CN220774983U - 低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半导体激光器领域，提供一种低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块，包括：一个COS热沉；n个单管激光器，封装在COS热沉上，n个单管激光器用于输出n束泵浦光，n≥2；一个快轴准直镜，沿竖向倾斜摆放，用于对n束泵浦光进行快轴准直，实现n束泵浦光的阶梯排布；一个慢轴准直镜阵列，用于对经过快轴准直的n束泵浦光进行慢轴准直；一个反射镜阵列，用于对经过快轴与慢轴准直的n束泵浦光进行空间合束；一个聚焦镜，用于对空间合束后的泵浦光进行聚焦，耦合入光纤中。本实用新型通过减少热沉及光学元件的数量，降低成本并减轻体积和重量，以及能够简化热沉的制作工艺，从而提高半导体激光器光纤耦合模块的生产效率。

Description

低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块

技术领域

本实用新型涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块。

背景技术

半导体激光器光纤耦合模块广泛应用于光纤激光器的泵浦，近年来，随着光纤激光器的发展，除了对半导体激光器光纤耦合模块的输出功率和亮度提出了更高的要求外，对光纤耦合模块的制造成本提出了更高的要求。

传统的半导体激光器光纤耦合模块主要有两条技术路线：

1、以BAR条为基本单元，1cm长的BAR条功率在50W～200W之间，每个BAR条上有5～50个单管激光器，BAR条上单管激光器的周期一般为200μm～500μm，由于单管激光器之间的间距较小，热串扰影响大，每个单管激光器的功率低，100μm条宽单管激光器的输出功率最高不超过10W，一般在5W左右，200μm条宽单管激光器的输出功率最高不超过15W，一般在10W左右，同时由于BAR条上单管激光器的数量众多，慢轴方向光束质量较差，一般需要相对复杂或成本较高的光束整形，才能耦合到光纤中，例如公开号为US5808803A、US7027228B2的美国专利。

由此可见，以BAR条为基本单元的半导体激光器光纤耦合模块一般需要相对复杂或成本较高的光束整形，而且由于BAR条产生的热量较集中，因此单管激光器的输出功率较低，需要更多的单管数量才能实现高功率输出，增加了芯片成本。

2、以COS(Chip on Submount)封装的单管激光器，目前的COS封装通常是将一个单管激光器封装在一个热沉上，每个单管激光器的条宽在50μm～400μm之间，由于每个单管激光器独立封装，故每个单管激光器的功率较高，100μm条宽单管激光器的输出功率超过15W，200μm条宽单管激光器的输出功率超过25W，每个COS封装后的单管激光器阶梯排列放置在壳体中，每个单管激光器先采用一个快轴准直镜对快轴方向光束进行准直，再采用慢轴准直透镜对慢轴方向光束进行准直，之后采用反射镜实现快轴方向光束的一维堆叠，最后通过聚焦镜聚焦，由光纤耦合输出，公开号为CN108092130A、CN112928597A的中国专利。

由此可知，以单管激光器为基本单元的半导体激光器光纤耦合模块虽然单管激光器的输出功率高，但需要光学元件数量多，结构尺寸相对较大，装调工艺步骤多，成本同样较高。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块，将多个单管激光器封装在一个热沉上，采用一个快轴准直镜与一个慢轴准直镜阵列对多个单管激光器的快轴方向光束和慢轴方向光束进行准直，从而减少热沉及光学元件的数量，降低半导体激光器光纤耦合模块的成本，同时结构更加紧凑，减轻半导体激光器光纤耦合模块的体积和重量。

为实现上述目的，本实用新型采用以下具体技术方案：

本实用新型提供的一种低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块，包括：

一个COS热沉；

n个激光单元，封装在所述COS热沉上，n个激光单元用于输出n束泵浦光，n≥2；

一个快轴准直镜，沿竖向倾斜摆放，用于对n束泵浦光进行快轴准直，实现n束泵浦光的阶梯排布；

一个慢轴准直镜阵列，用于对经过快轴准直的n束泵浦光进行慢轴准直；

一个反射镜阵列，用于对经过快轴与慢轴准直的n束泵浦光进行空间合束；

一个聚焦镜，用于对空间合束后的泵浦光进行聚焦，耦合入光纤中。

本实用新型提供的另一种低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块，其特征在于，包括：

m个并排且高度阶梯排列的COS热沉，m≥2；

n个激光单元，分别封装在m个COS热沉上，保证每个COS热沉上至少封装两个激光单元，n个激光单元用于输出n束泵浦光，n≥2m；

m个快轴准直镜，分别沿竖向倾斜摆放，用于对n束泵浦光进行快轴准直，实现n束泵浦光的阶梯排布；

m个慢轴准直镜阵列，用于对经过快轴准直的n束泵浦光进行慢轴准直；

m个反射镜阵列，用于对经过快轴与慢轴准直的n束泵浦光进行空间合束；

一个聚焦镜，用于对空间合束后的泵浦光进行聚焦，耦合入光纤中。

再者，本实用新型还提供一种低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块，包括：

两个相对排布的COS热沉；

n个激光单元，分别封装在两个COS热沉上，保证每个COS热沉上至少封装两个激光单元，n个激光单元用于输出n束泵浦光，n≥4；

两个快轴准直镜，分别沿竖向倾斜摆放，用于对n束泵浦光进行快轴准直，实现n束泵浦光的阶梯排布；

两个慢轴准直镜阵列，用于对经过快轴准直的n束泵浦光进行慢轴准直；

两个反射镜阵列，用于对经过快轴与慢轴准直的n束泵浦光进行反射；

一个偏振合束棱镜，用于对经过两个反射镜阵列反射的n束泵浦光进行偏振合束；

一个聚焦镜，用于对偏振合束后的泵浦光进行聚焦，耦合入光纤中。

优选地，快轴准直镜与水平方向所成的夹角θ满足0＜θ＜1°。

优选地，慢轴准直镜阵列为模压透镜阵列、光刻刻蚀工艺制备的透镜阵列或n个慢轴准直镜空间排列形成的透镜阵列。

优选地，聚焦镜为单片式球面镜、单片式非球面透镜或正交柱面镜组。

优选地，还包括与COS热沉数量相同的壳体，每个封装有激光单元的COS热沉分别设置在对应的壳体内。

优选地，壳体为铜、铝合金、镁合金、铝基碳化硅、碳化硅中的任意一种。

优选地，激光单元为独立的单管激光器或由单管激光器组成的BAR条。

与现有技术相比，本实用新型提供的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块能够取得如下技术效果：

1、将多个单管激光器封装在一个COS热沉上，并通过一个快轴准直镜实现对各个单管激光器输出的泵浦光进行快轴准直，从而减少COS热沉及光学元件的数量，能够降低半导体激光器光纤耦合模块的成本，还能减轻半导体激光器光纤耦合模块的体积和重量；

2、竖向倾斜设置的快轴准直镜能够使多个单管激光器发出的光束存在一定的高度差，实现光束的阶梯排布，这样可以避免在COS热沉上形成阶梯结构，简化COS热沉的制作工艺，从而提高半导体激光器光纤耦合模块的生产效率，缩短生产周期。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例1提供的基于单个MCOS构成的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块的结构图。

图2是根据本实用新型实施例1提供的MCOS的结构图。

图3是现有技术中快轴准直镜与Y轴平行时，泵浦光经过快慢轴后的光场分布图。

图4是根据本实用新型实施例1提供的快轴准直镜与Y轴成一定夹角时，泵浦光经过快慢轴后的光场分布图。

图5是根据本实用新型实施例1提供的经反射镜阵列空间合束后的光场分布图。

图6是根据本实用新型实施例2提供的基于两个MCOS空间合束的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块的结构图。

图7是根据本实用新型实施例2提供的快轴准直镜与水平方向成一定夹角时，经反射镜阵列空间合束后的光场分布图。

图8是根据本实用新型实施例3提供的基于两个MCOS偏振合束的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块的结构图。

其中，图3、图4、图5、图7的横坐标均光束快轴方向的尺寸，纵坐标均表示光束慢轴方向的尺寸，单位为mm。

实施例1的附图标记包括：MCOS10、热沉101、激光单元102、单管激光器1021～102n、金丝103、快轴准直镜11、慢轴准直镜阵列12、反射镜阵列13、反射镜131～13n、聚焦镜5、光纤6。

实施例2的附图标记包括：MCOS10、热沉101、激光单元102、单管激光器1021～102n、金丝103、快轴准直镜11、慢轴准直镜阵列12、反射镜阵列13、反射镜131～13n、MCOS20、热沉201、激光单元202、单管激光器2021～202n、金丝203、快轴准直镜21、慢轴准直透镜阵列22、反射镜阵列23、反射镜231～23n、聚焦镜5、光纤6。

实施例3的附图标记包括：MCOS10、热沉101、激光单元102、单管激光器1021～102n、金丝103、快轴准直镜11、慢轴准直镜阵列12、反射镜阵列13、反射镜131～13n、MCOS20、热沉201、激光单元202、单管激光器2021～202n、金丝203、快轴准直镜21、慢轴准直透镜阵列22、反射镜阵列23、反射镜231～23n、偏振合束棱镜4、聚焦镜5、光纤6。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本实用新型的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，而不构成对本实用新型的限制。

实施例1

本实用新型实施例1提供的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块基于单个MCOS构成，MCOS(Multi Chip on Submount)是指将多个单管激光器封装在一个COS热沉上。

图1示出了本实用新型实施例1提供的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块的结构。

如图1所示，实施例1提供的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块包括MCOS10、快轴准直镜11、慢轴准直镜阵列12、反射镜阵列13、聚焦镜5和光纤6。

图2示出了本实用新型实施例1提供的MCOS的结构。

如图2所示，MCOS10包括一个COS(Chip on Submount)热沉101和激光单元102，激光单元102可以是n个独立的单管激光器或n个单管激光器组成的bar条，图2中示出了n个独立的单管激光器的情况，分别为单管激光器1021～102n，单管激光器1021～102n均封装在COS热沉101上，更为具体地，单管激光器1021～102n分别通过AuSn焊料一次性或分步焊接到COS热沉101上，单管激光器1021～102n沿COS热沉101的长度方向并排布置，单管激光器1021～102n之间处于绝缘状态，通过金丝103将单管激光器1021～102n串联在一起，每个单管激光器均发出泵浦光，共n束泵浦光。

在实施例1中，将COS热沉101的长度方向定义为Y轴，将COS热沉101的宽度方向定义为Z轴，将COS热沉101的高度方向定义为X轴。

如图1所示，快轴准直镜11的数量为一个且设置在单管激光器1021～102n的出光方向上，快轴准直镜11的长度能够覆盖单管激光器1021～102n所发出的泵浦光，通过快轴准直镜11实现对n束泵浦光的快轴准直。

慢轴准直镜阵列12可以是模压透镜阵列或光刻刻蚀工艺制备的透镜阵列，模压透镜阵列与光刻刻蚀工艺制备的透镜阵列属于一体成型的透镜阵列，慢轴准直镜阵列12还可以是由n个慢轴准直镜空间排列形成的透镜阵列。

慢轴准直镜阵列12设置在快轴准直镜11的出射方向上，慢轴准直镜阵列12中每个慢轴准直镜分别对应一个单管激光器，通过慢轴准直镜阵列12实现对n束泵浦光的慢轴准直。

反射镜阵列13设置在慢轴准直镜阵列12的出射方向上，反射镜阵列13包括n个反射镜，分别为反射镜131～13n，一个反射镜对应一个单管激光器，通过反射镜阵列13对经过快轴与慢轴准直后的n束泵浦光进行反射，实现X轴方向的空间合束。

聚焦镜5设置在反射镜阵列13的反射方向上，用于对空间合束后的泵浦光进行聚焦，耦合入光纤6中。

在本实用新型中，快轴准直镜11沿竖向倾斜摆放，即与Y轴形成一个夹角θ，夹角θ的范围为0＜θ＜1°，实现n束泵浦光的阶梯排布。

图3示出了现有技术中快轴准直镜与Y轴平行时，泵浦光经过快慢轴后的光场分布。

如图3所示，当快轴准直镜与Y轴平行时，n束泵浦光沿Y轴方向为一条直线，没有高度差，不能实现n束泵浦光的阶梯排布，无法通过反射镜4的反射实现X轴方向的空间合束。

图4示出了根据本实用新型实施例1提供的快轴准直镜与Y轴成一定夹角时，泵浦光经过快慢轴后的光场分布。

如图4所示，当快轴准直镜与Y轴成一定夹角时，n束泵浦光沿Y轴方向存在一定的高度差，实现n束泵浦光的阶梯排布。

图5是根据本实用新型实施例1提供的经反射镜阵列空间合束后的光场分布。

如图5所示，经过反射镜4反射后，实现n束泵浦光沿X方向的空间合束。

由于现有技术将快轴准直镜与Y轴平行摆放，若想要n束泵浦光沿Y轴方向具有高度差，需要将COS热沉加工为阶梯型结构，将多个单管激光器放置在COS热沉上不同高度的台阶上。这样在制作COS热沉时会多出几个工序，使制作工艺变得复杂，致使半导体激光器光纤耦合模块的整体生产效率变低，延长了生产周期。

本实用新型通过对快轴准直镜的竖向倾斜摆放，即可实现要n束泵浦光沿Y轴方向的高度差，无需将COS热沉加工成阶梯形状，即COS热沉用于焊接单管激光器的上表面为平面，没有高度差，可以简化COS热沉的制作工艺，从而提高半导体激光器光纤耦合模块的生产效率，缩短生产周期。

由于本实用新型只采用了一个快轴准直镜与一个COS热沉即可实现光束耦合，因此可以减少COS热沉及光学元件的数量，不仅能够降低半导体激光器光纤耦合模块的成本，还能减小半导体激光器光纤耦合模块的体积和重量。

实施例2

本实用新型实施例2提供的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块基于两个MCOS构成，通过两个MCOS实现空间合束。

图6示出了根据本实用新型实施例2提供的基于两个MCOS空间合束的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块的结构。

如图6所示，低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块包括MCOS10、快轴准直镜11、慢轴准直镜阵列12、反射镜阵列13、MCOS20、快轴准直镜21、慢轴准直透镜阵列22、反射镜阵列23、聚焦镜5和光纤6。

MCOS10与MCOS20沿Y轴方向并排布置，在X轴方向上成阶梯排列，即MCOS10与MCOS20具有高度差。

MCOS20包括一个COS热沉201和一个激光单元202，激光单元202包括单管激光器2021～202n，单管激光器2021～202n COS封装在COS热沉201上，单管激光器2021～202n之间处于绝缘状态，通过金丝203将单管激光器2021～202n串联在一起。

快轴准直镜21竖向倾斜设置在单管激光器2021～202n的出射方向上，用于对单管激光器2021～202n发出的泵浦光进行快轴准直。

慢轴准直镜阵列22设置在快轴准直镜21的出射方向上，用于对单管激光器2021～202n发出的泵浦光进行慢轴准直。

反射镜阵列23设置在慢轴准直镜阵列22的出射方向上，用于对2021～202n发出的且经过快轴与慢轴准直后的泵浦光进行反射，实现泵浦光在X轴方向的空间合束。

MCOS10包括一个COS热沉101和一个激光单元102，激光单元102包括单管激光器1021～102n，单管激光器1021～102n COS封装在COS热沉101上，单管激光器1021～102n之间处于绝缘状态，通过金丝103将单管激光器1021～102n串联在一起。

当然，激光单元202和激光单元102也可以是由多个单管激光器组成的bar条。

快轴准直镜11竖向倾斜设置在单管激光器1021～102n的出射方向上，快轴准直镜11的位置与快轴准直镜21的位置在Z方向上对齐，快轴准直镜11用于对单管激光器1021～102n发出的泵浦光进行快轴准直。

慢轴准直镜阵列12设置在快轴准直镜11的出射方向上，并与慢轴准直镜阵列22在Z方向上对齐，用于对单管激光器1021～102n发出的泵浦光进行慢轴准直。

反射镜阵列13设置在同时处于慢轴准直镜阵列12的出射方向与反射镜阵列23的反射方向的位置，用于对单管激光器1021～102n发出的且经过快轴与慢轴准直后的泵浦光进行反射，实现泵浦光在X轴方向的空间合束。

通过反射镜阵列13和反射镜阵列23实现单管激光器1021～102n发出的泵浦光与单管激光器2021～202n发出的泵浦光在X轴方向的空间合束，如图7所示，再通过聚焦镜5的聚焦耦合入光纤6中。

实施例3

本实用新型实施例3提供的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块基于两个MCOS构成，通过两个MCOS实现偏振合束。

图8示出了根据本实用新型实施例3提供的基于两个MCOS偏振合束的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块的结构。

如图8所示，实施例3提供的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块包括MCOS10、快轴准直镜11、慢轴准直镜阵列12、反射镜阵列13、MCOS20、快轴准直镜21、慢轴准直透镜阵列22、反射镜阵列23、聚焦镜5和光纤6。

MCOS10与MCOS20等高度相对排列；其中，MCOS20包括一个COS热沉201和一个激光单元202，激光单元202包括单管激光器2021～202n或由单管激光器2021～202n组成的bar条，单管激光器2021～202n COS封装在COS热沉201上，单管激光器2021～202n之间处于绝缘状态，通过金丝203将单管激光器2021～202n串联在一起；MCOS10包括一个COS热沉101和激光单元102，激光单元102包括单管激光器1021～102n，单管激光器1021～102n COS封装在COS热沉101上，单管激光器1021～102n之间处于绝缘状态，通过金丝103将单管激光器1021～102n串联在一起。

快轴准直镜21竖向倾斜设置在单管激光器2021～202n的出射方向上，用于对单管激光器2021～202n发出的泵浦光进行快轴准直。

慢轴准直镜阵列22设置在快轴准直镜21的出射方向上，用于对单管激光器2021～202n发出的泵浦光进行慢轴准直。

快轴准直镜11竖向倾斜设置在单管激光器1021～102n的出射方向上，用于对单管激光器1021～102n发出的泵浦光进行快轴准直。

慢轴准直镜阵列12设置在快轴准直镜11的出射方向上，用于对单管激光器1021～102n发出的泵浦光进行慢轴准直。

反射镜阵列23设置在慢轴准直镜阵列22的出射方向上，用于对单管激光器2021～202n发出的且经过快轴与慢轴准直后的泵浦光进行反射；反射镜阵列13设置在慢轴准直镜阵列12的出射方向上，用于对单管激光器1021～102n发出的且经过快轴与慢轴准直后的泵浦光进行反射。

偏振合束棱镜4设置在反射镜阵列23和反射镜阵列13的反射方向上，单管激光器2021～202n发出的泵浦光经反射镜阵列23的反射及单管激光器1021～102n发出的泵浦光经反射镜阵列13的反射后通过偏振合束棱镜4实现偏振合束，再通过聚焦镜5的聚焦耦合人光纤6中。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本实用新型的具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何根据本实用新型的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块，其特征在于，包括：

一个COS热沉；

n个激光单元，封装在所述COS热沉上，n个激光单元用于输出n束泵浦光，n≥2；

一个快轴准直镜，沿竖向倾斜摆放，用于对n束泵浦光进行快轴准直，实现n束泵浦光的阶梯排布；

一个慢轴准直镜阵列，用于对经过快轴准直的n束泵浦光进行慢轴准直；

一个反射镜阵列，用于对经过快轴与慢轴准直的n束泵浦光进行空间合束；

一个聚焦镜，用于对空间合束后的泵浦光进行聚焦，耦合入光纤中。

2.一种低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块，其特征在于，包括：

m个并排且高度阶梯排列的COS热沉，m≥2；

n个激光单元，分别封装在m个COS热沉上，保证每个COS热沉上至少封装两个激光单元，n个激光单元用于输出n束泵浦光，n≥2m；

m个快轴准直镜，分别沿竖向倾斜摆放，用于对n束泵浦光进行快轴准直，实现n束泵浦光的阶梯排布；

m个慢轴准直镜阵列，用于对经过快轴准直的n束泵浦光进行慢轴准直；

m个反射镜阵列，用于对经过快轴与慢轴准直的n束泵浦光进行空间合束；

一个聚焦镜，用于对空间合束后的泵浦光进行聚焦，耦合入光纤中。

3.一种低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块，其特征在于，包括：

两个相对排布的COS热沉；

n个激光单元，分别封装在两个COS热沉上，保证每个COS热沉上至少封装两个激光单元，n个激光单元用于输出n束泵浦光，n≥4；

两个快轴准直镜，分别沿竖向倾斜摆放，用于对n束泵浦光进行快轴准直，实现n束泵浦光的阶梯排布；

两个慢轴准直镜阵列，用于对经过快轴准直的n束泵浦光进行慢轴准直；

两个反射镜阵列，用于对经过快轴与慢轴准直的n束泵浦光进行反射；

一个偏振合束棱镜，用于对经过两个反射镜阵列反射的n束泵浦光进行偏振合束；

一个聚焦镜，用于对偏振合束后的泵浦光进行聚焦，耦合入光纤中。

4.如权利要求1～3中任一项所述的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块，其特征在于，所述快轴准直镜与水平方向所成的夹角θ满足0＜θ＜1°。

5.如权利要求1～3中任一项所述的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块，其特征在于，所述慢轴准直镜阵列为模压透镜阵列、光刻刻蚀工艺制备的透镜阵列或n个慢轴准直镜空间排列形成的透镜阵列。

6.如权利要求1～3中任一项所述的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块，其特征在于，所述聚焦镜为单片式球面镜、单片式非球面透镜或正交柱面镜组。

7.如权利要求1～3中任一项所述的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块，其特征在于，还包括与COS热沉数量相同的壳体，每个封装有激光单元的COS热沉分别设置在对应的壳体内。

8.如权利要求7所述的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块，其特征在于，所述壳体为铜、铝合金、镁合金、铝基碳化硅、碳化硅中的任意一种。

9.如权利要求1～3中任一项所述的低成本小型化半导体激光器光纤耦合模块，其特征在于，所述激光单元为独立的单管激光器或由单管激光器组成的BAR条。