CN102472876B - 激光模块 - Google Patents

Abstract

激光模块(1)包括激光源(2)和利用树脂胶(34)接合至衬底(4)的表面的透镜(3)，该树脂胶包括无机填料颗粒(341)。为了限制由于树脂胶包含无机填料造成的光学特性的下降，透镜本体(31)的宽度(d)和无机填料(341)沿着与衬底的表面垂直的方向的高度设定为，使得当无机填料(341)位于透镜本体(31)的宽度方向的中央时，准直透镜(3)的倾斜角不超出最大可容许倾斜角，例如2度。由此，即使当无机填料(341)插入准直透镜(3)的底面与衬底(4)的顶面之间时，可限制激光模块的光学特性的下降，该光学特性的下降包括激光的光轴的偏斜和激光的光束形状的变形。

Description

激光模块

技术领域

本发明涉及一种激光模块，所述激光模块包括透镜，该透镜准直或聚焦从激光源发射的激光。下列日本专利申请的内容通过引用并入本文：

2010年5月11号提交的第2010-109207号日本专利申请。

背景技术

设有准直或聚焦从激光源发射的激光的透镜的传统激光模块是已知的。在这样的传统激光模块中，透镜以入射面和出射面露出的方式保持在金属框架中，并且通过焊接将金属框架固定至衬底。然而，金属框架使得难以降低激光模块的成本和尺寸。因此，最近的透镜不使用金属框架，而是使用树脂胶附接至衬底(例如参见专利文献1和2)。

专利文献1：第2006-301597号日本特许公开专利申请

专利文献2：第2004-126319号日本特许公开专利申请

发明内容

一些树脂胶包括主要成分是无机材料的填料(分散粒子)，以调节用于将透镜附接至衬底的树脂胶的特性，例如线性膨胀系数、固化收缩和导热率。然而，当使用包含这种填料的树脂胶时，在透镜的接合表面与衬底的顶面之间的填料的插入使得透镜被接合为其相对于与衬底的表面垂直的方向倾斜。如果接合的透镜相对于与衬底的表面垂直的方向的倾斜角超出可容许角(在下文中为“可容许倾斜角”)，激光的光轴变得不齐并且激光的光束轮廓变得扭曲，使得激光模块的光学特性下降。因此，需要提供一种这样的激光模块，该激光模块可抑制由于树脂胶包含无机填料而造成的光学特性的下降。

鉴于上述问题实现本发明，并且本发明的目的是提供一种激光模块，该激光模块可抑制由于树脂胶包含无机填料而造成的光学特性的下降。

为了解决上述问题并实现该目的，根据本发明的一个方面，提供一种激光模块，该激光模块包括：激光源，所述激光源发射激光；和透镜，所述透镜利用树脂胶接合至衬底的表面。所述透镜准直或聚焦从所述激光源发射的激光。所述树脂胶包括主要成分为无机材料的填料。所述填料沿着与所述衬底的表面垂直的方向的高度h满足：

其中d是所述透镜的接合表面沿着所述激光的光轴的方向的宽度，且θ_max是所述透镜的可容许倾斜角。

在上述激光模块中，当所述透镜的接合表面宽度d不小于0.5毫米且不大于1毫米时，所述填料的高度h可小于或等于8微米。

所述填料可包括作为主要成分的、选自如下物质的无机材料：SiO₂、Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂、Al₂O₃、AlN、BN和TiO₂。

所述填料具有球形、磷片状、板状或粉碎块状。

所述填料在所述树脂胶中的含量按重量百分比计可大于或等于25％。

所述树脂胶可包括作为主要成分的、选自以下物质的树脂材料：环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂和硅树酯。

所述激光源可以是分布反馈式半导体激光元件。

所述激光源可以是分布反射镜半导体激光元件。

所述激光源可以是通过集成多个纵向单模半导体激光元件、半导体光放大器和复用器而形成的阵列型半导体激光元件，所述半导体光放大器放大从所述纵向单模半导体激光元件发射的激光，所述复用器将从所述纵向单模半导体激光元件发射的激光引导至所述半导体光放大器。

所述透镜可以准直所述激光并出射准直的激光。所述激光模块还可包括接收所述准直的激光的聚焦透镜。可基于所述透镜和所述聚焦透镜之间的距离、所述激光被所述聚焦透镜接受的接受区域的直径和所述激光的光点直径中的一个或多个，确定可容许倾斜角θ_max。

当所述激光的光点直径为0.5毫米并且可容许入射区域的直径为1.55毫米时，所述透镜和所述聚焦透镜之间的距离可以为15毫米。

技术效果

根据本发明的激光模块可限制由于树脂胶包含无机填料而造成的光学特性的下降。

附图说明

图1是从上方观察的根据本发明的第一实施方式的激光模块的剖视示意图。

图2是如图1所示的激光源的结构的示意图。

图3示出如图1所示的准直透镜的示例性构造。

图4是用于获取无机填料沿着垂直于衬底表面的方向的可容许高度的方法示意图。

图5是朝着出射表面倾斜的准直透镜的示意图。

图6是朝着入射表面倾斜的准直透镜的示意图。

图7示出了当准直透镜的可容许倾斜角为2度时透镜宽度与填料的可容许高度之间的关系。

具体实施方式

下文参照附图详细地描述本发明的示例性实施方式。

图1和图2用于描述根据本发明的第一实施方式的激光模块1的结构。

图1是从上方观察的激光模块1的剖视示意图。图2是如图1所示的激光源2的结构的示意图。在该说明书中，在水平面内发射激光的方向，即光轴的方向定义为X轴，在水平面内垂直于X轴的方向定义为Y轴，并且垂直于水平的XY面的方向，即竖直方向定义为Z轴。

如图1所示，激光模块1包括激光源2、准直透镜3、衬底4、分束器5、光强监测光电二极管6、标准滤光器7、波长监测光电二极管8、底板9、匹尔特设备10、光隔离器11、聚焦透镜12以及容纳所有这些构件的壳体13。

如图2所示，激光源2包括半导体激光阵列21、波导管22、复用器23、波导管24、半导体光放大器(SOA)25以及弯曲波导管26。激光源2是将上述构件集成在单个衬底上形成的阵列型半导体激光元件。

半导体激光阵列21包括形成为条形的多个纵向单模半导体激光元件(在后文中为“半导体激光元件”)211，以从前端面发射具有不同波长的激光。半导体激光元件211是分布反馈式(DFB)激光元件，并且其振荡波长可通过调节所述元件的温度而被控制。

更具体地说，每个半导体激光元件211的振荡波长可以在例如从大约3纳米至4纳米的范围内变化。半导体激光元件211设计成使得其振荡波长之间具有大约3纳米至4纳米的间隔。因此，通过切换半导体激光元件211并控制半导体激光元件211的温度，半导体激光阵列21可发射激光LB，该激光LB的波长区在比单个半导体激光元件更宽的频宽上连续。

通过将振荡波长可在3纳米至4纳米的范围内变化的十个或更多个半导体激光元件211集成在一起，激光的波长可在30纳米或更大的波长区内变化。因此，这十个或更多个半导体激光元件211可覆盖用于WDM通信的整个波长区，例如其可以是从1.53微米至1.56微米的C频段，或是从1.57微米至1.61微米的L频段。

为每个半导体激光元件211提供波导管22，该波导管22将从相应的半导体激光元件211发射的激光LB引导至复用器23。复用器23例如可以是多模干涉(MMI)耦合器，其将来自波导管22的激光LB引导至波导管24。波导管24将来自复用器23的激光LB引导至半导体光放大器25。半导体光放大器25将波导管24引导的激光LB放大，并将放大的激光LB引导至弯曲波导管26。

弯曲波导管26以相对于发射端面大约7度的角，发射由半导体光放大器25沿X轴方向引导的激光LB。激光LB相对于发射端面形成的角度优选地调节为6度至12度的范围。由此，较少的光朝着半导体激光阵列21反射。

下文基于图1描述激光模块1的结构。准直透镜3布置在激光源2的发射端面附近。准直透镜3使从激光源2发射的激光LB准直，并且将准直的激光LB引导至分束器5。在衬底4水平安装表面(即XY面)上装载激光源2和准直透镜。

分束器5透射来自准直透镜3的激光LB的一部分，并将该部分激光引导至光隔离器11。分束器5朝着光强监测光电二极管6和标准滤光器7分离来自准直透镜3的激光LB的其余部分，即没有被分束器5透射的部分。光强监测光电二极管6检测由分束器5分离的激光LB的光强。光强监测光电二极管6将与检测的光强相对应的电信号输入到与激光模块1连接的控制设备。

标准滤光器7具有与激光LB的波长有关的周期透射特性，并选择性地透射具有与所述透射特性相对应的光强的激光LB，以输入至波长监测光电二极管8。波长监测光电二极管8检测从标准滤光器7输入的激光LB的光强，并将与检测的光强对应的电信号输入至控制设备。由光强监测光电二极管6和波长监测光电二极管8检测的激光LB的光强由控制设备使用以执行波长锁定控制。

具体地说，激光模块1由控制设备控制，以通过控制半导体光放大器25的驱动电流来执行波长锁定控制，使得由光强监测光电二极管6检测的激光LB的光强与由波长监测光电二极管8检测的激光的光强的比率与当激光LB的振荡波长和光强为预期值时获得的比率匹配。而且，激光模块1通过控制设置在激光源2和衬底4之间的匹尔特设备(未示出)而调节激光源2的温度。利用上述结构，激光模块1可控制激光LB的振荡波长和光强为预期值。

底板9具有在XY面内的水平安装表面，在该安装表面上装载有衬底4、分束器5、光强监测光电二极管6、标准滤光器7和波长监测光电二极管8。匹尔特设备10具有在XY面内的水平安装表面，底板9装载在该安装表面上。匹尔特设备10经由底板9和衬底4来冷却激光源2，并且通过经由底板9调节标准滤光器7的温度来控制标准滤光器7的选定波长。光隔离器11限制从光纤14反射回的光与激光LB重新组合。聚焦透镜12将由分束器5透射的激光LB在光纤14中组合，以供输出。

下面参照图3描述准直透镜3的结构。图3示出了准直透镜3的示例性构造。如图3所示，准直透镜3是双面透镜，该双面透镜包括：透镜本体31，其具有长方体形，在激光LB的光轴的方向上的宽度为d；透镜部分32，其形成在透镜本体31的入射激光LB的一侧；和透镜部分33，其形成在透镜本体31的发射激光LB的一侧。准直透镜3由比如玻璃、晶体、金刚石、红宝石之类的材料制成。

准直透镜3使用树脂胶34固定至衬底4的表面，树脂胶34包含主要成分为无机材料的无机填料341。树脂胶34将透镜本体31的底面接合至衬底4的顶面。无机填料341优选地包括作为其主要成分的、选自以下的无机材料：SiO₂、Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂、Al₂O₃、AlN、BN和TiO₂。无机填料341的形状优选地为球形、磷片状、板状或粉碎块状。

树脂胶34中的无机填料341含量按重量百分比计优选地不少于25％且不大于95％。为了调节树脂胶34的特性，例如固化收缩率、线性热膨胀系数和导热系数，无机填料341的含量按重量百分比计必须为25％或更多。另一方面，如果无机填料341的含量按重量百分比计大于95％，则树脂胶34的粘度变得太大，这降低了可使用性，并且树脂胶34变得脆弱，这降低粘附性。树脂胶34优选地包括作为其主要成分的、选自以下的树脂材料：环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂和硅树酯。

在具有上述结构的激光模块1中，以如下所示的方式设定无机填料341沿着垂直于衬底4的表面的方向(Z轴方向)和垂直于激光LB的光轴的方向的可容许高度，防止了准直透镜3相对于与衬底4的表面垂直的方向超出可容许的角度范围，所述角度范围定义使激光LB的光轴的倾斜和激光LB的光束形状的变形落在可容许的范围内的角度。下面参照图4至图6描述无机填料341的可容许高度。

图4至图6是用于描述用于获取无机填料341在与衬底4的表面垂直的方向上的可容许高度的方法的示意图。如图4所示，可想到这样的状况：一种无机填料341设在透镜本体31的接合表面(底面)与衬底(未示出)之间。在下面的描述中，在X轴方向上，透镜本体31的入射表面侧311定位在X＝0处，透镜本体31的出射表面侧312定位在X＝d处，并且无机填料341定位在X＝x处，该X轴方向是透镜本体31的宽度方向。

在该状态下，如图5所示，将无机填料341从透镜本体31的入射表面侧311移动至更靠近宽度方向的中央(X＝1/2d)使得准直透镜3朝着出射表面倾斜，并且倾斜角θ增加。当无机填料341移动超出透镜本体31的宽度方向的中央时，准直透镜3朝着入射表面倾斜，如图6所示，并且倾斜角θ减小。因此，当无机填料341位于宽度方向的中央时准直透镜3的倾斜角θ为最大值。

因此，通过设定无机填料341沿着垂直于衬底4的方向的可容许高度h和透镜本体31的接合表面宽度d，使得当无机填料341靠近宽度方向的中央时，准直透镜3的倾斜角θ不超出可容许最大倾斜角θ_max，即使当无机填料341插入准直透镜3的底面与衬底4的顶面之间时，也可限制激光模块1的光学特性的下降。

具体地，如从图5和图6中了解的，准直透镜3的倾斜角θ的正弦值sinθ可以如下所示的表达式(2)表示。因此，准直透镜3的倾斜角θ的最大可容许倾斜角θ_max的正弦值sinθ_max可以如下所示的表达式(3)表示。因此，通过以满足如下所示的表达式(4)的方式设定无机填料341的沿着垂直于衬底4的表面的方向的可容许高度h，即使当无机填料341插入准直透镜3的底面与衬底4的顶面之间，可限制激光模块1的光学特性的下降。

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{h}{d-x}\·\·\·\left(2\right)$

$\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }=\frac{h}{\frac{d}{2}}=\frac{2h}{d}\·\·\·\left(3\right)$

$h\≤\frac{d}{2}\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }\·\·\·\left(4\right)$

基于严密研究的结果，本发明的发明人发现准直透镜3相对于与衬底4的表面垂直的方向倾斜2度使得激光LB的光束变形严重并且光轴偏斜严重，这导致激光模块1的光学特性的下降。当最大可容许倾斜角θ_max是2度时，表达式(4)可用于计算准直透镜3的接合表面宽度d与无机填料341的可容许高度h之间的关系，如图7所示。因此，当最大可容许倾斜角θ_max是2度时，通过基于如图7所示的关系设定准直透镜3的接合表面宽度d和无机填料341的可容许高度h，可限制激光模块1的光学特性的下降。

更具体地说，当准直透镜3的接合表面宽度d设定为不小于0.5毫米且不大于1.0毫米以使激光模块1小型化时，通过设定无机填料341的高度h为8μm或更小，可防止准直透镜3的倾斜角超出作为最大可容许倾斜角的2度，由此限制激光模块1的光学特性的下降。

例如，基于准直透镜3和聚焦透镜12之间的距离、激光被聚焦透镜12接受的接受区域的直径、激光源2射出的激光的光点直径中的一个或多个，确定最大可容许倾斜角θ_max。更具体地，当准直透镜3和聚焦透镜12之间的距离D为15.0毫米时，激光被聚焦透镜12接受的接受区域的直径是1.55毫米，并且从激光源2射出的激光的光点直径是0.5毫米，可按如下所示计算最大可容许倾斜角θ_max。

为了限制激光模块1的光学特性的下降，激光必须在聚焦透镜12的接受区域内被接受。因此，导致激光的外周接触聚焦透镜12的接受区域的外周的准直透镜3的倾斜度设定为最大可容许倾斜角θ_max。

当激光的外周接触聚焦透镜12的接受区域的外周时，光束的中央与聚焦透镜12的光轴之间的距离是光束的方向与聚焦透镜12的光轴之间的角度对应于最大可容许倾斜角θ_max，因此最大可容许倾斜角θ_max被计算为arctan(0.525/15.0)＝2.0度。

上面描述了发明人应用本发明所得的实施方式，但是本发明不限于上面提供的附图和说明，上面提供的附图和说明仅描述本发明的一部分实施方式。例如，在本实施方式中，当将准直透镜3接合至衬底4时使用包含如上所述的无机填料341的树脂胶34，准直透镜3将激光LB转变成平行光束。然而，被接合的透镜不限于准直透镜3，例如当固定聚焦激光LB的聚焦透镜时也可以使用如上所述的包括无机填料341的树脂胶34。

在本实施方式中，阵列型半导体激光元件用作激光源2，但是激光源2也可以仅仅是是由单个DFB激光元件或DBR(分布布拉格反射器)激光元件形成的纵向单模半导体激光元件，该激光源不包括复用器23或半导体光放大器25。以此方式，基于上述实施方式可由本领域技术人员实现的其它实施方式、操作技术等均包括在本发明的范围内。

附图标记列表

1激光模块

2激光源

3准直透镜

4衬底

5分束器

6光强监测光电二极管

7标准滤光器

8波长监测光电二极管

9底板

10匹尔特设备

11光隔离器

12聚焦透镜

13壳体

14光纤

21半导体激光阵列

22，24波导管

23复用器

25半导体光放大器

26弯曲波导管

31透镜本体

32，33透镜部分

34树脂胶

311入射表面侧

312出射表面侧

341无机填料

Claims (7)

1.一种激光模块，包括：

激光源，所述激光源发射激光；和

透镜，所述透镜利用树脂胶接合至衬底的表面，所述透镜准直或聚焦从所述激光源发射的激光，其中

所述树脂胶包括主要成分为无机材料的填料，和

所述填料在与所述衬底的表面垂直的方向的高度h满足：

$h\≤\frac{d}{2}\sin {\mathrm{\θ}}_{\max },$ θ_max＝2°

其中d是所述透镜的接合表面沿着所述激光的光轴的方向的宽度，所述透镜的倾斜角是所述衬底的表面与所述透镜的接合表面所成的角度，且θ_max是基于所需光学特性而预先设定的所述透镜的倾斜角的可容许最大值；

其中，当所述透镜的接合表面的宽度d不小于0.5毫米且不大于1毫米时，所述填料的高度h不大于8微米；

其中，所述填料包括作为主要成分的、选自如下物质的无机材料：SiO₂、Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂、Al₂O₃、AlN、BN和TiO₂；

其中，所述填料具有球形、磷片状、板状或粉碎块状的形状；

其中，所述填料在所述树脂胶中的含量按重量百分比计不少于25％且不多于95％。

2.根据权利要求1所述的激光模块，其中，所述树脂胶包括作为主要成分的、选自以下物质的树脂材料：环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂和硅树酯。

3.根据权利要求1所述的激光模块，其中，所述激光源是分布反馈式半导体激光元件。

4.根据权利要求1所述的激光模块，其中，所述激光源是分布反射镜半导体激光元件。

5.根据权利要求1所述的激光模块，其中，所述激光源是通过集成多个纵向单模半导体激光元件、半导体光放大器和复用器而形成的阵列型半导体激光元件，所述半导体光放大器放大从所述纵向单模半导体激光元件发射的激光，所述复用器将从所述纵向单模半导体激光元件发射的激光引导至所述半导体光放大器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光模块，其中，

所述透镜准直所述激光并出射准直的激光；

所述激光模块还包括接收所述准直的激光的聚焦透镜，并且

基于所述透镜和所述聚焦透镜之间的距离、所述激光被所述聚焦透镜接受的接受区域的直径和所述激光的光点直径中的一个或多个，确定所述可容许倾斜角θ_max。

7.根据权利要求6所述的激光模块，其中，当所述激光的光点直径为0.5毫米并且所述接受区域的直径为1.55毫米时，所述透镜和所述聚焦透镜之间的距离为15毫米。