CN113467014B - 一种改善带制冷光器件跟踪误差的耦合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改善带制冷光器件跟踪误差的耦合方法，属于光路对准耦合技术领域。本发明包括如下步骤：S1：在适配器耦合中，将光功率耦合至最大值；S2：通过离焦实验寻找TE最优的离焦量，其中，TE为跟踪误差；S3：根据该离焦量调整适配器距离透镜的Z轴位置；S4：固定适配器。本发明的有益效果为：能够有效改善带制冷光器件跟踪误差，高温、低温、常温下性能差异小，产品一致性好。

Description

一种改善带制冷光器件跟踪误差的耦合方法
技术领域
本发明涉及一种光路对准耦合技术，尤其涉及一种改善带制冷光器件跟踪误差的耦合方法。
背景技术
使用典型带制冷的同轴光器件如图1所示来举例说明，激光器二极管（laserdiode）1001简称LD,包括常用的电吸收二极管（Electric absorption laser diode，简称EML），和DFB（Distributed feedback，分布式反馈LD，简称DFB），LD芯片贴装在LD carrier上称为COC（chip on carrier，载波芯片） 1002，COC贴装在L型的钨铜块(简称CuW)1003上，贴在CuW块上的还有用于监控LD光功率的监控接收二极管(Monitor photodiode，简称MPD)1004，贴在CuW块上的还有热敏电阻（thermistor）1005用来反馈温度,CuW贴装在电子制冷器（简称TEC）1006上面，TEC用来控制温度LD温度，TEC贴装在TO底座(简称TO header)1007上面，TO帽子1008简称CAP，通过电阻焊进行气密性封帽。光路中还有隔离器（简称Isolator）1009，适配器（receptacle）1010,调节环(sleeve)1011,LD发出来的光经过CAP上的透镜（LENS）汇聚在适配器插芯中。
在自动化的光路耦合时，使用TEC 1006和thermistor1005来控制LD 1001温度，同时给LD加电发光，receptacle自动耦合轴三维耦合找到光功率最大或者找到目标光功率后，通过激光焊接固定适配器receptacle ，调节环sleeve,帽子cap的相对位置。
该方案是目前光器件中常用的同轴方案，相对来说透镜lens不需要有源耦合，只需要做无源的封帽，只有适配器receptacle一个元件需要有源耦合和激光焊接，工艺简单，效率高。但是该方案或者同类型的方案有一个问题点一直很难控制，跟踪误差TE（trackingerror）。TE的定义：
TE=10lg{(Pf/Tc=H.T or Tc=L.T)/(Pf/Tc=25C)}；
这时，MPD电流保持不变。其中，Pf为光功率，Tc为环境温度，H.T为高温，L.T为低温。即高温TE的定义是：高温时，光功率与常温25度时光功率比值取对数的10倍。低温TE定义是：低温时，光功率与常温25度时光功率比值取对数的10倍。
高低温时TE比较差的原因是，随着温度的变化焦距发生变化。从图片2中可以看到，COC贴装在TEC上面，即LD在控温工作，这样，LD的温度是不随环境温度的变化而变化的，但是CAP 透镜不在TEC上面，后端的适配器也不在TEC控温区，环境温度会影响CAP lens和适配器，因为热胀冷缩的原因，随着环境温度改变的时候，激光器与CAP lens之间的距离会随之发生改变，图示中为一般光学耦合中的Z轴方向定义，该光路中激光器距离透镜的距离L1和透镜距离适配器插芯的距离L2会发生改变，这样光功率比起常温耦合时的光功率就会发生改变。导致高低温与常温的光功率差异较大，即TE差。
同轴或者同类型BOX封装的TOSA（光发射模块），如果激光器与透镜lens不在同一控温面的话，随着环境温度的变化的热胀冷缩，会导致产品高低温下光功率变化大，即TE差，甚至达到2-3dB，一直很难改善，一般协议要求TE小于1dB，现在常用的方法是高低温进行激光器工作电流的补偿，比如，高温下光功率降低，调小激光器工作电流来实现光功率保持常温的水平。低温下光功率增大，调小激光器工作电流来保持常温的光功率水平，这样做会导致产品高低温性能裂化，同时，增大工作电流会增大功耗，工作电流调小会导致产品不再最佳工作点。最终产品高温，低温，常温下性能差异较大，产品功耗差异大。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提供一种改善带制冷光器件跟踪误差的耦合方法。
本发明包括如下步骤：
S1：在适配器耦合中，将光功率耦合至最大值；
S2：通过离焦实验寻找TE最优的离焦量，其中，TE为跟踪误差；
S3：根据该离焦量调整适配器距离透镜的Z轴位置；
S4：固定适配器。
本发明作进一步改进，步骤S3执行后，还包括微调步骤：调整适配器的X轴和Y轴方向位置，耦合适配器X,Y轴达到光功率最大，然后再焊接固定适配器和透镜及TO底座的相对位置。
本发明作进一步改进，步骤S2中，所述TE最优的离焦量为其对应的TE能够达到高温和低温下都比较小的值。
本发明作进一步改进，寻找TE最优的离焦量的方法为：
S21：将TO底座和带隔离器的适配器固定在自动耦合机台上；
S22：通过TO底座上的管脚给激光二极管加电使其发光；
S23：给监控接收二极管加电读取监控电流；
S24：适配器自动耦合找到光功率最大值；
S25：根据设定的一组离焦量，控制环境温度变化，记录各种离焦量的不同温度下的TE值；
S26：选取高温和低温条件下TE值都比较小的离焦量作为TE最优的离焦量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够有效改善带制冷光器件跟踪误差，高温、低温、常温下性能差异小，产品一致性好。
附图说明
图1为现有技术发射光模块结构示意图；
图2为耦合过程随温度改变光路变化示意图；
图3为焦距平衡前后TE-环境温度曲线变化示意图；
图4为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图3所示，本发明方法用于改善所述TE大的问题。灰色的线曲线表示在低温下TE很差，达到了-1.2dB，可以看到低温下的TE比高温下大很多，代表高低温下焦距变化量大。本发明的目的就是将温度&TE的曲线调节成黑色的双线条曲线。
通过大量的实验和光学模拟发现，需要对适配器与TO管座光学耦合的做焦距平衡，即不是常规的耦合到最大值然后激光焊固定，而且在耦合最大值后做Z轴方向的做偏移来补偿激光焊前后的Z轴变化。从而改善带制冷光器件的跟踪误差TE。
如图4所示，本发明的处理方法为：在适配器的耦合中，先将光功率耦合至最大值，在激光器焊接前，通过离焦实验来寻找TE最优的离焦方案，比如，设置的一组离焦量分别是-40,-30,-20,-10,10,20,30,40um共八中离焦方案，然后确定最优的离焦量后激光焊固定，其中，如图2中标示的，适配器receptacle远离TO底座方向为正方向，靠近TO底座方向为负方向。
以离焦量20um为例说明，首先，将TO底座和带隔离器的适配器receptacle固定在自动耦合机台上，适配器的耦合轴上有至少三维的高精度耦合轴（X,Y,Z）。通过TO底座上的管脚给激光二极管LD加电使激光器发光，给监控接收二极管MPD加电读取监控电流，同时TEC控制温度比如50℃，此时LD发光，适配器自动耦合找到光功率最大值，适配器停在光功率最大值的位置，此时向Z轴正方向，即远离TO底座方向20um，后耦合适配器X,Y轴达到光功率最大后，开始激光焊接固定适配器和lens cap和TO底座的相对位置。此时离焦量20um的实验样品制作完成。
根据上述方法，将离焦量分别是-40,-30,-20,-10,10,20,30,40um各自制作至少5只，共40只，该40只测试高低温下的TE值，记录每种方案TE值，其中一种离焦量对应的TE能够达到高低温下都比较小的值，比如+/-0.3dB，即为最佳的离焦量，从理论上来讲，这个离焦量是对高低温热胀冷缩下光路激光焊接前后焦距的共同补偿的结果，所以只能通过实验获得，没有办法最初纯理论的计算值，后续批量生产即可使用此离焦量作为批量生产的工艺参数。通过该方法，可以将TE控制在0.5或者0.3dB以下。
当然，本例的一组离焦量可以根据实际实验需求，确定其他数量及其他间距间隔的一组数值，然后进行离焦实验确定最优的离焦量。
在确定最佳的离焦量后，批量生产时，自动耦合台Z轴的耦合精度需要比较高，这样才能保证耦合的一致性和稳定性。
以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种改善带制冷光器件跟踪误差的耦合方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：在适配器耦合中，将适配器放置在带制冷光器件的合适位置，使激光器发光的光功率耦合至最大值；
S2：通过离焦实验寻找TE最优的离焦量，其中，TE为跟踪误差；
S3：根据该离焦量调整适配器距离透镜的Z轴位置，在适配器的耦合轴建立三维耦合坐标，其中，激光器的光路方向为Z轴，与Z轴垂直的面上分别设有X轴和Y轴；
S4：固定适配器，
步骤S1中，适配器耦合的具体步骤包括：
（1）将TO底座和带隔离器的适配器固定在自动耦合机台上；
（2）通过TO底座上的管脚给激光二极管加电使其发光；
（3）给监控接收二极管加电读取监控电流；
（4）适配器自动耦合找到光功率最大值；
步骤S2中，当适配器自动耦合找到光功率最大值后，寻找TE最优的离焦量的方法为：
（1）根据设定的一组离焦量，控制环境温度变化，记录各种离焦量的不同温度下的TE值；
（2）选取高温和低温条件下TE值都比较小的离焦量作为TE最优的离焦量。
2.根据权利要求1所述的改善带制冷光器件跟踪误差的耦合方法，其特征在于：步骤S3执行后，还包括微调步骤：调整适配器的X轴和Y轴方向位置，耦合适配器X,Y轴达到光功率最大，然后再焊接固定适配器和透镜及TO底座的相对位置。
3.根据权利要求1或2所述的改善带制冷光器件跟踪误差的耦合方法，其特征在于：步骤S2中，所述TE最优的离焦量为其对应的TE能够达到高温和低温下都比较小的值。
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