CN106054326A - 光电子器件的耦合固定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电子器件的耦合固定装置，在有源对准透镜光纤‑激光器管芯直接耦合平台条件下，通过采用一种移动楔形垫块结构和快速紫外光固化工艺固定半导体激光器尾纤。带尾纤的半导体激光器组件包括半导体激光增益管芯(1)，激光器输出尾纤(2)、楔形垫块(3)、激光器光学平台(4)、热敏电阻(5)、背光探测器(6)、半导体制冷器(7)和激光器管壳(8)等几部分，该方法采用移动楔形垫块能够有效填充耦合条件下输出尾纤与支撑平台间的间隙，对于胶固化工艺来讲，避免了过大不规则间隙造成的胶填充物过厚，固化后以及长期使用中的整体收缩过大和各向异性收缩的问题，是一种简便易行并且具有良好的长期稳定性的激光器尾纤固定结构。

Description

光电子器件的耦合固定装置

技术领域

本发明涉及光电子器件装配领域的耦合固定封装技术，特别涉及一种光通信领域半导体光电子器件的透镜光纤精密耦合固定装置。

背景技术

光通信领域的光电子有源器件包括光发射器，光探测器、光放大器等多种器件。各类光电子器件与外界之间多利用一种具有某种标准规格的透镜光纤来进行光的传导，以实现外界与光电子器件之间光信号与光能量的传递。

对于光发射器和光放大器来说，一般采用有源对准方式，是通过检测激光器输出光功率与调整透镜光纤XYZ位置来实现的。由工作人员在相对较小的范围在XYZ方向上移动透镜光纤，直到从激光器芯片检测到的光功率达到最大值，然后把透镜光纤固定起来。这种方法可实现微米甚至亚微米准确度的透镜光纤对准。

当前技术工艺的难点是如何能高效完成透镜光纤与有源芯片之间相对位置的准确固定，控制并且保证整个产品使用期内仍能保持透镜光纤与有源芯片之间的准确定位。现有技术工艺大致可分为激光焊接固定和环氧树脂胶以及焊料(玻璃或金属焊料)固定三种方法。其中较早期的激光焊接固定由于采用金属的欧姆镍支架进行透镜光纤固定，除了在激光焊接工艺过程中会引入透镜光纤位置的位移，在后期金属欧姆镍支架自身的温度位移特性也不太理想，目前使用此工艺进行透镜光纤的精密耦合固定已不多，在此不作详细介绍。以下以常规的半导体激光器为例，简单介绍使用环氧树脂胶或焊料来进行透镜光纤耦合固定的方法及器件结构。

图1为一种常规的下方位透镜光纤垫块的半导体激光器内部结构示意图。如图1所示，管壳8内依次安装有半导体制冷器7以及激光器光学平台氮化铝热沉4，氮化铝热沉4上安装有透镜光纤垫块9、热敏电阻5以及光电功能单元(如半导体激光增益管芯)1和背光探测器6，透镜光纤垫块9处于透镜光纤组件2的正下方。透镜光纤组件2通过管壳尾管进入管壳8内部与半导体激光增益管芯1进行耦合对准，当检测到信号光功率最大时，将环氧树脂胶10注入到透镜光纤垫块9与透镜光纤2的裸纤之间，并实现透镜光纤2裸纤区域的覆盖。采用一定方法将环氧树脂胶10固化，使透镜光纤2与透镜光纤垫块9固定在一起，形成了透镜光纤2与光电功能单元1的对准固定。采用焊料固定的方式则预先将焊 料预制件放置于透镜光纤垫块与透镜光纤之间，在通过耦合对准取得光功率最大信号时，通过焊料预制件重容固化将透镜光纤2与透镜光纤垫块9固定在一起，形成了透镜光纤2与光电功能单元1的对准固定。

图2为另一种常规的侧方位透镜光纤垫块的半导体激光器内部结构示意图。图2展示的为目前透镜光纤垫块安装的另一种结构，与图1结构不同之处在于，其透镜光纤垫块9处于透镜光纤组件2的侧方位。使用环氧树脂胶或焊料来进行透镜光纤耦合固定的方法与图1结构则完全相同。

以上介绍的传统透镜光纤耦合固定的结构及方法，在透镜光纤与其垫块间无法避免的会引入一定量的间隙(如图4所示)，且在耦合工艺过程中此间隙无法改变，只能通过环氧树脂胶、玻璃或是金属焊料来进行填充。在半导体光电子有源器件经受剧烈的温度变化，或者经受冲击和振动的环境时，用于间隙填充的焊料会由于应力的作用会产生位移，而造成透镜光纤与光电功能单元之间的位置已经不再是准确对准的位置，光电子有源器件的性能会受到很大的影响。

发明内容

考虑到现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种采用移动的带有斜面的透镜光纤垫块来进行透镜光纤耦合固定的方法。该方法能通过使用移动的带有斜面的透镜光纤垫块，实现耦合对准取得最大信号时透镜光纤与其垫块的相对位置的调整，在耦合工艺过程中通过调整位置可准确的控制透镜光纤以及其垫块间的间隙，有效的改善了传统方法在耦合工艺过程中无法调整并减少透镜光纤以及其垫块间的间隙的问题，避免了过大不规则间隙造成的填充物过厚固化后以及长期使用中的整体收缩过大和各向异性收缩的问题。本发明是一种简便易行并且具有良好的长期稳定性的激光器透镜光纤耦合固定结构，适用于今后高可靠性光电子有源器件的技术发展需要。

本发明的目的是改善传统方法在耦合工艺过程中无法调整并减少透镜光纤以及其垫块间的间隙的问题，提出了一种简便易行并且具有良好的长期稳定性的光电子器件透镜光纤耦合固定结构。通过使用移动的带有斜面的透镜光纤垫块，实现耦合对准取得最大信号时透镜光纤与其垫块的相对位置的调整，在耦合工艺过程中通过调整位置可准确的控制透镜光纤以及其垫块间的间隙，有效的避免了过大不规则间隙造成的填充物过厚、固化后以及长期使用中的整体收缩过大和各向异性收缩的问题。具有灵活的耦合工艺实施方式，精准的透镜光纤以及垫块间隙控制以及良好的可操作性等优点。

本发明的实现方式为：

1、根据一个实施例，半导体光学器件内的透镜光纤垫块为三角形的楔形块，如图5所示。

2、根据另一实施例，半导体光学器件内的透镜光纤垫块由两块对向的三角形的楔形块共同组成，如图6所示。

3、根据另一实施例，半导体光学器件内的透镜光纤垫块由多块两两相对的三角形的楔形块共同组成。

4、根据另一实施例，半导体光学器件内的透镜光纤垫块为带有V形槽的方块。

5、根据另一实施例，半导体光学器件内的透镜光纤垫块由两块对向的带有V形槽的方块共同组成，如图7所示。

6、根据另一实施例，半导体光学器件内的透镜光纤垫块由多块两两相对的带有V形槽的方块共同组成。

本发明具有以下优点和积极效果：

①灵活的耦合工艺实施方式：

由于采用移动透镜光纤垫块进行耦合可按透镜光纤实际情况相应调整移动透镜光纤垫块位置，实现其与透镜光纤的更好配合。

②精准的透镜光纤以及垫块间隙控制：

由于采用带斜面的透镜光纤垫块，可通过移动斜面垫块实现其与透镜光纤间隙的控制，实现透镜光纤与垫块间隙有效减小。

③良好的可操作性：

本发明提及的用于透镜光纤耦合固定的可移动斜面透镜光纤垫块结构简单，在实际工艺使用过程中可操作性良好。

附图说明

图1为常规的下方位透镜光纤垫块的半导体激光器内部结构示意图。

图2为常规的侧方位透镜光纤垫块的半导体激光器内部结构示意图。

图3为本发明提出了一种采用移动楔形透镜光纤垫块的半导体激光器内部结构示意图。

图4为传统方式的透镜光纤垫块与透镜光纤的间隙示意图。

图5为本发明提出的三角楔形透镜光纤垫块与透镜光纤间隙的结构示意图。

图6为本发明提出的两块对向三角楔形透镜光纤垫块与透镜光纤间的结构示意图。

图7-8为本发明提出的两块对向带有V形槽的透镜光纤垫块与透镜光纤间的结构示意图。

附图标记：

1—光电功能单元(半导体激光增益管芯)；

2—透镜光纤组件；

3—三角楔形透镜光纤垫块；

3-1—带有V形槽的左透镜光纤垫块；

3-2—带有V形槽的右透镜光纤垫块；

4—激光器光学平台(氮化铝热沉)；

5—热敏电阻；

6—背光探测器；

7—半导体制冷器；

8—管壳；

9—传统的透镜光纤垫块；

10—环氧树脂胶(UV胶)；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

采用本发明提出的耦合固定封装技术的一种典型半导体激光器器件结构如图3所示。管壳8内底板上依次安装有半导体制冷器7以及激光器光学平台氮化铝热沉4，氮化铝热沉4上安装有透镜光纤垫块3、热敏电阻5以及半导体激光增益管芯1和背光探测器6。其中热敏电阻5与背光探测器6分别在安装于半导体激光增益管芯1的侧方位以及后方位，热敏电阻处于半导体激光增益管芯侧方以进行管芯温度监控，背光探测器处于半导体激光增益管芯后方以进行管芯背光监控。透镜光纤垫块3安装于半导体激光增益管芯与管壳尾管之间，实现透镜光纤的耦合固定支撑。透镜光纤组件2通过管壳尾管进入管壳8内部与半导体激光增益管芯1进行耦合对准，透镜光纤垫块3处于透镜光纤组件2的正下方。

除上述的基本点外，特别的，在进行器件耦合固定工艺时，不同于其他预先装载于氮化铝热沉4上的构件，透镜光纤垫块3并未预先固定于氮化铝热沉上。透镜光纤垫块在耦合固定工艺过程中可按要求调整固定位置。

特别的，透镜光纤垫块3处于透镜光纤正下方的为斜面，一种典型结构为楔形垫块，但垫块结构并不局限于楔形垫块，凡带有斜面并通过斜面实现透镜光纤与垫块间距调整的透镜光纤垫块均属于本发明的保护范围

特别的，透镜光纤垫块3可能是一系列垫块的组合，一种典型结构为左右对称的两个楔形透镜光纤垫块形成的组合，如图6所示。

以下将结合上述典型的半导体激光器器件结构来详细说明本发明提出的透镜光纤耦合固定的方法。

将待耦合的器件放置于载台上并通过管壳Pin脚完成相关驱动电路连接，此时器件内部已完成图3所示的除透镜光纤组件2以及透镜光纤垫块3外的其他所有构件安装，即半导体制冷器7、激光器光学平台氮化铝热沉4、热敏电阻5、半导体激光增益管芯1以及背光探测器6的安装已完成。

将透镜光纤组件2从管壳8的尾管中心孔处穿过，将透镜光纤组件2前端的125μm裸透镜光纤进行夹持固定，可通过带有光纤限位槽的透镜光纤夹具进行机械夹持或是以真空吸附夹具进行透镜光纤前端的固定。透镜光纤夹持固定夹具装载于XYZ微调架上以便对透镜光纤组件进行XYZ方向的移动，实现透镜光纤与半导体激光增益管芯的有源对准。

通过XYZ微调架将透镜光纤组件2向靠近半导体激光增益管芯的方向移动，待透镜光纤组件前端进入有效收光区域后接通半导体激光器的驱动电源，开始进行器件的初步有源耦合对准。通过XYZ微调架调整透镜光纤组件2在横向、纵向以及进退方向的位置，当检测到最优光耦合的最大信号时即实现了半导体激光增益管芯与透镜光纤之间初调的最优光耦合，记录此时的光耦合输出功率。之后可以直接送入垫块。

完成初步有源耦合对准以后，将进行透镜光纤垫块的定位以及透镜光纤耦合的固定。加载透镜光纤垫块前先按后退方向移动透镜光纤约20um，以在管芯与光纤间预留出足够的安全距离。以夹具将透镜光纤垫块送至透镜光纤底部，此时在垫块与透镜光纤间保留一定间隙以供后续透镜光纤进行耦合位置调整。垫块送入后，通过XYZ微调架在相对较小的范围内调整透镜光纤组件2在横向、纵向以及进退方向的位置，直到检测到初调时的最优光耦合输出功率，此时透镜光纤已处于与半导体激光增益管芯间的最优光耦合位置。

调整透镜光纤垫块位置，垫块沿透镜光纤横向方向加载以利用垫块斜面的不同高度来实现透镜光纤与垫块间隙有效减小。透镜光纤垫块的位置以靠近透镜光纤并且不影响透镜光纤位置为宜，调整后保证两者间的间隙接近为零，完成透镜光纤以及垫块位置定位。

定位完成后将进行透镜光纤以及垫块的位置固定。较为典型的固定介质可以为环氧树脂胶或是焊料，如UV胶、玻璃焊料或是金属焊料等。使用固定介质填充透镜光纤以及垫块间的间隙并实现垫块的位置固定。使用UV胶时，在胶填充后使用UV固化光源照射完成透镜光纤以及垫块的位置固定；使用焊料预制件时，则将预制件放置于需填充区域，加热软化预制件，实现焊料的填充固化。至此透镜光纤与光电功能单元间的耦合固定对准已完成，完成耦合固定后的透镜光纤以及垫块示意图如图5所示。

根据另一实施列，半导体光学器件内的透镜光纤垫块由两块对向的三角形的楔形块共同组成，两块垫块分别由光纤横向的相对方向加载，耦合固定方法与单垫块完全相同，完成耦合固定后的透镜光纤以及垫块示意图如图6所示。

根据另一实施列，半导体光学器件内的透镜光纤垫块由两块对向的带有V形槽的方块共同组成，其加载与耦合固定方法与上一实例的两块三角形楔形块完全相同，完成耦合固定后的透镜光纤以及垫块示意图如图7所示。

垫块结构并不局限于楔形或V槽形，凡带有斜面并通过斜面实现透镜光纤 与垫块间距调整的透镜光纤垫块均属于本发明的保护范围。

在透镜光纤与光电功能单元的出光方向轴线不平行时，对于常规的光纤垫块在光纤与垫块间会形成不等宽间隙，仅通过XYZ微调架是无法实现光纤与垫块的间隙缩减的。如图8所示，使用本发明提到的带有斜面的垫块，通过旋转垫块的斜面可有效缩减此类光纤与垫块间的不等宽间隙，实现光纤与垫块间隙的良好控制。

上文已经描述了本发明的实施例的范例。本领域技术人员将理解，这些不限制本发明的用途或功能的范围，其可以概括为包括更多或更少的特征。虽然已经示出和参考特定实施例描述了本发明，显然的是，对于本领域技术人员而言，在阅读和理解本说明书和随附附图之后，将易于进行等效改变和修改。尤其关于上述元件(部件、组件、设备、成分等)所实施的各种功能，如无特别指出，用于描述这种元件术语(包括引用“装置”)意于相应于执行所述元件的特定功能的任何元件(即，功能等效)，即使非结构地等效于执行本发明在本文中所示的典型实施例中的功能而公开的结构。此外，虽然上文已经关于数个所述实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，但是正如对于任何给定或特定应用可能需要和有利的是，这种特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合。

Claims (10)

1.一种光电子器件的耦合固定装置，其位于包括激光器输出尾纤(2)与光电功能单元(1)的透镜光纤输出半导体激光器中，用于耦合并固定所述光电功能单元(1)与所述激光器输出尾纤(2)，

其中，所述透镜光纤输出半导体激光器还包括用于支撑所述光电功能单元(1)的器件光学平台(4)，所述激光器输出尾纤(2)与所述器件光学平台(4)的支撑面基本平行，所述激光器输出尾纤(2)与所述器件光学平台(4)之间留有间隙，

其中，所述耦合固定装置包括上表面为斜面的垫块(3)，其底面与所述器件光学平台(4)的支撑面吻合，所述斜面与所述激光器输出尾纤(2)的轴向方向基本平行，

其中，在所述激光器输出尾纤(2)与所述光电功能单元(1)直接耦合之后，所述垫块(3)的位置和朝向能够被任意调整，使得所述垫块(3)完全填充所述间隙。

2.根据权利要求1所述的耦合固定装置，其中，在所述垫块(3)完全填充所述间隙之后，通过固定介质固化固定所述激光器输出尾纤(2)与所述垫块(3)、以及所述垫块(3)与所述器件光学平台(4)。

3.根据权利要求1所述的耦合固定装置，其中，所述透镜光纤输出半导体激光器还包括用于容纳所述光电功能单元(1)、所述激光器输出尾纤(2)和所述器件光学平台(4)的器件管壳(8)。

4.根据权利要求1所述的耦合固定装置，其中，所述垫块(3)是楔形垫块。

5.根据权利要求1所述的耦合固定装置，其中，所述斜面由呈V形的两个斜面构成。

6.根据权利要求4所述的耦合固定装置，其中，所述垫块(3)包括两个楔形垫块，其在所述激光器输出尾纤(2)两侧相对放置。

7.根据权利要求5所述的耦合固定装置，其中，所述垫块(3)包括沿所述激光器输出尾纤(2)的轴向前后布置的两个垫块。

8.根据权利要求1至7中的一个所述的耦合固定装置，其中，在调整所述垫块(3)的位置和朝向时，通过精密微调机构来防止所述激光器输出尾纤(2)移位。

9.根据权利要求1至7中的一个所述的耦合固定装置，其中，所述固定介质为UV胶或焊料。

10.根据权利要求1至7中一个所述的耦合固定装置，其中，所述激光器输出尾纤(2)为透镜光纤。