CN202886656U - 适用活动光纤连接头的光纤耦合结构 - Google Patents
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Abstract
适用活动光纤连接头的光纤耦合结构，用于光纤输出的激光器，尤其是半导体激光器模块中。光纤连接头可以方便地从一端插入和拔出光纤连接头插座，插座另一端安装有透镜或透镜组，可以将激光模块内部经整形的激光束聚焦到活动光纤连接头的光纤端面上，实现光纤耦合。光纤连接头插座固定在一个表面有凹槽的支持座的凹槽中，支持座安装在激光器散热底板上。整个结构简单、调节方便，同时该结构有利于将大功率激光耦合时产生的热量通过凹形支持座散入底座，降低光纤连接头的温度，提高可靠性，同时减小耦合点受环境影响所产生的漂移，提高工作稳定性。
Description
技术领域
本实用新型应用于通过光纤耦合输出的激光器件，通过它可以将激光，尤其是半导体激光，耦合进可插拔更换的光纤，属于激光和应用光学领域。
背景技术
在实际应用当中，大多数通过光纤耦合输出的激光器件，特别是半导体激光模块，其输出光纤通过焊接或粘接与模块外壳固定，光纤不能够更换。当需要更换不同型号光纤而又无法熔接的时候，整个器件就无法使用。另外一种常见的情况是使用过程中光纤损坏，这种情况下要更换光纤也基本是不可能的，只能是整个激光器报废或返修。随着激光器性能的不断提高，尤其是半导体激光器性能的迅速提高，越来越多的高功率激光应用在医疗、材料加工等领域，在这些领域中，光纤的可更换性是一个重要的应用需求。
不少生产厂家设计并提供了使用可插拔更换的活动光纤连接头的光纤耦合激光器。常见的结构是在激光器外壳侧壁上开孔，安装一个连接头插座，调整它的位置并固定在外壳上，让光纤插针插入连接头插座之后，光纤插针端面正好位于壳体内部激光经过光束整形、聚焦后的焦点位置。200820180692.2号专利针对半导体激光器模块提出了一种将光纤连接头插座焊接在封装外壳上的开口管中的结构，将插座和透镜事先安装到一起，结构比较紧凑。随着激光功率越来大，内部光路越来越复杂，已有的这些将连接头插座固定在封装外壳侧壁上的方案凸显出两点不足。
第一，在工作时因为各种环境因素的变化，特别是散热条件的变化，会在外壳上产生应力导致形变，在这种情况下光纤耦合点的位置就会变化，不再保持在最高耦合效率点，导致耦合效率下降，而这种形变往往是不可预测的，结果就是输出功率的下降和不稳定。
第二，由于光纤耦合的效率不可能是百分之百，总会在耦合处有损失，这些损失的光将在连接头处的光纤中以包层模或泄漏模的形式耗散掉，产生热量。当激光器功率比较高时，这种热量会成为一个严重问题。由于连接头插座安装在管壁上，通常管壁不会很厚，有时还会采用低导热率的金属来实现焊接密封，因此从光纤插针到激光模块的散热部分，通常是底板，之间的导热通道非常狭窄，也就是说热阻非常大，这导致了光纤连接头产生的热量无法从连接头插座上有效地散掉，连接头插座的温度将会升得非常高，严重时会烧毁连接头和光纤，带来可靠性问题。
因此，需要设计一种更适合高功率激光应用的适用活动光纤连接头的光纤耦合结构。
发明内容
本实用新型提供了一种适用活动光纤连接头的光纤耦合结构。如图1所示。该结构由一个特制的光纤连接头插座1、透镜2和支持座3构成，用在激光模块的出光端，能够将模块内部经整形、准直后的激光束9高效耦合到光纤中。这个结构能够解决光纤耦合点位置变化以及在大功率条件下光纤连接头的散热问题。
光纤连接头插座1接受活动光纤连接头7插入和拔出的一端为外侧，另外一端为内侧，见图3。可以针对各种标准活动光纤连接头来设计其外侧光纤插入端的内孔和紧固结构，以做到良好的匹配，常见的有SMA905、SC、ST、FC等标准结构。也可以针对特殊的需求来设计能匹配非标准连接头的结构。具体来讲，光纤连接头插座外侧光纤插入端的内孔直径必须和相应的活动光纤连接头的插针外径为紧密配合，由于通常插针的圆柱形外表面和插针中心的光纤为同轴，所以插座内孔和光纤就能保证同轴。
光纤连接头插座1的内侧安装有透镜2。透镜2可以是球面、非球面透镜，也可以是自聚焦透镜，也可以是由这些透镜组合起来的透镜组。透镜或透镜组可以直接插入光纤连接头插座1内侧的内孔，即插座内侧的孔直径与透镜或透镜组的外径为密配合。当透镜或透镜组的直径比较大，无法直接安装在透镜座内侧孔内时，也可以用一个透镜座11，将透镜或透镜组安装在透镜座内，再将透镜座安装在插座内侧。具体结构见图3和图4。
安装好透镜的光纤连接头插座，它的外侧内孔与透镜为同轴。当活动光纤连接头的插针插入插座外侧内孔后，透镜与光纤就同轴了。当插针端面位于透镜的焦平面上，并且模块内部向插座内侧射来的经整形的激光束与透镜和光纤同轴时，就可以获得最高的耦合效率。
光纤连接头插针插入光纤连接头插座内的位置，必须满足插针端面位于透镜的焦平面位置的条件，可以采用一个限位环10来固定插针的位置。限位环10安装在外侧内孔中，它的一侧位于焦平面位置，插针只要顶紧限位环10，即可保证插针端面的位置也在透镜焦平面上。
支持座3为金属或经表面金属化的陶瓷材料制成，其下表面通过焊料或胶固定在散热底板5上，与底板具有良好的接触。支持座的上表面有凹槽，可以是V形、梯形、半圆形、矩形等形状，见图2所示。光纤连接头插座1通过焊接或胶粘的方式固定在支持座3上表面的凹槽中。若采用胶粘，必须选用高导热率的胶。连接头插座中产生的热量先后通过金属焊料或者高导热率的胶6、支持座3、有良好接触的支持座3与底板5的界面，传导到散热底板5上。这种方式，比通过管壁导热的方式，其导热通道更大，热阻更小，其结果就是在大功率激光耦合时，活动光纤连接头插针的温度大幅度降低，提高了连接头的寿命和可靠性。
这种方案也使光纤连接头插座的安装固定工艺更加简单可靠。相比200820180692.2号专利所采用的由开口管注入钎焊料的方式，本实用新型所述方案中采用的是带有凹槽的支持座，其上方是开放结构，当光纤连接头插座的位置固定好之后，注入钎焊料或者胶的时候，焊料或者胶使用量更少，而且更容易流满凹槽，获得无空隙的焊接或胶粘的结果，使导热效果最佳，而且没有空隙导致的不平衡的应力。
通常情况下，光纤输出激光模块的光学系统和激光器都固定在散热底板上，本实用新型方案的支持座3可以与模块内其他元件一样固定在散热底板上而不是外壳的壁上，能够更加有效地避免由于环境变化导致的外壳变形引起的耦合点漂移，因此用这种方案制作的激光器模块，其输出功率更加稳定。
附图说明
图1为本实用新型的典型结构图，图中画出了激光模块的光纤耦合的核心部分，透镜2直接安装在光纤连接头插座1的一端。
图2为几种不同凹槽形状的支持座3的外形。
图3为剖视图，透镜2直接插在光纤连接头插座1的内侧端，活动光纤连接头7的插针插入到位，并且由限位环10固定插针的位置，成为一个插座-光纤组件。
图4为剖视图，透镜2安装在透镜座11上，透镜座11再安装在光纤连接头插座1的内侧端，活动光纤连接头7的插针插入到位，并且由限位环10固定插针的位置，成为一个插座-光纤组件。
具体实施方式
图1为一个实施例，它只显示了激光模块的耦合输出部分。安装的过程如下。
先将透镜2直接安装到光纤连接头插座1的内侧，再将一个限位环10安装到位并用胶固定，再将连接了光纤8的活动光纤连接头7从插座1的外侧插入，顶紧限位环10，成为一个如图3所示的插座-光纤组件。光纤连接头插座1外侧孔的直径和活动光纤连接头7的插针外径紧密配合，安装透镜2的内侧孔必须和外侧孔同轴，以保证活动光纤连接头7的光纤插针与透镜同轴。
当然，可以将插座1的长度设计成为当活动光纤连接头的插针部分完全插入内孔后，其端面正好位于透镜焦平面上，这样的话，也可以不需要限位环10。但问题是实际使用当中，由于制作加工原因，光纤插针的长度并不能保证固定一致，所以如果不用限位环，插针端面的位置就会偏离透镜焦平面，从而降低耦合效率，整个器件的稳定性也会产生不良影响。
将上表面为V形槽的、表面镀金的金属或陶瓷支持座3，用钎焊料或者胶固定到激光模块的散热底板5上。模块内部经过整形后的光束9对准模块外壳侧壁4上的开孔12，这个开孔12的直径要大于插座插入壳体部分的外径并留出足够的调整空间。将上述插座-光纤组件从孔12中部分插入激光模块内部，位于支持座3的V槽之上。
将插座-光纤组件连接一个多维调节装置，调整它的位置、角度，使光束9的能量耦合进光纤8中，并得到最高的耦合效率，这时插座1的位置即为最佳位置。将焊锡融化后顺支持座3的V槽和插座1之间的缝隙灌入，注意两侧焊锡注入均匀，形成密实填充V槽、内部无空泡的焊点6。如果支持座3使用焊锡固定到底座5上，那么要注意在焊接插座1的时候时间要足够短、温度也不能太高，以避免支持座3下方的焊锡融化导致位置变化。焊接完毕后，拆掉调节装置，用胶填满外壳侧壁4上开孔12和光纤连接头插座1之间的空隙以达到密封的目的，再拔出活动光纤连接头7，整个安装步骤即告完成。
如果根据激光束和光纤的特点，设计选用的耦合透镜2直径比较大，则可以采用另外一种方法安装透镜，如图4所示。采用一个透镜座11，先将透镜2安装到透镜座11粗的一端，透镜座的另外一端可以插进光纤连接头插座1的内侧孔中。透镜座需要精密加工，以保证将其插入插座1的内侧孔后，透镜2与插座1外侧的内孔同轴，也就是与插入的活动光纤连接头7的插针和光纤同轴。
Claims (6)
1.适用活动光纤连接头的光纤耦合结构，由光纤连接头插座、透镜、支持座构成，其特征为：该插座外侧与活动光纤连接头匹配，内侧安装有透镜，光纤连接头插座固定在支持座上。
2.根据权利要求1所述的适用活动光纤连接头的光纤耦合结构，其特征为：支持座为金属或陶瓷材料制成，固定在底板上并与底板有良好的接触，支持座上表面有下凹的槽，可以是V形、梯形、半圆形、矩形；光纤连接头插座位于支持座凹槽中，用金属焊料或胶固定。
3.根据权利要求1所述的适用活动光纤连接头的光纤耦合结构，其特征为：所述的光纤连接头插座的内孔和紧固结构，可以与SMA905、SC、ST、FC型标准活动光纤连接头中的任意一种相匹配。
4.根据权利要求1所述的适用活动光纤连接头的光纤耦合结构，其特征为：透镜为球面、非球面或自聚焦透镜，或这些透镜的组合；透镜直接插入光纤连接头插座内侧的内孔固定，或透镜先安装在一个透镜座上，透镜座再安装到光纤连接头插座内侧。
5.根据权利要求1或4所述的适用活动光纤连接头的光纤耦合结构，其特征为：透镜与光纤连接头插座外侧的内孔同轴，活动光纤连接头插针插入光纤连接头插座后，插针端面位于透镜的焦平面上，透镜、光纤与经整形后射到光纤连接头插座内侧的激光束同轴。
6.根据权利要求5所述的适用活动光纤连接头的光纤耦合结构，其特征为：光纤连接头插针插入光纤连接头插座内的位置可以用一个限位环来固定。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20130417 |
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| CX01 | Expiry of patent term | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Zhu Xiaopeng Document name: Notice of Patent Expiration and Termination |
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| DD01 | Delivery of document by public notice |