適用活動光纖連接頭的光纖耦合結構的製作方法

2023-08-01 02:26:26

專利名稱：適用活動光纖連接頭的光纖耦合結構的製作方法
技術領域：
本實用新型應用於通過光纖耦合輸出的雷射器件，通過它可以將雷射，尤其是半導體雷射，耦合進可插拔更換的光纖，屬於雷射和應用光學領域。
背景技術：
在實際應用當中，大多數通過光纖耦合輸出的雷射器件，特別是半導體雷射模塊，其輸出光纖通過焊接或粘接與模塊外殼固定，光纖不能夠更換。當需要更換不同型號光纖而又無法熔接的時候，整個器件就無法使用。另外一種常見的情況是使用過程中光纖損壞，這種情況下要更換光纖也基本是不可能的，只能是整個雷射器報廢或返修。隨著雷射器性能的不斷提高，尤其是半導體雷射器性能的迅速提高，越來越多的高功率雷射應用在醫療、材料加工等領域，在這些領域中，光纖的可更換性是一個重要的應用需求。不少生產廠家設計並提供了使用可插拔更換的活動光纖連接頭的光纖耦合雷射器。常見的結構是在雷射器外殼側壁上開孔，安裝一個連接頭插座，調整它的位置並固定在外殼上,讓光纖插針插入連接頭插座之後,光纖插針端面正好位於殼體內部雷射經過光束整形、聚焦後的焦點位置。200820180692. 2號專利針對半導體雷射器模塊提出了一種將光纖連接頭插座焊接在封裝外殼上的開口管中的結構，將插座和透鏡事先安裝到一起，結構比較緊湊。隨著雷射功率越來大，內部光路越來越複雜，已有的這些將連接頭插座固定在封裝外殼側壁上的方案凸顯出兩點不足。第一，在工作時因為各種環境因素的變化，特別是散熱條件的變化，會在外殼上產生應力導致形變，在這種情況下光纖耦合點的位置就會變化，不再保持在最高耦合效率點，導致耦合效率下降，而這種形變往往是不可預測的，結果就是輸出功率的下降和不穩定。第二，由於光纖耦合的效率不可能是百分之百，總會在耦合處有損失，這些損失的光將在連接頭處的光纖中以包層模或洩漏模的形式耗散掉，產生熱量。當雷射器功率比較高時，這種熱量會成為一個嚴重問題。由於連接頭插座安裝在管壁上，通常管壁不會很厚，有時還會採用低導熱率的金屬來實現焊接密封，因此從光纖插針到雷射模塊的散熱部分，通常是底板，之間的導熱通道非常狹窄，也就是說熱阻非常大，這導致了光纖連接頭產生的熱量無法從連接頭插座上有效地散掉，連接頭插座的溫度將會升得非常高，嚴重時會燒毀連接頭和光纖，帶來可靠性問題。因此，需要設計一種更適合高功率雷射應用的適用活動光纖連接頭的光纖耦合結構。
發明內容本實用新型提供了一種適用活動光纖連接頭的光纖耦合結構。如圖1所示。該結構由一個特製的光纖連接頭插座1、透鏡2和支持座3構成，用在雷射模塊的出光端，能夠將模塊內部經整形、準直後的雷射束9高效耦合到光纖中。這個結構能夠解決光纖耦合點位置變化以及在大功率條件下光纖連接頭的散熱問題。[0008]光纖連接頭插座I接受活動光纖連接頭7插入和拔出的一端為外側，另外一端為內側，見圖3。可以針對各種標準活動光纖連接頭來設計其外側光纖插入端的內孔和緊固結構，以做到良好的匹配，常見的有SMA905、SC、ST、FC等標準結構。也可以針對特殊的需求來設計能匹配非標準連接頭的結構。具體來講，光纖連接頭插座外側光纖插入端的內孔直徑必須和相應的活動光纖連接頭的插針外徑為緊密配合，由於通常插針的圓柱形外表面和插針中心的光纖為同軸，所以插座內孔和光纖就能保證同軸。光纖連接頭插座I的內側安裝有透鏡2。透鏡2可以是球面、非球面透鏡，也可以是自聚焦透鏡，也可以是由這些透鏡組合起來的透鏡組。透鏡或透鏡組可以直接插入光纖連接頭插座I內側的內孔，即插座內側的孔直徑與透鏡或透鏡組的外徑為密配合。當透鏡或透鏡組的直徑比較大，無法直接安裝在透鏡座內側孔內時，也可以用一個透鏡座11，將透鏡或透鏡組安裝在透鏡座內，再將透鏡座安裝在插座內側。具體結構見圖3和圖4。安裝好透鏡的光纖連接頭插座，它的外側內孔與透鏡為同軸。當活動光纖連接頭的插針插入插座外側內孔後，透鏡與光纖就同軸了。當插針端面位於透鏡的焦平面上，並且模塊內部向插座內側射來的經整形的雷射束與透鏡和光纖同軸時，就可以獲得最高的耦合效率。光纖連接頭插針插入光纖連接頭插座內的位置，必須滿足插針端面位於透鏡的焦平面位置的條件，可以採用一個限位環10來固定插針的位置。限位環10安裝在外側內孔中，它的一側位於焦平面位置，插針只要頂緊限位環10，即可保證插針端面的位置也在透鏡焦平面上。支持座3為金屬或經表面金屬化的陶瓷材料製成，其下表面通過焊料或膠固定在散熱底板5上，與底板具有良好的接觸。支持座的上表面有凹槽，可以是V形、梯形、半圓形、矩形等形狀，見圖2所示。光纖連接頭插座I通過焊接或膠粘的方式固定在支持座3上表面的凹槽中。若採用膠粘，必須選用高導熱率的膠。連接頭插座中產生的熱量先後通過金屬焊料或者高導熱率的膠6、支持座3、有良好接觸的支持座3與底板5的界面，傳導到散熱底板5上。這種方式，比通過管壁導熱的方式，其導熱通道更大，熱阻更小，其結果就是在大功率雷射耦合時，活動光纖連接頭插針的溫度大幅度降低，提高了連接頭的壽命和可靠性。這種方案也使光纖連接頭插座的安裝固定工藝更加簡單可靠。相比200820180692. 2號專利所採用的由開口管注入釺焊料的方式，本實用新型所述方案中採用的是帶有凹槽的支持座，其上方是開放結構，當光纖連接頭插座的位置固定好之後，注入釺焊料或者膠的時候，焊料或者膠使用量更少，而且更容易流滿凹槽，獲得無空隙的焊接或膠粘的結果，使導熱效果最佳，而且沒有空隙導致的不平衡的應力。通常情況下，光纖輸出雷射模塊的光學系統和雷射器都固定在散熱底板上，本實用新型方案的支持座3可以與模塊內其他元件一樣固定在散熱底板上而不是外殼的壁上，能夠更加有效地避免由於環境變化導致的外殼變形引起的耦合點漂移，因此用這種方案製作的雷射器模塊，其輸出功率更加穩定。

圖1為本實用新型的典型結構圖，圖中畫出了雷射模塊的光纖耦合的核心部分，透鏡2直接安裝在光纖連接頭插座I的一端。[0016]圖2為幾種不同凹槽形狀的支持座3的外形。圖3為剖視圖，透鏡2直接插在光纖連接頭插座I的內側端，活動光纖連接頭7的插針插入到位，並且由限位環10固定插針的位置，成為一個插座-光纖組件。圖4為剖視圖，透鏡2安裝在透鏡座11上，透鏡座11再安裝在光纖連接頭插座I的內側端，活動光纖連接頭7的插針插入到位，並且由限位環10固定插針的位置，成為一個插座-光纖組件。
具體實施方式
圖1為一個實施例，它只顯示了雷射模塊的耦合輸出部分。安裝的過程如下。先將透鏡2直接安裝到光纖連接頭插座I的內側，再將一個限位環10安裝到位並用膠固定，再將連接了光纖8的活動光纖連接頭7從插座I的外側插入，頂緊限位環10，成為一個如圖3所示的插座-光纖組件。光纖連接頭插座I外側孔的直徑和活動光纖連接頭7的插針外徑緊密配合，安裝透鏡2的內側孔必須和外側孔同軸，以保證活動光纖連接頭7的光纖插針與透鏡同軸。當然，可以將插座I的長度設計成為當活動光纖連接頭的插針部分完全插入內孔後，其端面正好位於透鏡焦平面上，這樣的話，也可以不需要限位環10。但問題是實際使用當中，由於製作加工原因，光纖插針的長度並不能保證固定一致，所以如果不用限位環，插針端面的位置就會偏離透鏡焦平面，從而降低耦合效率，整個器件的穩定性也會產生不良影響。將上表面為V形槽的、表面鍍金的金屬或陶瓷支持座3，用釺焊料或者膠固定到雷射模塊的散熱底板5上。模塊內部經過整形後的光束9對準模塊外殼側壁4上的開孔12，這個開孔12的直徑要大於插座插入殼體部分的外徑並留出足夠的調整空間。將上述插座-光纖組件從孔12中部分插入雷射模塊內部，位於支持座3的V槽之上。將插座-光纖組件連接一個多維調節裝置，調整它的位置、角度，使光束9的能量耦合進光纖8中，並得到最高的耦合效率，這時插座I的位置即為最佳位置。將焊錫融化後順支持座3的V槽和插座I之間的縫隙灌入，注意兩側焊錫注入均勻，形成密實填充V槽、內部無空泡的焊點6。如果支持座3使用焊錫固定到底座5上，那麼要注意在焊接插座I的時候時間要足夠短、溫度也不能太高，以避免支持座3下方的焊錫融化導致位置變化。焊接完畢後，拆掉調節裝置，用膠填滿外殼側壁4上開孔12和光纖連接頭插座I之間的空隙以達到密封的目的，再拔出活動光纖連接頭7，整個安裝步驟即告完成。如果根據雷射束和光纖的特點，設計選用的耦合透鏡2直徑比較大，則可以採用另外一種方法安裝透鏡，如圖4所示。採用一個透鏡座11，先將透鏡2安裝到透鏡座11粗的一端，透鏡座的另外一端可以插進光纖連接頭插座I的內側孔中。透鏡座需要精密加工，以保證將其插入插座I的內側孔後，透鏡2與插座I外側的內孔同軸，也就是與插入的活動光纖連接頭7的插針和光纖同軸。
權利要求1.適用活動光纖連接頭的光纖耦合結構，由光纖連接頭插座、透鏡、支持座構成，其特徵為該插座外側與活動光纖連接頭匹配，內側安裝有透鏡，光纖連接頭插座固定在支持座上。
2.根據權利要求1所述的適用活動光纖連接頭的光纖耦合結構，其特徵為支持座為金屬或陶瓷材料製成，固定在底板上並與底板有良好的接觸，支持座上表面有下凹的槽，可以是V形、梯形、半圓形、矩形；光纖連接頭插座位於支持座凹槽中，用金屬焊料或膠固定。
3.根據權利要求1所述的適用活動光纖連接頭的光纖耦合結構，其特徵為所述的光纖連接頭插座的內孔和緊固結構，可以與SMA905、SC、ST、FC型標準活動光纖連接頭中的任意一種相匹配。
4.根據權利要求1所述的適用活動光纖連接頭的光纖耦合結構，其特徵為透鏡為球面、非球面或自聚焦透鏡，或這些透鏡的組合；透鏡直接插入光纖連接頭插座內側的內孔固定，或透鏡先安裝在一個透鏡座上，透鏡座再安裝到光纖連接頭插座內側。
5.根據權利要求1或4所述的適用活動光纖連接頭的光纖耦合結構，其特徵為透鏡與光纖連接頭插座外側的內孔同軸，活動光纖連接頭插針插入光纖連接頭插座後，插針端面位於透鏡的焦平面上，透鏡、光纖與經整形後射到光纖連接頭插座內側的雷射束同軸。
6.根據權利要求5所述的適用活動光纖連接頭的光纖耦合結構，其特徵為光纖連接頭插針插入光纖連接頭插座內的位置可以用一個限位環來固定。
專利摘要適用活動光纖連接頭的光纖耦合結構，用於光纖輸出的雷射器，尤其是半導體雷射器模塊中。光纖連接頭可以方便地從一端插入和拔出光纖連接頭插座，插座另一端安裝有透鏡或透鏡組，可以將雷射模塊內部經整形的雷射束聚焦到活動光纖連接頭的光纖端面上，實現光纖耦合。光纖連接頭插座固定在一個表面有凹槽的支持座的凹槽中，支持座安裝在雷射器散熱底板上。整個結構簡單、調節方便，同時該結構有利於將大功率雷射耦合時產生的熱量通過凹形支持座散入底座，降低光纖連接頭的溫度，提高可靠性，同時減小耦合點受環境影響所產生的漂移，提高工作穩定性。
文檔編號H01S5/068GK202886656SQ20122036705
公開日2013年4月17日 申請日期2012年7月27日 優先權日2012年7月27日
發明者韓靜 申請人:北京大族天成半導體技術有限公司