专利名称：一种半导体激光-光纤耦合器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种半导体激光一光纤耦合器，特别涉及一种采用大功率c封装半导体激光器，且能有效减小大功率半导体激光器对耦合界面烧蚀作用的半导体激光一光纤耦合器。
技术背景光纤自从面世以来便被认为是光波导中最具竞争力的介质。而半导体激光器一经面世便 以其质量轻、体积小、结构简单、调制方便等优点而广泛应用于激光泵浦、激光通信、激光 雷达以及激光医疗等重要领域。因此，如何将半导体激光器发出的光束高效的耦合进光纤一 直是近年来该领域研究的热点。过去常用的耦合方法有组合透镜耦合，梯度折射率柱透镜耦 合以及直接用球端面光纤耦合等方法。虽然球面镜造价低廉，但受其特性限制，用组合透镜来耦合半导体激光光束到光纤时， 耦合装置不但结构复杂，同轴度要求高，而且球面镜的耦合损耗也大。梯度折射率柱透镜虽 然能以较小的损耗完成半导体激光到光纤的耦合，但是其制造成本太高。目前直接用球端面 光纤耦合的耦合效率较低。并且随着大功率半导体光源的研制成功和应用，大功率半导体激 光器对耦合界面的烧蚀作用也变得不可忽视。第00205494.9号中国专利提供了一种半导体激光器光纤同轴直接耦合器件。半导体激光 器的输出光直接耦合进入光纤头，激光器和光纤同轴式封装于套筒内。这种器件对金属加工 中的同轴度要求严格。第01144124. 0号中国专利提供了一种光源一光纤耦合器，使用梯度折射率柱透镜对光源 光束进行压缩整形，虽然提高了耦合效率，但是制造成本较高。第200410006178.3号中国专利提供了一种光纤与半导体激光器耦合定位方法，调整光纤 耦合端的端面与激光器管芯的激射区位置使之准确耦合，但没有对半导体激光器光束形状和 光纤耦合端面进行整形和处理，耦合效率较低。因此，提供一种耦合效率高、结构简单、易于调试、成本低且能防烧蚀的半导体激光一 光纤耦合器是亟需解决的问题。实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种新型的半导体激光一光纤 耦合器，它成本低、耦合效率高、结构简单、易于调试且能有效的减小烧蚀作用对其耦合效 率的影响。本实用新型的目的是这样实现的它包含第一封装盖(1)，连接部件(2)，第二封装盖(3)，带V型凹槽的半导体激光器固定基座(9),光纤固定套筒(5)，光纤调整块(4)和 球端面光纤(6)。其中第一封装盖(1)、连接部件(2)和第二封装盖(3)由螺纹连接，且连接部件(2)上带有夹角为120°放置的三个弹性簧片(7);半导体激光器固定基座(9) 由螺钉(12)通过固定螺孔(11)固定在第一封装盖的卡槽内，并通过一螺孔(10)调整半 导体激光器固定基座(9)的水平位置；光纤固定套筒(5)与光纤调整块(4)由细嫘纹连接， 光纤调整块(4)为球轴承结构，与第二封装盖(3)之间为滑配合，因此可由光纤固定套筒(5) 和光纤调整块(4)再配合外置角度调整装置对光纤的轴向以及角度进行三维调节；孔 (15)用来引出C封装半导体激光器(14)的电极；球端面光纤(6)用胶合剂胶合于光纤固定套筒(5)内，C封装半导体激光器(14)发出的光束经柱透镜(8)压縮和球端面光纤(6) 组成高效耦合系统。此外，本实用新型所用球端面光纤(6)由标准多模光纤和400微 米的大芯径光纤熔接、烧球而成，通过实验证实能有效的减小大功率半导体激光器对系统耦 合界面的烧蚀作用。由于依据一种半导体激光一光纤耦合器，采用低数值孔径光纤作为柱透镜(8)和球端面 光纤(6)组合，代替以往的组合透镜和梯度折射率柱透镜对半导体激光光束进行整形，并且 用螺钉调整C封装半导体激光器(14)的水平位置，用光纤固定套筒(5)与光纤调整块(4) 之间的细螺纹以及光纤调整块(4)的球轴承结构对光纤球端面光纤(6)进行三维调节，最 后光纤调整块(4)和第二封装盖(3)之间以及光纤调整块(4)和光纤固定套筒(5)之间 采用胶合的方式固定，因此，在保证稳定高耦合效率的前提下，可以达到降低成本、结构简 单、易于调试、便于维护的目的。
图1是本实用新型的主视全剖图；图2是本实用新型第一封装盖剖视图；图3是本实用新型连接部件剖视图；图4是本实用新型球端面光纤制作流程示意图；图5是大功率半导体激光烧蚀实验前后光纤固定套筒结构示意图；图6是烧蚀实验中不同直径球端面光纤耦合效率随时间变化图。
具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依据本实用新型较佳实施例的半导体激光一光纤耦合器。本 实用新型较佳实施例中C封装半导体激光器(14)采用808nm， 3W， C-Mount封装半导体激 光器。参照图1所示，依据本实用新型的较佳实施例的半导体激光一光纤耦合器，它包括第一 封装盖(1)，连接部件(2),第二封装盖(3),带V型凹槽的半导体激光器固定基座(9)， 球端面光纤(6)，光纤固定套筒(5)，光纤调整块(4), C封装半导体激光器(14)和柱透 镜(8)。在具体实施中，首先可将第一封装盖(1)固定在水平台上，接着用螺钉(12)将C 封装半导体激光器(14)及半导体激光器基座(9)旋于第一封装盖的固定螺孔(11)，通过 孔(15)引出激光器电极。取下连接部件的弹性簧片(7)，将连接部件(2)和第一封装盖(1) 旋紧，然后将光纤固定套筒(5)与光纤调整块(4)连接并置入第二封装盖(3)中，接下来将第二封装盖(3)旋入连接部件(2)中。此时将光纤固定套筒(5)悬垂，用一束可见激光 束(如lmWHe-Ne激光束)竖直通过光纤固定套筒(5)照射C封装半导体激光器(14)的 出光面(13)，由于其自然解理面的镜面反射，返回一亮光斑；通过螺孔(10)旋动螺钉来调 整半导体激光器基座(9)，直至上述亮光斑反射回出射激光束中，此时，旋下第二封装盖(3)， 取下光纤固定套筒(5)和光纤调整块(4)，并将螺钉(12)旋紧。取一段大芯径石英光纤(本 实用新型较佳实施例中，采用芯径为400拜的低数值孔径石英光纤)，剥去其有机硅胶层， 用酒精擦拭干净光纤侧壁制备出柱透镜(8)，将柱透镜(8)置于半导体激光器固定基座(9) 的V型凹槽中，然后在凹槽两端滴上胶合剂(16)(本实用新型较佳实施例中采用改性丙烯 酸脂)使柱透镜(8)固定。接下来将球端面光纤(6)置入光纤固定套筒(5)中并由胶合剂 (16)固定，装上连接部件(2)上的弹性簧片(7)，待胶合剂(16)完全固化后，将光纤固 定套筒(5)与光纤调整块(4)连接并置入第二封装盖(3)中，然后将第二封装盖(3)与 连接部件(2)旋紧。将连接好的半导体激光一光纤耦合器固定在水平台上，同时将光纤固定 套筒(5)尾端固定于外置的三维调节架上。连接激光器电源并打开，耦合出光功率调至最大 时(本实用新型较佳实施例中耦合出光功率最大值为2.628W，此时耦合效率为87.6%)，稳 定光纤固定套筒(5)位置，同时将光纤固定套筒(5)与光纤调整块(4)之间以及光纤调整 块(4)与第二封装盖(3)之间滴上胶合剂(16)胶合固定完成封装。参照图4所示，依据本实用新型较佳实施例的半导体激光一光纤耦合器，所使用的球端 面光纤(6)由标准多模光纤(18)和400拜的大芯径光纤(17)熔接、烧球而成，拥有较 大直径的光纤球透镜(直径约600拜)。将一段芯径为400拜的石英光纤前端剥去有机硅胶 层，用酒精擦拭干净，并对头部进行研磨抛光，然后与已经抛光好的标准多模光纤分别放到 ZWT-3型自动微调架的两顶iJ，将其纤芯对准，在两电极距离L-2.400mm，熔接电流I-31mA， 熔接时间1=38 (本实用新型较佳实施例中使用的熔接机为DR-1型大芯径光纤熔接机)的条 件下，放电熔接，之后在将熔接后的光纤手动放电烧球，得到本实用新型所使用的球端面光 纤(6)。为验证大直径端面球透镜的标准多模光纤具有较好的防烧蚀作用，分别用不同直径球端 面透镜的光纤进行了耦合效率测试实验(其光纤端面球透镜直径d分别为180拜(图标争)、 461.2jun(图标B)、 605.5,(图标A ))。实验中将三根光纤分别按照以上封装步骤封装，接通 电源并打开半导体激光器，每隔1小时记录一次输出功率，计算耦合效率后的数据记录参照 图6所示。从图中可以清楚的看到长时间工作的半导体激光器对耦合界面的烧蚀作用很明 显，这种烧蚀使系统的耦合效率明显下降。实验显示大功率半导体激光器对光纤的烧蚀作用 主要发生在胶合剂(16)区，实验前后光纤套筒结构参照图5所示(图中19为普通球端面光 纤)。烧蚀所产生的胶合剂微粒沉积在光纤球端面上形成沉积膜，影响了光的透过。实验同时 显示不同直径的球端面光纤防烧蚀作用明显不同。一般情况下，光纤球端面上的沉积物对对激光的衰减可以有下式表示/ 二 "e (a) 其中a为烧蚀产物对激光的吸收系数，A为烧蚀产物生成膜的厚度，/c为照射到光纤端面的激光强度，/为进入光纤的激光强度。假设，沉积膜生成的厚度与烧蚀产物在光纤端面处的浓度成正比，单位时间内生成的沉 积膜厚度不变，则有<^ a/>附其中/ 、 A为常数，/ 为烧蚀产物在光纤端面处的浓度，m为单位时间产生的烧蚀产物 质量，S为成膜面积。由公式(b)可得, "W ，W ;将公式(c)代入公式(a)可得半导体激光器与光纤的耦合效率;/随时间的变化关系为7, = = V* (d)由公式(d)可知，只要减小烧蚀产物在光纤端面处的浓度或者增大烧蚀产物的成膜面积， 就可以有效的降低大功率半导体激光器对光纤端面的烧蚀作用，因此增大光纤球透镜的直径 是降低烧蚀作用简捷而行之有效的方法。参照图6所示，系统耦合效率随时间呈指数下降， 也充分证明以上公式的正确性。综上所述，本实用新型采用低数值孔径的大芯径光纤作为柱透镜(8)和球端面光纤(6) 组合，在保证高效耦合的前提下有效的降低了生产成本；采用有大直径端面球透镜的光纤作 为其球端面光纤(6),经实验证明能有效降低大功率半导体激光器对光纤耦合界面的烧蚀作 用，从而保证系统的稳定输出。
权利要求1.一种半导体激光-光纤耦合器，由第一封装盖(1)，连接部件(2)，第二封装盖(3)，带V型凹槽的半导体激光器基座(9)，光纤固定套筒(5)，光纤调整块(4)和球端面光纤(6)构成，其特征在于，带V型凹槽的半导体激光器基座(9)由螺钉(12)固定在第一封装盖(1)上，光纤固定套筒(5)与光纤调整块(4)由细螺纹连接，且光纤调整块(4)与第二封装盖(3)组成球轴承。
2. 如权利要求1所述的一种半导体激光一光纤耦合器，其特征在于，第一封装盖(1)， 连接部件(2)和第二封装盖(3)由螺纹连接，连接部件(2)带有夹角为120°放置的三个 弹性簧片(7)。
3. 如权利要求1所述的一种半导体激光一光纤耦合器，其特征在于，其球端面光纤(6) 是由标准多模光纤和大芯径光纤熔接、烧球而成。
专利摘要本实用新型提供一种半导体激光—光纤耦合器，它包含第一封装盖(1)，连接部件(2)，第二封装盖(3)，带V型凹槽的半导体激光器固定基座(9)，光纤固定套筒(5)，光纤调整块(4)和球端面光纤(6)。本实用新型采用低数值孔径的大芯径光纤作为柱透镜(8)和球端面光纤(6)组合，在保证高效耦合的前提下有效的降低了生产成本；采用有大直径端面球透镜的光纤作为其球端面光纤(6)，经实验证明能有效降低大功率半导体激光器对光纤耦合界面的烧蚀作用，从而保证系统的稳定输出。
文档编号G02B6/00GK201159786SQ20072009243
公开日2008年12月3日 申请日期2007年10月30日 优先权日2007年10月30日
发明者孔德超, 张书云, 朱永涛, 李书蝶, 李方正, 杜章永, 毛海涛, 王庆国 申请人:河南大学