專利名稱：適用活動(dòng)光纖連接頭的光纖耦合結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型應(yīng)用于通過(guò)光纖耦合輸出的激光器件，通過(guò)它可以將激光，尤其是半導(dǎo)體激光，耦合進(jìn)可插拔更換的光纖，屬于激光和應(yīng)用光學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，大多數(shù)通過(guò)光纖耦合輸出的激光器件，特別是半導(dǎo)體激光模塊，其輸出光纖通過(guò)焊接或粘接與模塊外殼固定，光纖不能夠更換。當(dāng)需要更換不同型號(hào)光纖而又無(wú)法熔接的時(shí)候，整個(gè)器件就無(wú)法使用。另外一種常見(jiàn)的情況是使用過(guò)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(gè)激光器報(bào)廢或返修。隨著激光器性能的不斷提高，尤其是半導(dǎo)體激光器性能的迅速提高，越來(lái)越多的高功率激光應(yīng)用在醫(yī)療、材料加工等領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中，光纖的可更換性是一個(gè)重要的應(yīng)用需求。不少生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)并提供了使用可插拔更換的活動(dòng)光纖連接頭的光纖耦合激光器。常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是在激光器外殼側(cè)壁上開(kāi)孔，安裝一個(gè)連接頭插座，調(diào)整它的位置并固定在外殼上,讓光纖插針插入連接頭插座之后,光纖插針端面正好位于殼體內(nèi)部激光經(jīng)過(guò)光束整形、聚焦后的焦點(diǎn)位置。200820180692. 2號(hào)專利針對(duì)半導(dǎo)體激光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(kāi)口管中的結(jié)構(gòu)，將插座和透鏡事先安裝到一起，結(jié)構(gòu)比較緊湊。隨著激光功率越來(lái)大，內(nèi)部光路越來(lái)越復(fù)雜，已有的這些將連接頭插座固定在封裝外殼側(cè)壁上的方案凸顯出兩點(diǎn)不足。第一，在工作時(shí)因?yàn)楦鞣N環(huán)境因素的變化，特別是散熱條件的變化，會(huì)在外殼上產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致形變，在這種情況下光纖耦合點(diǎn)的位置就會(huì)變化，不再保持在最高耦合效率點(diǎn)，導(dǎo)致耦合效率下降，而這種形變往往是不可預(yù)測(cè)的，結(jié)果就是輸出功率的下降和不穩(wěn)定。第二，由于光纖耦合的效率不可能是百分之百，總會(huì)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泄漏模的形式耗散掉，產(chǎn)生熱量。當(dāng)激光器功率比較高時(shí)，這種熱量會(huì)成為一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。由于連接頭插座安裝在管壁上，通常管壁不會(huì)很厚，有時(shí)還會(huì)采用低導(dǎo)熱率的金屬來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接密封，因此從光纖插針到激光模塊的散熱部分，通常是底板，之間的導(dǎo)熱通道非常狹窄，也就是說(shuō)熱阻非常大，這導(dǎo)致了光纖連接頭產(chǎn)生的熱量無(wú)法從連接頭插座上有效地散掉，連接頭插座的溫度將會(huì)升得非常高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀連接頭和光纖，帶來(lái)可靠性問(wèn)題。因此，需要設(shè)計(jì)一種更適合高功率激光應(yīng)用的適用活動(dòng)光纖連接頭的光纖耦合結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供了一種適用活動(dòng)光纖連接頭的光纖耦合結(jié)構(gòu)。如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由一個(gè)特制的光纖連接頭插座1、透鏡2和支持座3構(gòu)成，用在激光模塊的出光端，能夠?qū)⒛K內(nèi)部經(jīng)整形、準(zhǔn)直后的激光束9高效耦合到光纖中。這個(gè)結(jié)構(gòu)能夠解決光纖耦合點(diǎn)位置變化以及在大功率條件下光纖連接頭的散熱問(wèn)題。[0008]光纖連接頭插座I接受活動(dòng)光纖連接頭7插入和拔出的一端為外側(cè)，另外一端為內(nèi)側(cè)，見(jiàn)圖3?？梢葬槍?duì)各種標(biāo)準(zhǔn)活動(dòng)光纖連接頭來(lái)設(shè)計(jì)其外側(cè)光纖插入端的內(nèi)孔和緊固結(jié)構(gòu)，以做到良好的匹配，常見(jiàn)的有SMA905、SC、ST、FC等標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。也可以針對(duì)特殊的需求來(lái)設(shè)計(jì)能匹配非標(biāo)準(zhǔn)連接頭的結(jié)構(gòu)。具體來(lái)講，光纖連接頭插座外側(cè)光纖插入端的內(nèi)孔直徑必須和相應(yīng)的活動(dòng)光纖連接頭的插針外徑為緊密配合，由于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(nèi)孔和光纖就能保證同軸。光纖連接頭插座I的內(nèi)側(cè)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(lái)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(nèi)側(cè)的內(nèi)孔，即插座內(nèi)側(cè)的孔直徑與透鏡或透鏡組的外徑為密配合。當(dāng)透鏡或透鏡組的直徑比較大，無(wú)法直接安裝在透鏡座內(nèi)側(cè)孔內(nèi)時(shí)，也可以用一個(gè)透鏡座11，將透鏡或透鏡組安裝在透鏡座內(nèi)，再將透鏡座安裝在插座內(nèi)側(cè)。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3和圖4。安裝好透鏡的光纖連接頭插座，它的外側(cè)內(nèi)孔與透鏡為同軸。當(dāng)活動(dòng)光纖連接頭的插針插入插座外側(cè)內(nèi)孔后，透鏡與光纖就同軸了。當(dāng)插針端面位于透鏡的焦平面上，并且模塊內(nèi)部向插座內(nèi)側(cè)射來(lái)的經(jīng)整形的激光束與透鏡和光纖同軸時(shí)，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(nèi)的位置，必須滿足插針端面位于透鏡的焦平面位置的條件，可以采用一個(gè)限位環(huán)10來(lái)固定插針的位置。限位環(huán)10安裝在外側(cè)內(nèi)孔中，它的一側(cè)位于焦平面位置，插針只要頂緊限位環(huán)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(jīng)表面金屬化的陶瓷材料制成，其下表面通過(guò)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(jiàn)圖2所示。光纖連接頭插座I通過(guò)焊接或膠粘的方式固定在支持座3上表面的凹槽中。若采用膠粘，必須選用高導(dǎo)熱率的膠。連接頭插座中產(chǎn)生的熱量先后通過(guò)金屬焊料或者高導(dǎo)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(dǎo)到散熱底板5上。這種方式，比通過(guò)管壁導(dǎo)熱的方式，其導(dǎo)熱通道更大，熱阻更小，其結(jié)果就是在大功率激光耦合時(shí)，活動(dòng)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(jiǎn)單可靠。相比200820180692. 2號(hào)專利所采用的由開(kāi)口管注入釬焊料的方式，本實(shí)用新型所述方案中采用的是帶有凹槽的支持座，其上方是開(kāi)放結(jié)構(gòu)，當(dāng)光纖連接頭插座的位置固定好之后，注入釬焊料或者膠的時(shí)候，焊料或者膠使用量更少，而且更容易流滿凹槽，獲得無(wú)空隙的焊接或膠粘的結(jié)果，使導(dǎo)熱效果最佳，而且沒(méi)有空隙導(dǎo)致的不平衡的應(yīng)力。通常情況下，光纖輸出激光模塊的光學(xué)系統(tǒng)和激光器都固定在散熱底板上，本實(shí)用新型方案的支持座3可以與模塊內(nèi)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于環(huán)境變化導(dǎo)致的外殼變形引起的耦合點(diǎn)漂移，因此用這種方案制作的激光器模塊，其輸出功率更加穩(wěn)定。

圖1為本實(shí)用新型的典型結(jié)構(gòu)圖，圖中畫(huà)出了激光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(nèi)側(cè)端，活動(dòng)光纖連接頭7的插針插入到位，并且由限位環(huán)10固定插針的位置，成為一個(gè)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(nèi)側(cè)端，活動(dòng)光纖連接頭7的插針插入到位，并且由限位環(huán)10固定插針的位置，成為一個(gè)插座-光纖組件。
具體實(shí)施方式
圖1為一個(gè)實(shí)施例，它只顯示了激光模塊的耦合輸出部分。安裝的過(guò)程如下。先將透鏡2直接安裝到光纖連接頭插座I的內(nèi)側(cè)，再將一個(gè)限位環(huán)10安裝到位并用膠固定，再將連接了光纖8的活動(dòng)光纖連接頭7從插座I的外側(cè)插入，頂緊限位環(huán)10，成為一個(gè)如圖3所示的插座-光纖組件。光纖連接頭插座I外側(cè)孔的直徑和活動(dòng)光纖連接頭7的插針外徑緊密配合，安裝透鏡2的內(nèi)側(cè)孔必須和外側(cè)孔同軸，以保證活動(dòng)光纖連接頭7的光纖插針與透鏡同軸。當(dāng)然，可以將插座I的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成為當(dāng)活動(dòng)光纖連接頭的插針部分完全插入內(nèi)孔后，其端面正好位于透鏡焦平面上，這樣的話，也可以不需要限位環(huán)10。但問(wèn)題是實(shí)際使用當(dāng)中，由于制作加工原因，光纖插針的長(zhǎng)度并不能保證固定一致，所以如果不用限位環(huán)，插針端面的位置就會(huì)偏離透鏡焦平面，從而降低耦合效率，整個(gè)器件的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)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，用釬焊料或者膠固定到激光模塊的散熱底板5上。模塊內(nèi)部經(jīng)過(guò)整形后的光束9對(duì)準(zhǔn)模塊外殼側(cè)壁4上的開(kāi)孔12，這個(gè)開(kāi)孔12的直徑要大于插座插入殼體部分的外徑并留出足夠的調(diào)整空間。將上述插座-光纖組件從孔12中部分插入激光模塊內(nèi)部，位于支持座3的V槽之上。將插座-光纖組件連接一個(gè)多維調(diào)節(jié)裝置，調(diào)整它的位置、角度，使光束9的能量耦合進(jìn)光纖8中，并得到最高的耦合效率，這時(shí)插座I的位置即為最佳位置。將焊錫融化后順支持座3的V槽和插座I之間的縫隙灌入，注意兩側(cè)焊錫注入均勻，形成密實(shí)填充V槽、內(nèi)部無(wú)空泡的焊點(diǎn)6。如果支持座3使用焊錫固定到底座5上，那么要注意在焊接插座I的時(shí)候時(shí)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(dǎo)致位置變化。焊接完畢后，拆掉調(diào)節(jié)裝置，用膠填滿外殼側(cè)壁4上開(kāi)孔12和光纖連接頭插座I之間的空隙以達(dá)到密封的目的，再拔出活動(dòng)光纖連接頭7，整個(gè)安裝步驟即告完成。如果根據(jù)激光束和光纖的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)選用的耦合透鏡2直徑比較大，則可以采用另外一種方法安裝透鏡，如圖4所示。采用一個(gè)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(jìn)光纖連接頭插座I的內(nèi)側(cè)孔中。透鏡座需要精密加工，以保證將其插入插座I的內(nèi)側(cè)孔后，透鏡2與插座I外側(cè)的內(nèi)孔同軸，也就是與插入的活動(dòng)光纖連接頭7的插針和光纖同軸。
權(quán)利要求1.適用活動(dòng)光纖連接頭的光纖耦合結(jié)構(gòu)，由光纖連接頭插座、透鏡、支持座構(gòu)成，其特征為該插座外側(cè)與活動(dòng)光纖連接頭匹配，內(nèi)側(cè)安裝有透鏡，光纖連接頭插座固定在支持座上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用活動(dòng)光纖連接頭的光纖耦合結(jié)構(gòu)，其特征為支持座為金屬或陶瓷材料制成，固定在底板上并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；光纖連接頭插座位于支持座凹槽中，用金屬焊料或膠固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用活動(dòng)光纖連接頭的光纖耦合結(jié)構(gòu)，其特征為所述的光纖連接頭插座的內(nèi)孔和緊固結(jié)構(gòu)，可以與SMA905、SC、ST、FC型標(biāo)準(zhǔn)活動(dòng)光纖連接頭中的任意一種相匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用活動(dòng)光纖連接頭的光纖耦合結(jié)構(gòu)，其特征為透鏡為球面、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(nèi)側(cè)的內(nèi)孔固定，或透鏡先安裝在一個(gè)透鏡座上，透鏡座再安裝到光纖連接頭插座內(nèi)側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的適用活動(dòng)光纖連接頭的光纖耦合結(jié)構(gòu)，其特征為透鏡與光纖連接頭插座外側(cè)的內(nèi)孔同軸，活動(dòng)光纖連接頭插針插入光纖連接頭插座后，插針端面位于透鏡的焦平面上，透鏡、光纖與經(jīng)整形后射到光纖連接頭插座內(nèi)側(cè)的激光束同軸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用活動(dòng)光纖連接頭的光纖耦合結(jié)構(gòu)，其特征為光纖連接頭插針插入光纖連接頭插座內(nèi)的位置可以用一個(gè)限位環(huán)來(lái)固定。
專利摘要適用活動(dòng)光纖連接頭的光纖耦合結(jié)構(gòu)，用于光纖輸出的激光器，尤其是半導(dǎo)體激光器模塊中。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，可以將激光模塊內(nèi)部經(jīng)整形的激光束聚焦到活動(dòng)光纖連接頭的光纖端面上，實(shí)現(xiàn)光纖耦合。光纖連接頭插座固定在一個(gè)表面有凹槽的支持座的凹槽中，支持座安裝在激光器散熱底板上。整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便，同時(shí)該結(jié)構(gòu)有利于將大功率激光耦合時(shí)產(chǎn)生的熱量通過(guò)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(shí)減小耦合點(diǎn)受環(huán)境影響所產(chǎn)生的漂移，提高工作穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01S5/068GK202886656SQ20122036705
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者韓靜 申請(qǐng)人:北京大族天成半導(dǎo)體技術(shù)有限公司