CN109818250A - 半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构及封装方法 - Google Patents

半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构及封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构，包括陶瓷光纤插针接头、SESAM、SESAM固定块、TEC制冷片、密封壳和盖板，盖板连接在密封壳的表面对密封壳进行密封，TEC制冷片和SESAM固定块均位于密封壳内，SESAM固定块放置在TEC制冷片的上方，SESAM粘贴在SESAM固定块上，密封壳上设有密封壳中心小孔，陶瓷光纤插针接头穿过密封壳中心小孔进入密封壳内，且陶瓷光纤插针接头的输出端面与SESAM固定块上的SESAM的端面相对。本发明还提供一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装方法，用紫外固化胶将SESAM粘贴在SESAM固定块上，将陶瓷光纤插针接头的输出端面对准半导体可饱和吸收镜端面，在干燥的N2环境下对密封壳进行密闭封装。本发明实现了SESAM在干燥的恒温条件下工作。

Description

半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构及封装方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构及封装方法。
背景技术
利用SESAM(Semiconductor Saturable Absorber Mirror，半导体可饱和吸收镜)产生的锁模光纤激光器，能产生皮秒(10-12秒)至飞秒(10-15秒)的超短脉冲，是SESAM最重要的应用之一。该锁模光纤激光器具有结构简单紧凑和性能稳定可靠等优点，它产生的超短脉冲在光学相干层析成像(OCT)医学领域、微加工领域、高速摄影或分子的超快动力学领域以及光通讯领域等很多领域都有重要的应用，SESAM是产生超短脉冲的被动锁模光纤激光器最重要的元件之一。
SESAM最早由U.Keller于1992年提出，是反射镜与可饱和吸收体的结合体。它以GaAs作为衬底，交错生长由GaAs和AlAs组成的半导体布拉格反射镜，布拉格反射镜的上面是InGaAs/GaAs量子阱。与普通的半导体可饱和吸收体相比，SESAM具有插入损耗小，中心波长可调以及简单的激光谐振腔结构等优点。正是因为这些优点，推动了大批前沿科技人员创造性的使用SESAM锁模技术，不断刷新超短脉冲领域的纪录。
不过，虽然SESAM在超短脉冲领域的应用前景广泛，但是寿命短、极易被损伤的特性一直阻碍了它在商业上大规模的应用。SESAM的受损机制主要有两种：一种是由于SESAM的温度升高而引起的热损伤，另一种是由于Q调制不稳定性而产生的高峰值功率引起的非热损伤。这种易损伤特性除了与SESAM的材料选取、SESAM的制作工艺等因素有关之外，还与SESAM的使用方法及热处理方式有关。在使用方法上，除了保证SESAM表面的洁净与干燥之外，还应该尽可能降低输入的光功率以减少SESAM热量的增加，同时，还应该尽可能的增大SESAM的散热。SESAM的封装方式及散热性能的好坏，对SESAM的使用寿命起着决定性的作用。
目前用于锁模光纤激光器的SESAM的封装方式有：1、把SESAM粘贴在铜质底座上，通过一对透镜实现光纤与SESAM之间的耦合；2、把SESAM直接粘贴到FC光纤跳线上。第一种封装方式使用铜制底座，散热好，SESAM面积较大，能提供多次损坏机会，但是这种封装方式结构复杂，价格昂贵，调试难度大，而且光耦合受环境影响较大，不适于激光器的长期稳定工作；第二种封装方式操作简单，成本低，全光纤结构不仅减小了被动锁模光纤激光器的体积，同时也提高了激光器的稳定性，但是这种封装方式散热性能差，使用寿命短，不宜更换，一个SESAM只能用一次。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构，不仅结构简单、价格低廉、调试难度小，而且散热性能优异、工作环境温度范围大、SESAM(Semiconductor Saturable Absorber Mirror，半导体可饱和吸收镜)可多次重复利用，可以大幅提高锁模光纤激光器的寿命，非常利于工业应用和大规模生产；本发明还提供了一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装方法。
本发明提供一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构，包括陶瓷光纤插针接头、SESAM、SESAM固定块、TEC(Thermo Electric Cooler，半导体致冷器)制冷片、密封壳和盖板，所述盖板连接在密封壳的表面对密封壳进行密封，所述TEC制冷片和SESAM固定块均位于密封壳内，所述SESAM固定块放置在TEC制冷片的上方，所述TEC制冷片用来对SESAM固定块进行控温，实现SESAM在±0.1℃以内的环境中工作，所述SESAM粘贴在SESAM固定块上，所述密封壳上设有密封壳中心小孔，所述陶瓷光纤插针接头穿过密封壳中心小孔进入密封壳内，且所述陶瓷光纤插针接头的输出端面与SESAM固定块上的SESAM的端面相对。
进一步地，所述SESAM固定块为凸型结构，所述SESAM固定块上设有SESAM固定区，利用紫外固化胶、热固化胶或导热硅胶将SESAM粘贴在SESAM固定区。
进一步地，所述SESAM固定块上设有SESAM固定块安装孔，所述密封壳内设有SESAM固定块安装螺孔，穿过所述SESAM固定块安装孔在SESAM固定块安装螺孔内插入螺丝将SESAM固定块固定在密封壳内，所述SESAM固定安装孔的形状为长方形，可以实现SESAM固定块在密封壳内的移动，从而保证当SESAM某一个区域被损坏后仍可以通过移动SESAM固定块来使用SESAM的其他区域。
进一步地，所述陶瓷光纤插针接头包括光纤和陶瓷光纤插针，所述光纤通过热固化胶固定在陶瓷光纤插针的中心孔内，所述光纤可以是保偏单模光纤或非保偏单模光纤。
进一步地，所述陶瓷光纤插针接头也可以为GRZN lens(渐变折射率透镜)、C-lens(准直器透镜)或者包括透镜组的空间光耦合结构。
进一步地，所述密封壳上设有两个密封壳接线引脚，所述密封壳接线引脚通过铜线与TEC制冷片的两个接线引脚连接。
进一步地，所述陶瓷光纤插针接头与密封壳中心小孔的缝隙填充紫外固化胶。
进一步地，所述SESAM固定块、密封壳和盖板均由金属铜材料制得。
进一步地，所述陶瓷光纤插针接头的尾纤连接锁模光纤激光器。
本发明还提供一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装方法，包括以下步骤：
S1，将光纤的涂覆层剥除并擦拭干净，然后在陶瓷光纤插针的中心孔内注入热固化胶，并将涂覆层剥除后的光纤插入陶瓷光纤插针的中心孔，组成陶瓷光纤插针接头，将所述陶瓷光纤插针接头加热固化，利用研磨机将陶瓷光纤插针接头的输出端面磨平，磨平的端面可以镀膜或者不镀膜；
S2，在密封壳内的TEC制冷片放置区均匀涂抹导热硅胶，将TEC制冷片放置在TEC制冷片放置区，并将TEC制冷片的两个接线引脚与密封壳上的密封壳接线引脚连接；
S3，在SESAM固定块上的SESAM固定区的表面均匀涂抹密封胶，然后将SESAM放置到SESAM固定区的中心位置，使SESAM粘贴在SESAM固定块上；
S4，在TEC制冷片的表面均匀涂抹导热硅胶，然后将步骤S3的SESAM固定块放置在TEC制冷片上并用螺丝将SESAM固定块固定在密封壳内；
S5，利用多维调整架固定步骤S1的陶瓷光纤插针接头，然后将陶瓷光纤插针接头的输出端面对准SESAM表面后插入密封壳上的密封壳中心小孔内，将陶瓷光纤插针接头的尾纤连接到锁模光纤激光器腔内，调节多维调整架使陶瓷光纤插针接头的输出端面不断靠近SESAM表面的同时改变陶瓷光纤插针接头的输出端面与SESAM表面之间的角度直至达到激光器锁模条件；
S6，在陶瓷光纤插针接头与密封壳中心小孔之间的缝隙内填充紫外固化胶，利用紫外光源照射使紫外固化胶固化，紫外固化胶须填满陶瓷光纤插针接头与密封壳中心小孔之间的缝隙，可以在陶瓷光纤插针接头与密封壳中心小孔上均匀涂抹紫外固化胶；
S7，将步骤S6的密封壳放置在干燥的环境中，然后在密封壳的表面焊接盖板实现对密封壳的密封处理。
进一步地，步骤S3中，所述密封胶选用紫外固化胶、热固化胶或导热硅胶；步骤S7中，所述干燥的环境为干燥的N2环境、真空环境或洁净空气环境。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
(1)本发明通过将SESAM固定在一个独立的铜质SESAM固定块上，不仅提高了SESAM的散热性能，增加了SESAM的使用寿命，而且当需要改变实验参数或者SESAM被打坏时，可以将整个SESAM固定块取出再次使用，提高了SESAM的使用率，降低了激光器生产成本；
(2)本发明通过将整个SESAM固定块放置在TEC制冷片上，使SESAM工作在恒温条件下，提高了激光器的稳定性；
(3)本发明通过将SESAM密闭封装在一个干燥的N2环境中，降低由于湿度环境对SESAM的潮解，能很大程度上提高SESAM的使用寿命；
(4)本发明提供的密闭封装方法操作简单、成本低，提供了一种散热性能优异、密闭式的恒温SESAM封装结构，该结构简单小巧紧凑，可重复性好，有利于激光器的小型化批量生产。
附图说明
图1是本发明一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构的结构示意图。
图2是本发明一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构的密封壳与陶瓷光纤插针接头的装配示意图。
图3是本发明一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构的陶瓷光纤插针接头的侧面结构示意图。
图4是本发明一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构的陶瓷光纤插针接头的输出端面结构示意图。
图5是本发明一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构的SESAM固定块的结构示意图。
图6是本发明一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构的密封壳的结构示意图。
图7是本发明一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构的TEC制冷片与SESAM固定块的安装结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构，包括陶瓷光纤插针接头1、SESAM(Semiconductor Saturable Absorber Mirror，半导体可饱和吸收镜)2、SESAM固定块3、TEC(Thermo Electric Cooler，半导体致冷器)制冷片4、密封壳5和盖板6。
参考图3和图4，陶瓷光纤插针接头1包括光纤11和陶瓷光纤插针12，光纤11通过热固化胶固定在陶瓷光纤插针12的中心孔内，光纤11可以是保偏单模光纤或非保偏单模光纤。
参考图5，SESAM固定块3为凸型结构，SESAM固定块3由金属铜材料制得，SESAM固定块3上设有SESAM固定区31和SESAM固定块安装孔32，SESAM固定区31用来放置SESAM 2，SESAM固定区31为开设在SESAM固定块3的凸面上的凹槽，SESAM固定区31的尺寸大于SESAM2的尺寸，SESAM 2通过紫外固化胶、热固化胶或导热硅胶粘贴在SESAM固定区31，SESAM固定块安装孔32的形状为长方形，可以实现SESAM固定块3在密封壳5内的移动，从而保证当SESAM 2某一个区域被损坏后仍可以通过移动SESAM固定块3来使用SESAM 2的其他区域，SESAM固定块安装孔32的数量为两个。
参考图6和图7，密封壳5上设有密封壳中心小孔51和两个密封壳接线引脚52，陶瓷光纤插针接头1穿过密封壳中心小孔51进入密封壳5内，密封壳中心小孔51与陶瓷光纤插针接头1的孔隙内填充紫外固化胶进行密封，陶瓷光纤插针接头1的输出端面与SESAM 2的端面相对，密封壳5内设有SESAM固定块安装螺孔53和TEC制冷片放置区54，TEC制冷片放置区54用来放置TEC制冷片4，TEC制冷片放置区54为开设在密封壳5的底端的凹槽，在TEC制冷片4的上方放置SESAM固定块3，穿过SESAM固定块安装孔32在SESAM固定块安装螺孔53内插入螺丝7将SESAM固定块3的位置固定，TEC制冷片4的两个接线引脚通过铜线8与密封壳接线引脚52连接，TEC制冷片4具有加热与制冷功能，TEC制冷片4用来对SESAM固定块3进行控温，可以实现SESAM 2在±0.1℃以内的环境中工作，提高锁模光纤激光器的稳定性；密封壳5由金属铜材料制得,密封壳5内的气体环境为干燥的N2环境、真空环境或洁净空气环境。
盖板6通过美国平行焊缝系统Miyachi Benchmark SM8500焊接到密封壳5的表面上，完成密封壳5的密封处理。
本发明的实施例还提供了一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装方法，包括以下步骤：
步骤S1，将保偏单模光纤的一端长2cm的光纤的涂覆层剥除掉并用沾有酒精的擦镜纸擦拭干净，然后在陶瓷光纤插针12的中心孔内注入适量的热固化胶，并将涂覆层剥除后的光纤11插入陶瓷光纤插针12的中心孔，组成陶瓷光纤插针接头1，将陶瓷光纤插针1接头加热固化，利用光纤研磨机将陶瓷光纤插针接头1的输出端面磨平，磨平的端面可以镀膜或者不镀膜；
步骤S2，在密封壳5内的TEC制冷片放置区54均匀涂抹少量导热硅胶，将TEC制冷片4放置在TEC制冷片放置区54，并用铜线8将TEC制冷片4的两个接线引脚与密封壳5上的密封壳接线引脚52连接；
步骤S3，在SESAM固定块3上的SESAM固定区31的表面均匀涂抹少量紫外固化胶，然后用塑料平头镊子将SESAM 2放置到SESAM固定区31的中心位置，用紫外灯均匀照射SESAM固定区31表面使紫外固化胶完全固化；
步骤S4，在TEC制冷片4的表面均匀涂抹少量导热硅胶，然后将步骤S3的SESAM固定块3放置在TEC制冷片4上并用螺丝7将SESAM固定块3固定安装在密封壳5内的SESAM固定块安装螺孔53上，SESAM固定块安装螺孔53的数量为两个；
步骤S5，利用五维调整架10固定步骤S1的陶瓷光纤插针接头1，然后将陶瓷光纤插针接头1的输出端面对准SESAM 2表面后插入密封壳5上的密封壳中心小孔51内，将陶瓷光纤插针接头1的尾纤连接到锁模光纤激光器9腔内，调节五维调整架10使陶瓷光纤插针接头1的输出端面不断靠近SESAM 2表面的同时改变陶瓷光纤插针接头1的输出端面与SESAM 2表面之间的角度直至达到激光器锁模条件；
步骤S6，在陶瓷光纤插针接头1与密封壳中心小孔51之间的缝隙内均匀填满紫外固化胶，利用紫外光源均匀照射使紫外固化胶固化；
步骤S7，将步骤S6的密封壳5放置在干燥的N2环境中，然后利用美国平行焊缝系统Miyachi Benchmark SM8500将盖板6焊接到在密封壳5的表面，完成对密封壳5的密封处理，即得到半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构，该全光纤密闭封装结构的密封壳5内的气体环境为干燥的N2。
本发明的实施例提供的半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构中，陶瓷光纤插针接头1的输出端面与SESAM 2的端面之间的距离为0～几微米，光从陶瓷光纤插针接头1耦合到SESAM 2，SESAM 2反射光耦合到陶瓷光纤插针接头1；当SESAM 2表面某一区域被打坏或者需要更换SESAM 2表面工作区域时，可以松开SESAM固定块3上的螺丝7，移动SESAM固定块3的相对位置，这样就可以实现SESAM 2的多次利用，降低激光器生产成本；如果SESAM2被损坏，可以将整个SESAM固定块3取出重新使用，即取出整个SESAM固定块3，用沾有酒精的棉签清洁干净SESAM 2表面后，重新放入一个新的密封壳5内。
本发明不仅实现了半导体可饱和吸收镜的全光纤化封装结构，而且实现了半导体可饱和吸收镜2在干燥的恒温条件下工作，提高了锁模光纤激光器稳定性的同时也极大的提高了激光器的寿命，当半导体可饱和吸收镜2某一工作区域被打坏或者需要改变锁模参数时，将SESAM固定块3取出并更换安装位置重新封装，可以实现半导体可饱和吸收镜多次重复使用。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (10)

1.一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构，其特征在于，包括陶瓷光纤插针接头、SESAM、SESAM固定块、TEC制冷片、密封壳和盖板，所述盖板连接在密封壳的表面对密封壳进行密封，所述TEC制冷片和SESAM固定块均位于密封壳内，所述SESAM固定块放置在TEC制冷片的上方，所述SESAM粘贴在SESAM固定块上，所述密封壳上设有密封壳中心小孔，所述陶瓷光纤插针接头穿过密封壳中心小孔进入密封壳内，且所述陶瓷光纤插针接头的输出端面与SESAM固定块上的SESAM的端面相对。
2.根据权利要求1所述的半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构，其特征在于，所述SESAM固定块为凸型结构，所述SESAM固定块上设有SESAM固定区，利用紫外固化胶、热固化胶或导热硅胶将SESAM粘贴在SESAM固定区。
3.根据权利要求1所述的半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构，其特征在于，所述SESAM固定块上设有SESAM固定块安装孔，所述密封壳内设有SESAM固定块安装螺孔，穿过所述SESAM固定块安装孔在SESAM固定块安装螺孔内插入螺丝将SESAM固定块固定在密封壳内。
4.根据权利要求1所述的半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构，其特征在于，所述陶瓷光纤插针接头包括光纤和陶瓷光纤插针，所述光纤通过热固化胶固定在陶瓷光纤插针的中心孔内。
5.根据权利要求1所述的半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构，其特征在于，所述密封壳上设有两个密封壳接线引脚，所述密封壳接线引脚通过铜线与TEC制冷片的两个接线引脚连接。
6.根据权利要求1所述的半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构，其特征在于，所述陶瓷光纤插针接头与密封壳中心小孔的缝隙填充紫外固化胶。
7.根据权利要求1所述的半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构，其特征在于，所述SESAM固定块、密封壳和盖板均由金属铜材料制得。
8.根据权利要求1所述的半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装结构，其特征在于，所述陶瓷光纤插针接头的尾纤连接锁模光纤激光器。
9.一种半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将光纤的涂覆层剥除并擦拭干净，然后在陶瓷光纤插针的中心孔内注入热固化胶，并将涂覆层剥除后的光纤插入陶瓷光纤插针的中心孔，组成陶瓷光纤插针接头，将所述陶瓷光纤插针接头加热固化，并将其输出端面磨平；
S2，在密封壳内的TEC制冷片放置区均匀涂抹导热硅胶，将TEC制冷片放置在TEC制冷片放置区，并将TEC制冷片的两个接线引脚与密封壳上的密封壳接线引脚连接；
S3，在SESAM固定块上的SESAM固定区的表面均匀涂抹密封胶，然后将SESAM放置到SESAM固定区的中心位置，使SESAM粘贴在SESAM固定块上；
S4，在TEC制冷片的表面涂抹导热硅胶，然后将步骤S3的SESAM固定块放置在TEC制冷片上并用螺丝将SESAM固定块固定在密封壳内；
S5，利用多维调整架固定步骤S1的陶瓷光纤插针接头，然后将陶瓷光纤插针接头的输出端面对准SESAM表面后插入密封壳上的密封壳中心小孔内，将陶瓷光纤插针接头的尾纤连接到锁模光纤激光器腔内，调节多维调整架使陶瓷光纤插针接头的输出端面不断靠近SESAM表面的同时改变陶瓷光纤插针接头的输出端面与SESAM表面之间的角度直至达到激光器锁模条件；
S6，在陶瓷光纤插针接头与密封壳中心小孔的缝隙内填充紫外固化胶，利用紫外光源照射使紫外固化胶固化；
S7，将步骤S6的密封壳放置在干燥的环境中，然后在密封壳的表面焊接盖板实现对密封壳的密封处理。
10.根据权利要求9所述的半导体可饱和吸收镜的全光纤密闭封装方法，其特征在于，步骤S3中，所述密封胶选用紫外固化胶、热固化胶或导热硅胶；步骤S7中，所述干燥的环境为干燥的N2环境、真空环境或洁净空气环境。
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