CN110456466A - 基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光电器件技术领域基于波分复用技术的单管三芯片超辐射发光二极管超宽带光源，包括3组SLED芯片和准直透镜、2个波分复用滤波片和1根输出光纤准直器。3个准直透镜分别在3个SLED芯片发光侧，形成3束平行光。2个波分复用滤波片的一端面所在平面都与第一个SLED光束的光轴夹角为45度，而第一波分复用滤波片的另一端面所在平面和第二个SLED光束的光轴夹角为45度，第二波分复用滤波片的另一端面所在平面和第三个SLED光束的光轴夹角为45度。本发明采用波分复用技术，3个SLED芯片共同使用一套TEC控温芯片，减小了采用常规技术的超宽带光源的体积，降低了温度控制电路和SLED驱动电路的复杂度，提高了光源的性能和稳定度，具用广泛的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其涉及基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源。
背景技术
光相干成像(Optical Coherence Tomography)技术已经广泛应用于医疗、传感、美容等领域，而OCT成像系统中的重要的光电器件是超辐射发光二极管(Super-luminescent Light Emitting Diode,缩写SLED)。应用的范围不同，对SLED发射光源的指标要求也不一样，如短波长750～900nm常应用于眼科眼底检查的OCT系统，而长波段1310nm和1550nm则分别应用于肠胃、心脏等医疗检查和工业检测OCT系统等。SLED光源的光谱越宽，OCT成像的分辨率就越高。因此，如何能寻求到输出光功率性能稳定的和具有宽带光谱的SLED器件，一直以来都是开发高分辨率OCT系统的关键。
受目前芯片开发技术的限制，常规短波长窗口(800～900nm)的SLED器件芯片的发射光谱3dB带宽只有40～50nm。在高分辨率OCT系统的应用中，经常需要大于100nm的超宽带光谱的SLED发射光源器件，以获得更高的系统检测分辨率。为了实现超宽带光谱带宽，通常采用光合束的方法，将多个不同波长的SLED器件通过光无源合束器件将不同波长的光束合成在一起，从而得到更宽的光谱。图1就是现在普遍采用的3个SLED器件和2个光纤合束器(图1)以及2个SLED器件和1个光纤合束器(图2)实现超宽带光源的技术方案。由于这些技术方案采用的都是分离的光学器件，一般是光纤类光学器件，因此实现的超宽带光源体积大，很难小型化；光纤连接点多，光损耗大；而且成本高，仅光学器件就有5个之多；控制难，需要为给3个或2个独立的SLED器件分别作温度和电流控制，增加了电路的复杂度。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供了基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源，目的是为了解决现有技术中的超宽带光源方案体积大、损耗大、成本高和控制难的技术问题。
本发明提供的基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源，具体技术方案如下：
基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源，包括第一SLED芯片、第二SLED芯片、第一准直透镜、第二准直透镜和第一波分复用滤波片，所述第一准直透镜位于所述第一SLED芯片的发光侧，所述第二准直透镜位于所述第二SLED芯片的发光侧，所述第一波分复用滤波片的一端面所在平面和所述第一准直透镜光轴的夹角为44-46度，所述第一波分复用滤波片的另一端面所在平面和所述第二准直透镜的光轴的夹角为44-46度。
在实施方式中，还包括第三SLED芯片、第三准直透镜和第二波分复用滤波片，所述第三准直透镜位于所述第三SLED芯片的发光侧，所述第二波分复用滤波片的一端面所在平面和所述第一准直透镜光轴的夹角为44-46度，所述第二波分复用滤波片的另一端面所在平面和所述第三准直透镜的光轴的夹角为44-46度。
在实施方式中，还包括管壳、TEC控温芯片和热沉，所述管壳为一腔体，所述TEC控温芯片安装在腔体的内底面上且TEC控温芯片的冷面朝上，所述热沉固定在所述TEC控温芯片的冷面上，所述第一SLED芯片、所述第二SLED芯片和所述第三SLED芯片通过过渡热沉固定在热沉上；所述第一准直透镜、所述第二准直透镜、所述第三准直透镜、第一波分复用滤波片和第二波分复用滤波片都固定在所述热沉上。
在实施方式中，还包括PD探测器芯片组件和热敏电阻组件，所述PD探测器芯片组件包括PD探测器芯片和陶瓷绝缘垫片，所述PD探测器芯片安装在所述陶瓷绝缘垫片上，所述热敏电阻组件包括热敏电阻和陶瓷垫片，所述热敏电阻安装在所述陶瓷垫片上，所述PD探测器芯片组件和所述热敏电阻组件均安装在所述热沉上。
在实施方式中，还包括光纤准直器，所述光纤准直器安装在所述管壳的侧面，所述第二波分复用滤波片的另一端面所在平面和所述光纤准直器光轴的夹角为134-136度。
在实施方式中，所述光纤准直器包括聚焦透镜和输出光纤，所述输出光纤位于所述聚焦透镜的聚焦点处。
本发明具有以下有益效果：本发明提出的单管超辐射发光二极管超宽带光源采用波分复用滤波片和空间耦合的技术，可以将2个或者2个以上的SLED芯片装配在以往装配1个SLED芯片的管壳内部，而且多个SLED芯片共同使用一套温度检测和温度控制(TEC控温芯片)，实现单管多个个SLED芯片的超宽带光源，大大减小了采用常规光纤合束技术的这种超宽带光源的体积，大大降低了常规温度控制电路和SLED驱动电路的复杂度，提高了SLED器件的性能和稳定度，具用很广泛的实用价值。
附图说明
图1是现有技术中采用3个SLED器件和2个光纤合束器的超宽带光源结构示意图；
图2是现有技术中采用2个SLED器件和1个光纤合束器的超宽带光源结构示意图；
图3是本发明提供的基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源的3个SLED芯片波分合束光路示意；
图4是第一波分复用滤波片镀膜在45度下的透射特性曲线，反射特性R＝1-T；
图5是第二波分复用滤波片镀膜在45度下的透射特性曲线，反射特性R＝1-T；
图6是第一和第二波分复用滤波片的增透镀膜特性曲线；
图7是本发明提供的基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源的管壳内部装配图；
图8是第一SLED芯片和第二SLED芯片通过第一波分复用滤波片透射和反射后的光合束示意图；
图9是第一SLED芯片、第二SLED芯片和第三SLED芯片通过第二波分复用滤波片透射和反射后的光合束示意图。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源，具体技术方案如下：
基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源，如图3所示，包括第一SLED芯片1、第二SLED芯片2、第一准直透镜3、第二准直透镜4和第一波分复用滤波片5，第一准直透镜3位于第一SLED芯片1的发光侧，第二准直透镜4位于第二SLED芯片2的发光侧，第一波分复用滤波片5的一端面所在平面和第一准直透镜3光轴的夹角为45±1度，第一波分复用滤波片5的另一端面所在平面和第二准直透镜4的光轴的夹角为45±1度。在本实施例中，还包括第三SLED芯片6、第三准直透镜7和第二波分复用滤波片8，第三准直透镜7位于第三SLED芯片6的发光侧，第二波分复用滤波片8的一端面所在平面和第一准直透镜3光轴的夹角为45±1度，第二波分复用滤波片8的另一端面所在平面和第三准直透镜7的光轴的夹角为45±1度。第一SLED芯片1的波长范围为860nm～920nm，第二SLED芯片2的波长范围为800nm～850nm，第三SLED芯片6的波长范围780nm～800nm，第一准直透镜3、第二准直透镜4和第三准直透镜7作用是将SLED芯片输出的非准直光束转换成平行光束，以便于空间耦合。第一波分复用滤波片5具有图4光学滤波特性，其对于865～1000nm波长的光束透射率(Ta)大于95％，如此，第一SLED芯片1经过第一准直透镜3的平行光基本可以通过第一波分复用滤波片5；其对于780～845nm波长的光束反射率(Ra)大于98％，如此，第二SLED芯片2经过第二准直透镜4后的平行光基本上被第一波分复用滤波片5反射。第二波分复用滤波片8具有图5光学滤波特性，对于815～960nm波长的光束透射率(Ta)大于95％，如此，第一SLED芯片1、第二SLED芯片2波分复用的准直光束基本可以通过第二波分复用滤波片8；其对于770～795nm波长的光束反射率(Ra)大于98％，如此，第三SLED芯片6经过第三准直透镜7后的光束基本上被第二波分复用滤波片8反射。如图6所示为第一和第二波分复用滤波片的增透镀膜特性曲线，增透膜是减少波分复用滤波片的反射，可以是各束光通过波分复用滤波片的损耗最小，同时也减小反射对SLED芯片的出光影响。
在本实施例中，如图7所示，还包括管壳9、TEC控温芯片10和热沉11。管壳9为一腔体，TEC控温芯片10安装在腔体的内底面上，且TEC控温芯片10的冷面朝上。热沉11固定在TEC控温芯片10的冷面上，第一SLED芯片1、第二SLED芯片2和第三SLED芯片6通过过渡热沉12固定在热沉11上，第一准直透镜3、第二准直透镜4、第三准直透镜7、第一波分复用滤波片5和第二波分复用滤波片8都固定在热沉11上。如此，第一SLED芯片1、第二SLED芯片2、第三SLED芯片6共同使用一套温度检测和温度控制(TEC控温芯片10)，实现单管SLED超宽带光源。
在本实施例中，还包括PD探测器芯片组件和热敏电阻组件，PD探测器芯片组件包括PD探测器芯片14和陶瓷绝缘垫片16，PD探测器芯片安装在陶瓷绝缘垫片上，热敏电阻组件包括热敏电阻13和陶瓷垫片15，热敏电阻安装在陶瓷垫片上，PD探测器芯片组件和热敏电阻组件均安装在热沉11上。在波分合束后的光路侧，安装的PD探测器芯片14可以很方便监控输出的总光功率，利于实现光信号反馈控制。
在本实施方式中，还包括光纤准直器，光纤准直器安插在管壳9的侧面，第一波分复用滤波片5的另一端面所在平面和光纤准直器光轴的夹角为135度。光纤准直器包括聚焦透镜17和输出光纤18，输出光纤18位于聚焦透镜17的聚焦点处。第一SLED芯片1、第二SLED芯片2、第三SLED芯片6最后波分复用的平行光束通过聚焦透镜17耦合到输出光纤18。
综上所述，本发明的工作原理大体如下：第一SLED芯片1经过第一准直透镜3的平行光通过第一波分复用滤波片5，第二SLED芯片2经过第二准直透镜4后的平行光被第一波分复用滤波片5反射，第一SLED芯片1的透射光束和第二SLED芯片2的反射光束空间耦合形成合波光束，与图1、2所示的光纤合束器的方法相比，损耗要小很多，因为光纤合束理论上就有3dB的衰减，即至少有50％的光不能通过光纤合束器。而且空间耦合大大减小了耦合器件所占用的空间，有效地减小的体积。图8为第一SLED芯片1经过第一准直透镜3和第二SLED芯片2经过第二准直透镜4，通过第一波分复用滤波片5透射和反射后的波分合束后的光谱。第一SLED芯片1、第二SLED芯片2波分复用后的光束通过第二波分复用滤波片8透射。第三SLED芯片6经过第三准直透镜7后的光束被第二波分复用滤波片8反射，并和透射的光束波分复用。第一SLED芯片1、第二SLED芯片2、第三SLED芯片6最后波分复用的平行光束通过聚焦透镜17耦合到输出光纤18，最后输出如图9所示的超宽带光谱。由于波分复用和空间耦合技术，就有可能将所有SLED芯片、透镜和波分复用滤波镜片都装配在和单个SLED器件尺寸相似的管壳9里，实现超宽带的单管SLED封装。
根据对光源输出带宽和光功率的具体要求以及SLED芯片的性能，本发明的波分复用技术同样适用于2个SLED芯片和4个SLED芯片的结构实现单管超辐射发光二极管超宽带光源，只需要增减一些光学器件和修改波分复用滤波片设计。
上述仅本发明的较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源，其特征在于，包括第一SLED芯片、第二SLED芯片、第一准直透镜、第二准直透镜、和第一波分复用滤波片，所述第一准直透镜位于所述第一SLED芯片的发光侧，所述第二准直透镜位于所述第二SLED芯片的发光侧，所述第一波分复用滤波片的一端面所在平面和所述第一准直透镜光轴的夹角为44-46度，所述第一波分复用滤波片的另一端面所在平面和所述第二准直透镜的光轴的夹角为44-46度。
2.根据权利要求1所述的基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源，其特征在于，还包括第三SLED芯片、第三准直透镜和第二波分复用滤波片，所述第三准直透镜位于所述第三SLED芯片的发光侧，所述第二波分复用滤波片的一端面所在平面和所述第一准直透镜光轴的夹角为44-46度，所述第二波分复用滤波片的另一端面所在平面和所述第三准直透镜的光轴的夹角为44-46度。
3.根据权利要求1或2所述的基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源，其特征在于，还包括管壳、TEC控温芯片和热沉，所述管壳为一腔体，所述TEC控温芯片安装在腔体的内底面上且TEC控温芯片的冷面朝上，所述热沉固定在所述TEC控温芯片的冷面上，所述第一SLED芯片、所述第二SLED芯片和所述第三SLED芯片通过过渡热沉固定在热沉上；所述第一准直透镜、所述第二准直透镜、所述第三准直透镜、第一波分复用滤波片和第二波分复用滤波片都固定在所述热沉上。
4.根据权利要求3所述的基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源，其特征在于，还包括PD探测器芯片组件和热敏电阻组件，所述PD探测器芯片组件包括PD探测器芯片和陶瓷绝缘垫片，PD探测器芯片安装在所述陶瓷绝缘垫片上，所述热敏电阻组件包括热敏电阻和陶瓷垫片，所述热敏电阻安装在所述陶瓷垫片上，所述PD探测器芯片组件和所述热敏电阻组件均安装在所述热沉上。
5.根据权利要求3所述的基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源，其特征在于，还包括光纤准直器，所述光纤准直器安装在所述管壳的侧面，所述第二波分复用滤波片的另一端面所在平面和所述光纤准直器光轴的夹角为134-136度。
6.根据权利要求5所述的基于波分复用和耦合技术的单管超辐射发光二极管超宽带光源，其特征在于，所述光纤准直器包括聚焦透镜和输出光纤，所述输出光纤位于所述聚焦透镜的聚焦点处。
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