CN104698551A - 光纤耦合的多模半导体光电器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤耦合的多模半导体光电器件，包括管壳、设于管壳底部的热电制冷器、设于热电制冷器上的热沉过渡块以及设于热沉过渡块上的半导体激光器、耦合透镜组件、热敏电阻和背光探测器，管壳的一侧设有通孔，通孔中心穿有光纤组件，光纤组件与管壳密封连接；光纤组件包括金属管和光纤，光纤的端部固定于一光纤过渡块上，并正对耦合透镜组件设置；半导体激光器、背光探测器、热电制冷器以及热敏电阻与管壳的外部引脚电气连接。光纤耦合的多模半导体光电器件可降低放大器功耗和成本，同时可避免半导体芯片之间的热和其它辐射串扰或干扰效应的风险。

Description

光纤耦合的多模半导体光电器件

技术领域

本发明涉及一种光纤耦合的多模半导体光电器件，应用于光纤传输通信领域。

背景技术

随着光电子技术的快速发展，半导体激光器在光通信领域有着广泛的应用。各类半导体激光器，诸如泵浦激光器，根据应用要求，通常输出特定的单波长激光，这类光电器件通常包装在一个特定的外壳内并且进行气密性密封，通过一种具有某种标准规格的光纤耦合至其他光电设备，以实现光信号和光能量的传递。

图1所示出了光电器件100，用于将半导体激光器201光学的耦合至外部光电设备。如图所示，光电器件100的包装外壳，也称管壳，一般由管体102和管盖103两部分组合。管体102可为立方体形状的蝶形、双列直插类型，或圆柱体形状的同轴等多种类型，材料可为可伐、不锈钢、钨铜或者其它金属。管体102上开有一个或者多个通孔，通常制作成金属管状结构，称为尾管104。如图所示，半导体激光器201包装在外壳内，并且放置于载台203上。组合元件金属管206穿过尾管104，伸入壳内，至光纤110置于载台204上。并且载台203和204均置放于热电制冷器（TEC）202上。

光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导，如图2所示出了现业界通常使用的常规石英基材的光纤31的横截面结构示意图，主要结构包括纤芯12，包层13和涂覆层14，其中纤芯12的主要成分为石英材料，其直径通常为8-100微米。包层13的主要成分一般也为石英材料，其常规外径通常为125微米，其作用主要是把光能量限制在纤芯中。为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，还在包层外增加一层涂覆层，其主要成分是环氧树脂和硅橡胶等高分子材料。光能量主要在纤芯中传播，包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。

光电功能单元的耦合对准一般通常采用有源对准方式，通过检测激光器输出光功率与XYZ三维方向调整光纤，使光纤110与半导体激光器201对齐，实现最佳耦合。然后可采用金属支架、玻璃焊料或者环氧树脂205进行光纤110的固定。最后可采用焊料焊接或者环氧树脂填充的方式使金属管206与尾管104内壁进行连接，实现尾管密封，最终使整个包装实现气密性封装。

随着光放大器的逐渐发展，其对泵浦功率的要求进一步增加。目前应用于光放大器的泵浦激光器，通常由单模芯片输出激光，再由单模光纤进行耦合，采用光纤光栅后实现单个波长的稳定输出，但由于半导体激光器的结构特点，其输出光束在垂直于结平面和平行于结平面方向的发散角不同，尤其是快轴方向具有很大的发散角，这类半导体激光器的输出功率都会受到限制。现通常同时采用多个独立的泵浦器件工作，而如此设计，会导致光放大器的功耗及成本增加。另可有将多个芯片组合在一个包装外壳内，通过多光纤整合光至输出，然半导体芯片之间的热和其他辐射串扰或干扰效应仍然存在困难。

因此有必要设计一种光纤耦合的多模半导体光电器件，以克服上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种光纤耦合的多模半导体光电器件，其可降低放大器功耗和成本，同时可以避免半导体芯片之间的热和其它辐射串扰或干扰效应的风险。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种光纤耦合的多模半导体光电器件，包括管壳、设于所述管壳底部的热电制冷器、设于所述热电制冷器上的热沉过渡块以及设于所述热沉过渡块上的半导体激光器、耦合透镜组件、热敏电阻和背光探测器，所述管壳的一侧设有通孔，通孔中心穿有光纤组件，所述光纤组件与所述管壳密封连接；所述光纤组件包括金属管和光纤，所述金属管的一端为粗管，另一端为细管，所述光纤同时穿过所述粗管和所述细管进入所述管壳内部，所述光纤位于所述粗管内的部分套设有保护套管，所述光纤的端部固定于一光纤过渡块上，并正对所述耦合透镜组件设置；其中，所述半导体激光器、所述背光探测器、所述热电制冷器以及所述热敏电阻与所述管壳的外部引脚电气连接。

进一步地，所述管壳于所述通孔的外侧设有尾管，所述尾管的中心线与所述半导体激光器的发光条中心线同轴设置。

进一步地，所述背光探测器的光敏面中心对准所述半导体激光器背向发光面的中心线。

进一步地，所述背光探测器的光敏面与得到半导体激光器的背光发光面垂直设置。

进一步地，所述光纤过渡块包括热沉和垫块，热沉与垫块之间通过共晶焊料焊接，并焊接在所述管壳的底部。

进一步地，所述耦合透镜组件采用金属支架、玻璃焊料或环氧树脂固定于所述热沉过渡块上。

进一步地，所述保护套管与所述粗管之间填充有环氧树脂。

进一步地，所述粗管靠近其与所述细管结合处的一侧开设有侧孔。

进一步地，所述尾管的中部开设有侧孔。

本发明具有以下有益效果：

光放大器采用本发明提供的单个大功率的光纤耦合的多模半导体光电器件替代传统的多个单模半导体激光器方案，不仅可大大降低产品的制造成本还可有效缩减产品尺寸以提供良好的小型化光放大器解决方案，同时可以避免半导体芯片之间的热和其它辐射串扰或干扰效应的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是现有的半导体光电器件的截面示意图；

图2是现有的光纤的截面示意图；

图3为本发明实施例提供的光纤耦合的多模半导体光电器件的部分截面示意图；

图4为本发明实施例提供的金属管的部分截面示意图；

图5为本发明实施例提供的尾管的部分截面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3至图5，本发明实施例提供一种光纤耦合的多模半导体光电器件，所述光纤耦合的多模半导体光电器件200可以通过光纤连接至外部光学设备，比如光放大器等。

如图3至图5，所述光纤耦合的多模半导体光电器件包括管壳29、设于所述管壳29底部的热电制冷器24、设于所述热电制冷器24上的热沉过渡块（25、26）以及设于所述热沉过渡块上的半导体激光器21、耦合透镜组件28、热敏电阻23和背光探测器22。所述耦合透镜组件采用金属支架、玻璃焊料或环氧树脂固定于热沉过渡块26上。所述管壳29的一侧设有通孔，通孔中心穿有光纤组件，所述光纤组件与所述管壳29密封连接。所述管壳29于所述通孔的外侧设有尾管30，所述尾管30的中心线与所述半导体激光器21的发光条中心线同轴设置。所述光纤组件包括金属管32和光纤31，所述光纤31可以为单模光纤，可以是保偏光纤(PM fiber)或普通的单模光纤（SM fiber），并且在特定长度处加工了一段或多段布拉格光纤光栅。所述金属管32的一端为粗管，另一端为细管，所述光纤同时穿过所述粗管和所述细管进入所述管壳29内部，所述光纤31位于所述粗管内的部分套设有保护套管33，所述光纤的端部固定于一光纤过渡块27上，并正对所述耦合透镜组件28设置。所述光纤过渡块27包括热沉和垫块，热沉与垫块之间通过共晶焊料焊接，并焊接在所述管壳29的底部。其中，所述半导体激光器21、所述背光探测器22、所述热电制冷器24以及所述热敏电阻23与所述管壳29的外部引脚电气连接。

具体的，一种实施例的管壳29通常为立方体形状的蝶形，但也不限于此形状，另外的实施例亦可以是双列直插类型，或圆柱体形状的同轴等多种形状类型。并且管壳29的一侧通常开有一个但不限于一个的通孔，每个通孔对应焊接有金属管状的尾管30，一种实施例的尾管30内部结构通常为直通式结构，但也不限于此结构，另外的实施例亦可以为一段或多段阶梯式结构，或者圆锥型结构等以及多种组合的复杂结构。

在管壳29内部包括有半导体激光器21，背光探测器22，热敏电阻23，通常要求半导体激光器21的发光条中心线与外壳尾管30的中心线同轴，同时背光探测器22的光敏面中心对准半导体激光器21背向发光面中心线，并且通常保持一定的角度，防止背向出光再次反射进入激光器内。如图3所示实施例的背光探测器22光敏面通常与半导体激光器21的背光发光面是相向放置，另一实施例亦还可以将背光探测器22光敏面与半导体激光器21的背光发光面垂直放置。

如图3所示，半导体激光器21、背光探测器22和热敏电阻23一起置于热沉过渡块25上，然后放置于热电制冷器（TEC）24上。另一实施例亦可以将半导体激光器21、背光探测器22和热敏电阻23分别放置于多个热沉过渡块，再共同放置于一个热电制冷器上方。

如图3所示实施例中，所述半导体激光器21发出的光，通过耦合透镜组件28光束整形聚焦后，耦合至光纤组件后输出至外部光电设备。典型的使用至少一个低熔点玻璃焊料、金属支架或环氧树脂将耦合透镜组件28固定在热沉过渡块26上。典型的使用至少一个低熔点玻璃焊料、金属支架或环氧树脂将光纤组件固定在光纤过渡块27上。另一种实施例中亦可以不使用透镜组件，而将多模半导体激光器输出光直接耦合进光纤内，可以预期需要将光纤端面加工成特有的微透镜，从而与输出光场实现最佳匹配来满足耦合效率要求，即达到较高输出光功率要求。

如图3所示实施例中，耦合光纤为单模光纤，应用一些特殊加工，如加热拉伸、研磨熔融或光刻技术将光纤端头加工出匹配半导体激光器输出光模场的特定形状的微透镜，比如楔形、锥形、圆弧形等。另一种实施例亦可以采用多模光纤，由于多模光纤的纤芯直径远大于单模光纤的纤芯直径，可以预期地激光器输出光能量能更多的和更容易进入纤芯，但针对于一些单个波长的稳定输出应用要求，此多模光纤的特征要求纤芯配置为在所需波长下实际上仅仅只支持基模传输。

在本较佳实施例中，光纤31的一端剥去一段涂覆层14，露出直径通常为125微米的裸石英光纤（只包含纤芯12和包层13）。为了防止光纤在弯曲、扭转、轴向拉扯等情况下不易发生断裂或者损伤，以及提高光纤组件的机械强度性能，在光纤涂覆层外套入保护套管33。通常使用的保护套管33要求内通孔直径应大于光纤涂覆层直径，外直径小于金属管32的内孔直径，使用环氧树脂填充固化将保护套管固定在离光纤前端面一定距离处，通常是保护套管边缘与涂覆层剥离位置齐平，根据不同工艺过程要求亦可以在其它的位置。

如图3所示，所述金属管32的全部表面镀金，典型结构形状如图4所示，也可以为其它形状。内部通常有管状通孔，可以是直通型结构，亦可以为一段或多段阶梯式结构，或者圆锥型结构等以及多种组合的复杂结构。其一端为仅可以容纳裸石英光纤通过的细管，另一端为可以容纳保护套管33进入的粗管。裸石英光纤31从金属管32的粗管一端穿入，从细管一端穿出，有一部分保护套管33进入金属管32的粗管中。在金属管32的细管端口处，采用金属焊料或者玻璃焊料41将裸石英光纤与金属管密封焊接起来。在金属管32的粗管端口处，采用环氧树脂42填充将光纤保护套管33与金属管内壁密封连接起来。如图4所示的一种实施例的金属管32的粗管，靠近其与细管的结合处的一侧开设有侧孔，主要作用是可以观察保护套管33位置，以及在环氧树脂填充时有利于空气的排出防止气泡，并且能观察环氧树脂填充的情况。

如图5所示，光纤31的一部分和具有保护套管33的光纤一部分位于尾管30内，这部分的裸光纤与这部分的具有保护套管33的光纤31与尾管30之间可以直接通过环氧树脂填充固化密封。如图5实施例中的尾管内部为阶梯式结构，另一些实施例的尾管内部结构亦可以为多段阶梯式结构，或者直通型结构、锥型结构等以及多种组合的复杂结构。如图5所示的一种实施例的尾管30的中部开有一侧孔51，主要作用是可以观察保护套管位置，以及在环氧树脂填充时有利于空气的排出防止气泡，并且能观察环氧树脂填充的情况。所述的光纤采用金属焊料或者环氧树脂与尾管内壁密封连接，达到一定的气密性要求，以防止外部水汽等环境物质进入器件内部，从而造成对功能元件的损害，以保证光电器件可以长时间的稳定可靠地工作。

本发明所提供的光纤耦合的多模半导体光电器件，包括但不限于一个多模半导体激光器和一根光纤，也可以是多个半导体激光器与多个光纤的耦合情形，而多个半导体激光器亦可以包括单模和多模激光器的组合结构，其包装耦合实施方式与本发明所提供的一致。

本发明提供的多光纤耦合的多模半导体光电器件实现单模光纤耦合的装置，其结构简单，在现有平台的基础上，工艺容易实现。同时由于多模半导体激光器的输出功率及斜效率显著大于单模半导体激光器，当实现一定的耦合效率后即可以满足半导体光电器件较高的出光功率要求。比较采用多个独立的单模泵浦器件工作的方案，可以减少光放大器的功耗及成本增加。比较多元单模芯片组合在一个包装外壳内的方案，可以避免半导体芯片之间的热和其他辐射串扰或干扰效应的风险。同时，本发明提出的单个大功率多模半导体光器件替代传统的多个单模半导体激光器方案，不仅可大大降低产品的制造成本还可有效缩减产品尺寸以提供良好的小型化光放大器解决方案，可以避免半导体芯片之间的热和其它辐射串扰或干扰效应的风险。同时，此半导体光电器件还可以广泛地应用于各种光电设备中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光纤耦合的多模半导体光电器件，其特征在于，包括管壳、设于所述管壳底部的热电制冷器、设于所述热电制冷器上的热沉过渡块以及设于所述热沉过渡块上的半导体激光器、耦合透镜组件、热敏电阻和背光探测器，所述管壳的一侧设有通孔，通孔中心穿有光纤组件，所述光纤组件与所述管壳密封连接；

所述光纤组件包括金属管和光纤，所述金属管的一端为粗管，另一端为细管，所述光纤同时穿过所述粗管和所述细管进入所述管壳内部，所述光纤位于所述粗管内的部分套设有保护套管，所述光纤的端部固定于一光纤过渡块上，并正对所述耦合透镜组件设置；

其中，所述半导体激光器、所述背光探测器、所述热电制冷器以及所述热敏电阻与所述管壳的外部引脚电气连接。

2.如权利要求1所述的光纤耦合的多模半导体光电器件，其特征在于：所述管壳于所述通孔的外侧设有尾管，所述尾管的中心线与所述半导体激光器的发光条中心线同轴设置。

3.如权利要求1或2所述的光纤耦合的多模半导体光电器件，其特征在于：所述背光探测器的光敏面中心对准所述半导体激光器背向发光面的中心线。

4.如权利要求1所述的光纤耦合的多模半导体光电器件，其特征在于：所述背光探测器的光敏面与得到半导体激光器的背光发光面垂直设置。

5.如权利要求1所述的光纤耦合的多模半导体光电器件，其特征在于：所述光纤过渡块包括热沉和垫块，热沉与垫块之间通过共晶焊料焊接，并焊接在所述管壳的底部。

6.如权利要求1所述的光纤耦合的多模半导体光电器件，其特征在于：所述耦合透镜组件采用金属支架、玻璃焊料或环氧树脂固定于所述热沉过渡块上。

7.如权利要求1所述的光纤耦合的多模半导体光电器件，其特征在于：所述保护套管与所述粗管之间填充有环氧树脂。

8.如权利要求1或7所述的光纤耦合的多模半导体光电器件，其特征在于：所述粗管靠近其与所述细管结合处的一侧开设有侧孔。

9.如权利要求2所述的光纤耦合的多模半导体光电器件，其特征在于：所述尾管的中部开设有侧孔。