TWI470890B

TWI470890B - 利用真空封裝與微致動器調整波長之小型外腔雷射系統

Info

Publication number: TWI470890B
Application number: TW100105815A
Authority: TW
Inventors: Ho Chiao Chuang
Original assignee: Univ Nat Taipei Technology
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2015-01-21
Also published as: TW201236290A

Description

利用真空封裝與微致動器調整波長之小型外腔雷射系統

本發明「利用真空封裝與微致動器調整波長之小型外腔雷射系統」係用於一般外腔雷射系統之真空封裝與波長調整機構之設計，主要是用於外腔雷射系統需要長期穩定頻率之場合。

一般的外腔雷射系統皆採用金屬或是壓克力材料做為雷射系統的封裝結構，而將雷射系統裝置於此封裝結構內，且通常在雷射系統封裝結構上面裝置一蓋子用以將外腔雷射系統保護於封裝體內。但是此上蓋常常需要掀開因為需要調整雷射頻率等等。因此空氣與噪音很容易就會影響到雷射頻率的穩定性。除此之外，一般的外腔雷射系統皆採用一具撓性的金屬結構以做為波長調整的機構，而將光柵以45度的角度裝置於此金屬結構上，且通常在光柵背面的金屬結構裝置一壓電致動器用以調整雷射外腔長度與波長。但是此具撓性的金屬結構往往體積過大且笨重，需要搭配推力夠大的壓電致動器(體積也龐大)才能達到雷射波長調整範圍的需求。除此之外，金屬材料製作的撓性結構往往會受到環境溫度改變而產生形變，如此一來便會造成雷射波長飄移不定的現象。因此綜合以上各點，目前一般的外腔雷射系統封裝方式皆無法將達到真空封裝的境界，這對於需要雷射頻率長時間穩定的使用者而言，常造成使用上的困擾與不便，且一般的外腔雷射也都無法將其整體系統縮的太小，這對於同時間需要很多台外腔雷射系統的使用者而言，常造成空間上的困擾與不便。

美國專利US 6,788,724,B2號所揭露之「Hermetically Sealed External Cavity Laser System and Method」，係以一金屬封裝結構內灌入惰性氣體來消除雷射封裝腔體內塵埃對雷射系統內光學元件的污染，但是每當調整完封裝體內的雷射元件後，就必須重新再灌入新的惰性氣體，其設計會增加使用上的麻煩卻仍無法達到雷射頻率長時間的穩定要求(高真空度)。美國專利US 6,603,779,B2號所揭露之「Packaging of An Optical Fiber Laser」，其光纖雷射是被封裝在一個可被定型的黏滯流體內，而此定型後的黏滯流體材料具有高阻尼效果可將聲音中的震動吸收掉與很低的熱傳導係數能將環境中的溫度變化隔絕掉，因此能使光纖雷射的頻率產生相對穩定的效果。但是此黏滯流體一旦定型後便無法再對光纖雷射元件做任何的調整。前述創作設計雖然可以使光纖雷射頻率相對穩定，但是其缺點為只能對雷射做一次性的調整動作，仍是無法達到可調頻率式的外腔雷射系統頻率長期穩定的目標。美國專利US 6,690,690,B2號所揭露之「Tunable Laser System Having an Adjustable External Cavity」，係以一懸臂金屬結構上裝置光柵，而其光柵位置可以變動，用以調整雷射外腔長度。其設計仍以撓性金屬結構為主來調整波長。美國專利US 20080298406 A1號所揭露之「Compact External Cavity MID-IR Optical Lasers」，其光柵是裝置在一個金屬製的轉動架上用以將雷射光束依特定的角度回授給雷射二極體。前述創作設計雖然可以免除直接使用撓性的金屬結構來調整雷射外腔的長度，但仍須以金屬製的光柵轉動架方式作動，仍是無法達到整體雷射系統體積縮小化的目的。美國專利US 20050105565A1號為利用不同厚度的圓狀干涉薄膜在一轉動元件上轉動至特定薄膜厚度位置，以達到雷射外腔長度與波長改變的目的。但是此一轉動元件乃以電動馬達來驅動，馬達轉動時所產生的噪音將會影響雷射波長的穩定性。此外，雷射系統內包含一具電動馬達將會使得整體體積變的更大。美國專利US 20050281298A1號「Analog External Cavity Laser」其設計係將布拉格光柵直接裝置於雷射源的另一端，中間僅有一準直透鏡並無其他金屬結構。此一設計雖然可以將雷射體積縮小，但無法做雷射外腔長度的調整，波長的調整乃是利用改變布拉格光柵的溫度，但是其波長的調整速度頗慢。

綜此，以上不管是利用灌入惰性氣體封裝之設計或是利用可被定型的黏滯流體亦或是採用雷射光源與光學元件分開隔離的封裝系統，雖然皆可以達到降低雷射頻率擾動的目的，但是設計都較為複雜且雷射系統還是沒有處在一個高度真空的環境下，較不符合雷射頻率長期穩定的目標。另外，以上不管是利用撓性金屬結構之設計或是電動馬達轉動干涉薄膜亦或是採用布拉格光柵之外腔雷射系統，雖然皆可以達到雷射波長調整的目的，但是設計都較為複雜且雷射系統整體體積過大，較不符合輕巧、簡潔、低成本之要求。

因此，為解決上述外腔雷射系統封裝裝置與波長調整機構過大等缺點，本發明之目的在於設計一簡單的外腔雷射系統真空封裝裝置及一微小化的波長調整機構，以減少雷射系統的體積、減輕重量及增加雷射頻率長期的穩定性。

為達上述目的，本發明之雷射系統真空封裝裝置採用一矽真空傳輸導線板，以取代傳統的金屬或是壓克力材料封裝外腔雷射系統。由於此矽真空傳輸導線板上具有數個電鍍銅塊，因此可將雷射真空封裝腔體外的電壓或是電流訊號透過此真空傳輸導線銅塊傳遞至真空封裝腔體內的雷射器之各個元件上。除此之外，本發明也採用陽極接合的方法將此一矽真空傳輸導線板與派瑞克斯玻璃真空腔體做接合，其接合後的接合介面不但可以耐高溫到450℃且接合強度大於矽材料本身的強度，因此可提高真空的穩定度。因此，利用本發明的真空封裝裝置，將可使雷射系統處在一個沒有噪音、空氣擾動與外界溫度改變的高度真空環境中，因而使得雷射頻率可以長期穩定在目標值。

本發明的另一個目的是將外腔雷射系統的整體體積縮小，避免使用笨重的撓性金屬結構來調整雷射波長，以簡化波長調整之機構設計並降低製作成本，本發明構想出以微致動器來取代傳統撓性的金屬結構以改變雷射共振腔長來調整雷射波長。主要是在一靜電式的微致動器上面裝置一體積全像光柵，以同時達到調整雷射外腔長度與改變波長之目的。其裝置之特徵在於驅動此微致動器之後，微致動器會依據所輸入到微致動器的電壓大小，向雷射源端產生相對的位移，以改變雷射外腔長度。而體積全像光柵是裝置在微致動器的上面，因此當此微致動器受到電壓驅動後向前產生位移時，體積全像光柵也會同時向雷射源端產生相對的位移。因此從雷射源端到體積全像光柵的距離，即光學共振腔的長度就會因此而改變，雷射光的波長也會隨著光學共振腔的長度改變而發生變化，以達到雷射波長調整的目的。而利用此一微致動器的方式來改變雷射腔長將可使整體的雷射體積縮小。另外，微致動器的幾何尺寸大小將影響其受到電壓驅動時，所能產生的變形量大小，進而影響雷射腔長與波長調整的大小，因此可藉由適當的微致動器幾何與尺寸設計來達到所需要的波長適當調整範圍。

綜此，本發明之目的在於提供一簡單可靠之雷射系統真空封裝設計，藉由採用一矽真空傳輸導線板與派瑞克斯玻璃真空腔體的陽極接合方式將外腔雷射系統封裝在高度真空的環境內，即可實現雷射頻率長時間穩定之功能。

本發明之另一目的在於簡化與縮小外腔雷射中波長調整機構之設計，以一靜電式的微致動器取代習用之笨重撓性金屬結構來調整波長，減輕裝置重量、縮小裝置空間，降低裝置成本。

本發明之另一目的在於矽真空傳輸導線板與微致動器的量產製作成本與原料價格低，遠比加工金屬結構來的低廉，以達到節省外腔雷射系統成本之目的。

為具體說明本發明之詳細作動原理與設計，特以下列具體實施例來做說明。圖一所示為本實施例之整體架構圖。在雷射系統的左半端，雷射二極體晶片(301)裝置在雷射二極體晶片安置底座(302)上。在雷射系統的中間部分，是由一個雙軸微動平台(402)上的球透鏡安置處(403)裝置一個球透鏡(401)用來準直雷射光束與找尋光學迴授。雙軸微動平台(402)可透過輸入電壓的大小來控制其在雷射光軸上的軸向移動，直到雷射光束被球透鏡(401)準直化。在雷射系統的右半部則是由一微致動器(502)上面的體積全像光柵安置處(504)裝置有一體積全像光柵(501)用以將繞射後的雷射光束迴授給雷射二極體晶片(301)。在雷射真空封裝系統的部分，則是由一矽真空傳輸導線板(101)裡面裝置有數個真空傳輸導線(電鍍銅)(102)且與派瑞克斯玻璃(201)真空腔體做陽極接合，真空腔體外的電壓與電流訊號即可藉由真空傳輸導線(電鍍銅)(102)傳入到真空腔體內的雷射系統裡面驅動各個元件，因此整個外腔雷射系統主體就可處在高度真空的環境下運作，圖二是本實施例之整體架構俯視圖。圖三為本實施例之整體剖面示意圖，其中雷射二極體晶片(301)與微致動器(502)分別安置於左側熱電致冷器(701a)與右側熱電致冷器(701b)上，分別控制雷射二極體晶片與微致動器的溫度，用以穩定雷射系統的溫度。而在圖三的中間部分則是將雙軸微動平台(402)安置於一壓電致動器(801)上，當球透鏡(401)的光軸方向(x方向)定位後，即雷射光束準直後，接著利用所輸入到雙軸微致動平台(402)的電壓大小即可控制在球透鏡(401)的徑方向(y方向)上的位移，用以將體積全像光柵(501)繞射後的雷射光束迴授給雷射二極體晶片(301)，而在尋找光學迴授時球透鏡(401)垂直方向(z方向)的位移可透過雙軸微動平台(402)下面的壓電致動器(801)來調整。

第四圖所示為本發明之一矽真空傳輸導線板(101)之實施例，其中主要是由十四個真空傳輸導線(電鍍銅塊)(102)、雷射二極體晶片安置處(105)、雙軸微動平台安置處(106)、微致動器安置處(107)與真空抽氣孔(103)所構成。第五圖所示為本實施例之派瑞克斯玻璃(201)，用以與矽真空傳輸導線板(101)做陽極接合，因此可將外腔雷射系統主體封裝於高度真空的環境內。在完成陽極接合後，即可將矽真空傳輸導線板(101)黏著於如第六圖所示之雷射系統底座(601)。雷射系統底座(601)主要是由雷射底座真空抽氣孔(602)、左側熱電致冷器安置處(603)、右側熱電致冷器安置處(604)與壓電致動器安置處(605)所組成的。雷射系統封裝體內的氣體便可經由矽真空傳輸導線板(101)上的真空抽氣孔(103)與雷射底座的真空抽氣孔(602)被泵浦抽走，直到雷射系統封裝體內的真空度達到預設值。第七圖所示為雙軸微動平台(402)之實施例，其中包含球透鏡安置處(403)、數個靜電式梳狀電容平板及其驅動電極(404)，而裝置球透鏡(401)後的實施例如圖八所示。第九圖所示為雷射二極體晶片(301)與其安置底座(302)之實施例，其中利用打線接合技術將雷射二極體晶片(301)上的正負極訊號連接到雷射二極體晶片安置底座(302)的打線接合板上，再將此訊號連結到矽真空傳輸導線板(101)上的電鍍銅塊(102)用以與真空腔體外的電訊來源相接。

本創作之特點係於微致動器(502)之設計如圖十所示，其中在微致動器(502)的上方設計有一個體積全像光柵安裝位置(504)，而在微致動器(502)的中間處則設計有兩組靜電式梳狀電容平板(505)用以產生位移，其驅動的方式是透過三組電極板(503)，而能夠使微致動器(502)產生回復形變的主要設計為兩處微致動器之彈簧片(506)。當電壓輸入到微致動器(502)後，微致動器(502)會依據所輸入的電壓大小而向雷射二極體晶片(301)端產生相對應的推擠與變形，因為微致動器(502)受電壓所產生的靜電力大過於微致動器之彈簧片(506)的彈簧力，因此微致動器(502)會產生相對應的位移，但是一旦當輸入的電壓取消時，微致動器(502)會靠著此彈簧力回復形變。除此之外，體積全像光柵(501)因為裝置於微致動器(502)的上方如圖十一所示，因此也會隨著微致動器(502)向雷射二極體晶片(301)端產生相同的位移。如此一來，雷射共振腔的長度即雷射二極體晶片(301)至體積全像光柵(501)的距離將因此而改變，以達到波長調整的目的。

(101)‧‧‧真空傳輸導線板

(102)‧‧‧真空傳輸導線

(103)‧‧‧真空抽氣孔

(104)‧‧‧打線接合襯墊

(105)‧‧‧雷射二極體晶片安置處

(106)‧‧‧雙軸微動平台安置處

(107)‧‧‧微致動器安置處

(201)‧‧‧派瑞克斯玻璃

(202)‧‧‧陽極接合區域

(301)‧‧‧雷射二極體晶片

(302)‧‧‧雷射二極體晶片安置底座

(401)‧‧‧球透鏡

(402)‧‧‧雙軸微動平台

(403)‧‧‧球透鏡安置處

(404)‧‧‧電極

(501)‧‧‧體積全像光柵

(502)‧‧‧微致動器

(503)‧‧‧電極板

(504)‧‧‧體積全像光柵安置處

(505)‧‧‧靜電式梳狀電容平板

(506)‧‧‧微致動器之彈簧片

(601)‧‧‧雷射系統底座

(602)‧‧‧雷射底座真空抽氣孔

(603)‧‧‧左側熱電致冷器安置處

(604)‧‧‧右側熱電致冷器安置處

(605)‧‧‧壓電致動器安置處

(701a)‧‧‧左側熱電致冷器

(701b)‧‧‧右側熱電致冷器

(801)‧‧‧壓電致動器

第一圖一實施例之整體架構圖

第二圖一實施例之俯視圖

第三圖一實施例之整體剖面示意圖

第四圖實施例之真空傳輸導線板整體架構圖

第五圖實施例之派瑞克斯玻璃整體架構圖

第六圖實施例之雷射系統底座整體架構圖

第七圖實施例之雙軸微動平台整體架構圖

第八圖實施例之雙軸微動平台與球透鏡整體架構圖

第九圖實施例之雷射二極體晶片與安置底座整體架構圖

第十圖實施例之微致動器整體架構圖

第十一圖實施例之微致動器與體積全像光柵整體架構圖