CN111244747A - 一种同轴激光器to-can - Google Patents

Abstract

本申请公开一种同轴激光器TO‑CAN，包括：衬底，所述衬底的一侧表面设有管脚；管帽，所述管帽位于所述衬底的另一侧，与所述衬底的另一侧表面固定连接，所述管帽与所述衬底形成容置空间；透镜，所述透镜嵌设在所述管帽远离所述衬底的端面上，所述透镜的一侧表面上设有抗反射结构，所述抗反射结构的几何中心位于所述透镜的中轴线上；半导体激光器芯片组件，所述半导体激光器芯片组件位于所述容置空间内，所述半导体激光器芯片组件与所述衬底的另一侧表面固定连接。以解决，由于现有半导体激光器在使用过程中存在反向光自混合干涉效应而影响光电检测系统的稳定性和测量精度等问题。

Description

一种同轴激光器TO-CAN

技术领域

本申请涉及一种TO-CAN(transistor-outline can package，晶体管引线式外壳封装)，具体的涉及一种同轴激光器TO-CAN。

背景技术

半导体激光器具有体积小、光电转换效率高、工作寿命长和高速直接调制等优点，是通信、光泵浦激光器、光信息存储等的重要光源，也是高效单色光源光电子系统中的核心器件,在工业生产和军事领域中被广泛应用。

在半导体激光器作为光源使用的过程中，部分出射激光束会被外部物体反射或散射，形成反向光，当反向光重新射回到激光谐振腔内时，反向光会与激光谐振腔内的振荡光束发生干涉。由于反向光携载外部物体信息,因此它与振荡光束相混合后,会调制激光器的输出功率，形成激光器的自混合干涉效应。然而,在利用红外激光光谱吸收原理来测量气体成分和浓度的光电技术应用中，激光器自混合干涉效应，会导致光路系统间产生自耦合效应，使激光器运行不稳定并产生系统反射噪声，这种系统反射噪声会给探测信号带来很强的本底噪音，极大的影响测量精度和测量系统的稳定性。另外，在光纤通信领域，这种系统反射噪声会使光纤链路上的光放大器发生变化并产生自激励，造成整个光纤通信系统无法正常工作。

由此可见，如何解决反向光带来的上述问题，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请提供一种同轴激光器TO-CAN，以解决，由于现有半导体激光器在使用过程中存在反向光自混合干涉效应而影响光电检测系统的稳定性和测量精度，或者在光纤通讯领域导致光纤通讯系统无法正常工作等问题。

本申请提供一种同轴激光器TO-CAN，包括：

衬底，所述衬底的一侧表面设有管脚；

管帽，所述管帽位于所述衬底的另一侧，与所述衬底的另一侧表面固定连接，所述管帽与所述衬底形成容置空间；

透镜，所述透镜嵌设在所述管帽远离所述衬底的端面上，所述透镜的一侧表面上设有抗反射结构，所述抗反射结构的几何中心位于所述透镜的中轴线上；

半导体激光器芯片组件，所述半导体激光器芯片组件位于所述容置空间内，所述半导体激光器芯片组件与所述衬底的另一侧表面固定连接。

由以上技术方案可知，本申请提供的一种同轴激光器TO-CAN，包括：衬底，所述衬底的一侧表面设有管脚；管帽，所述管帽位于所述衬底的另一侧，与所述衬底的另一侧表面固定连接，所述管帽与所述衬底形成容置空间；透镜，所述透镜嵌设在所述管帽远离所述衬底的端面上，所述透镜的一侧表面上设有抗反射结构，所述抗反射结构的几何中心位于所述透镜的中轴线上；半导体激光器芯片组件，所述半导体激光器芯片组件位于所述容置空间内，所述半导体激光器芯片组件与所述衬底的另一侧表面固定连接。通过本申请提供的一种同轴激光器TO-CAN，可以解决，由于现有半导体激光器在使用过程中存在反向光自混合干涉效应而影响光电检测系统的稳定性和测量精度，或者在光纤通讯领域导致光纤通讯系统无法正常工作等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图；

图2为图1所示实施例的同轴激光器TO-CAN的光路图；

图3为本申请提供的另一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图；

图4为本申请提供的再一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图；

图5为图4所示光学吸收涂层的正视图；

图6为本申请提供的又一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图；

图7为图6所示实施例的同轴激光器TO-CAN的光路图；

图8为本申请提供的一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图；

图9为图8所示实施例的同轴激光器TO-CAN的光路图；

图10为本申请提供的另一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图；

图11为本申请提供的再一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图；

图12为本申请提供的又一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图；

图13为图11所示实施例的同轴激光器TO-CAN的光路图；

图14为本申请提供的一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图；

图15为图14所示实施例的同轴激光器TO-CAN的光路图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请提供的一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图。如图1所示，本申请提供一种同轴激光器TO-CAN，同轴激光器TO-CAN是圆柱形的激光器晶体管封装模组。同轴激光器TO-CAN包括：衬底1、与衬底1的一侧11固定连接的管脚2、与衬底1的另一侧12固定连接的管帽3、嵌设在管帽3远离衬底1端面上的透镜4和与衬底1另一侧12表面固定连接的半导体激光器芯片组件5。衬底1用于固定连接半导体激光器芯片组件5，衬底1与半导体激光器芯片组件5可以是焊接连接，管脚2与衬底也可以是焊接连接，本申请不作具体限定。管脚2用于将同轴激光器TO-CAN连接到其他装置上。管帽3可以在远离衬底1的端面上设置有通孔31(图1中虚线框所示)，通过通孔31，透镜4嵌设在管帽3远离衬底1的端面上。其中，透镜4可以部分嵌设于通孔31内，也可以全部嵌设于通孔31内，本申请不作具体限定。管帽3和衬底1形成一容置空间，半导体激光器芯片组件5位于容置空间内，所述容置空间起到容纳和保护半导体激光器芯片组件5的作用。管帽3和衬底1的另一侧12可以是焊接连接，在焊接连接处还可以涂抹密封胶，使得透镜4、管帽3与衬底1形成一密封空间，半导体激光器芯片组件5置于密封空间内可以增加其使用寿命。透镜4的一侧表面上设有抗反射结构41，图1所示抗反射结构41位于透镜4远离半导体激光器芯片组件5一侧的表面上，抗反射结构41的几何中心位于透镜4的中轴线42上。半导体激光器芯片组件5作为光源，发出激光光束(图1中未示出)，透镜4对半导体激光器芯片组件5发出的激光光束起到聚焦和准直的作用，管帽3对于半导体激光器芯片组件5起到密封和防护的作用。

图1所示管脚2的数量只是示意性的，本申请不作具体限定。透镜4的焦距可以是9.7mm，所述9.7mm只是示意性的说明,只要满足透镜对半导体激光器芯片组件发出的激光光束起到聚焦和准直的作用即可，本申请对于透镜4的焦距不作具体限定。

需要说明的是，本申请的附图对于半导体激光器芯片组件5的详细结构未作示意。对于本领域技术人员显而易见的是，半导体激光器芯片组件5包括激光谐振腔，激光谐振腔用于振荡激光束在其内的往复反射振荡以输出激光束。

图2为图1所示实施例的同轴激光器TO-CAN的光路图。如图2所示，当部分出射激光束(图2中未示出)被外部物体反射或散射后形成反向光F，反向光F重新射回到半导体激光器芯片组件5的激光谐振腔内，此时，反向光F会与激光谐振腔内的振荡激光束相互干涉。反向光F携载外部物体信息,与腔内振荡激光束混合后,会调制激光器的输出功率，形成激光器的自混合干涉效应，导致光路系统间产生自耦合效应，使激光器的运行变得不稳定并产生系统反射噪声，这种系统反射噪声会给激光探测器的探测信号带来很强的本底噪音，极大的影响测量精度和测量系统的稳定性。在光纤通信领域，这种噪音可以使光纤链路上的光放大器发生变化并产生自激励，造成整个光纤通信系统无法正常工作。为了消除或减弱光路通道中的反向光F，通常在半导体激光器输出端和光电探测器输入端连接光隔离器。但是，接入光隔离器使得增加了部件，提高了成本，部件之间连接变得复杂。本实施例提供的同轴激光器TO-CAN通过将激光器封装，在封装激光器的透镜4上设置抗反射结构41，用于吸收、反射或者折射部分反向光F，通过吸收掉部分反向光F或者改变部分反向光F的传播方向(图2中只示出了抗反射结构41将反向光F吸收的情况)，从而增强激光器的工作稳定性，提高光电检测精度，保证光纤通信系统正常工作。抗反射结构41可以起到与使用光隔离器相同的效果，但是由于抗反射结构41的结构和制作工艺简单，成本低廉，无需增加部件连接关系，可靠性更高。

图3为本申请提供的另一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图。如图3所示，抗反射结构41位于透镜4靠近半导体激光器芯片组件5一侧的表面上，抗反射结构41的几何中心位于透镜4的中轴线42上。

图4为本申请提供的再一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图。如图4所示，抗反射结构41可以是光学吸收涂层43。图5为图4所示光学吸收涂层的正视图。结合图4和图5，光学吸收涂层43的形状决定了在沿着透镜4中轴线42方向上的正投影形状，例如可以是圆形、椭圆形或矩形。圆形投影的直径D可以是半导体激光器芯片组件5出光表面口径L的2-3倍。椭圆形的长轴长可以为图4所示的尺寸D，矩形的长边可以为图4所示的尺寸D。

其中，光学吸收涂层43可以通过印刷、涂覆、贴覆、蒸镀等工艺进行设置，本申请不作具体限定。圆形、椭圆形或矩形投影的直径D可以是半导体激光器芯片组件5出光表面口径L的2-3倍之间，例如2.3倍、2.5倍、2.7倍、2.9倍。

图4所示本申请提供的再一种同轴激光器TO-CAN的光路图可以参考图2，当反向光F射到透镜4上时，由于，照射在光学吸收涂层43上的反向光F会被光学吸收涂层43吸收掉，因此，不会有反向光F或者极少的反向光F射回到半导体激光器芯片组件5的激光谐振腔内，则光学吸收涂层43可以起到消除或减弱激光器自混合干涉效应的作用。圆形、椭圆形或矩形投影的直径D是半导体激光器芯片组件5出光表面口径L的2-3倍，可以保证光学吸收涂层43沿着透镜4中轴线42方向上的正投影将半导体激光器芯片组件5出光表面完全覆盖，可以消除或减弱激光器的自混合干涉效应。

图6为本申请提供的又一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图。如图6所示，抗反射结构41为透镜4中轴线42上的局部表面经过打磨形成的表面粗糙结构44。表面粗糙结构44可以位于透镜4远离半导体激光器芯片组件5一侧的表面。表面粗糙结构44的几何中心位于中轴线42上。

图7为图6所示实施例的同轴激光器TO-CAN的光路图。如图7所示，当反向光F射到透镜4上时，射在表面粗糙结构44上的反向光F会被表面粗糙结构44反射和透射，此时的反射光量大于透射光量，可以使得极少的反向光F透过表面粗糙结构44射回到半导体激光器芯片组件5的激光谐振腔内，则表面粗糙结构44起到消除或减弱激光器的自混合干涉效应的作用。

图8为本申请提供的一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图。如图8所示，表面粗糙结构44可以位于透镜4靠近半导体激光器芯片组件5一侧的表面。

图9为图8所示实施例的同轴激光器TO-CAN的光路图。图7和图9所示的表面粗糙结构44的抗反射原理相同，此处不再赘述。

图10为本申请提供的另一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图。如图10所示，表面粗糙结构44位于透镜4靠近半导体激光器芯片组件5一侧的表面，同时，在透镜4远离半导体激光器芯片组件5一侧的表面还可以设置光学吸收涂层43。在表面粗糙结构44将反向光F反射的同时，光学吸收涂层43将射在光学吸收涂层43上的反向光F吸收掉，对减弱激光器的自混合干涉效应起到双重作用。光学吸收涂层在沿着透镜4中轴线42方向上的正投影可以覆盖住表面粗糙结构44在沿着透镜4中轴线42方向上的正投影，光学吸收涂层在沿着透镜4中轴线42方向上的正投影也可以与表面粗糙结构44在沿着透镜4中轴线42方向上的正投影重合。

如图6、图8和图10所示，表面粗糙结构44的形状决定了在沿着透镜4中轴线42方向上的正投影形状，例如可以是圆形、椭圆形和矩形。圆形、椭圆形和矩形投影的直径、长轴长和长边可以为图6、图8和图10所示的尺寸H。圆形的直径H可以大于或等于半导体激光器芯片组件5出光表面口径L。

如图6所示，当表面粗糙结构44位于透镜4远离半导体激光器芯片组件5一侧的表面时，尺寸H与半导体激光器芯片组件5出光表面口径L的比值可以参照表1进行取值。表1为尺寸H与尺寸L的比值和反向光射回半导体激光器芯片组件的百分数的关系。

表1

如图8或图10所示，当表面粗糙结构44位于透镜4靠近半导体激光器芯片组件5一侧的表面时，尺寸H与半导体激光器芯片组件5出光表面口径L的比值可以参照表2进行取值。表2为尺寸H与尺寸L的比值和反向光射回半导体激光器芯片组件的百分数的关系。

表2

如图6、图8和图10所示，表面粗糙结构44的表面可以近似于理想的漫反射面，满足朗伯散射数学模型，朗伯散射数学公式为：I_S＝cosα·I_i，其中，I_i是入射光强，I_S是散射光强，α是入射光线与散射面法向量的夹角(I_i、I_S和α均未在图6、图8和图10中示出)。

表面粗糙结构44可以通过透镜4中轴线42上的局部表面经过机械打磨形成，对于打磨的方式和使用工具等，本申请不作具体限定。表1和表2所示的数值只是示意性的，不作为本申请的限定。

图11为本申请提供的再一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图，图12为本申请提供的又一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图。如图11和图12所示，透镜4远离半导体激光器芯片组件5一侧的表面设置有斜切面45；斜切面45与透镜4中轴线42的夹角β在75°-85°之间,抗反射结构41为斜切面45，斜切面45的几何中心可以位于中轴线42上。

图14为本申请提供的一种同轴激光器TO-CAN的结构示意图。如图14所示，斜切面45包括第一斜切面451和第二斜切面452，第一斜切面451和第二斜切面452关于透镜4的中轴线42对称，第一斜切面451和第二斜切面452与透镜4的中轴线42的夹角β在75°-85°之间。

在图11、图12和图14所示实施例的基础上，在斜切面45的表面可以设置光学吸收涂层(图11、图12和图14中未标识)，在斜切面45将反向光F折射的同时，光学吸收涂层将射在光学吸收涂层上的反向光F吸收掉，对减弱激光器的自混合干涉效应起到双重作用。

如图11、图12和图14所示，当夹角β为锐角时，夹角β的取值范围可以在75°-85°之间，例如75°、78°、80°、82°或85°等，夹角β可通过具体情况进行设定。夹角β在75°-85°中取值可以对反向光F进更好的折射，使得反向光F经过斜切面45的折射后无法射回到半导体激光器芯片组件5的激光谐振腔内。

图13为图11所示实施例的同轴激光器TO-CAN的光路图，图15为图14所示实施例的同轴激光器TO-CAN的光路图。如图13和图15所示，当反向光F射到透镜4上时，射在斜切面45上的反向光F会被斜切面45折射，则不会有或者极少的反向光F射回到半导体激光器芯片组件5的激光谐振腔内，则斜切面45起到消除或减弱激光器的自混合干涉效应的作用。

斜切面45可以通过机械打磨形成，也可以通过切割形成。图11、图12和图14只是示意性的表示出斜切面45的三种情况，斜切面45还可以是本申请附图未示出的其他形态。图2、图7、图9图13和图15所示的光线只是示意性的，光线数量，分布密度均是示意性表示，不作为本申请的限定。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

Claims (10)

1.一种同轴激光器TO-CAN，其特征在于，包括：

衬底(1)，所述衬底(1)的一侧(11)表面设有管脚(2)；

管帽(3)，所述管帽(3)位于所述衬底(1)的另一侧(12)，与所述衬底(1)的另一侧(12)表面固定连接，所述管帽(3)与所述衬底(1)形成容置空间；

透镜(4)，所述透镜(4)嵌设在所述管帽(3)远离所述衬底(1)的端面上，所述透镜(4)的一侧表面上设有抗反射结构(41)，所述抗反射结构(41)的几何中心位于所述透镜(4)的中轴线(42)上；

半导体激光器芯片组件(5)，所述半导体激光器芯片组件(5)位于所述容置空间内，所述半导体激光器芯片组件(5)与所述衬底(1)的另一侧(12)表面固定连接。

2.根据权利要求1所述的同轴激光器TO-CAN，其特征在于，所述抗反射结构(41)设置在所述透镜(4)远离所述半导体激光器芯片组件(5)一侧的表面上。

3.根据权利要求1所述的同轴激光器TO-CAN，其特征在于，所述抗反射结构(41)设置在所述透镜(4)靠近所述半导体激光器芯片组件(5)一侧的表面上。

4.根据权利要求2所述的同轴激光器TO-CAN，其特征在于，所述抗反射结构(41)为光学吸收涂层(43)。

5.根据权利要求4所述的同轴激光器TO-CAN，其特征在于，所述光学吸收涂层(43)在沿着所述透镜(4)中轴线(42)方向上的正投影是圆形，所述圆形的直径(D)是所述半导体激光器芯片组件(5)出光表面口径(L)的2-3倍。

6.根据权利要求2或3所述的同轴激光器TO-CAN，其特征在于，所述抗反射结构(41)为所述透镜(4)中轴线(42)上的局部表面经过打磨形成的表面粗糙结构(44)。

7.根据权利要求6所述的同轴激光器TO-CAN，其特征在于，所述表面粗糙结构(44)沿着所述透镜(4)中轴线(42)方向上的正投影是圆形，所述圆形的直径(H)大于或等于所述半导体激光器芯片组件(5)出光表面口径(L)。

8.根据权利要求1所述的同轴激光器TO-CAN，其特征在于，所述透镜(4)远离所述半导体激光器芯片组件(5)一侧的表面设有斜切面(45)，所述斜切面(45)与所述透镜(4)中轴线(42)的夹角(β)在75°-85°之间，所述抗反射结构(41)为斜切面(45)。

9.根据权利要求8所述的同轴激光器TO-CAN，其特征在于，所述斜切面(45)包括第一斜切面(451)和第二斜切面(452)，所述第一斜切面(451)与所述第二斜切面(452)关于所述透镜(4)的中轴线(42)对称。

10.根据权利要求8或9所述的同轴激光器TO-CAN，其特征在于，所述斜切面(45)的表面设置有光学吸收涂层。

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