小在波长转换器件的输入面处提供空出的体部；以及
水平倾斜角φ和界面间隔x使得空出的体部分离激光源的输出面。
9.如权利要求1所述的光学封装，其特征在于，所述激光源在不使用中间光学组件的情况下近耦合于波长转换器件的波导部分。
10.如权利要求1所述的光学封装，其特征在于，所述激光源通过小于约20μm或小于约10μm的接近间隔x近耦合于波长转换器件的波导部分。
11.如权利要求1所述的光学封装，其特征在于：
所述波长转换器件和激光源由独立层叠支承；以及
独立层叠的相应热膨胀系数在所述光学封装的操作温度范围内匹配在约0.1μm和约0.5μm内。
12.如权利要求1所述的光学封装，其特征在于，在支承波长转换器件的基底中形成下热孔，以热隔离波长转换器件的输入端并降低沿波长转换器件的操作热梯度。
13.如权利要求1所述的光学封装，其特征在于：
波长转换器件和激光源由包括安装槽的共同衬底支承；
共同衬底的安装槽包括渐缩壁部分和最小横向尺寸，所述最小横向尺寸超过波长转换器件的相应横向尺寸，使得当波长转换器件定位在渐缩壁部分之间的安装槽中时，纵向间隙在波长转换器件和安装槽之间延伸；以及
纵向定向的结构定位在安装槽的渐缩壁部分和波长转换器件的横向侧面之间。
14.如权利要求1所述的光学封装，其特征在于：
所述波长转换器件由固定到提升衬底的输入端氧化硅提升件和输出端氧化硅提升件支承；以及
所述输入端氧化硅提升件和输出端氧化硅提升件被配置成使波长转换器件的输入面相对于激光源的输出面倾斜。
15.如权利要求1所述的光学封装，其特征在于：
所述波长转换器件和激光源由包括悬挂狭槽的共同衬底支承；
所述波长转换器件通过悬桥对悬挂在悬挂狭槽内，每个悬桥在悬挂狭槽的相对两侧上固定至衬底；以及
所述悬桥被配置成允许相对于激光源在至少两个自由度上对准波长转换器件。
16.如权利要求15所述的光学封装，其特征在于，所述悬桥被配置成使得当在悬桥中发生温度偏移时，由悬桥中热膨胀的纵向分量生成的力沿波导的纵向维度相互抵消。
17.如权利要求15所述的光学封装，其特征在于，所述悬桥被配置成使得当悬桥和波长转换器件中发生温度偏移时，悬桥在波导的垂直维度上的位移抵消波长转换器件在相反方向上的位移。
18.一种光学封装，包括激光源和波长转换器件，其中：
所述波长转换器件包括输入面、输出面和从输入面延伸至输出面的波导；
所述激光源被定位成使得所述激光源的输出面近耦合于波长转换器件的输入面的波导部分；
波长转换器件和激光源由包括安装槽的共同衬底支承；
共同衬底的安装槽包括渐缩壁部分和最小横向尺寸，所述最小横向尺寸超过波长转换器件的相应横向尺寸，使得当波长转换器件定位在渐缩壁部分之间的安装槽中时，纵向间隙在波长转换器件和安装槽之间延伸；
纵向定向的结构定位在安装槽的渐缩壁部分和波长转换器件的横向侧面之间。
19.一种光学封装，包括激光源和波长转换器件，其中：
所述波长转换器件包括输入面、输出面和从输入面延伸至输出面的波导；
所述激光源被定位成使得所述激光源的输出面近耦合于波长转换器件的输入面的波导部分；
所述波长转换器件由固定到提升衬底的输入端氧化硅提升件和输出端氧化硅提升件支承；以及
所述输入端氧化硅提升件和输出端氧化硅提升件被配置成使波长转换器件的输入面相对于激光源的输出面倾斜。
20.一种光学封装，包括激光源和波长转换器件，其中：
所述波长转换器件包括输入面、输出面和从输入面延伸至输出面的波导；
所述激光源被定位成使得所述激光源的输出面近耦合于波长转换器件的输入面的波导部分；
所述波长转换器件和激光源由包括悬挂狭槽的共同衬底支承；
所述波长转换器件通过悬桥对悬挂在悬挂狭槽内，每个悬桥在悬挂狭槽的相对两侧上固定至衬底；以及
所述悬桥被配置成允许相对于激光源在至少两个自由度上对准波长转换器件。
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