CN209401975U - 一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构 - Google Patents

Abstract

一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构，涉及半导体激光器领域，解决了现有光纤固定结构存在的极易引起位置失调导致光学器件无法显示所需特性、可靠性降低的问题。该光纤固定结构包括基板；四个基板侧壁；基板上的底座和光纤座；底座上的半导体激光装置；基板侧壁外部的光纤支架；面向半导体激光装置发射端面设置光纤，光纤一端穿过此基板侧壁的通孔和光纤支架的通孔并通过光纤支架固定；覆盖材料覆盖住光纤一端即穿过基板侧壁的通孔和光纤支架的通孔并通过光纤支架固定的那一端的外圆周并沿着光纤延伸至光纤座上方；树脂覆盖光纤座的上表面以及光纤座至少一个侧面的至少一部分，光纤和覆盖材料均通过树脂固定在光纤座上。

Description

一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构

技术领域

本实用新型涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构。

背景技术

在半导体激光器等光学器件中，为了提高光学器件的功能部件(如LD芯片)与光纤的纤芯之间的光学耦合率，需要高精度地对齐光学器件的功能部件和光纤的纤芯，并保持光学器件的功能部件与光纤的纤芯之间的位置关系。如果这种位置关系被破坏，引起位置失调，则光学器件无法显示所需的特性，从而导致产品缺陷，可靠性大幅度降低。

实用新型内容

为了解决现有光纤固定结构存在的极易引起位置失调导致光学器件无法显示所需特性、可靠性降低的问题，本实用新型提供一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构。

本实用新型为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本实用新型的一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构，包括：基板、分别固定在基板四个侧面上的四个基板侧壁、围绕四个基板侧壁设置的封装外壳、安装在封装外壳上端的盖子，基板侧壁上带有通孔，还包括：

设置在基板上的底座；

安装在底座上的半导体激光装置；

设置在基板上的光纤座；

固定在一个基板侧壁外部的光纤支架；

面向半导体激光装置发射端面设置且位于光纤座上方的光纤，所述光纤一端穿过此基板侧壁的通孔和光纤支架的通孔并通过光纤支架固定；

覆盖材料，覆盖住光纤一端即穿过基板侧壁的通孔和光纤支架的通孔并通过光纤支架固定的那一端的外圆周并沿着光纤延伸至光纤座上方；

树脂，覆盖光纤座的上表面以及光纤座至少一个侧面的至少一部分，所述光纤和覆盖材料均通过树脂固定在光纤座上。

进一步的，所述光纤座包括四个侧表面，分别为第一侧表面、第二侧表面、第三侧表面、第四侧表面，所述第一侧表面与第二侧表面相对设置，所述第三侧表面与第四侧表面相对设置；所述第一侧表面与第二侧表面均垂直于光纤的光轴，所述第三侧表面与第四侧表面均平行于光纤的光轴。

进一步的，所述树脂包括第一层树脂和第二层树脂，所述第一层树脂施加在光纤座的上表面的范围内，使得光纤和覆盖材料的一部分均位于第一层树脂内部；所述第二层树脂施加到第一层树脂上，使得光纤和覆盖材料的一部分均位于第二层树脂内部，此时，第二层树脂覆盖第一层树脂和光纤座的第一侧表面、第二侧表面、第三侧表面、第四侧表面。

进一步的，所述第二层树脂覆盖的范围为：第一侧表面的一部分、第二侧表面的一部分、第三侧表面的一部分、第四侧表面的一部分、第一侧表面全部、第二侧表面全部、第三侧表面全部、第四侧表面全部中的一种或多种情况。

进一步的，所述基板的制作材料与底座的制作材料的线膨胀系数相匹配。

进一步的，所述半导体激光装置选用具有几瓦到20瓦大功率的激光二极管。

进一步的，所述光纤选用玻璃光纤。

进一步的，所述树脂选用UV固化树脂或热固性树脂。

进一步的，所述光纤座选用W、Mo或ALN。

进一步的，所述树脂不覆盖靠近半导体激光装置的光纤的端面或半导体激光装置的发射端面。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供一种结构简单、可靠性高的光纤固定结构，通过用树脂牢固地固定光纤，能够有效地防止树脂脱落，提高光纤固定结构的可靠性。采用树脂覆盖光纤座的上表面以及光纤座至少一个侧面的至少一部分，光纤和覆盖材料均通过树脂固定在光纤座上，即使在光纤上施加诸如拉伸之类的应力，树脂也被夹在突起的侧面。因此，可以获得一种高可靠性的光纤固定结构，其中树脂不可能脱落。此外，如果树脂脱落，由于树脂被夹在凸起的侧面，光纤的位置失调几乎不会发生。

附图说明

图1为本实用新型的光纤固定结构的主视图。

图2为图1所示本实用新型的光纤固定结构的俯视图(省略基板)。

图3为本实用新型的光纤固定结构的结构示意图(树脂覆盖光纤座的第一侧表面42A和第二侧表面42B的一部分)。

图4为本实用新型的光纤固定结构的结构示意图(树脂覆盖光纤座的第三侧表面43A和第四侧表面43B的一部分)。

图中：11、基板，11A、基板上表面，12、基板侧壁，21、底座，22、半导体激光装置，30、光纤，31、覆盖材料，35、光纤支架，40、光纤座，41、光纤座上表面，42A、第一侧表面，42B、第二侧表面，43A、第三侧表面，43B、第一侧表面，50、树脂，50A、第一层树脂，50B、第二层树脂。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1至图4所示，本实用新型的一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构主要包括：基板11、基板上表面11A、四个基板侧壁12、底座21、半导体激光装置22、光纤30、覆盖材料31、光纤支架35、光纤座40、树脂50、封装外壳、盖子。

四个基板侧壁12分别固定在基板11的四个侧面上。四个基板侧壁12上带有通孔。封装外壳围绕基板11的四个基板侧壁12设置(图中仅示出了一个基板侧壁12的一部分)。盖子(图中未示出)安装在封装外壳上端。

光纤座40设置在基板11上。具体的是光纤座40可以通过焊料固定在基板11的基板上表面11A上。光纤座40包括四个侧表面和一个上表面，分别为第一侧表面42A、第二侧表面42B、第三侧表面43A、第四侧表面43B和光纤座上表面41，其中的第一侧表面42A与第二侧表面42B相对设置，第三侧表面43A与第四侧表面43B相对设置。第一侧表面42A与第二侧表面42B均垂直于光纤30的光轴；第三侧表面43A与第四侧表面43B均平行于光纤30的光轴，如图2至图4所示。

光纤支架35固定在基板侧壁12外部。光纤30一端穿过基板侧壁12的通孔和光纤支架35的通孔并通过光纤支架35固定。覆盖材料31覆盖住光纤30一端(即穿过基板侧壁12的通孔和光纤支架35的通孔并通过光纤支架35固定的那一端)的外圆周并沿着光纤30延伸至光纤座40上方。因此，覆盖材料31一部分被引入封装外壳内部，覆盖材料31一部分即位于光纤座40上方的那部分也被树脂50固定。光纤30的裸露部分(未覆盖上覆盖材料31的部分)易受缺陷的影响。如果向光纤30的这种缺陷部分施加诸如拉伸应力之类的应力，则光纤30存在被损坏的危险，即极有可能在光纤30中由树脂50固定的光纤30的一部分和由光纤支架35固定的光纤30的一部分之间产生拉伸应力。因此，在本实施方式中，在树脂50和光纤支架35之间用覆盖材料31覆盖光纤30的外圆周。换句话说，覆盖光纤30的覆盖材料31从光纤支架35延伸到树脂50部分。因此，随着覆盖材料31从光纤支架35延伸到树脂50，可以防止在光纤30的一部分产生任何缺陷，尤其是其中可能产生拉伸的应力。同时，如果仅由树脂50固定覆盖材料31，则施加于光纤30的拉伸应力可消除光纤30与覆盖材料31之间的粘着。在这种情况下，光纤30偏离覆盖材料31，导致光纤30的光轴失调。因此，在本实施方式中，光纤30和覆盖材料31都由树脂50固定，如图1所示。

光纤30和覆盖材料31均通过树脂50固定在光纤座40上，树脂50覆盖光纤座40，树脂50覆盖光纤座40的光纤座上表面41和第一侧表面42A、第二侧表面42B、第三侧表面43A和第四侧表面43B。因此，与树脂50与基板11的上表面11A脱离接触的情况相比，树脂50可以更牢固地固定。

树脂50覆盖光纤座40的至少一个侧面的至少一部分，具体的是：树脂50覆盖的范围为：第一侧表面42A的一部分、第二侧表面42B的一部分、第三侧表面43A的一部分、第四侧表面43B的一部分、第一侧表面42A全部、第二侧表面42B全部、第三侧表面43A全部、第四侧表面43B全部中的一种或多种情况。例如：

光纤30和覆盖材料31不仅由树脂50固定，而且由光纤支架35固定。通常，基板11具有比石英高的线性膨胀系数。在施加热时，光纤30在X方向上在由树脂50固定的光纤30的一部分和由光纤支架35固定的光纤30的一部分之间张紧。本实施方式中，树脂50覆盖光纤座40的第一侧表面42A、第二侧表面42B，而第一侧表面42A与第二侧表面42B均垂直于光纤30的光轴，因此，即使从光纤固定结构外部向光纤30施加拉伸应力(X方向的应力)，树脂50也会被捕获在光纤座40的第一侧表面42A和第二侧表面42B上，因此，树脂50不会脱落，即使树脂50脱落，光纤30的位置也几乎不会在X方向上变化。在这种情况下，树脂50不一定覆盖光纤座40的整个第一侧表面42A和第二侧表面42B，树脂50可以覆盖光纤座40的第一侧表面42A和第二侧表面42B的一部分，如图3所示。

当光纤30被树脂50固定时，由于收缩对树脂50固化的影响，可在Y方向产生残余应力。因此，如果树脂50由于在严重的环境中被降解或由于光纤座40的未充分清洁状态而降低了树脂50的粘接强度，则光纤30的光轴可能由于残余应力的影响而沿Y方向偏移，光纤30的光轴可能出现失调。因此，在本实施方式中，树脂50覆盖光纤座40的第三侧表面43A与第四侧表面43B，第三侧表面43A与第四侧表面43B均平行于光纤30的光轴，因此，如果树脂50脱落导致在Y方向施加于光纤30的残余应力，则树脂50会被卡在光纤座40的第三侧表面43A与第四侧表面43B上。因此，光纤30在Y方向上的位置变化不大。由于除特殊情况外，在Z方向不产生任何应力，本实用新型的光纤固定结构可以最大限度地减小光纤30的位置失调，可以将光纤30保持在高精度定位的状态，可以有效地防止半导体激光器系统的故障。树脂50不一定覆盖光纤座40的整个第三侧表面43A与第四侧表面43B，树脂50可以覆盖光纤座40的第三侧表面43A与第四侧表面43B的一部分，如图4所示。

底座21设置在基板11的基板上表面11A上，高功率的半导体激光装置22安装在底座21上。光纤30面向半导体激光装置22的发射端面设置。半导体激光装置22发射激光束，光纤30用于传输半导体激光装置22发射的激光束。树脂50不覆盖靠近半导体激光装置22的光纤30的端面或半导体激光装置22的发射端面。因此，靠近半导体激光装置22的光纤30的端面和半导体激光装置22的发射端面位于树脂50之外。如果半导体激光装置22的发射端表面覆盖上树脂50，则附着在半导体激光装置22发射端面上的树脂50在半导体激光装置22的功率增加时受到高能量密度的影响，会导致半导体激光装置22的发射端面受损。因此，在本实施方式中，半导体激光装置22的发射端面位于树脂50之外，以使半导体激光装置22具有高功率。

本实施方式中，对于基板11的材料，优选地使用在具有与底座21的线性膨胀系数相匹配的材料中具有相对较高热导率的材料。通过使用具有与底座21的线膨胀系数匹配的材料来提高半导体激光器系统的可靠性。

本实施方式中，半导体激光装置22可以选用具有几瓦到20瓦大功率的激光二极管。

本实施方式中，光纤30可以选用玻璃光纤，并不限于此。

本实施方式中，树脂50可以选用UV固化树脂或热固性树脂。当树脂50使用UV固化树脂时，光纤30可以在比使用热固性树脂的情况下更短的时间内被固定。

本实施方式中，光纤座40可以选用W、Mo、ALN等材料。特别是，对于光纤座40，最好使用具有最低的线膨胀系数(例如Mo)的材料，以减少由于温度变化而导致的光纤光轴的失调量。此外，还优选地使用对树脂50具有低线膨胀系数的材料，以减少光纤30的光轴的失调量。

本实用新型的一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构的制造方法，用树脂50牢固地固定光纤30并防止树脂50脱落，主要通过以下步骤实现：

1、将半导体激光装置22安装在底座21上，将底座21和光纤座40通过焊料固定在基板11的上表面11A上。

2、将光纤30通过树脂50固定在光纤座40上。具体操作如下：

1)第一层树脂50A施加在光纤座40的上表面41的范围内，使得光纤30和覆盖材料31的一部分均位于第一层树脂50A内部。在这种状态下，当半导体激光装置22发射激光束(主动对准)时，光纤30被移动和定位。在光纤30以高精度定位的状态下，通过向第一树脂50A施加紫外线而硬化，光纤30则被固定在光纤座40上。

2)第二层树脂50B被施加到第一层树脂50A上，使得光纤30和覆盖材料31的一部分均位于第二层树脂50B内部。此时，第二层树脂50B覆盖第一层树脂50A和光纤座40的第一侧表面42A、第二侧表面42B、第三侧表面43A、第四侧表面43B。第二层树脂50B可使用与第一层树脂50A相同的树脂或与第一层树脂50A不同的树脂。在这种状态下，通过向第二层树脂50B施加紫外线而硬化。

当激光束从半导体激光装置22发射时，光纤30被定位在第一层树脂51A内光纤30部分所设置的状态中，第一层树脂51A硬化以使光纤30相对于光纤座40固定在光纤30已被定位的状态中。施加第二层树脂50B，以覆盖第一层树脂50A和光纤座40的至少一个侧面的至少一部分，使相对于光纤座40固定的光纤30的一部分位于第二层树脂50B内。第二层树脂50B在光纤30部分位于第二树脂50B内的状态下硬化。

在此步骤中，第一层树脂50A施加在光纤座40的上表面41的范围内，然后施加第二层树脂50B以覆盖第一层树脂50A和第一侧表面42A、第二侧表面42B、第三侧表面43A、第四侧表面43B全部或一部分。然而，如果只是采用第一层树脂50A覆盖光纤座40的第一侧表面42A、第二侧表面42B、第三侧表面43A、第四侧表面43B，而不进行上述两级树脂应用处理即不再使用第二层树脂51B，则第一层树脂50A会流动到基板11的上表面11A上。这种情况下难以控制第一层树脂50A的施用量。因此，在本实例中，树脂50的应用分为两个阶段。具体而言，第一层树脂50A将光纤30牢固地固定在光纤座40上，第二层树脂50B至少覆盖光纤座40的第一侧表面42A、第二侧表面42B、第三侧表面43A、第四侧表面43B的一部分，以防止树脂50被剥离。

在上述实例中，与基板11分离的光纤座40固定在基板11的上表面11A上，从而形成从基板11的上表面11a突出的突起。然而，基板11可部分加厚，以形成从基板11的上表面11A突出的突起。在这种情况下，光纤座40不需要作为一个单独的成员。然而，由于难以加工的材料，例如W或Mo，通常用于基板11，所以半导体激光模块1可以更容易地通过将光纤支架40固定在基板11的上表面11A上，例如通过焊料，而不是通过部分加厚基板11来制造。

利用上述的制造方法，当光纤30固定在突起(光纤座40)处时，第一层树脂50A不会落到基板11的上表面11A。因此，可以通过适当的量来控制用于固定光纤30的第一层树脂50A。这样，光纤30就可以牢固地固定在突起(光纤座40)上。此外，即使向光纤30施加诸如拉伸之类的应力，第二层树脂50B也被夹在突起的侧面上，因为突起的侧面至少有一部分被第二层树脂50B覆盖。因此，可以防止树脂50脱落。此外，如果树脂50脱落，由于树脂50被夹在突起的侧面，光纤30的位置失调几乎不会发生。

具体实施方式一

采用上述方法制造了一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构，同时在光纤30上施加了拉伸应力，研究其特性。采用沿X方向长度为2mm、Y方向为1mm、Z方向为0.3mm的扁板作为光纤座40。如图1所示，光纤30固定在光纤支架40的状态下，其从光纤座40的侧面42A向半导体激光装置22突出。随着半导体激光装置22的激光发射端面与光纤座40沿X方向之间距离的增加，光纤30因振动或冲击而更有可能断裂。因此，半导体激光装置22的激光发射端表面与沿X方向的光纤座40之间的距离被设置为树脂50没有附着到半导体激光装置22或底座21的尽可能最短的值，这个距离被设置为0.5mm。

采用环氧基紫外光固化树脂(硬化后硬度为90D，剪切强度为47MPa)作为第一层树脂50A。如上所述，当半导体激光装置22被激光振荡时，通过将光纤30调整到最佳位置来定位光纤30。然后将紫外线照射到第一层树脂50A上，将光纤30固定在光纤支架35上。采用与第一层树脂50A相同的树脂作为第二层树脂50B。光纤30由第一层树脂50A和第二层树脂50B固定在光纤支架35上。此后，光纤30和覆盖材料31被粘结并固定在光纤支架35上。

以上述这种方式生产了11个样品。对每个样品中的30根光纤施加了高拉应力，并对一种破坏模式进行了检验。在任何样品中，树脂50没有从光纤座40上脱落。

在参照本实用新型的优选实施例详细描述本实用新型的同时，应当理解，本实用新型不仅限于上述实施例，而且可以在本实用新型的技术概念范围内以各种不同的形式进行。在上述描述中，根据本实用新型的光纤固定结构应用于半导体激光器系统。然而，根据本实用新型的光纤固定结构适用于任何光器件，而不限于半导体激光器系统。此外，在图示的实例中示出了“上面”、“上表面”、“侧表面”、“基座”和其他位置术语，并可根据设备各部件之间的相对位置关系而变化。本实用新型适用于用于在半导体激光器系统中固定光纤的结构。

Claims (6)

1.一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构，包括：基板(11)、分别固定在基板(11)四个侧面上的四个基板侧壁(12)、围绕四个基板侧壁(12)设置的封装外壳、安装在封装外壳上端的盖子，基板侧壁(12)上带有通孔，其特征在于，还包括：

设置在基板(11)上的底座(21)；

安装在底座(21)上的半导体激光装置(22)；

设置在基板(11)上的光纤座(40)；

固定在一个基板侧壁(12)外部的光纤支架(35)；

面向半导体激光装置(22)发射端面设置且位于光纤座上方的光纤(30)，所述光纤(30)一端穿过此基板侧壁(12)的通孔和光纤支架(35)的通孔并通过光纤支架(35)固定；

覆盖材料(31)，覆盖住光纤(30)一端即穿过基板侧壁(12)的通孔和光纤支架(35)的通孔并通过光纤支架(35)固定的那一端的外圆周并沿着光纤(30)延伸至光纤座(40)上方；

树脂(50)，覆盖光纤座(40)的上表面(41)以及光纤座(40)至少一个侧面的至少一部分，所述光纤(30)和覆盖材料(31)均通过树脂(50)固定在光纤座(40)上；

所述光纤座(40)包括四个侧表面，分别为第一侧表面(42A)、第二侧表面(42B)、第三侧表面(43A)、第四侧表面(43B)，所述第一侧表面(42A)与第二侧表面(42B)相对设置，所述第三侧表面(43A)与第四侧表面(43B)相对设置；所述第一侧表面(42A)与第二侧表面(42B)均垂直于光纤(30)的光轴，所述第三侧表面(43A)与第四侧表面(43B)均平行于光纤(30)的光轴；

所述树脂(50)包括第一层树脂(50A)和第二层树脂(50B)，所述第一层树脂(50A)施加在光纤座(40)的上表面(41)的范围内，使得光纤(30)和覆盖材料(31)的一部分均位于第一层树脂(50A)内部；所述第二层树脂(50B)施加到第一层树脂(50A)上，使得光纤(30)和覆盖材料(31)的一部分均位于第二层树脂(50B)内部，此时，第二层树脂(50B)覆盖第一层树脂(50A)和光纤座(40)的第一侧表面(42A)、第二侧表面(42B)、第三侧表面(43A)、第四侧表面(43B)；

所述第二层树脂(50B)覆盖的范围为：第一侧表面(42A)的一部分、第二侧表面(42B)的一部分、第三侧表面(43A)的一部分、第四侧表面(43B)的一部分、第一侧表面(42A)全部、第二侧表面(42B)全部、第三侧表面(43A)全部、第四侧表面(43B)全部中的一种或多种情况；

所述树脂(50)不覆盖靠近半导体激光装置(22)的光纤(30)的端面或半导体激光装置(22)的发射端面。

2.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构，其特征在于，所述基板(11)的制作材料与底座(21)的制作材料的线膨胀系数相匹配。

3.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构，其特征在于，所述半导体激光装置(22)选用具有几瓦到20瓦大功率的激光二极管。

4.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构，其特征在于，所述光纤(30)选用玻璃光纤。

5.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构，其特征在于，所述树脂(50)选用UV固化树脂或热固性树脂。

6.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器系统中的光纤固定结构，其特征在于，所述光纤座(40)选用W、Mo或ALN。