CN107306010A - 具有光频隔离器功能的激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用光学滤波器，在具有调节“1”信号与“0”信号相对强度比率功能的半导体激光包裹中，使从波长选择性滤波器反射的光线不能向激光二极管芯片反馈从而有效阻断的技术。本发明中的光学隔离装置与利用现有法拉第旋转器的以往技术的光频隔离器不同，在具有45度部分反射镜的现有TO‑can型激光装置中调节45度部分反射镜的特征，由于额外配置一个λ/4波片，具有可有效地用激光二极管芯片将光反馈阻断的功能，并且在具有小容量的TO‑can型激光装置中，使其可有效地调节信号并且具有提高通信功能的功能。

Description

具有光频隔离器功能的激光装置
技术领域
本发明涉及一种TO-can型激光装置，尤其涉及一种在装置的内部，具有隔离从激光二极管芯片发散的光线再向激光二极管芯片返回的光频隔离器功能的TO-can型激光装置。
背景技术
最近，以智能手机等视频服务为首的通信容量更大的通信服务正在推向市场。于是，将以往的通信容量大幅度增加的必要性正起到带头作用，已经采用了利用以往已经发明的光纤维将通信容量增大的方法DWDM密集型光波复用(Dense Wavelength DivisionMultiplexing)方法。指的是所述DWDM波长相互不同的激光光线不互相发生干涉，利用即使通过一个光纤维将多种波长的光线信号传送，信号之间也没有干涉的现象，指的是用一种光纤维将多个波长的光线同时传送的方式。
现在，全世界在以称为NG-PON2(Next Generation-Passive Optical Networkversion 2)规格正在向全世界协商，在这种NG-PON2规格中，采取以将安装在加入者上的光通信模块的规格100Ghz频率间隔的激光。所述NG-PON2的加入者用光模块是以叫做SFP(Small Form facTOr Pluggable)的收发器模块为基本规格，这种SFP模块包裹的容量小，激光模块的大小需要小型化。
并且，基于根据从激光二极管芯片释放的光线，将“1”信号及“0”信号区分的数字光通信，“1”信号与“0”信号是借助于从半导体激光二极管芯片释放光线的强度来调节。从半导体激光二极管芯片释放光线的强度是根据向半导体激光二极管芯片注入的电流强度变得不同，并且发生根据向半导体激光二极管芯片注入电流的强度芯片激光光线的波长变为不同的啁啾(chirp)现象。这种啁啾(chirp)现象在10Gbps级的高速运转中会发生从激光二极管芯片发散的激光光线的光谱变宽的啁啾(chirp)现象，这种啁啾(chirp)现象具有与光纤维的分散特性结合并且具有将光信号的传送距离缩短的缺陷。
这种啁啾(chirp)现象与光纤维的分散(dispersion)特性衔接使高速光信号的长距离传送变得困难。为了减少啁啾(chirp)现象的发生，将向制造出“1”信号与“0”信号的半导体激光二极管芯片注入的电流的变阻度缩小的方法虽然是可行的，但在使用这种方法时，“1”信号与“0”信号差变小，导致发生难以判别信号的问题。
为了解决这种问题，将属于激光二极管芯片的信号波长的光线以光学减少，利用电的方法可以将电流的变阻度较小驱动后，利用光学使用了将“1”信号与“0”信号差强调的方法。
图1呈现了美国注册专利US 8,199,785来标记的啁啾激光管理的结构。在啁啾激光管理中，利用光滤波器将属于信号的光线选择性的减少，使用了培养最终输出信号变阻度的方法。此时，具有从半导体激光中振荡的激光光线的波长随着温度大概具有0.1nm/℃的波长变化，由于光滤波器只能选择性地将信号减少，具有将从光滤波器与从半导体激光二极管芯片释放光线的波长极其紧密使其一致的问题。因为这种理由，在啁啾激光管理中波长稳定化装置是必要的，图1的308、310、312是用于这种波长稳定化的结构。图2是不使用光滤波器时的“1”信号与“0”信号的信号波长强度的比率呈现的附图(图2-a)及信号的强度相对可以通过，信号使用相对隔离的光滤波器，将“1”信号与“0”信号的差扩大时的信号波长强度的比率呈现的附图(图2-b)。
为了使用图1的波长稳定化装置，从DFB-LD(图1的302)释放的光线的一部分在OSR中反射，而需要再次向DFB-LD(图1的302)方向前行。特别是，光滤波器具备标准具的特性的情形下，标准具光滤波器的设置，使入射光以近乎垂直状态射入标准具滤波器的入射时，由于标准具滤波器的特性变好，大部分的标准具滤波器是在标准具滤波器的入射面上，与以垂直±3度左右的窄角度进入的光线对应设计。在标准具滤波器中，垂直反射的光线由激光二极管芯片来反馈，并且可以使激光二极管芯片的运转扰乱。但是，DFB-LD(图1的302)向从外部进来的光线特别敏感地变化特性，在光谱整型器(optical spectrum reshaper，图1的304)中以分布反馈激光二极管(Distributed Feedback Laser Diode，图1的302)前行的光线PD(图1的312)前行，需要具有阻断分布反馈激光二极管(Distributed Feedback LaserDiode，图1的302)不能前行的方法。在图1的以往技术中，将光线只向一个方向通过，并且正在将向反方向不能通过的光滤波器(图1的306)配置。
在图1中呈现了2个光频隔离器，光频隔离器(图1的306)从激光二极管芯片中释放，并且具有使从波长选择性滤波器(图1的304)中反射的光线不能向激光二极管芯片反馈并阻断的功能，另一个光频隔离器(图1的324)是为了从另一个光元件通过光纤维将向图1的光元件内部流入的光线阻断的光频隔离器。
光频隔离器是2张偏光板及配置在2张偏光板之间的法拉第旋转器及在法拉第旋转器上由将磁场(magnetic field)施加的永久磁铁构成，并且具有复杂并价格昂贵的问题。
图1中，从半导体激光二极管芯片(图1的302)释放的激光光线直行并入射到光纤维(图1的318)，这种形态的结构呈现在美国发明US 8,199,785的图3中，被成为mini-flat。但是，Mini-flat型的光元件包裹外壳价格昂贵，利用具有低廉价格的TO-can型的包裹，将波长稳定化装置实现的方法在图4的US20150200730中有所图示。TO-can型是直径通常为6mm以内的小型产品主要应用在光通信用上。在直径为6mm以下的TO-can型包裹中，之所以6mm的大小至关重要，原因是现在通信用光收发器(transceiver)最重要的规格SFP型收发器的包裹高度为8mm左右，用于安置在这种包裹内，是只可以允许具有最大6mm直径的TO-can型包裹的原因。
图4的US 20150200730中，如果将滤波器400以光学的滤波器来使用，可以将波长稳定化装置内装的啁啾激光管理实现为TO-can型。但是，在图4的情况中，由于没有与在图1的美国注册专利US 8,199,785中可见的光频隔离器(图1的306)相同的阻止光反馈的装置，从激光二极管芯片(图4的100)中释放向光滤波器(图4的400)进入后，从光滤波器(图4的400)反射并再次向45度部分反射镜(图4的300)前行，一束光线的一部分从部分反射镜(图4的300)反射，并向半导体激光二极管芯片(图4的100)进入有可能扰乱半导体激光二极管(图4的100)的运转。图4这种情况，用于获得强烈的光强度，优选为将45度部分反射镜(图4的300)入射的大部分光线反射，由于从光滤波器(图4的400)反射并且到达45度部分反射镜的光线大部分向激光二极管芯片(图4的100)反射，激光二极管芯片(图4的100)的运转更容易被绕乱。
图4的这种情况，用可以配置光频隔离器的类型使其配置在图5的光频隔离器(A)位置的方法虽然可行，但这种方法实际上应用在限定直径6mm的大小很困难的。
图6实际呈现了将以直径6mm的TO-can型制造的图4结构的TO-can内部结构。在直径6mm的TO-can型包裹中，当考虑到包裹的外观盖子部分时，实际上在TO-can型包裹中配件可配置的空间限定在4mm以内。在图6中，准直透镜(collimating lens)的大小是0.7mm，并且镜头大小比这个还小时，成为准直透镜(collimating lens)的波束(beam)的大小变得太小，借助于标准局滤波器中的干涉透过/阻断的特性不能体现出来。在TO-can型中，优选为成为准直透镜(collimating lens)的光线向TO-can型包裹的同心轴释放，优选为45度部分反射镜配置在TO-can型包裹的中心轴上。如图6所示，直径6mm的TO-can型包裹的大小太小，通常大小为1mm以上的光频隔离器会发生安装空间不足的问题。因此，在图5的(A)位置上配置光频隔离器实际上是不可能的。在TO-can型包裹中，向45度部分反射镜的垂直上方方向包裹大小不受限制，与图5的光频隔离器(B)相同将光频隔离器配置，虽然光滤波器(图5的400)中反射的光线可以防止向激光二极管芯片(图5的100)反馈，此时，需要向光敏二极管(图5的500)入射的光线也借助于光频隔离器(B)隔离，并且由于不能使用波长稳定化装置，不能实现chirp manage laser的功能。在先技术文献
专利文献
US 8,199,785
US 20150200730
发明内容
(要解决的问题)
本发明是为了解决所述以往技术的问题所提案，本发明是利用了直径超小型的TO-can型半导体激光包裹，可以将高速的长距离通信实现的啁啾激光管理方法，呈现了借助于波长选择性滤波器反射的光线向激光二极管芯片返回，并且将激光二极管芯片的运转特性变得不稳定的光反馈消除的方法。并且，在本发明中，在2张偏光板及配置在2张偏光板之间的法拉第旋转器及在法拉第旋转器上施加磁场(magnetic field)的永久磁铁构成，为了替代大小较大，价格昂贵的光频隔离器，可以利用一张光学底片的波长选择性滤波器来有效发挥光频隔离器功能的方法。
(解决问题的手段)
用于达成所述目的本发明的激光装置，包括：激光二极管芯片，发散激光光线；波长选择性滤波器；视准镜头，安装在所述激光二极管芯片及波长选择性滤波器之间的光镜路上，并且使从激光二极管芯片发散的光线视准；45度部分反射镜，安装在所述视准镜头及波长选择性滤波器之间的光镜路上，并且将相对于包裹底面向水平前行的激光光线向相对于包裹底面向垂直前行方向转换；λ/4波片，配置在所述45度部分反射镜300及所述波长选择性滤波器之间。
并且，所述光学配件配置在放置在TO-can型包裹底面的热电元件上。
并且，所述45度部分反射镜是具有从半导体激光二极管中释放的偏光光线一部分反射/一部分透过的特性，并且反射率具有比透过率大的特性，对于从半导体激光二极管芯片释放的光线与垂直的偏光，具有全部透过或者一部分反射/一部分透过的特性，并且透过率比反射率大。
并且，所述波长选择性滤波器优选为FP型的标准具滤波器，所述波长选择性滤波器由折射率高的电介质薄膜叠层制造。
(发明的效果)
在本发明中，相对于从激光二极管芯片释放的45度部分反射镜，S-偏光的光线主要在45度部分反射镜中反射，λ/4波片及经过波长选择性滤波器向TO-can型包裹的外部传送并且起到光通信的功能。在波长选择性滤波器中反射的光线再次经过λ/4波片的同时，成为P-偏光的光线并且到达45度部分反射镜上。45度部分反射镜相对于P-偏光，如果具有大部分透过的特性，从波长选择性滤波器反射，并且到达45度部分反射镜上的光线不能在45度部分反射镜中反射透过，因此，从波长选择性滤波器反射的光线阻断了向激光二极管芯片反馈的光线量，并且使从激光二极管芯片中发生的扰乱消失。
因此，在本发明中，由2张偏光板(polarizer)、法拉第旋转器、永久磁铁构成并且价格昂贵，为了替代体积较大的光频隔离器，相对于P-偏光及S-偏光，与反射率改变的45度部分反射镜利用一张λ/4波片，从波长选择性滤波器反射的光线有效地阻断向激光二极管芯片反馈。
因此，这种结构的啁啾激光管理结构可以适当使用于体积较小低价的TO-can型激光包裹。
附图说明
图1是TO型现有技术啁啾激光管理的外型图。
图2是从激光二极管芯片释放的“1”信号与“0”信号的差异借助于波长选择性滤波器“1”信号与“0”信号比率变化进行说明的概略图。
图3是具有借助以往发明的mini-flat或者butterfly型包裹的啁啾激光管理外型图。
图4是以往的(US20150200730)波长选择性滤波器配置的TO-can型激光结构的配置图。
图5是向以往(US20150200730)波长选择性滤波器配置的TO-can型激光结构额外地从波长选择性滤波器反射，为了将用激光二极管芯片反馈的激光光线阻断并且将光频隔离器配置的方法呈现的配置图。
图6是向直径6mm以下的TO-can型包裹配置激光二极管芯片及准直透镜(collimating lens)及45度部分反射镜的实际例俯视图(bird eye view)。
图7是借助于本发明的光频隔离器内置的TO-can型的啁啾激光管理的截面图。
图8是借助于本发明根据偏光利用透过度变化的45度部分反射镜及λ/4波片，并且对从波长选择性滤波器反射的光线向激光二极管芯片反馈进行有效阻断的方法，进行详细说明的概略图。
图9是根据本发明一个实施例并且根据45度部分反射镜偏光的透过/反射率呈现的图表。
符号说明：
100：激光二极管芯片
110：激光二极管芯片载体
200：准直透镜
300:45度部分反射镜
400：波长选择性滤波器
450：λ/4波片
500：光敏二极管
510：光敏二极管幻灯片框
600：光敏二极管
610：光敏二极管用幻灯片框
900：热电元件
具体实施方式
以下，将本发明不受限定的优选实施例与附图一并进行详细说明。
图7示出了本发明的一个实施例。
本发明中使用的45度部分反射镜相对于从激光二极管芯片释放光线的偏光具有反射的特性，相对于从激光二极管芯片释放的光线及垂直的偏光具有透过的特性。
通常从半导体激光二极管芯片100释放的光线具备线形偏光(linearpolarization)。在本发明的TO-can型结构中，从激光二极管芯片100释放的激光光线带着S-偏光的线形偏光入射到45度部分反射镜300上。在此处，所述45度部分反射镜300是从激光二极管芯片释放的S-偏光光线大部分反射并且向波长选择性滤波器400发送。从激光二极管芯片100直接释放并且透过45度部分反射镜300的光线向监测激光光线强度的光敏二极管600入射，并以此来监测激光二极管芯片的光强度。由于从激光二极管芯片100直接释放并且从45度部分反射镜300透过率是不能使用于光通信能量的，使用于监测激光光线强度的比率透过是优选的，通过这种用途，使从激光二极管芯片100直接释放的70％以上的光线反射，30％以下的光线透过为优选的，再进一步说明，93～97％左右的光线反射，3～7％左右的光线透过是优选的。
λ/4波片450起到将线形偏光转换成圆偏光的作用。图8是将这种偏光变化详细呈现的附图。从激光二极管芯片向S-偏光释放而从45度部分反射镜反射的光线，以维持着从激光二极管芯片释放时的偏光特性S-偏光的状态到达λ/4波片上。λ/4波片具有将线偏光变成圆偏光的特性，于是，通过λ/4波片并且以波长选择性滤波器前行的光线具有右旋圆极化(right-handed circular polarization)的特性。从波长滤波器(Wavelength filter)反射的光线是偏光旋转方向镜面反射，从右旋圆极化(right-handed circularpolarization)变成左旋圆极化(left-handed circular poarization)到达λ/4波片。λ/4波片是将左旋圆极化(left-handed circular poarization)相对于45度部分反射镜300改变为P-偏光(P-polarization)的线偏光光线。因此，从波长选择性滤波器反射并且经过λ/4波片到达45度部分反射镜上的光线具有P-偏光的特征。因此，从半导体激光二极管芯片释放并且直接到达45度部分反射镜上的光线具有S-偏光的特征，从半导体激光二极管芯片释放并且与45度部分反射镜经过λ/4波片后，从波长选择性滤波器反射并且再次经过λ/4波片以至到达45度部分反射镜上的光线具有P-偏光的特性。与其相同，根据到达45度部分反射镜上的光线方向，S-偏光及P-偏光光线的偏光特性会发生变化。
图9呈现的是45度部分反射镜根据入射到45度部分反射镜光线的偏光特性，透过率及反射率可以变化的模拟结果。在图9中，45度部分反射镜在1535nm的波长中，相对于S-偏光具备70％以上的反射率，相同的45度部分反射镜相对于P-偏光呈现了大部分光线可以透过的结果。
因此，在图7中，从激光二极管芯片100向S-偏光释放，并且经过视准镜头200到达45度部分反射镜上光线的大部分向TO-can型外释放，并且可以参与到光通信中。从波长选择性滤波器400反射的激光光线经过λ/4波片的同时，转换成P-偏光并且到达45度部分反射镜300，45度部分反射镜相对于P-偏光，与S-偏光不同地使大部分的光线透过，可以有效地隔离从波长选择性滤波器400反射的光线向激光二极管芯片100反馈。因此，具有减少借助于从波长选择性滤波器400反射光线的激光二极管芯片100的扰乱的效果，使通信的品质变好。
本发明中虽然对从激光二极管芯片释放的光线相对于45度部分反射镜以S-偏光进行了举例说明，在以P-偏光释放的情况也会呈现相同的效果。虽然本发明中省略了具体的说明，由于光敏二极管500监测从波长选择性滤波器反射的光线强度，利用2个以光敏二极管500、600流动的光电流比率，可以调节使激光光线的波长与波长选择性滤波器的透过波长振幅具备有的一定关系。
本发明中，光学隔离装置与利用现有法拉第旋转器的以往技术光频隔离器不同，由于在具有45度部分反射镜现有的TO-can型激光装置中，调节45度部分反射镜的特征并且额外配置一个λ/4波片，具有有效用激光二极管芯片将光反馈阻断的功能，在具有小体积的TO-can型激光装置中，使其可以调节“1”信号和“0”信号，因此具有提高通信功能的功能。并且，以往的光频隔离器由2张偏光板、1张法拉第旋转器、以及包裹上述部件的永久磁铁构成，这与大小较大、价格昂贵相反的是，借助于本发明的光反馈阻断，通过添加一张λ/4波片，与之前的体积大价格昂贵的光频隔离器相比具有相同的功能，但能发挥具有在空间、经济方面节约的功能。
为了使进行说明的实施例可以多样的变形，各实施例的全部或者一部分可以选择性的组合并且形成。
并且，需要注意的是实施例是用于说明的，不是用于限定的。并且如果是本发明技术领域的专家，是可以理解在本发明技术思想的范围内实现多样实施例的。

Claims (10)

1.一种具有光频隔离器功能的激光装置，其特征在于，包括如下结构：
激光二极管芯片(100)，发散激光光线；
波长选择性滤波器(400)；
视准镜头(200)，安装在所述激光二极管芯片(100)及波长选择性滤波器(400)之间的光镜路上，并且使从激光二极管芯片(100)发散的光线视准；
45度部分反射镜(300)，安装在所述视准镜头(200)及波长选择性滤波器(400)之间的光镜路上，将相对于包裹底面向水平前行的激光光线向对于包裹底面向垂直前行的方向转换；
λ/4波片(450)，配置在所述45度部分反射镜(300)及所述波长选择性滤波器(400)之间，将线偏光的光线变成圆偏光的光线。
2.根据权利要求1所述的具有光频隔离器功能的激光装置，其特征在于，
所述45度部分反射镜(300)相对于从激光二极管芯片中直接释放的偏光展现出部分反射/部分透过的特性，反射率具有比透过率大的特性，相对于从激光二极管芯片直接释放的偏光并且相对于垂直的偏光展现全部透过或者部分反射/部分透过的特性，透过率比反射率大。
3.根据权利要求1所述的具有光频隔离器功能的激光装置，其特征在于，
所述波长选择性滤波器是FP型的标准具滤波器(400)。
4.根据权利要求1所述的具有光频隔离器功能的激光装置，其特征在于，
所述波长选择性滤波器由折射率高的电介质薄膜叠层制造。
5.根据权利要求2所述的具有光频隔离器功能的激光装置，其特征在于，
所述波长选择性滤波器相对于从激光二极管芯片直接释放的偏光具有70％以上的反射率。
6.根据权利要求2所述的具有光频隔离器功能的激光装置，其特征在于，
所述波长选择性滤波器相对于从激光二极管芯片直接释放的偏光及垂直的偏光的光线具有70％以上的透过率。
7.根据权利要求1所述的具有光频隔离器功能的激光装置，其特征在于，还包括：
光波长监测用光敏二极管(500)，所述光敏二极管(500)附着在热电元件(900)上，并监测从波长选择性滤波器(400)反射的光的强度。
8.根据权利要求1所述的具有光频隔离器功能的激光装置，其特征在于，
所述激光二极管芯片(100)配置在热电元件上。
9.一种具有光频隔离器功能的激光装置，其特征在于，包括如下结构：
激光二极管芯片(100)，发散激光光线；
波长选择性滤波器(400)；
视准镜头(200)，安装在所述激光二极管芯片(100)及波长选择性滤波器(400)之间的光镜路上，并且使从激光二极管芯片(100)发散的光线视准；
45度部分反射镜(300)，安装在所述视准镜头(200)及波长选择性滤波器(400)之间的光镜路上，并且将相对于包裹底面向水平前行的激光光线向相对于包裹底面向垂直前行方向转换；
光频隔离器，配置在所述视准镜头(200)及45度部分反射镜(300)之间的光镜路上，用于防止从波长选择性滤波器(400)反射的激光光线向激光二极管芯片(100)反馈。
10.根据权利要求9所述的具有光频隔离器功能的激光装置，其特征在于，
所述激光二极管芯片(100)配置在热电元件上。
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