CN115541533A - 降低模拟信号噪音的带尾纤vcsel激光器组件封装结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构及方法，本发明改良所述封装结构，通过采用玻璃毛细管固定光纤，同时光纤端面的研磨角度不小于11°，且在光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面上同时镀上一层增透膜，以便减小研磨端面的反射光，金属套管内表面粗糙化处理；激光器芯片发出的入射光锥的光束光能量极大部分通过研磨端面进入光纤和玻璃毛细管内，少部分反射光能量只能保持在反射光锥内并集中一个较大反射角度反射到耦合透镜之外，被金属套管内表面粗糙面漫反射，极大降低反射光进入激光芯片所产生的光信号抖动，光信号抖动＜0.001；该封装方法方便生产，在高效批量生产的同时还可以极大减少研磨及镀膜误差，有利于质量控制。

Description

降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构及 方法
技术领域
本发明涉及模拟光信号半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构及方法与应用。
背景技术
基于激光光谱技术的不断发展，快速测量、高灵敏度和小型气体探测传感器的市场需求不断增加。由于VCSEL激光器具有低功耗、小体积、低成本等特点，同时又有其近红外波段选择性强、小电流调谐范围宽和电热功率低的特性，使它成为气体传感器的理想光源之一。在室温环境温度下VCSEL激光器可以发射1.65微米的近红外激光，成为CH4气体传感器的理想光源。
可调谐半导体激光吸收光谱技(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy,TDLAS)是一种常见的高灵敏度气体检测方法，其工作原理是根据不同气体的不同特征光谱吸收峰，通过适当选择被测气体特征光谱吸收峰值的波长值，并匹配相同波长的激光源，可以实现比气体浓度的精确测量。当红外激光通过被测气体时，由于特征光谱吸收峰的吸收效应，其光强将降低。光强度降低的幅度与被测气体的浓度，以及光束经过被测气体的光程长度值成正比。因此，当光程长度值为已知值时，可以通过检测和分析红外吸收峰处的光强变化值来检测被测气体的浓度。在利用TDLAS技术并采用VCSEL激光器作为传感器光源时，需要将VCSEL激光器的输出波长稳定在气体(如CH4)的吸收峰附近，以便对其浓度进行测量。由于在使用TDLAS技术时，需要精密测量气体吸收峰处的光强变化值,也就是，吸收峰光强信号相对于本底噪音信号变化值，就需要最大程度的减小由本底噪音信号的变化引入的误差。
同时，为精确测量CH4的浓度，特别是低浓度CH4气体(国标要求的最低测量浓度是0.1％CH4浓度)时，需要通过调谐激光器的输出波长，使扫描的波长范围可以覆盖CH4气体吸收峰。为了在测量低浓度CH4气体时，准确地确定CH4气体吸收峰的位置，就需要用到含有高浓度CH4气体的参考气室，这就需要把激光器光源的功率利用光纤耦合器分出一路接到CH4气体的参考气室。随着激光器环境变化，激光器波长会变化，有参考光路的气体传感器能精确能定位吸收波长，能有效防止传感器误报。
在一个典型的全光纤气体传感系统中，如图1所示，通常采用一个带有光纤尾纤的VCSEL激光器组件10作为光源，激光光束可以通过两个1x2的光纤耦合器20分成三路的光路，其中一路经过探测气室30连接到光电探测器50，用于提供参考信号；另一路经过参考气室40连接到光电探测器60，用于提供检测信号；第三路之间连接到光电探测器70，用于提供光源变化监测信号。
在封装用于光纤通信的常规的带有光纤尾纤的VCSEL激光器组件时，为了减少光纤端面反射光的影响，耦合光纤端面通常被研磨成一个6°到8°的斜角。当这种工艺生产出的带有光纤尾纤的VCSEL激光器组件用在光纤通信应用时，由于传输的通信信号都是“0”或“1”的数字信号，对本低噪音的大小要求不高，所以这种常规的带尾纤的VCSEL激光器组件可以得到广泛的应用。但是，当把这种带尾纤的VCSEL激光器组件应用到高精度的传感器中，由于传感器的模拟量测量对信号的本底噪音要求很高，这种工艺生产的带尾纤的VCSEL激光器组件就不能应用于检测模拟信号的高精度的传感器应用中。
当需要测量精度达到0.1％的CH4气体浓度时，在目前CH4激光传感器通常探测长度60mm的条件下，需要传感器光源本身信号抖动小于0.1％即信号抖动＜0.001。这种模拟信号的低抖动性要求给带尾纤VCSEL激光器组件的封装工艺提出了挑战。
因此需进一步研发一款减少或避免由光信号抖动导致的光学本底噪音的带尾纤的VCSEL激光器组件，来解决上述现有技术中存在的问题。
发明内容
为解决上述现有技术中存在于带尾纤激光器组件本底噪音的技术问题，本发明的目的之一在于提供一种降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，通过利用玻璃毛细管代替常规的陶瓷插芯，采用玻璃毛细管与固定在玻璃毛细管内的光纤同步研磨的方式，使光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面研磨成一致的研磨角度，所述光纤研磨端面曲率半径(ROC)为∞，同时光纤研磨端面研磨角度达到11.7°；这样就可以将反射光锥的光轴中心相对于光纤光轴的角度增加到23.4°。同时，在光纤和玻璃毛细管研磨端面镀一层减反膜，当激光器芯片发出的光锥通过耦合透镜形成入射光锥，入射光锥的光束光能量极大部分通过镀有减反膜的研磨端面进入光纤和玻璃毛细管内，少部分反射光能量只能保持在反射光锥内并集中一个较大反射角度反射到耦合透镜之外，使反射光锥的光束不能经过耦合透镜回到激光器芯片中，从而大大减少了反射回激光器芯片的光强，使不参与光耦合的光束所产生的反射光强影响降到最低，极大减少激光器光信号抖动，降低激光器本底噪音。
本发明的目的之二在于提供一种降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器封装结构的封装方法。
本发明的目的之三在于提供一种降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构的应用。
本发明的目的之一通过以下技术方案实现：
降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，所述封装结构包括金属套管及设置在所述金属套管内的耦合透镜、激光器芯片、光纤、玻璃毛细管；至少一根所述光纤固定在所述玻璃毛细管内；所述光纤和玻璃毛细管研磨端面相对于光纤光轴的垂直面的研磨角度不小于11°，所述光纤和玻璃毛细管研磨端面的曲率半径(ROC)为∞，所述玻璃毛细管研磨端面的研磨角度与所述光纤研磨端面的研磨角度一致；所述光纤研磨端面与所述玻璃毛细管研磨端面同时镀有增透膜；所述激光器芯片发出的激光光束经过所述耦合透镜耦合并通过镀有所述增透膜的光纤和玻璃毛细管研磨端面进入所述光纤与所述玻璃毛细管内。
进一步地，所述光纤研磨端面相对于光纤光轴的垂直面研磨角度为11.7°。
进一步地，所述光纤研磨端面与所述玻璃毛细管研磨端面通过同步研磨制备而成。
进一步地，所述增透膜为以1650nm波长为中心的C波段增透膜。
进一步地，所述耦合透镜两面镀有所述增透膜。
进一步地，所述金属套管内表面为粗糙散射面。
本发明的目的之二通过以下技术方案实现：一种如上述的降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构的封装方法，包括以下步骤：
S1：将光纤固定在玻璃毛细管内，并将光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面进行同步研磨处理；
S2：将S1中完成同步研磨的光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面经过清洗后，同时镀上增透膜；
S3：将金属套管内表面进行打磨处理，形成粗糙散射面；
S4：分别将VCSEL激光器、镀增透膜的耦合透镜和研磨并镀增透膜的光纤与玻璃毛细管安装在S3中的金属套管内。
进一步地，所述S1中，光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面的研磨角度为11.7°。
本发明目的之三通过以下方案实现：
一种带尾纤VCSEL激光器组件，所述VCSEL激光器组件包括上述的激光器封装结构；所述VCSEL激光器应用于气体传感器中，激光器光信号抖动＜0.001。
相比现有技术，本发明至少具备以下有益效果：
1、本发明的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构通过玻璃毛细管代替常规的陶瓷插芯，采用玻璃毛细管与固定在玻璃毛细管内的光纤同步研磨的方式，使光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面研磨成一致的研磨角度，所述光纤研磨端面曲率半径(ROC)为∞，同时光纤研磨端面研磨角度达到11.7°；这样就可以将反射光锥的光轴中心相对于光纤光轴的角度增加到23.4°，当激光器芯片发出的光锥通过耦合透镜形成入射光锥，入射光锥聚焦在光纤与毛细管的研磨端面，入射光锥的光束光能量极大部分通过研磨端面的增透膜进入光纤和玻璃毛细管内，少部分反射光能量只能保持在反射光锥内，并以较大反射角度反射到耦合透镜之外，使反射光锥的光束不能经过耦合透镜回到激光器芯片中，从而大大减少了反射回激光器芯片的光强，使不参与光耦合的光束所产生的反射光强影响降到最低，极大减少激光器光信号抖动，降低激光器本底噪音；
2、此外，本发明同时在光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面上镀上一层增透膜，进一步增加通过增透膜进入光纤和与玻璃毛细管的光能量，降低反射回激光器芯片的光强，减少激光器光信号抖动；
3、为同时减少由耦合透镜、金属套管内表面产生的反射光，减少反射光的二次反射，本发明还进一步在耦合透镜两面镀上一层增透膜，以及将金属套管内表面打磨处理，形成粗糙散射面；
综上，本发明通过改良所述封装结构，激光器芯片发出的光锥通过耦合透镜形成入射光锥，入射光锥的光束光能量极大部分通过光纤和玻璃毛细管研磨端面的增透膜进入光纤和玻璃毛细管内，少部分反射光能量只能保持在反射光锥内，并以较大反射角度反射到耦合透镜之外，被金属套管内表面粗糙面漫反射，极大降低或几乎避免了反射光进入激光芯片所产生的光信号抖动，采用本发明所述封装结构的VCSEL激光器，其光信号抖动＜0.001，即激光器本底噪音低；
4、本发明通过采用玻璃毛细管与固定在玻璃毛细管内的光纤同步研磨的方式，不仅能使光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面研磨成一致的研磨角度，同时实现批量研磨、批量镀增透膜，方便生产，在高效批量生产的同时还可以极大减少研磨及镀膜误差，有利于质量控制，从而进一步确保本发明封装结构的光信号抖动满足高精度传感器的检测要求。
附图说明
图1为典型的全光纤气体传感系统组成示意图；
图2为本发明实施例1-3降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构的光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面的研磨角度示意图；
图3为本发明实施例1降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构的光束光锥状态示意图；
图4为本发明实施例1-3的降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装状态示意图；
图5为本发明实施例2-3降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构的曲率半径示意图；
图6为采用本发明实施例1的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构的激光器光信号抖动测试结果示意图；
图7为采用本发明实施例2的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构的激光器光信号抖动测试结果示意图；
图8为采用本发明实施例3的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构的激光器光信号抖动测试结果示意图。
图中：10、带尾纤VCSEL激光器组件；20、光纤耦合器；30、被测气体探测气室；40、参考气室；50、探测器；60、探测器；70、探测器；1、金属套管；2、耦合透镜；3、激光器芯片；4、光纤；41、光纤研磨端面；5、玻璃毛细管；51、玻璃毛细管研磨端面；A1、激光器芯片发出的光锥；A2、入射光锥；A3、反射光锥；B、光纤光轴；ROC、曲率半径；α、光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面的研磨角度。
具体实施方式
为了便于理解本发明，以下结合附图及实施例，对所述发明的技术方案及优点进行进一步详细说明。以下以示例的方式对本发明具体结构及特点进行说明，不应将构成对本发明的任何限制。同时，有关下列所提及(包括隐含或公开)的任何一个技术特征，以及被直接显示或隐含在图中的任何一个技术特征，均可以在这些技术特征之间继续进行任意组合或删减，从而形成可能没有在本发明中直接或间接提到的更多其他实施例。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图2-4、图6所示，一种降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，所述封装结构包括金属套管1及设置在所述金属套管1内的耦合透镜2、激光器芯片3、光纤4、玻璃毛细管5；至少一根所述光纤4固定在所述玻璃毛细管5内；所述光纤研磨端面41相对于光纤光轴B的垂直面研磨角度α为11.7°，所述光纤研磨端面曲率半径(ROC)为∞，所述玻璃毛细管研磨端面51的研磨角度α与所述光纤研磨端面41的研磨角度α一致；所述光纤研磨端面41与所述玻璃毛细管研磨端面51同时镀有增透膜(附图未示意)；所述激光器芯片3发出的激光光束经过所述耦合透镜耦2聚焦在所述光纤4与所述玻璃毛细管5的研磨端面上，并通过所述光纤4与所述玻璃毛细管5的研磨端面的增透膜进入所述光纤4与所述玻璃毛细管5内。
在激光器应用中，光源与光纤耦合时，为了降低耦合损耗，使更多的光功率注入光纤，获得最大的耦合效率，必须考虑光纤和光源的特性以及具体的耦合方法，当VCSEL激光束出射时会形成一个锥形发散光束，就需要使用耦合透镜将激光束耦合到光纤端面，通过耦合透镜在光纤端面生成类似的锥形光；根据光纤的特性，光强最大的最理想的耦合光锥的几何结构是固定的。因此要达到理想的耦合效率，入射光束的光锥必须与光纤的理想光锥最大化重合。为了避免入射光束的光锥在光纤端面反射回到激光器芯片中，光纤端面的斜角就必须足够大，使得入射光束的光锥在光纤端面反射后不能经过透镜到达激光器芯片。但光纤端面的斜角增大的同时也需考虑耦合入射光束光锥的最大的光锥角度，如果光纤端面的斜角过大，同时光锥的最大的光锥角度也很大，就会使部分光能量不能被耦合进入光纤中，减少了耦合效率，因此光纤端面的斜角并不是越大越好。
申请人在上述前提下，通过创造性劳动不断研发，在确保不影响光的耦合效率及激光器的正常封装的前提下，所述光纤研磨端面相对于光纤光轴的垂直面研磨角度可达11°以上，在本实施例中，所述光纤研磨端面相对于光纤光轴的垂直面研磨角度为11.7°，这是通过申请人在不断试验过程中经过调整、测试并根据光信号抖动结果来选用；在其他实施例中，该研磨角度也可根据具体情况选择其他角度，如12°以上，或小于11.7°，只要其可与光纤研磨端面曲率半径(ROC)及玻璃毛细管等配合达成本发明的有益效果，同时也不会影响光的耦合效率及激光器封装等缺陷即可。
进一步地，在增大光纤研磨端面相对于光纤光轴的垂直面研磨角度α的同时，光纤研磨端面41越接近平面，其降低反射回激光器芯片的光的效果越好。在本实施例中，所述光纤研磨端面41的曲率半径(ROC)为∞即平面。
优选地，所述光纤研磨端面41与所述玻璃毛细管研磨端面51通过同步研磨制备而成。
本实施例中采用将玻璃毛细管5与固定在玻璃毛细管5内的光纤4同步研磨的方式，不但可以保证光纤研磨端面41与玻璃毛细管研磨端面51研磨成一致的研磨角度，且所述光纤研磨端面41曲率半径(ROC)为∞，而且还可以便于批量生产加工，同时所述光纤研磨端面41相对于光纤光轴B的垂直面研磨角度α达到11.7°；这样就可以将反射光锥A3的光轴中心相对于光纤光轴B的角度增加到23.4°，当激光器芯片3发出的光锥A1通过耦合透镜2形成入射光锥A2，通过改变光纤研磨端面41反射光的反射角度，入射光锥A2的光束光能量极大部分通过进入光纤4和玻璃毛细管5内，少部分反射光能量只能保持在反射光锥A3内并集中一个较大反射角度反射到耦合透镜2之外，使反射光锥A3的光束不能经过耦合透镜2回到激光器芯片3中，从而大大减少了反射回激光器芯片3的光强，使不参与光耦合的光束所产生的反射光强影响降到最低，极大减少激光器光信号抖动，降低激光器本底噪音。
优选地，所述光纤研磨端面41与所述玻璃毛细管研磨端面51分别镀有增透膜(附图未示意)。本发明同时在光纤研磨端面41与玻璃毛细管研磨端面51上镀上一层增透膜，这样，在激光耦合到光纤与玻璃毛细管研磨端面时，入射光锥的光束个光能量大部分通过研磨端面的增透膜进入光纤和玻璃毛细管内，进一步地降低反射回激光器芯片的光强，减少激光器光信号抖动，降低激光器本底噪音。
具体地，所述增透膜为以1650nm波长为中心的C波段增透膜。在本实施例中，所述增透膜为以1650nm波长为中心的C波段增透膜，其材料特性、对光的增透原理、镀膜所需技术均参考现有技术，只要可实现其有益效果即可。
优选地，所述耦合透镜2两面镀有所述增透膜。这样设置可以减少耦合透镜两透射面的反射光影响，从而更进一步地降低反射回激光器芯片的光强，减少光信号抖动，降低激光器本底噪音。
为了减少入射光束的入射光锥A2在光纤研磨端面41反射后不会被金属套管1内表面产生二次反射，优选地，所述金属套管1内表面为粗糙散射面。这样设置的好处是即使少部分反射光能量保持在反射光锥内并反射到耦合透镜之外，也被金属套管内表面粗糙面漫反射；从而进一步降低了反射光进入激光芯片所产生的扰动。
综上，如图6所示，本发明通过改良所述封装结构，激光器芯片发出的光锥通过耦合透镜形成入射光锥，入射光锥的光束光能量极大部分通过光纤和玻璃毛细管研磨端面的增透膜进入光纤和玻璃毛细管内，少部分反射光能量只能保持在反射光锥内并集中一个较大反射角度反射到耦合透镜之外，被金属套管内表面粗糙面漫反射，极大降低或几乎避免了反射光进入激光芯片所产生的光信号抖动，采用本发明所述封装结构的带尾纤VCSEL激光器组件，其光信号抖动＜0.001。
在本实施例中，所述激光器芯片3、金属套管1、耦合透镜2的安装方式、控制方式、工作原理、参数均可参考现有技术，只要能够达成其有益效果的均可进行实施。所述光纤4、玻璃毛细管5、激光器芯片3、耦合透镜2均适用于本发明的高精度传感器应用。
可选地，所述耦合透镜2为同轴型TO透镜。
本实施例1提供上述封装结构的封装方法，该封装方法包括以下步骤：
S1：将光纤固定在玻璃毛细管内，并将光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面进行同步研磨处理，同步研磨完成后，光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面的研磨角度为11.7°，所述光纤研磨端面曲率半径(ROC)为∞；
S2：将S1中完成同步研磨的光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面经过清洗后，同时镀上增透膜；
S3：将金属套管内表面进行打磨处理，形成粗糙散射面；
S4：分别将VCSEL激光器、镀增透膜的耦合透镜和研磨并镀增透膜的光纤与玻璃毛细管安装在S3中的金属套管内。
本实施例的封装方法中，通过采用玻璃毛细管与固定在玻璃毛细管内的光纤同步研磨的方式，不仅能使光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面研磨成一致的研磨角度，同时实现批量研磨、批量镀增透膜，方便生产，在高效批量生产的同时还可以极大减少研磨及镀膜误差，有利于质量控制，从而进一步确保本发明封装结构的光信号抖动满足高精度传感器的检测要求。
此外，本实施例的封装方法中，所述玻璃毛细管与固定在玻璃毛细管内的光纤同步研磨的方式具体为将光纤和玻璃毛细管固定在适配的特定夹具中使光纤和玻璃毛细管端面可以同时研磨成需要的角度。所述夹具、研磨装置、实现同步研磨所需的其他相关参数等均可参考本领域光纤研磨工艺，此处不赘述。
本实施例1还提供一种带尾纤VCSEL激光器组件，包括上述激光器组件封装结构。
实施例2
如图2、图4-5、图7所示，本实施例2与实施例1的区别在于，所述光纤研磨端面曲率半径(ROC)为5≤ROC≤12mm。
本实施例2的封装方法参考实施例1。
本实施例2还提供一种带尾纤VCSEL激光器组件，包括上述激光器组件封装结构。
实施例3
如图2、图4-5、图8所示，本实施例3与实施例1的区别在于，所述光纤研磨端面相对于光纤光轴的垂直面研磨角度为8°，以及所述光纤研磨端面曲率半径(ROC)为5≤ROC≤12mm。
本实施例3的封装方法参考实施例1。
本实施例3还提供一种带尾纤VCSEL激光器组件，包括上述激光器封装结构。
效果评价及性能检测
以下为本发明实施例1-3的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构产生的激光器光信号抖动的测试数据。
其中，激光器抖动信号的检测通过以下方法进行：
将带尾纤VCSEL激光器组件10接入气体检测系统中，如图1所示，利用周期变化的锯齿波电流驱动VCSEL激光器，如果光纤和玻璃毛细管研磨端面的反射光反射进入激光器芯片中，就会在激光器的输出光束中产生干涉噪音，利用探测器7信号和锯齿波驱动电流进行归一化处理就可以直接检测到这种抖动噪音信号。
测试结果如下表及图6-8所示：
项 实施例1 实施例2 实施例3
光源信号回归差(抖动) ＜0.001 0.002 0.006
根据上表数据可知，实施例1为本发明的最优实施例，将玻璃毛细管与固定在玻璃毛细管内的光纤同步研磨为11.7°并同时镀增透膜，且所述光纤研磨端面曲率半径(ROC)为∞，还进一步在耦合透镜两面各自镀上一层增透膜，以及将金属套管内表面打磨处理，形成粗糙散射面；即本实施例1的所述封装结构不仅可以通过改良光纤研磨端面的角度，而且采用了与光纤相似的玻璃材料代替常规的陶瓷插芯，在光纤与玻璃毛细管端面研磨后镀增透膜，使入射光锥的光束光能量极大部分通过光纤与玻璃毛细管研磨端面的增透膜进入光纤和玻璃毛细管内，少部分反射光能量只能保持在反射光锥内并集中一个较大反射角度反射到耦合透镜之外，使反射光锥的光束不能经过耦合透镜回到激光器芯片中，从而大大减少了反射回激光器芯片的光强，还进一步地通过减少由耦合透镜、金属套管内表面产生的反射光，减少反射光的二次反射，因此极大降低或几乎避免了反射光进入激光芯片所产生的光信号抖动，采用实施例1的封装结构的带尾纤VCSEL激光器组件，其光信号抖动＜0.001，满足气体传感器在现有探测气室长度60mm，测量0.1％气体浓度的要求。
实施例2与实施例1的区别在于所述光纤研磨端面曲率半径(ROC)并非为∞即平面，其曲率半径(ROC)为5≤ROC≤12mm，采用实施例2的封装结构的带尾纤VCSEL激光器，其光信号抖动为0.002，这是由于光纤反射面不是平面，由于光纤端面反射的部分反射光经过多次反射进入激光器，加大了反射回激光器芯片的光强，引起了光信号抖动。
实施例3与实施例1的区别在于所述光纤研磨端面相对于光纤光轴的垂直面研磨角度为8°，以及所述光纤研磨端面曲率半径(ROC)为5≤ROC≤12mm，即，所述光纤研磨端面相对于光纤光轴的垂直面研磨角度相比实施例1更小，同时光纤反射面不是平面，因此光纤研磨端面该较小的斜角不能避免更多入射光束的光锥在光纤端面反射回到激光器芯片，光的反射损耗低，光纤端面反射的部分反射光经过多次反射进入激光器，从而造成反射回激光器芯片的光强也大大增强，采用实施例3的封装结构的带尾纤VCSEL激光器组件，其光信号抖动达到0.006，无法达到高精度的气体传感器的要求。
综上所述，本发明的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构通过玻璃毛细管代替常规的陶瓷插芯，采用玻璃毛细管与固定在玻璃毛细管内的光纤同步研磨的方式，使光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面研磨成一致的研磨角度，所述光纤研磨端面曲率半径(ROC)为∞，同时光纤研磨端面研磨角度达到11.7°，这样就可以将反射光锥的光轴中心相对于光纤光轴的角度增加到23.4°；本发明同时在光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面上镀上一层增透膜，当激光器芯片发出的光锥通过耦合透镜形成入射光锥，并聚焦在光纤与玻璃毛细管研磨端面，入射光锥的光束光能量极大部分通过光纤与玻璃毛细管端面的增透膜进入光纤和玻璃毛细管内，少部分反射光能量只能保持在反射光锥内并以较大反射角度反射到耦合透镜之外，使反射光锥的光束不能经过耦合透镜回到激光器芯片中，从而大大减少了反射回激光器芯片的光强，使不参与光耦合的光束所产生的反射光强影响降到最低，极大减少激光器光信号抖动，降低激光器本底噪音；
为同时减少由耦合透镜、金属套管内表面产生的反射光，减少反射光的二次反射，本发明还进一步在耦合透镜两面各自镀上一层增透膜，以及将金属套管内表面打磨处理，形成粗糙散射面；
本发明通过改良所述封装结构，激光器芯片发出的光锥通过耦合透镜形成入射光锥，入射光锥的光束光能量极大部分通过光纤与玻璃毛细管端面的增透膜进入光纤和玻璃毛细管内，少部分反射光能量只能保持在反射光锥内并以较大反射角度反射到耦合透镜之外，被金属套管内表面粗糙面漫反射，极大降低或几乎避免了反射光进入激光芯片所产生的光信号抖动，采用本发明所述封装结构的带尾纤VCSEL激光器组件，其光信号抖动＜0.001，激光器本底噪音低，满足气体传感器在现有探测气室长度60mm，测量0.1％气体浓度的要求。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明VCSEL激光器组件封装结构保护的范围，当然地，在不影响激光器封装难度及激光器正常工作的情况下，所述光纤研磨端面的斜角可以根据需要进行增大；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 (9)

1.一种降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，所述封装结构包括金属套管及设置在所述金属套管内的耦合透镜、激光器芯片、光纤、玻璃毛细管；至少一根所述光纤固定在所述玻璃毛细管内；其特征在于，所述光纤研磨端面相对于光纤光轴的垂直面的研磨角度不小于11°，所述光纤研磨端面的曲率半径为∞，所述玻璃毛细管研磨端面的研磨角度与所述光纤研磨端面的研磨角度一致；所述光纤研磨端面与所述玻璃毛细管研磨端面同时镀有增透膜；所述激光器芯片发出的激光光束经过所述耦合透镜耦合并通过光纤与玻璃毛细管端面的增透膜进入所述光纤与所述玻璃毛细管内。
2.如权利要求1所述的降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，其特征在于，所述光纤研磨端面相对于光纤光轴的垂直面研磨角度为11.7°。
3.如权利要求1所述的降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，其特征在于，所述光纤研磨端面与所述玻璃毛细管研磨端面通过同时研磨制备而成。
4.如权利要求1所述的降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，其特征在于，所述增透膜为以1650nm波长为中心的C波段增透膜。
5.如权利要求4所述的降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，其特征在于，所述耦合透镜两面镀有所述增透膜。
6.如权利要求1所述的降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，其特征在于，所述金属套管内表面为粗糙散射面。
7.一种如权利要求1-6任一所述的降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将光纤固定在玻璃毛细管内，并将光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面进行同步研磨处理；
S2：将S1中完成同步研磨的光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面经过清洗后，同时镀上增透膜；
S3：将金属套管内表面进行打磨处理，形成粗糙散射面；
S4：分别将VCSEL激光器、镀增透膜的耦合透镜和研磨并镀增透膜的光纤及玻璃毛细管安装在S3中的金属套管内。
8.如权利要求7所述的降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构的封装方法，其特征在于，所述S1中，光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面的研磨角度为11.7°。
9.一种带尾纤VCSEL激光器组件，其特征在于，所述带尾纤VCSEL激光器组件包括如权利要求1-8任一项所述的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构；所述带尾纤VCSEL激光器组件应用于气体传感器中，激光器光信号抖动＜0.001。
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