CN118099924A - 一种可调谐激光器的封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调谐激光器的封装结构，包括热沉基底，所述封装结构还包括设置在热沉基底上的第一激光器和第二激光器，所述第一激光器为C波段波长可调谐激光器，所述第二激光器为L波段波长可调谐激光器；所述第一激光器和第二激光器设置在热沉基底上；所述封装结构还包括能够将两个激光器的输出光进行合束的滤波器组件，所述滤波器组件包括透光的衬底和固定在衬底上的薄膜光学滤波器，所述衬底和薄膜光学滤波器设置成：使得所述第一激光器和第二激光器的其中一个发射的激光经过薄膜光学滤波器后进入衬底，所述第一激光器和第二激光器的另一个发射的激光进入衬底后反射至衬底设置薄膜光学滤波器的位置，从而激光在衬底内合束后出射。

Description

一种可调谐激光器的封装结构

技术领域

本发明涉及激光器领域，尤其是一种可调谐激光器的封装结构。

背景技术

随着5G、云计算、AR/VR、4k高清视频以及物联网等新兴应用的发展，网络流量急剧增长。但是，光纤的铺设速度相对缓慢，难以跟上网络流量的增加速度，尤其是在已经建成的城区。因此，为了满足日益增长的网络流量需求，在已铺设的光纤基础上，提升单纤的通信容量是最经济的方式。

提升单纤通信容量通常有两种方式：

一种是提升频谱效率：例如波分复用系统的单波长调制速率从10G到40G、100G和200G提高，甚至到单波长400G和800G等。提升频谱效率需要采用更高阶的调制格式，或者更复杂的频谱整形方式、更多维度的复用手段，使得信号对系统噪声等更加敏感。同时受香农极限的限制，增加频谱效率会使信号的传输距离减小，难以持续推进。

另外一种方式是扩展波段：光纤的低损耗窗口为C波段和L波段，常规的C波段80波和96波已经在国内商用，随着近几年网络流量的急剧增长，C波段50GHz频率间隔的80波和96波已经无法满足应用需求，需要进一步扩展通信波段。目前，业界扩展波段的技术方案有两种：扩展C(C++)波段和C波段+L波段。C++波段在96波的基础上继续增加至120波，相对80波，通信容量提升50％。可以预见，在不久的将来C++的120波也将无法满足通信容量的增加。如果采用C波段+L波段，可以在现有C波段96波的基础上，增加L波段的96波甚至更多，通信容量可以提升100％以上。因此，采用C波段+L波段来提升通信容量有着更大的发展潜力。但是，C波段+L波段的通信系统也面临着诸多挑战。如L波段光放大器转化效率相对较低，无源光器件的插损相对更高，C/L合分波器件额外插损，受非线性效应影响更大以及需要两套器件和设备等。

对于波分复用系统，其中必不可少的关键器件是波长可调谐半导体激光器。波长可调谐半导体激光器的性能不仅要和固定波长的半导体激光器的性能相比拟，还要具备覆盖C波段或者L波段的波长范围。受材料增益半宽的限制，无法制作出能够同时覆盖C波段和L波段的波长可调谐半导体激光器。虽然可以采用单片集成的方式将两种不同增益峰的有源材料生长在同一衬底片上，但是单片集成的制作难度大，成品率低。由此可见，现阶段将两个独立的C波段和L波段波长可调谐半导体激光器共同封装在同一管壳内在可行性和成本上更具优势。

现有的一种波长可调谐激光器封装结构如图5所示。波长可调谐激光器1’焊接在氮化铝热沉2’上，波长可调谐激光器1’旁边设置有热敏电阻3’，用于监测波长可调谐激光器1’的温度，结合TEC，可以实时控制激光器的工作温度。波长可调谐激光器1’的输出光经过准直透镜4’后进入隔离器5’。经过隔离器5’后的光通过第一分光棱镜6’分为两束。优选的，第一分光棱镜6’的分束比为98％：2％，主光束(98％)水平经过汇聚透镜7’耦合进光纤输出，另外一束光(2％)向上进入第二分光棱镜8’，第二分光棱镜8’将光分为两束，第二分光棱镜8’的分束比为50％：50％，一束光进入第一探测器(MPD1)91’，另外一束光经过FP标准具后10’进入第二探测器(MPD2)92’，其中，第一探测器91’用于功率监测，第二探测器(MPD2)92’用于波长锁定。为了精准的控制FP标准具10’的温度，在FP标准具10’旁边还设置有热敏电阻11’用于监测FP标准具10’的工作温度，结合TEC可以精细控制FP标准具10’的工作温度。

但是当具有两个激光器时，采用分立的器件，器件尺寸大，封装难度高。如果要将C波段和L波段波长可调谐半导体激光器共同封装在同一管壳内，难以满足小尺寸封装的需求。除此之外，器件的工作带宽有限，如在C波段实现最佳工作，那么L波段就会带来额外的损耗。为此，如何将C波段可调谐激光器和L波段可调谐激光器共同封装，是本领域目前急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种可调谐激光器的封装结构，满足小尺寸封装需求。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种可调谐激光器的封装结构，包括热沉基底，其特征在于：

所述封装结构还包括设置在热沉基底上的第一激光器和第二激光器，所述第一激光器为C波段波长可调谐激光器，所述第二激光器为L波段波长可调谐激光器；所述第一激光器和第二激光器设置在热沉基底上；

所述封装结构还包括能够将两个激光器的输出光进行合束的滤波器组件，所述滤波器组件包括透光的衬底和固定在衬底上的薄膜光学滤波器，所述衬底和薄膜光学滤波器设置成：使得所述第一激光器和第二激光器的其中一个发射的激光经过薄膜光学滤波器后进入衬底，所述第一激光器和第二激光器的另一个发射的激光进入衬底后反射至衬底设置薄膜光学滤波器的位置，从而两个激光器的激光在衬底内合束后出射。

为便于其中一个激光器发射的激光能够在衬底内反射，另一个激光器发射的光在薄膜光学滤波器和衬底内折射，以便于合束后水平出射，所述第一激光器和第二激光器的发射的激光光路与衬底迎向激光的一侧不为垂直。

进一步地，为便于其中一个激光器发射的激光能够在衬底内反射，另一个激光器发射的光在薄膜光学滤波器和衬底内折射，所述薄膜光学滤波器具有迎向各激光器的激光一侧的第一入射面以及背向各激光器的激光一侧的第一出射面，所述第一出射面与衬底固定；

所述衬底具有迎向各激光器发射的激光一侧的第二入射面、背向各激光器发射的激光一侧的第二出射面以及与第二出射面位于同一侧的第一反射面。通过调整薄膜光学滤波器的位置以及衬底的角度，可以使得经过第一反射面反射的光能与经过薄膜光学滤波器后在反射光反射后的同一位置进入衬底，以完成合束。

为进一步减小封装结构的尺寸，所述衬底还具有与第二入射面位于同一侧的第二反射面。

为便于激光的入射、出射和反射，所述衬底迎向各激光器发射的激光和背向各激光器的激光的两侧均镀有抗反膜和高反膜，所述第二入射面和第二出射面处镀有抗反膜，各反射面处镀有高反膜。

为便于出射合束后的激光以及探测激光器的工作状态，所述封装结构还包括分光棱镜，经滤波器组件合束后的激光进入到分光棱镜中进行分束。

优选的，所述分光棱镜包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜呈平行四边形，所述第二棱镜呈梯形，所述第一棱镜的其中一侧和第二棱镜的作为梯形的腰一侧贴合在一起。

优选的，所述第一棱镜具有第三入射面、第三反射面、第四反射面和第三出射面，所述第三入射面和第三出射面相对，所述第三反射面和第四反射面相对，所述第四反射面和第二棱镜的腰一侧贴合；

所述第二棱镜具有与第四反射面相对的第五反射面，所述第二棱镜的下底构成第四出射面，其中第三入射面、第三出射面和第五反射面镀有抗反膜。

为避免光传输时发生串扰，所述封装结构还包括FP标准具，从第四出射面出射的光进入FP标准具；

所述封装结构还包括用于将FP标准具反射到分光棱镜中的光与各激光器隔离的隔离器。

为便于探测激光器的工作状态所述封装结构还包括用于探测从FP标准具而来的激光的光功率的第一探测器和第二探测器，所述第一探测器探测到的光功率电流用于波长锁定，所述第一探测器和第二探测器探测到的光功率电流之和用于光功率监测。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过将两个激光器分别设置在热沉基底上，采用滤波器进行合束，采用自由空间的合束方法，不仅可以使得两个激光器分开制作，而且降低了耦合难度，实现小尺寸的封装结构；通过设置隔离器，能够避免FP标准器反射回的激光回到激光器。

附图说明

图1为本发明实施例的封装结构的示意图；

图2为本发明实施例的封装结构的滤波器的示意图；

图3为本发明实施例的封装结构的滤波器的透射谱示意图；

图4为本发明实施例的封装结构的滤波器的分光棱镜的示意图；

图5为现有技术的波长可调谐激光器封装结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制，比如“上”、“下”并不一定被限定为与重力方向相反或一致的方向。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

参见图1，一种可调谐激光器的封装结构，包括第一激光器1和第二激光器2，其中，第一激光器1为C波段波长可调谐激光器，第二激光器2为L波段波长可调谐激光器，优选的，第一激光器1和第二激光器2为多通道干涉激光器。

第一激光器1和第二激光器2可以通过焊接的方式设置在热沉基底3上，在本实施例中，热沉基底3为氮化铝热沉。两个激光器可以焊接在同一热沉基底3上，也可以分别焊接在两个热沉基底3上(一个激光器对应一个热沉基底)。两个激光器之间设置有第一热敏电阻4，第一热敏电阻4用于监测两个激光器的工作温度。

热沉基底3下设置有热电制冷器(TEC)5，由此可以用来控制两个激光器的工作温度。封装结构还包括第一准直透镜61、第二准直透镜62和作为合束器的滤波器组件7。第一激光器1的输出光经过第一准直透镜61后进入滤波器组件7，第二激光器2的输出光经过第二准直透镜62后进入滤波器组件7。

参见图1～图3，滤波器组件7包括薄膜光学滤波器71和可透光的衬底72，衬底72可为玻璃块、玻璃陶瓷或硅片，薄膜光学滤波器71可通过粘接的方式固定在衬底72迎向各激光器发射的激光的一侧。衬底72优选的呈长方体，迎向各激光器发射的激光和背向各激光器的激光的两侧分别镀有不同的光学薄膜，如抗反(AR)膜73和高反(HR)膜74，每一侧均有抗反膜73和高反膜74，用于实现光的反射和透射。

参见图4，示出了薄膜光学滤波器71的透射谱，L波段的光可以实现接近100％的透射率，而C波段的光的透射率几乎为0。再参见图3，为了实现C波段和L波段的准直光合束，滤波器组件7(薄膜光学滤波器71和衬底72)迎向各激光器发射的激光(经过相应准直器后的准直光)的一侧与C波段入射光的光路(也可以是L波段入射光，在本实施例中以C波段入射光为例)之间不为互相垂直，而是滤波器组件7相对垂直方向旋转了一定角度，由此可使得C波段入射光进入滤波器组件7之后不会直接出射而是在滤波器组件7内反射而改变出射方向，进而与L波段入射光可以实现合束。如本实施例中，C波段入射光和滤波器组件7迎向各激光器发射的激光的一侧所成的夹角α为70°。

薄膜光学滤波器71具有迎向各激光器的激光一侧的第一入射面S21以及背向各激光器的激光一侧的第一出射面S22(该出射面与衬底72固定)。衬底72具有迎向各激光器的准直光一侧的第二入射面S11以及背向各激光器的准直光一侧的第二出射面S12，其中，第二入射面S11和第二出射面S12与镀有抗反膜73的位置对应。衬底72还具有与第一出射面S12相邻的第一反射面S13以及与第二入射面S11相邻的第二反射面S14，两个反射面均与镀有高反膜74的位置对应。

参见图3，薄膜光学滤波器71在L波段的透射率调整为100％，在C波段的透射率为0。L波段入射光以位于下方的虚线箭头所示，经过薄膜光学滤波器71的第一入射面S21入射，然后经过薄膜光学滤波器71的第一出射面S22和衬底72的第二出射面S12后水平射出。C波段入射光以位于上方的实线箭头所示，透过抗反膜73从衬底72的第二入射面S11入射到衬底72中，经过第一反射面S13、第二反射面S14和第一反射面S13的三次全反射后入射到薄膜光学滤波器71的第一出射面S22上(入射点与L波段入射光从薄膜光学滤波器71入射到衬底72中的为同一点)。由于薄膜光学滤波器在C波段范围的透射率为0，因此C波段的准直光全反射然后从衬底72的第二出射面S12水平输出。图中L波段的光和C波段的光在衬底72中错开，只是为了示意，并不意味着空间上分开，此时已完成合束。C波段的入射准直光也可以只经过第一反射面S13一次全反反射然后入射到薄膜光学滤波器71的第一出射面S22上。这样可能会需要衬底72的宽度增加，会增大封装结构的尺寸。如果交换C波段和L波段入射光的位置，需要将薄膜光学滤波器71在C波段的透射率调整为100％，在L波段的透射率调整为0。

再参见图1和图4，封装结构还包括隔离器8、分光棱镜9和第二热敏电阻10。经滤波器组件7合束后的激光经过隔离器8进入到分光棱镜9中。分光棱镜9包括第一棱镜91和第二棱镜92，其中，第一棱镜91呈平行四边形，第二棱镜92呈梯形，两个棱镜拼合在一起。优选的，第二棱镜92呈等腰梯形，第一棱镜91内角中的锐角β为45°，第二棱镜92的下底上的两个内角γ也为锐角，并且为45°。

第一棱镜91具有第三入射面S31、第三反射面S32、第四反射面S33和第三出射面S34，其中第三入射面S31和第三出射面S34相对，第三反射面S32和第四反射面S33相对，并且第四反射面S33与第二棱镜92的梯形的腰(第二棱镜92的该侧构成其入射面)贴合。第二棱镜92具有与第四反射面S33相对的第五反射面S35，第二棱镜92的下底构成第四出射面S36。其中第三入射面S31、第三出射面S34和第五反射面S35镀有抗反膜。

C波段和L波段的准直光(经过隔离器8输出的光，以位于下方的实线示出)从第一棱镜91的第三入射面S31入射，经第三反射面S32全反射后垂直向上入射到第四反射面S33，第四反射面S33将光束分为反射和透射两束光。优选地，反射光比例为98％，透射光比例为2％。98％的光经第四反射面S33反射后水平通过第三出射面S34出射，进入光纤。2％的透射光垂直向上进入第二棱镜92内，并且经过第二棱镜92的第五反射面S35全反射后，从其第四出射面S36出射。从第四出射面S36出射的透射光进入FP标准具11。FP标准具11会产生一定比例的反射光，如图中虚线所示。FP标准具11的反射光从第四出射面S36面入射，经过第五反射面S35全反射后垂直向下入射至第四反射面S33，然后98％的光反射水平从第四出射面S36出射。虽然FP标准具11的部分反射光会通过第四反射面S33透射，然后通过第三反射面S32全反射后，从第三入射面S31反射回激光器方向。但是光的比例只有2％*2％＝0.0004，隔离器8能够有效隔离该反射光进入激光器。

通过设置该分光棱镜9，实现了98％和2％的分束。主光路(98％)的光经过分光棱镜9后水平输出进入光纤，另外的2％的光经过FP标准具11后，透射光进入第一探测器(MPD1)101，反射光通过分光棱镜9进入第二探测器(MPD2)102。2％的光可以实现功率监测和波长锁定。第一探测器101探测到的光功率电流(IPD1)可以用于波长锁定。第一探测器101和第二探测器102探测到的光功率电流之和(IPD1+IPD2)则用于光功率监测。

Claims (10)

1.一种可调谐激光器的封装结构，包括热沉基底(3)，其特征在于：

所述封装结构还包括设置在热沉基底(3)上的第一激光器(1)和第二激光器(2)，所述第一激光器(1)为C波段波长可调谐激光器，所述第二激光器(2)为L波段波长可调谐激光器；所述第一激光器(1)和第二激光器(2)设置在热沉基底(3)上；

所述封装结构还包括能够将两个激光器的输出光进行合束的滤波器组件(7)，所述滤波器组件包括透光的衬底(72)和固定在衬底(72)上的薄膜光学滤波器(71)，所述衬底(72)和薄膜光学滤波器(71)设置成：使得所述第一激光器(1)和第二激光器(2)的其中一个发射的激光经过薄膜光学滤波器(71)后进入衬底(72)，所述第一激光器(1)和第二激光器(2)的另一个发射的激光进入衬底(72)后反射至衬底(72)设置薄膜光学滤波器(71)的位置，从而两个激光器的激光在衬底(72)内合束后出射。

2.根据权利要求1所述的可调谐激光器的封装结构，其特征在于：所述第一激光器(1)和第二激光器(2)的发射的激光光路与衬底(72)迎向激光的一侧不为垂直。

3.根据权利要求2所述的可调谐激光器的封装结构，其特征在于：所述薄膜光学滤波器(71)具有迎向各激光器的激光一侧的第一入射面(S21)以及背向各激光器的激光一侧的第一出射面(S22)，所述第一出射面(S22)与衬底(72)固定；

所述衬底(72)具有迎向各激光器发射的激光一侧的第二入射面(S11)、背向各激光器发射的激光一侧的第二出射面(S12)以及与第二出射面(S12)位于同一侧的第一反射面(S13)。

4.根据权利要求3所述的可调谐激光器的封装结构，其特征在于：所述衬底(72)还具有与第二入射面(S11)位于同一侧的第二反射面(S14)。

5.根据权利要求3或4所述的可调谐激光器的封装结构，其特征在于：所述衬底(72)迎向各激光器发射的激光和背向各激光器的激光的两侧均镀有抗反膜(73)和高反膜(74)，所述第二入射面(S11)和第二出射面(S12)处镀有抗反膜(73)，各反射面处镀有高反膜(74)。

6.根据权利要求1所述的可调谐激光器的封装结构，其特征在于：所述封装结构还包括分光棱镜(9)，经滤波器组件(7)合束后的激光进入到分光棱镜(9)中进行分束。

7.根据权利要求6所述的可调谐激光器的封装结构，其特征在于：所述分光棱镜(9)包括第一棱镜(91)和第二棱镜(92)，所述第一棱镜(91)呈平行四边形，所述第二棱镜(92)呈梯形，所述第一棱镜(91)的其中一侧和第二棱镜(92)的作为梯形的腰一侧贴合在一起。

8.根据权利要求7所述的可调谐激光器的封装结构，其特征在于：所述第一棱镜(91)具有第三入射面(S31)、第三反射面(S32)、第四反射面(S33)和第三出射面(S34)，所述第三入射面(S31)和第三出射面(S34)相对，所述第三反射面(S32)和第四反射面(S33)相对，所述第四反射面(S33)与第二棱镜(92)的腰一侧贴合；

所述第二棱镜(92)具有与第四反射面(S33)相对的第五反射面(S35)，所述第二棱镜(92)的下底构成第四出射面(S36)，其中第三入射面(S31)、第三出射面(S34)和第五反射面(S35)镀有抗反膜。

9.根据权利要求8所述的可调谐激光器的封装结构，其特征在于：所述封装结构还包括FP标准具(11)，从第四出射面(S36)出射的光进入FP标准具(11)；

所述封装结构还包括用于将FP标准具(11)反射到分光棱镜(9)中的光与各激光器隔离的隔离器(8)。

10.根据权利要求9所述的可调谐激光器的封装结构，其特征在于：所述封装结构还包括用于探测从FP标准具(11)而来的激光的光功率的第一探测器(101)和第二探测器(102)，所述第一探测器(101)探测到的光功率电流用于波长锁定，所述第一探测器(101)和第二探测器(102)探测到的光功率电流之和用于光功率监测。