CN1514264A - 光纤耦合系统及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤耦合系统，包括：一具有预定面积的衬底；一激光束发射单元，附着在所述衬底的一侧，并且发射激光束；一第一精密透镜，插入地固定于形成在所述衬底上的一第一安装槽中，并且聚焦或者校准从所述激光束发射单元中发射出的垂直激光束；第二精密透镜，突出地形成在所述衬底上，并且聚焦或者校准从所述激光束发射单元中发射出的水平激光束；和一激光束输出单元，插入地固定于形成在所述衬底上的第二安装槽中，并且输出经由所述第一和第二精密透镜聚焦或者校准的激光束。光学系统的排列错误被降低，激光束聚焦程度被提高。另外，该光纤耦合系统可以被制造得更小型紧凑并且可用于大量生产。

Description

光纤耦合系统及其制造方法

技术领域

本发明涉及到光纤耦合系统，尤其是一种能够最小化激光束损失并且适于大量生产的小型尺寸的光纤耦合系统，以及它的制造方法。

背景技术

近些年，伴随着对高输出激光的需求增长以及新的应用领域的延伸，对于高输出半导体激光的研究正在活跃地进行之中。

应用领域被延伸到使用激光的显示器，诸如CD-RW或者DVD-RAM，光记录媒体，或者大屏幕投影机，激光无线通信，使用激光的材料加工(与半导体相关的焊接、裁切和精密加工等)，光放大器和用于医疗或军事用途的抽运光源。

对于固态激光的抽运光源、材料加工和医用激光的情况，超过几个瓦特级的高激光输出是必须的。特别是，固态激光的抽运是高输出二极管激光器的关键的并且重要的应用领域。

一种用于获得这种高激光输出的方法是将高输出激光二极管形成阵列形式来使用。在这种方法中，为了提高激光二极管阵列的功效，从激光二极管阵列发出的几个激光束被耦合到对应于每一激光二极管的各个光纤上，并且该光纤阵列被捆绑用来作为抽运的光源，藉此从激光二极管阵列发出的激光束就能够获得高激光输出。

根据应用，这可以被用作光纤耦合系统，并且该光纤耦合系统包括：一具有恰当的数字孔径(NA)和芯直径的光纤阵列；和一个用于校准二极管阵列激光束的折射光学透镜。

现有的包含折射光学透镜的光纤耦合系统是一种设计为多模高输出二极管激光器的激光束形式的设备。为了减小激光源的辐射并且耦合光纤，现有的光纤耦合系统需要一个复杂的三维形状的透镜结构和一个高性能的光学系统。

从激光二极管辐射出的光散射角根据激光二极管的结构来确定。在高输出激光二极管的情况下，通常，光散射角在垂直方向上是在大约32～44的范围内，而在水平方向上是在大约8～12的范围内。这是因为半导体激光振荡区的横截面的尺寸也就几个微米(μm)，即小到由于衍射效应使得输出的光被辐射到一个宽的范围。

此时，输出光具有不同的水平和垂直角度，在水平模式的总体分布是椭圆形。

为了减小因这种光散射角的不平衡造成入射在输出端子光纤上的激光束损失，最好减小激光束的散射角。在这种情况下，通过耦合利用为每一散射方向提供相应的聚焦性能的预定的透镜的光学系统，光散射角可以被减小从而获得输出端子光纤的高功效。

至于激光二极管和输出端子光纤之间的光学连接，由于在水平和垂直方向上光散射角度不同，所以需要两个透镜表面。

图1和2所示为常规技术的使用三维形状透镜的耦合光学系统中，根据普通激光二极管在水平和垂直方向上光散射角度的不同，从镜头到输出端子光纤的电子束路径。

参照图1，透镜R1用于在水平方向上校准激光二极管辐射出的具有宽的光散射角度的激光束。并且参照图2，透镜R2在侧向上聚焦激光二极管10辐射出的激光束，并使它入射在输出端子光纤20的芯或者波导管上。

通过使用三维透镜，该光纤耦合系统转换激光二极管辐射出的激光束的形态。结果，具有高数字孔径的透镜R1将具有宽的光散射角度的轴校准，同时二维透镜R2将扩张光源投影到激光二极管的具有较小的光散射角度的轴。

在输出端子光纤的进口部分，光纤的激光束形成功能形成一个几乎为圆形的点，并且能被用于抽运激光模式。结构的功效取决于二极管激光器、光纤和光学系统。

为了使光纤耦合系统具有最大的性能，激光散射角度要求尽可能的小同时光纤的孔径要求大，并且光学系统的透镜应该按照尺寸精确地进行排列。进入光纤的具有小角度的光被从芯覆层界面完全地、内在地反射，而此时，完全反射的光的一部分被吸收，造成输出降低。

因此，光纤耦合光学系统需要被设计成可实现最大的耦合效率，而且包括光纤的光源需要被优化。起到校准作用的透镜减小激光二极管辐射出的激光束的散射角，并且经校准的激光束的直径越小，在固态激光媒介上的激光抽运就越容易，它使得光学设备的数量减少而抽运的能量密度增加。

对于通过光学连接到高输出激光二极管阵列而使用的光纤，它的数字孔径是0.16～0.39，并且它的芯尺寸是100～600μm。特别是，具有小数字孔径的光纤的发射光的激光二极管主要被用于医疗、固态激光抽运。通过铸模由玻璃制成的透镜并且复制它，有此用途的耦合光学系统被制造成产品。

在这些方法中，高价的透镜被对准并接触激光二极管，在穿过几个透镜之后，穿透镜而出的已校准激光束被聚焦在光纤上或者被分别聚焦在以规则的间隔放置的光纤阵列上，从而获得高输出激光束。

然而，两种方法使用具有复杂的三维形状的高价透镜或者一系列透镜阵列，而在这方面，因为三维透镜是使用精密工艺的高价金属铸模以注入的形式来制造，所以有利于大量生产。但是金属铸模的制造却很困难并且昂贵，另外，由于透镜的最小尺寸受限于处理金属铸模的透镜弯曲表面的工具的最小尺寸，因此很难使耦合光学系统制造得非常小(小巧)。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种能够最小化激光束损失、小型的并且适于大量生产的光纤耦合系统及其它的制造方法。

为了获得这些和其它的优点并且遵从本发明的目的，如这里所提供的被具体实例化的并被广泛说明的一种光纤耦合系统，包括：一具有预定面积的衬底110；一激光束发射单元120，附着在衬底110的一侧，并且发射激光束；一第一精密透镜130，插入地固定于形成在衬底110上的第一安装槽111中，并且聚焦或者校准从激光束发射单元120中发射出的垂直激光束；第二精密透镜140，突出地形成在衬底110上，并且聚焦或者校准从激光束发射单元120中发射出的水平激光束；和一激光束输出单元150，插入地固定于形成在衬底110上的第二安装槽112中，并且输出经由所述第一和第二精密透镜聚焦或者校准的激光束。

为了获得上述目的，还提供有一种用于制造光纤耦合系统的方法，包括：在一具有预定面积的衬底110上形成具有预定形状的安装槽；在衬底110上涂覆一层具有预定厚度的厚膜光敏剂，并通过照相平版印刷术形成用于聚焦或者校准水平激光束的第二精密透镜；在衬底110的安装槽中固定用于聚焦或者校准垂直激光束的第一精密透镜和用于抽运激光束的输出端子光纤；和在衬底110上排列和固定激光二极管。

当结合附图去看说明书中下面的详细说明时，本发明的上述和其它目的、特征、实例和优点将会变得更加明晰。

附图说明

为便于进一步理解本发明而被包含进来并且被引用以及构成说明书一部分的附图，图示本发明的实施例并且和说明书一起来解释本发明的原理。

在附图中：

图1和2所示为按照常规技术的使用三维形状透镜的耦合光学系统的平面视图；

图3所示为按照本发明的一个实施例的光纤耦合系统的透视图；

图4和5所示为该光纤耦合系统的平面视图和主视图；

图6所示为按照本发明的另一实施例的光纤耦合系统的透视图；

图7和8所示为该光纤耦合系统的平面视图和主视图；和

图9A到9D是顺序显示制造该光纤耦合系统的一种方法的主视图。

具体实施方式

下面将参照附图中所示的例子对本发明的优选实施例进行详细说明。

图3所示为按照本发明的一个实施例的光纤耦合系统的透视图，而图4和5所示为该光纤耦合系统的平面视图和主视图。

如图所示，按照本发明的一个实施例的光纤耦合系统包括：一具有预定面积的衬底110；一激光束发射单元120，附着在衬底110的一侧，并且发射激光束；一第一精密透镜130，插入地固定于形成在衬底110上的第一安装槽111中，并且聚焦或者校准从激光束发射单元120中发射出的垂直激光束；一第二精密透镜140，突出地形成在衬底110上，并且聚焦或者校准从激光束发射单元120中发射出的水平激光束；和一激光束输出单元150，插入地固定于形成在衬底110上的第二安装槽112中，并且输出经由所述第一和第二精密透镜聚焦或者校准的激光束。

第一精密透镜130和第二精密透镜140被放置在激光束发射单元120和激光束输出单元150之间，并且第一精密透镜130被放置在激光束发射单元120一侧，而第二精密透镜140被放置在激光束输出单元150一侧。

衬底110形成有一预定的厚度并且具有一方形的面积。衬底110是一个硅衬底。一第一安装槽111形成在衬底110的一侧，并且一第二安装槽112形成在衬底110的另一侧。该第一和第二安装槽111和112具有一预定的长度并且其截面为一倒三角形。

第一安装槽111被形成为垂直于衬底110的纵向，而第二安装槽112被形成在第一安装槽111的垂直方向，也就是，在衬底110的纵向。多个第二安装槽112形成规则的间隔。

第二精密透镜140是具有预定厚度和形状的二维盘形透镜141。也就是，盘形透镜141是具有预定厚度的矩形并且一侧面形成为半圆形。该半圆形侧面被置于衬底110的纵向上。

第二精密透镜140以规则的间隔排列于衬底110的上表面，突出形成在衬底110的上表面，挨着第一安装槽111平行放置。

激光束输出单元150包括多个与盘形透镜141处于同一条直线上的输出端子光纤151。形成的第二安装槽112与输出端子光纤151的数目一样多，输出端子光纤151的数目与第二精密透镜140的数目一样多。

多个输出端子光纤151可以被排列，从而被折叠成双股或多股。

第一精密透镜130是具有一预定长度和直径的圆柱形，它被插进衬底110的第一安装槽111中并由粘合剂固定。

激光束发射单元120包括多个激光二极管121。激光二极管121被排成与第一精密透镜130平行的一行，并由粘合剂固定。

现在，对所述光纤耦合系统的工作原理进行说明。

首先，作为激光束发射单元的激光二极管阵列121发射激光束。该激光束是具有不同水平和垂直散射角度的椭圆形发射的激光束，它通过圆柱形透镜，即第一精密透镜130。第一精密透镜130把具有宽散射角的垂直激光束聚焦成一个点状。该聚焦后的激光束通过第二精密透镜140，也就是，二维透镜，并且被分别聚焦到输出端子光纤151。第二精密透镜140用于校准水平激光束并将该校准后的激光束聚焦到输出端子光纤151。聚焦到输出端子光纤151的激光束的角度通过调整第二精密透镜140的透镜曲率来控制。

通过输出端子光纤151，激光束被收集，从而被用作固态激光的高输出抽运源。

如上所述的光纤耦合系统具有的结构可以提高激光束的聚焦程度并且最小化整体光学系统的排列错误。

另外，该光纤耦合系统的衬底110和第二精密透镜140可以通过应用了平版印刷技术和显微机械加工技术的MEMS(微电版机械系统)技术来制造。从而使光纤耦合系统可以小型化并且可以通过结构化的大量生产来制造。

图6所示为按照本发明的另一实施例的光纤耦合系统的透视图，而图7和8所示为该光纤耦合系统的平面视图和主视图。

相同的参考编号被指定给与前述实施例的光纤耦合系统中相同的元件。

如图所示，按照本发明的另一实施例的光纤耦合系统包括：一具有预定面积的衬底110；一激光束发射单元120，附着在衬底110的一侧，并且发射激光束；一第一精密透镜130，插入地固定于形成在衬底110上的第一安装槽111中，并且聚焦或者校准从激光束发射单元120中发射出的垂直激光束；一第二精密透镜140，突出地形成在衬底110上，并且聚焦或者校准从激光束发射单元120中发射出的水平激光束；和一激光束输出单元150，插入地固定于形成在衬底110上的第二安装槽112中，并且输出经由所述第一和第二精密透镜聚焦或者校准的激光束。

激光束发射单元120和固定于衬底110的第一安装槽的第一精密透镜130具有和前述本发明的实施例的光纤耦合系统的那些元件相同的结构。

第二精密透镜140包括：具有预定厚度和形状的二维盘形透镜141；和一个具有预定厚度和椭圆形状的聚焦透镜142。

二维盘形透镜141是具有预定厚度的矩形并且其一侧面呈半圆形，该半圆形侧面被置于衬底110的纵向上。

盘形透镜141按预定间隔排列在衬底110的上表面，突出地形成在衬底110的上表面，并且挨着第一安装槽111平行放置。

聚焦透镜142形成有两个具有预定曲率的圆曲面，并且圆曲面的长度对应于盘形透镜141的总长度。聚焦透镜142被放置在相邻并平行于盘形透镜141行列的位置，并且突出在衬底110之上。

激光束输出单元150是和聚焦透镜142保持预定距离放置的一个输出端子光纤151。通过粘合剂，输出端子光纤151被固定接合到第二安装槽112。

内装有输出端子光纤151的第二安装槽112具有一预定长度并且其截面为倒三角形。第二安装槽112被形成在衬底110的纵向上并位于聚焦透镜142的中心线上。

现在对如上所述结构的光纤耦合系统的工作原理进行说明。

首先，激光二极管阵列121，也就是，激光二极管发射单元120发射激光束。该激光束是具有不同水平和垂直散射角度的椭圆形发射的激光束，它通过圆柱形透镜，第一精密透镜130。第一精密透镜130把具有宽散射角的垂直激光束聚焦成一个点状。该聚焦后的激光束通过第二精密透镜140，也就是，盘形透镜141和聚焦透镜142，并且被分别聚焦到输出端子光纤151。

盘形透镜141用于校准水平激光束并且经盘形透镜141分别校准后的激光束被聚焦成为一个激光束到达输出端子光纤151。被聚焦到输出端子光纤151的激光束的角度通过调整第二精密透镜140的透镜曲率来控制。

如上所述的光纤耦合系统具有的结构可以提高激光束的聚焦程度并且最小化整体光学系统的排列错误。

另外，衬底110、盘形透镜141，即第二精密透镜140和聚焦透镜142构成的光纤耦合系统可以通过应用了平版印刷技术和显微机械加工技术的MEMS(微电版机械系统)技术来制造。从而使光纤耦合系统可以小型化并且可以通过结构化的大量生产来制造。

图9A到9D是顺序显示制造该光纤耦合系统的一种方法的主视图。

如图所示，一种制造光纤耦合系统的方法包括：在一具有预定厚度和面积的衬底110上形成具有预定形状的安装槽111和112；在衬底110上涂覆一层具有预定厚度的厚膜光敏剂，并且通过照相平版印刷术形成用于聚焦或者校准水平激光束的第二精密透镜140；在衬底110的安装槽111和112中固定用于聚焦或者校准垂直激光束的第一精密透镜和用于抽运激光束的输出端子光纤151；和在衬底110上排列和固定激光二极管121。

如图9A中所示，衬底110如此形成：具有晶体取向的硅片经过清洁处理，然后通过照相平版印刷术形成安装槽的蚀刻面具的图案。

安装槽被分别形成为沟状。通过使用诸如KOH的化学蚀刻溶液的各向异性湿蚀刻法，而后再通过使用诸如硅深度反应离子蚀刻(RIE)的干蚀刻法进行精密处理，安装槽被形成为沟状。

安装槽111和112的深度依据安装在其中的透镜的外直径和长度以及输出端子光纤151的外直径来确定。

第二精密透镜140如此制作：在硅衬底110上涂覆一层具有一预定厚度的诸如SU-8等的厚膜光敏剂，并且在其上进行照相平版印刷术处理。

如图9B中所示，第二精密透镜140包括：具有预定高度并且其截面呈三个平面和一个曲面的盘形透镜141；和一个具有预定高度并且为椭圆形的聚焦透镜142。盘形透镜141和聚焦透镜142是具有相同高度的二维透镜，并且彼此相邻放置。盘形透镜141被形成一排。

在一个不同的实施例中，第二精密透镜140可以由具有预定高度并且其截面呈三个平面和一个曲面的盘形透镜141的组成。该盘形透镜141是具有相同高度的二维透镜并且被排成一行。

第二精密透镜140可以被制成各种形状。

第二精密透镜140通过一次照相平版印刷术制成，并且透镜的排列通过照相平版印刷术处理自动完成。

形成第二精密透镜140之后，如图9C中所示，抗反射涂层(L)被形成在第二精密透镜140上。该抗反射涂层(L)通过诸如溅射处理工艺或者蒸发处理工艺的薄膜沉积法来完整形成。

然后，如图9D中所示，第一精密透镜130和光纤151被分别放置在安装槽111和112中，并且通过使用紫外线硬化树脂粘合剂或者热硬化粘合剂来排列和固定。第一精密透镜130是一个具有预定长度和外直径的圆柱形透镜。通过捡起和放置(pick-and-place)方法，第一精密透镜130和输出端子光纤151被分别放置在安装槽中。

通过使用硅衬底显微机械加工处理工艺和焊接固定技术，激光二极管121被排列和固定到硅衬底110上。另外，在这种情况下，为了在操作中快速释放激光二极管121中产生的热量，具有高导热性的由Cu等制成的中间层可以被插入到衬底110的安装激光二极管的部分。

在该制造光纤耦合系统的方法中，将从激光二极管阵列发出的激光束聚焦到一个输出端子光纤151的耦合光学系统是使用平版印刷技术和显微机械加工技术的集成，从而使光学系统的排列错误可以被降低并且使激光束聚焦程度可以被提高。另外，光纤耦合系统可以被制造得更小型化，组装处理的数量可以被减少，并且可以进行规模生产。

按照到目前为止所做的说明，本发明的光纤耦合系统及其制造方法具有下列优点。

即，因为光学系统的排列错误被降低并且激光束聚焦程度被提高，所以激光束损耗可以被减少并且输出端子光纤151的功效可以得到改善。

另外，因为组装处理的数量被减少并且高统一规格的规模生产可行，所以制造成本可以被相当大的降低。

此外，因为光纤耦合系统被制造得比较小巧，所以它的应用范围可以被延伸。

在不脱离本发明的精神或者实质特征的前提下，本发明可以被具体化为几种形式。同时应该理解，除非另外说明，上述实施例不受任何前述细节的限制，而应该在所附权利要求书中定义的它的精神和范围内进行广义地解释，因此凡是落入该权利要求的界线或者这些界线的等价物内的所有的变化和修改都被所附权利要求包含在内。

Claims (20)

1、一种光纤耦合系统，包括：

一具有预定厚度和面积的衬底；

一激光束发射单元，附着在所述衬底的一侧，并且发射激光束；

一第一精密透镜，插入地固定于形成在所述衬底上的一第一安装槽中，并且聚焦或者校准从所述激光束发射单元中发射出的垂直激光束；

第二精密透镜，突出地形成在所述衬底上，并且聚焦或者校准从所述激光束发射单元中发射出的水平激光束；和

一激光束输出单元，插入地固定于形成在所述衬底上的第二安装槽中，并且输出经由所述第一和第二精密透镜聚焦或者校准的激光束。

2、权利要求1的系统，其特征在于，所述第一精密透镜和所述第二精密透镜被放置在所述激光束发射单元和所述激光束输出单元之间，也就是，所述第一精密透镜被放置在所述激光束发射单元一侧，而所述第二精密透镜被放置在所述激光束输出单元一侧。

3、权利要求1的系统，其特征在于，所述衬底是硅衬底。

4、权利要求1的系统，其特征在于，所述第一安装槽具有一预定的长度并且其截面为倒三角形。

5、权利要求1的系统，其特征在于，所述第一精密透镜是具有一预定长度和外直径的圆柱形。

6、权利要求1的系统，其特征在于，所述激光束发射单元是指多个排成一行的激光二极管。

7、权利要求1的系统，其特征在于，所述第二精密透镜是具有一预定厚度和形状的二维盘形透镜，并且所述激光束输出单元包括多个与所述盘形透镜分别处于同一高度上的输出端子光纤。

8、权利要求7的系统，其特征在于，所述盘形透镜包括在激光束前进方向上的平面表面部分和半圆表面部分。

9、权利要求7的系统，其特征在于，内装有所述输出端子光纤的第二安装槽具有一预定的长度并且其截面为倒三角形。

10、权利要求7的系统，其特征在于，所述多个输出端子光纤被排列，从而可被叠成双股。

11、权利要求7的系统，其特征在于，所述多个输出端子光纤被排列，从而可被叠成多于双股。

12、权利要求1的系统，其特征在于，所述第二精密透镜包括具有预定厚度和形状的二维盘形透镜和一个具有预定厚度和椭圆形状的聚焦透镜，并且所述激光束输出单元是一个与所述聚焦透镜保持预定距离放置的输出端子光纤。

13、权利要求12的系统，其特征在于，内装有所述输出端子光纤的所述第二安装槽具有一预定的长度并且其截面为倒三角形。

14、权利要求12的系统，其特征在于，所述盘形透镜包括在激光束前进方向上的平面表面部分和半圆表面部分。

15、一种制造光纤耦合系统的方法，包括：

在一具有预定厚度和面积的衬底上形成具有预定形状的安装槽；

在衬底上涂覆一层具有预定厚度的厚膜光敏剂，并且通过照相平版印刷术形成用于聚焦或者校准水平激光束的第二精密透镜；

在衬底的安装槽中固定一个用于聚焦或者校准垂直激光束的第一精密透镜和一个用于抽运激光束的输出端子光纤；和

在衬底上排列和固定激光二极管。

16、权利要求15的方法，进一步还包括：

在第二精密透镜被形成之后，在该第二精密透镜上形成一抗反射涂层。

17、权利要求15的方法，其特征在于，所述安装槽为沟形。

18、权利要求15的方法，其特征在于，所述第二精密透镜包括：具有一预定高度、一个平面表面和一个弯曲表面的二维盘形透镜；和一个具有一预定厚度和椭圆形的聚焦透镜。

19、权利要求15的方法，其特征在于，所述第二精密透镜是具有一预定厚度和形状的二维盘形透镜，其中的每一透镜都具有一个平面表面和一个弯曲表面。

20、权利要求15的方法，其特征在于，所述第一精密透镜和所述第二精密透镜被放置在所述激光二极管和所述输出端子光纤之间，并且所述第一精密透镜被放置在所述激光二极管一侧，而所述第二精密透镜被放置在所述输出端子光纤一侧。

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