CN107121138A - 一种小型化光纤传感用光收发组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种小型化光纤传感用光收发组件，其特征在于所述的光纤传感用光收发组件本体采用管壳气密性封装，包括贴装在半导体制冷器上的光源芯片、微透镜、分路器、光电探测器芯片、微带电路、热敏电阻；所述的光源芯片发射的光信号经微透镜整形后进入分路器，所述光信号经分光进入光纤后输出至光调制器和光纤线圈，所述光信号返回后经分路器进入光探测器，转换为电信号输出。本发明的技术方案采用了基于微光学组装工艺的芯片级集成技术，具有集成度高，体积小、性能指标高、匹配性好等特点，可以使光纤陀螺等光纤传感器的体积进一步缩小，能够应用于更多需要更小尺寸的传感器领域。

Description

一种小型化光纤传感用光收发组件
技术领域
本发明涉及光纤传感及通信系统领域，具体而言涉及一种小型化光纤传感用光收发组件。
背景技术
目前国内光纤陀螺为主的光纤传感系统，对于小型化的需求越来越紧迫，采用传统分立光学器件的方式无法达到小型化目的。虽然可以让各分立光学器件采用小型化封装，但为此会增加成本，而且降低光学器件的性能，并不能得到理想的小型化方案。
以光纤陀螺为代表的光纤传感领域，所使用的光学器件如光源、光分路器、光调制器、光探测器均为分立器件，其中，超辐射发光管(SLD)作为宽带光源，PIN-FET组件则作为光探测器，它们之间使用了一个光分路器(Coupler/Splitter)连接，光分路器之后再与光调制器(MIOC)相接。其中，SLD一般采用8pin蝶型封装，PIN-FET一般采用14pin或8pin双列直插型封装，相对而言体积都比较大，再加上光分路器、光调制器，限制了光纤陀螺等光纤传感器进一步小型化，从而限制了光纤陀螺等光纤传感器的应用范围。同时，由于各分立器件都留有1米以上的尾纤，以便于光纤熔接，而每次熔接都会带来不同程度的插入损耗(InsertionLoss，IL)，由于每种光学器件的尾纤可能不是同一类型的光纤，这种情况不但造成熔接困难，引入了插损，带来了强度噪声，还会带来偏振噪声、光谱噪声等，最终导致光纤陀螺等传感器精度下降。除此之外，每根尾纤在熔接后还需要再次涂覆保护，然后盘绕成环并固定在结构骨架上，工艺控制困难，一致性难以保证。在光通讯领域，光收发组件已经得到广泛应用，主要是同轴封装，使用TO型的激光器和探测器，利用分光片分束，具有结构简单，体积小等特点，但由于采用非宽带光源，且无温控，波长不稳定，不符合光纤陀螺等光纤传感应用，因此，亟待对现有的方案进行优化，以满足技术发展对光纤传感组件小型化、模块化的苛刻要求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种小型化光纤传感用光收发组件，以解决上述提到的现有设计方硬件结构复杂，体积大，噪音大、精度低、工艺难的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种小型化光纤传感用光收发组件，所述的光纤传感用光收发组件本体采用管壳气密性封装，包括贴装在半导体制冷器上的光源芯片、微透镜、分路器、光电探测器芯片、微带电路、热敏电阻；所述的光源芯片发射的光信号经微透镜整形后进入分路器，所述光信号经分光进入光纤后输出至光调制器和光纤线圈，所述光信号返回后经分路器进入光探测器，转换为电信号输出。
进一步的，所述的分路器包括耦合器和分束器。
进一步的，所述的光源芯片为宽带光源芯片，所述的光电探测器芯片为高线性度光电探测器。
进一步的，所述的光源芯片、分路器、光电探测器芯片、热敏电阻各电极分别通过金丝键合工艺连接至管壳管脚。
进一步的，所述的光源芯片、分路器、光电探测器芯片、热敏电阻采用8pin金属管壳或陶瓷管壳气密性封装。
进一步的，所述的光源芯片和半导体制冷器管的两个脚分布在所述本体两侧，所述的热敏电阻和光电探测器的两个管脚分别分布在同一侧。
进一步的，所述的光源芯片、光电探测器芯片、热敏电阻以分路器为中心布置。
进一步的，所述的本体呈立方体形，所述壳体两侧设置有安装耳板。
进一步的，所述的分路器底部设置有旋转机构。
进一步的，所述的旋转机构为调节螺丝或微动马达。通过旋转机构的设置可以比较灵活的调节分路器的精度。
本发明的技术方案采用了基于微光学组装工艺的芯片级集成技术，具有集成度高，体积小、性能指标高、匹配性好等特点，可以使光纤陀螺等光纤传感器的体积进一步缩小，能够应用于更多需要更小尺寸的传感器领域。由于集成度高，减少了原分立光学器件方案中至少2次光纤熔接涂覆，免除了至少三段光纤的盘装固定，降低了光纤传感器装配的工艺复杂度，既能够保证传感系统良好的一致性和可靠性，还能减少诸如强度噪声、偏振噪声和提高信噪比，从而进一步提高光纤陀螺等光纤传感系统的精度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明一种小型化光纤传感用光收发组件组成示意图；
图2示出了根据本发明一种小型化光纤传感用光收发组件安装结构示意图；
图3示出了根据本发明一种小型化光纤传感用光收发组件内部结构图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定各模块，仅仅是为了便于对相应模块进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1、图2、图3所示，为了实现上述目的，本发明提供了一种小型化光纤传感用光收发组件，所述的光纤传感用光收发组件本体0所述的本体呈立方体形，所述壳体0两侧设置有安装耳板，以用于焊接或者螺栓固定，此处不做限制。所述本体0采用8pin管壳气密性封装，可以根据需要采用金属管壳，也可以采用陶瓷管壳气密性封装，材料不做限制。所述的光纤传感用光收发组件还包括贴装在半导体制冷器(TEC)6上的集成块，所述集成块上集成了宽带光源芯片(SLD)1、微透镜3、分路器2、接收用高线性度光电探测器芯片(receivephotodiode chip)4、微带电路、热敏电阻(Thermistor)5。
所述的宽带光源芯片1发射的光信号经微透镜整形后进入分路器2，所述光信号经分光进入光纤7后输出至光调制器和光纤线圈，所述光信号返回后经分路器进入接收用高线性度光电探测器芯片4，转换为电信号输出。所述的分路器2包括耦合器和分束器。所述的宽带光源芯片1、高线性度光电探测器芯片4、半导体制冷器6、热敏电阻5的各电极分别通过金丝键合工艺连接至管壳管脚。
所述的所述的宽带光源芯片1和半导体制冷器管6的两个脚分布在所述本体两侧，所述的热敏电阻5和接收用高线性度光电探测器芯片4的两个管脚分别分布在同一侧。所述的宽带光源芯片1、接收用高线性度光电探测器芯片4、热敏电阻5以分路器2为中心布置。这样的布置可以管脚分布合理，便于接线。
所述的本体呈立方体形，所述壳体两侧设置有安装耳，立方体性封装十分便于布置，有利于节省布置空间。
由于本组件对光学精度要求很高，在组件制作过程或者使用过程中的振动很容易造成元气件的位移导致精度降低，其中分路器的移动是重要原因，在所述的分路器顶部设置有微调机构，所述的微调机构可以为压电陶瓷或微动马达，具体设置为将分路器2顶部与压电陶瓷或微动马达连接，夹持端伸出壳体0，以便于手动调节或自动化调节，压电陶瓷或微动马达电极与控制器连接，控制器通过接收用高线性度光电探测器芯片4的信号强度反馈信息，动态调节微动马达以达到分路器的最佳位置。除了以上调节方式外，还可以通过高精度对准如图像识别方式，将所有光学元件精确组装在半导体制冷器6上的集成块上，通过压电陶瓷或微动马达调节光纤7，以获得最佳耦合位置，以比较灵活的调节所述光纤传感用光收发组件的精度。
本发明专利采用了基于微光学组装工艺的芯片级集成技术，具有集成度高，体积小、性能指标高、匹配性好等特点，可以使光纤陀螺等光纤传感器的体积进一步缩小，能够应用于更多需要更小尺寸的传感器领域。由于集成度高，减少了原分立光学器件方案中至少2次光纤熔接涂覆，免除了至少三段光纤的盘装固定，降低了光纤传感器装配的工艺复杂度，既能够保证传感系统良好的一致性和可靠性，还能减少诸如强度噪声、偏振噪声和提高信噪比，从而进一步提高光纤陀螺等光纤传感系统的精度。

Claims (10)

1.一种小型化光纤传感用光收发组件，其特征在于所述的光纤传感用光收发组件本体采用管壳气密性封装，包括贴装在半导体制冷器上的光源芯片、微透镜、分路器、光电探测器芯片、微带电路、热敏电阻；所述的光源芯片发射的光信号经微透镜整形后进入分路器，所述光信号经分光进入光纤后输出至光调制器和光纤线圈，所述光信号返回后经分路器进入光探测器，转换为电信号输出。
2.如权利要求1所述的一种小型化光纤传感用光收发组件，其特征在于所述的分路器包括耦合器和分束器。
3.如权利要求1或2所述的一种小型化光纤传感用光收发组件，其特征在于所述的光源芯片为宽带光源芯片，所述的光电探测器芯片为高线性度光电探测器。
4.如权利要求3所述的一种小型化光纤传感用光收发组件，其特征在于所述的光源芯片、分路器、光电探测器芯片、热敏电阻各电极分别通过金丝键合工艺连接至管壳管脚。
5.如权利要求3所述的一种小型化光纤传感用光收发组件，其特征在于所述的光源芯片、分路器、光电探测器芯片、热敏电阻采用8pin金属管壳或陶瓷管壳气密性封装。
6.如权利要求5所述的一种小型化光纤传感用光收发组件，其特征在于所述的光源芯片和半导体制冷器管的两个脚分布在所述本体两侧，所述的热敏电阻和光电探测器的两个管脚分别分布在同一侧。
7.如权利要求6所述的一种小型化光纤传感用光收发组件，其特征在于所述的光源芯片、光电探测器芯片、热敏电阻以分路器为中心布置。
8.如权利要求7所述的一种小型化光纤传感用光收发组件，其特征在于所述的本体呈立方体形，所述壳体两侧设置有安装耳板。
9.如权利要求1所述的一种小型化光纤传感用光收发组件，其特征在于所述的分路器底部设置有旋转机构。
10.如权利要求9所述的一种小型化光纤传感用光收发组件，其特征在于所述的旋转机构为调节螺丝或微动马达。
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