CN113972560A - 一种双隔离器半导体光放大器及其耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光通信的集成双隔离器的半导体光放大器的结构及光路耦合方法。本方法首先测量半导体放大器芯片两端的自发噪声功率并记录；然后对第二芯片透镜、发射端隔离器、第二光纤透镜及发射端光纤进行耦合；接着配置耦合接收端的外围光路；最后对第一芯片透镜、接收端隔离器、第一光纤透镜及接收端光纤进行耦合。本结构包括半导体光放大器、芯片透镜、光纤透镜、隔离器、光纤。信号光进入第一光纤透镜后准直射入接收端隔离器，随后出射到达第一芯片透镜进入半导体光放大器芯片，信号在芯片内部实现放大后通过第二芯片透镜将发出的光准直后的光射入发射端隔离器，接着从第二光纤透镜进入发射端光纤，最终实现信号的放大传输。
Description
技术领域
本发明属于光通信领域，特别是涉及一种双隔离器半导体光放大器的结构与耦合方法。
背景技术
5G是第五代通信技术简称，支持超高速率、超低时延、超大连接的应用场景。为了应对更大的传输容量，波分复用和单波长更高速率的模块被大量使用，针对高速率的波分复用光传输网络，传输中光纤的损耗是其传输距离受限的重要因素之一，因此半导体光放大器的用途逐渐广泛起来。光隔离器又称光单向器，是一种光非互易传输的光纤无源器件。在光纤通信系统中总是存在许多原因产生的反向光，例如，光发射机光源所发出的信号光，连接口端面的反射光。半导体光放大器是一个双端器件，两端均有噪声光输出，并且会对噪声光进行放大，更加影响光传输系统，因此半导体光放大器中隔离器的存在必不可少。由于隔离器的光单向传输性，目前市面上的半导体光放大器主要是在输出端集成隔离器，在输入端使用光纤熔接的方式连接在线式隔离器，这种方式并没有真正实现两端隔离器的集成，增加的在线式隔离器并不集成在器件内部，会影响整个器件在光通信系统中的可靠性，并增加了器件的使用成本，固有必要实现半导体光放大器双隔离器的集成。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种两端集成隔离器的半导体光放大器的结构和光路耦合方法，以解决在半导体光放大器内部集成双隔离器的工艺实现问题。
为了实现上述目的，本发明公开了一种双隔离器半导体光放大器的耦合方法，包括以下步骤：
步骤1、对半导体光放大器芯片加电使其产生自发噪声光，记录自发噪声的功率；
步骤2、将第一芯片透镜和第二芯片透镜分别放置在半导体光放大器芯片的入光口与出光口，并分别检测两个芯片透镜远离半导体光放大器芯片方向的光路，当光路准直时，分别固定两个芯片透镜；
步骤3、将发射端隔离器与第二光纤透镜固定在一起；将发射端隔离器移动至第二芯片透镜远离半导体光放大器芯片方向一侧，当准直光路可全部进入发射端隔离器时，固定两者的位置；移动发射端光纤至第二光纤透镜远离发射端隔离器方向一侧，并实时检测光纤出纤功率，当出纤功率大于步骤1中自发噪声功率的50％时，固定发射端光纤；
步骤4、将第一光纤透镜放置在第一芯片透镜的准直光路上，当准直光路全部进入第一光纤透镜内，固定第一光纤透镜的位置；接着将接收端光纤移动至第一光纤透镜远离第一芯片透镜方向一侧，并实时检测接收端光纤的出纤功率，当出纤功率大于半导体光放大器芯片自发噪声功率的50％时，将第一光纤透镜和接收端光纤固定在一起；
步骤5、将发射端光纤光纤端接入窄带宽光滤波器，此时出纤功率会大幅度减小；将接收端光纤的光纤端接入光源，记录发射端光纤的出纤功率，并将接收端隔离器放置在第一光纤透镜和第一芯片透镜之间移动，直到发射端光纤的出纤功率恢复至无隔离器时出纤功率的数值时，固定接收端隔离器。
进一步地，步骤1中自发噪声的测量方法为：在距离芯片出光口100μm处设置光敏面积远远大于芯片出光口光斑大小的光探测器，对自发噪声进行监测并记录数值。
进一步地，步骤2中通过CCD摄像头实时监测耦合光路准直效果，并通过监测信息制定坐标。
进一步地，半导体光放大器芯片、步骤5中的窄带宽光滤波器、光源，三者工作波长相同。
进一步地，接收端光纤、第一光纤透镜、接收端隔离器三者之间及发射端光纤、第二光纤透镜、发射端隔离器三者之间均通过激光焊接的方法固定。
进一步地，步骤2中第一芯片透镜和第二芯片透镜的固定方法为：找到两个透镜耦合位置后，记录位置并将透镜移开；接着在透镜底部点胶，随后复位到耦合位置并利用UV灯预固化，最后将放大器整体放置在温度150℃的高温烤箱内进行二次固化。
为了实现发明目的，本发明还公开了一种双隔离器半导体光放大器，包括半导体光放大器、接收端光纤、第一光纤透镜、接收端隔离器、发射端隔离器、第二光纤透镜、发射端光纤；
半导体光放大器包括半导体制冷器、第一芯片透镜、热沉、半导体光放大器芯片、热敏电阻、第二芯片透镜；半导体光放大器芯片、热敏电阻设置于热沉上表面，热沉下方为半导体制冷器；热敏电阻实时监测芯片的温度并反馈给半导体制冷器，实现温度实时控制；第一芯片透镜设置于半导体光放大器芯片的入光口一侧，第二芯片透镜设置于半导体光放大器芯片的出光口一侧；
第一光纤透镜设置于第一芯片透镜远离半导体光放大器芯片的一端，第一光纤透镜与第一芯片透镜构成准直光路且两者之间设置有接收端隔离器；接收端光纤设置于第一光纤透镜远离第一芯片透镜的一端；第二光纤透镜设置于第二芯片透镜远离半导体光放大器芯片的一端，第二光纤透镜与第二芯片透镜构成准直光路且两者之间设置有发射端隔离器；发射端光纤设置于第二光纤透镜远离第二芯片透镜的一端；
接收端光纤发出信号光，第一光纤透镜接收光纤的信号光后将其准直射入接收端隔离器，随后信号光出射到达第一芯片透镜进入半导体光放大器芯片，信号光通过半导体光放大器芯片放大后通过第二芯片透镜将发出的光准直，准直后的光进入发射端隔离器，接着从第二光纤透镜进入发射端光纤，实现信号放大传输。
进一步地，半导体光放大器芯片通过共晶焊接的方式焊接在热沉上，热敏电阻通过导电银胶粘接在热沉上，热沉通过导电胶粘接在半导体制冷器上，并且导电银胶热导率大于2.5W/mK。在这样的设置中，能够充分保证热沉，半导体光放大器芯片与半导体制冷器稳定安装，并实现对半导体芯片的精准的控温。
进一步地，接收端与发射端隔离器均选择偏振无关的锲型隔离器，即由两个正交放置的双折射锲型晶片和钇铁石榴石旋转晶体构成，正向光路时，光线由前双折射晶体分为正常光(O光)和非常光(E光)，经钇铁石榴石旋转晶体旋转45°时，再后双折射晶体出射面得到间距h的两束平行光；逆向光路时，同样被双折射晶体分为正常光(O光)和非常光(E光)，再经钇铁石榴石旋转晶体后，由于旋转晶体的非互易性，对于前双折射晶体来说，原来的O光变为E光，E光变为O光，再经过后双折射晶体时，两光束会相应偏离光路。
与现有技术相比，本发明的优点在于：1)将隔离器集成在半导体光放大器的内部，节约了制作成本，同时对称式的设计也可更容易制作。2)提供了相应的耦合方法，此方法不仅仅只用在半导体光放大器的制作，对目前集成半导体光放大器的器件均有效。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为双隔离器半导体光放大器俯视图；
图2为双隔离器半导体光放大器正视图；
图3为本发明耦合方法的总体流程图；
图4为本发明发射端耦合过程中加隔离器的流程图；
图5为本发明发射端耦合过程完成后的光路结构图；
图6为本发明接收端耦合过程中加隔离器的流程图；
图7为本发明接收端隔离器放置时外围光路配置图；
图8为本发明未放置隔离器时接收端耦合过程光路结构图；
图9为本发明接收端耦合过程完成后光路结构图；
图中附图标记为：1、接收端光纤，2、第一光纤透镜，3、接收端隔离器，4、半导体制冷器，5、第一芯片透镜，6、热沉，7、半导体光放大器芯片，8、热敏电阻，9、第二芯片透镜，10、发射端隔离器，11、第二光纤透镜，12、发射端光纤。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，半导体光放大器芯片7、热敏电阻8设置于热沉6上表面，热沉6下方为半导体制冷器4。热敏电阻8实时监测芯片的温度并反馈给半导体制冷器4，实现温度实时控制。第一芯片透镜5设置于半导体光放大器芯片7的入光口一侧，第二芯片透镜9设置于半导体光放大器芯片7的出光口一侧。
第一光纤透镜2设置于第一芯片透镜5远离半导体光放大器芯片7的一端，第一光纤透镜2与第一芯片透镜5构成准直光路且两者之间设置有接收端隔离器3，将放大器的自发噪声和外部信号光隔离开，实现光路的一致性。接收端光纤1设置于第一光纤透镜2远离第一芯片透镜5的一端。
第二光纤透镜11设置于第二芯片透镜9远离半导体光放大器芯片7的一端，第二光纤透镜11与第二芯片透镜9构成准直光路且两者之间设置有发射端隔离器10，防止器件后端光进入器件，影响器件的正常工作。发射端光纤12设置于第二光纤透镜11远离第二芯片透镜9的一端。
半导体光放大器芯片7通过共晶焊接的方式焊接在热沉6上，热敏电阻8通过导电银胶粘接在热沉6上，热沉6通过导电胶粘接在半导体制冷器4上，并且导电银胶热导率大于2.5W/mK。在这样的实施例中，能够充分保证热沉，半导体光放大器芯片与半导体制冷器稳定安装，并实现对半导体芯片的精准的控温。
本发明结构的原理为：接收端光纤1发出信号光，第一光纤透镜2接收光纤的信号光后将其准直射入接收端隔离器3，随后信号光出射到达第一芯片透镜5进入半导体光放大器芯片7，信号在芯片内部实现光的放大，后通过第二芯片透镜9将发出的光准直，准直后的光进入发射端隔离器10，从第二光纤透镜11进入发射端光纤12，实现信号放大传输。
如图3所示，图3为本发明耦合方法的总体流程图。首先，对热敏电阻8及半导体制冷器4加热控温；其次，对半导体放大器芯片7加电使其产生自发噪声，测量两端的自发噪声功率并记录；再次，对第一芯片透镜5和第二芯片透镜9进行耦合；随后，对发射端隔离器10、第二光纤透镜11及发射端光纤12进行耦合；接着，配置耦合接收端的外围光路；最后对接收端隔离器5、第一光纤透镜2及接收端光纤1进行耦合。
本发明芯片透镜的耦合方法为：将第一芯片透镜5和第二芯片透镜9分别放置半导体光放大器芯片7的入光口和出光口附近，通过一CCD监视透镜面向光纤端方向的光路，分别移动两个透镜，直到面向光纤端方向的光路准直后，将两个透镜固定。
如图4-5所示，图4为本发明发射端耦合流程图，其耦合流程包括：首先，通过CCD捕捉第二芯片透镜9面向光纤端方向的准直光路，并绘制光路信息坐标；然后，将发射端隔离器10和第二光纤透镜11同轴固定在一起，移动两者的位置至第二芯片透镜9面向光纤端方向，并实时检测光路信息坐标，当准直光路可全部进入发射端隔离器10时固定两者的位置；最后，移动发射端光纤12至第二光纤透镜11的面向光纤端方向，并实时检测光纤出纤功率，当出纤功率大于自发噪声功率的50％时，固定发射端光纤12，制作完成的光路如图5所示；
如图6-9所示，图6为本发明接收端耦合流程图，耦合流程包括：首先，将第一芯片透镜5做准直透镜使用，通过CCD捕捉第一芯片透镜5面向光纤端方向的准直光路，并绘制光路信息坐标；然后，移动第一光纤透镜2至第一芯片透镜5面向光纤端方向，并实时检测光路信息坐标，当准直光路完全进入第一光纤透镜2，固定第一光纤透镜2；接着，将图7中接收端耦合光路调整为I；移动接收端光纤1至第一光纤透镜2面向光纤端方向，并实时检测出纤功率，当出纤功率大于自发噪声功率的50％时，固定接收端光纤1，制作完成的光路如图8；随后，将图7中接收端耦合光路调整为II，并开启光源和监视带滤波器的光功率计，记录半导体光放大器的增益；最后，放置接收端隔离器3，隔离器中心与光线中心对齐，因隔离器导致光路偏移，移动接收端隔离器3并监视光功率计的大小，直到到达记录增益附近时停止，固定接收端隔离器，接收端耦合完成，如图9所示。
本实施例为集成双隔离器的半导体光放大器的各个组件提供了一种易于实现且稳定可靠的光路耦合顺序和技巧，能够很大程度地降低双隔离器的集成封装难度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种双隔离器半导体光放大器的耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对半导体光放大器芯片(7)加电使其产生自发噪声光，记录自发噪声的功率；
步骤2、将第一芯片透镜(5)和第二芯片透镜(9)分别放置在半导体光放大器芯片(7)的入光口与出光口，并分别检测两个芯片透镜远离所述半导体光放大器芯片(7)方向的光路，当光路准直时，分别固定两个芯片透镜；
步骤3、将发射端隔离器(10)与第二光纤透镜(11)固定在一起；将所述发射端隔离器(10)移动至所述第二芯片透镜(9)远离所述半导体光放大器芯片(7)方向一侧，当准直光路可全部进入所述发射端隔离器(10)时，固定两者的位置；移动所述发射端光纤(12)至所述第二光纤透镜(11)远离所述发射端隔离器(10)方向一侧，并实时检测光纤出纤功率，当出纤功率大于步骤1中自发噪声功率的50％时，固定所述发射端光纤(12)；
步骤4、将所述第一光纤透镜(2)放置在第一芯片透镜(5)的准直光路上，当准直光路全部进入所述第一光纤透镜(2)内，固定第一光纤透镜(2)的位置；接着将接收端光纤(1)移动至所述第一光纤透镜(2)远离所述第一芯片透镜(5)方向一侧，并实时检测接收端光纤(1)的出纤功率，当出纤功率大于所述半导体光放大器芯片(7)自发噪声功率的50％时，将第一光纤透镜(2)和接收端光纤(1)固定在一起；
步骤5、将所述发射端光纤(12)光纤端接入窄带宽光滤波器，此时出纤功率会大幅度减小；将所述接收端光纤(1)的光纤端接入光源，记录发射端光纤(12)的出纤功率，并将接收端隔离器(3)放置在所述第一光纤透镜(2)和第一芯片透镜(5)之间移动，直到所述发射端光纤(12)的出纤功率恢复至无隔离器时出纤功率的数值时，固定所述接收端隔离器(3)。
2.根据权利要求1所述一种双隔离器半导体光放大器的耦合方法，其特征在于，步骤1中自发噪声的测量方法为：在距离芯片出光口100μm处设置光敏面积远远大于芯片出光口光斑大小的光探测器，对自发噪声进行监测并记录数值。
3.根据权利要求1所述一种双隔离器半导体光放大器的耦合方法，其特征在于，步骤2中通过CCD摄像头实时监测耦合光路准直效果，并通过监测信息制定坐标。
4.根据权利要求1所述一种双隔离器半导体光放大器的耦合方法，其特征在于，所述半导体光放大器芯片(7)、步骤5中所述的窄带宽光滤波器、光源，三者工作波长相同。
5.根据权利要求1所述一种双隔离器半导体光放大器的耦合方法，其特征在于，所述接收端光纤(1)、第一光纤透镜(2)、接收端隔离器(3)三者之间，及所述发射端光纤(12)、第二光纤透镜(11)、发射端隔离器(10)三者之间均通过激光焊接的方法固定。
6.根据权利要求1所述一种双隔离器半导体光放大器的耦合方法，其特征在于，步骤2中第一芯片透镜(5)和第二芯片透镜(9)的固定方法为：找到两者的耦合位置后，记录所述位置并将透镜移开；接着在透镜底部点胶，随后复位到耦合位置并利用UV灯预固化，最后将放大器整体放置在温度150℃的高温烤箱内进行二次固化。
7.一种双隔离器半导体光放大器，其特征在于，包括半导体光放大器、接收端光纤(1)、第一光纤透镜(2)、接收端隔离器(3)、发射端隔离器(10)、第二光纤透镜(11)、发射端光纤(12)；
所述半导体光放大器包括半导体制冷器(4)、第一芯片透镜(5)、热沉(6)、半导体光放大器芯片(7)、热敏电阻(8)、第二芯片透镜(9)；所述半导体光放大器芯片(7)、热敏电阻(8)设置于所述热沉(6)上表面，所述热沉(6)下方为半导体制冷器(4)；所述热敏电阻(8)实时监测芯片的温度并反馈给半导体制冷器(4)，实现温度实时控制；所述第一芯片透镜(5)设置于所述半导体光放大器芯片(7)的入光口一侧，所述第二芯片透镜(9)设置于所述半导体光放大器芯片(7)的出光口一侧；
所述第一光纤透镜(2)设置于所述第一芯片透镜(5)远离所述半导体光放大器芯片(7)的一端，所述第一光纤透镜(2)与所述第一芯片透镜(5)构成准直光路且两者之间设置有接收端隔离器(3)；所述接收端光纤(1)设置于所述第一光纤透镜(2)远离所述第一芯片透镜(5)的一端；所述第二光纤透镜(11)设置于所述第二芯片透镜(9)远离所述半导体光放大器芯片(7)的一端，所述第二光纤透镜(11)与所述第二芯片透镜(9)构成准直光路且两者之间设置有发射端隔离器(10)；所述发射端光纤(12)设置于所述第二光纤透镜(11)远离所述第二芯片透镜(9)的一端；
所述接收端光纤(1)发出信号光，第一光纤透镜(2)接收光纤的信号光后将其准直射入接收端隔离器(3)，随后信号光出射到达第一芯片透镜(5)进入半导体光放大器芯片(7)，信号光通过半导体光放大器芯片(7)放大后通过第二芯片透镜(9)将发出的光准直，准直后的光进入发射端隔离器(10)，接着从第二光纤透镜(11)进入发射端光纤(12)，实现信号放大传输。
8.根据权利要求7所述的一种双隔离器半导体光放大器，其特征在于，所述半导体光放大器芯片(7)通过共晶焊接的方式焊接在所述热沉(6)上；所述的热敏电阻(8)通过导电银胶粘贴在所述热沉(6)上，所述热沉(6)通过导电银胶粘贴在所述半导体制冷器(4)上。
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