专利名称：具有单模光纤耦合及空间滤波器的激光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光二极管，特别是一种具有单模光纤耦合及空间滤波器的激光二极管，特别涉及高束腰比(大于1，小于等于8)高功率(连续输出≤8瓦)单模光纤耦合及空间滤波的多模激光二极管。
背景技术：
激光二极管(以下简称LD)是目前应用最广泛的光电子器件之一。它被应用于许多领域，比如光盘存取、激光打印、CD-ROM驱动、光刻机、条码扫描、光纤通信、空间激光通信以及医用等领域。在这些领域，都要求光束具有高功率高亮度以及近平行、近圆形、低束散、无像差、强度均匀分布的特性。为了适合这些应用，经单模光纤空间滤波输出的光束为后光学系统的准直、成像或聚焦的光学输入端不失为一种良好的解决办法。针对目前商用的单模LD的光输出功率过低，仅限于几百毫瓦，而采用高束腰比(＞2)高功率(连续输出≤4瓦)的多模LD尤其适合这种应用。它与单模光纤的高效耦合能大大提高输出功率的平均功率密度，比典型的高功率掺钕钇铝石榴石(NdYAG)激光器多模光纤耦合输出都高出10多倍。因此，高束腰比高功率LD经单模光纤的高效耦合并进行空间模式滤波是极具应用前景的。
多模LD与单模光纤的耦合，突出的问题是耦合效率低。这是由于这种LD的快慢轴的束散差异大，束斑严重不对称且快轴方向光束与单模光纤的小数值孔径(NA＝0.11)失配所导致的。在先技术(参见JOURNAL OFLIGHTWAVE TECHNOLOGY.VOL.19，NO.12，December 2001.P1910～1917)采用楔形渐变光纤端面做成适当半径的微柱面透镜紧靠在单模光纤前端的耦合结构。这种结构校正了相面失配，获得了对980nm波长束腰比为3的LD与单模光纤的耦合，其最大效率为50％。
发明内容
为了解决在先技术中耦合效率不高，且只适合校正小束腰比(≤3)等问题，本发明提供一种具有单模光纤耦合及空间滤波器的激光二极管，它应具有更高的耦合效率和更大腰束比的高功率激光输出。
为了实现上述目的，本发明基本结构是用一个在弧矢面和子午面的面型不同的非球面准直模块准直高束腰比LD的激光束，准直模块的前表面在弧矢面内的投影是双曲线，它用来准直LD快轴激光束，并校正弯曲相面成近平面相面，消除准直光束的像差；准直模块的后端表面在弧矢面内的投影为一直线。准直模块的前表面在子午面内的投影近似为半圆，准直模块的后表面在子午面内的投影具有椭圆的曲率分布，它们准直LD慢轴的激光束，缩小束散和束尺寸，配合快轴的准直作用，使准直光束成为去像差、消像散的近平行、圆形的激光束。再通过渐变折射率(GRIN)自聚焦透镜聚焦到单模光纤，完成高效耦合。
本发明的具体技术解决方案如下一种具有单模光纤耦合及空间滤波器的激光二极管，其构成包括带有管壳电极的管座和耦合主撑件，在该耦合主撑件的内腔和管座的中心轴线上依次置有半导体制冷器、散热铜块、热沉铜块、激光二极管、耦合距离控制件、准直模块、自聚焦透镜和光纤耦合头；所述的激光二极管、准直模块、自聚焦透镜及光纤耦合头同光轴，所述的准直模块是由弧矢面的面型不同于子午面面型的前非球面透镜和弧矢面的面型不同于子午面面型的后非球面透镜构成的，该准直模块的前非球面透镜和后非球面透镜在弧矢面内的投影分别为双曲线和直线，而在子午面内的投影分别为半圆和半椭圆曲线，该准直模块的输入端面和输出端面均镀有对激光二极管的发光波长的增透膜，该准直模块的输入端的非球面透镜正对所述的激光二极管的发光面，该准直模块的输出端为非球面透镜，正对所述的自聚焦透镜。
所述的散热铜块和热沉铜块连成一体，在该散热铜块的一侧分别有孔以置放热敏电阻，在激光二极管的发光面上一侧有光监控器，所述的准直模块的输入端面通过耦合距离控制件与激光二极管的发光面相对，在热沉铜块的右表面上沿其中心轴线上有一半圆形的凹槽，所述的光纤耦合头置于该凹槽内并由耦合固定头和固定马夹固定在耦合主撑件内，在固定马夹、耦合固定头和热沉铜块上的凹槽(16)之间填满填充料构成填充层。
所述的激光二极管的发光面到准直模块输入端面之间的耦合距离d由耦合距离控制件来控制，耦合距离d控制在d≤198μm。
所述的自聚焦透镜是折射率渐变的，它的节长Pt＝0.25，该自聚焦透镜的输出端面即是单模光纤的输入端面，该自聚焦透镜的两端面均镀有对激光二极管工作波长的增透膜。
所述的耦合固定头的中心位置正是光纤前端的光纤耦合头。
所述的光纤的外圆上套有细管套，在该细管套的外圆上套有金属管套，在光纤的外圆与细管套之间及在细管套外圆与金属管套之间均有固定密封层，该光纤的另一端伸出耦合主撑件之外，靠近该耦合主撑件的一端在光纤外圈上套有铜管，在光纤外圆与铜管之间有热缩管，该光纤的尾端具有带连接头芯的连接头。
所述的光纤耦合头的光纤输入端面的倾斜角β的取值范围为6°＜β≤8°。
所述的固定马夹、耦合固定头与热沉铜块上的凹槽之间的填充层是锡焊加环氧树脂胶层构成的，在光纤外圆与细管套之间和在细管套外圆与金属管套之间的固定密封层是锡焊加环氧树脂胶层构成的。
所述的固定马夹是科伐制成的所述的细管套是石英细管或玻璃毛细管。
本发明的具有单模光纤耦合及空间滤波器的激光二极管的具体结构包括以带有管壳电极1的管座2和耦合主撑件3，在耦合主撑件3内的管座2上置有半导体制冷器4，在半导体制冷器4上放有连成一体的散热铜块5和热沉铜块6。在散热铜块5上置有热敏电阻的孔7和光监控器11。在热沉铜块6上置有中心位于管座2和耦合主撑件3中心轴线上的激光二极管8。对着LD8的发光面，置有中心点在耦合主撑件3中心轴线的准直模块10。在准直模块10与光纤耦合头13之间置有自聚焦透镜12。在准直模块10输入端面与LD8发光面之间置有耦合距离控制件9。在热沉铜块6右半部分的上表面上沿这一中心轴线上有一半圆形的凹槽16。光纤耦合头13由置于凹槽16内的耦合固定头20和固定马夹14固定在热沉铜块6上。为了固定得更好，在固定马夹14、耦合固定头20与热沉铜块6上的凹槽16之间填满填充料构成填充层15。上述的LD8、准直模块10、自聚焦透镜12以及光纤耦合头13的光轴均为同一光轴。如图1所示。
所说的准直模块10是由弧矢面的面型不同于子午面面型的前非球面透镜101和弧矢面的面型不同于子午面面型的后非球面透镜102构成的。如图3所示。准直模块10的前非球面透镜101和后非球面透镜102在弧矢面内的投影如图4所示，分别对应双曲线和直线，其中双曲线的实轴、虚轴的取值范围分别为81μm≤A≤402μm，85μm≤B≤427μm。准直模块10的前非球面透镜101和后非球面透镜102在子午面内的投影如图5所示，分别对应半圆和半椭圆曲线。对应半圆的半径范围177μm≤R≤968μm，而对应半椭圆长、短轴的长度范围691μm≤C2≤886μm、503μm≤D2≤645μm。准直模块10的输入和输出端面均镀有对LD8发光波长的增透膜。准直模块10中对着LD8发光面的一端，是输入端非球面透镜101，而输出端为非球面透镜102。
所说的LD8的工作波长λ780nm～830nm，其束腰比(≤8)，连续输出≤4瓦。它的发光面到准直模块10输入端面之间的耦合距离d控制在d≤198μm。此耦合距离d由LD8发光面与准直模块10输入端面之间的耦合距离控制件9来控制。
所说的自聚焦透镜12是折射率渐变的。它的节长0.23＜Pt≤0.25，工作波长λ780nm～830nm。自聚焦透镜12的输出端面即是单模光纤的输入端面。自聚焦透镜12的两端均镀有对LD8工作波长的增透膜。
所说的耦合固定头20的中心位置下是光纤23。光纤23是标准熔融硅突变折射率单模光纤。光纤23前端带光纤耦合头13。光纤23外圆上套有细管套18。在细管套18的外圆上套有金属管套17。在光纤23的外圆与细管套18之间，以及在细管套18外圆与金属管套17之间均有固定密封层19。光纤23的另一端伸到管座2外，靠近管座2的一端在光纤23外圈上套有铜管21，在光纤23外圆与铜管21之间有热缩管22。在伸到管座2外侧面的光纤23的尾端上有带连接头芯25的连接头24。如图1、图2所示。
所说的光纤耦合输入头13的光纤输入端面的倾斜角β为6°＜β≤8°。
所说的固定马夹14，耦合固定头20与热沉铜块6上的凹槽16之间填充层15是焊锡和环氧树脂胶层。
所说的在光纤23外圆与细管套18之间和在细管套18外圆与金属管套17之间的固定密封层19是由焊锡和环氧树脂构成的。
所说的固定马夹14是科伐制成的。
所说的细管套18是石英细管或玻璃毛细管。
所说的连接头24是标准FC。
关于本发明的管座2的散热容量要求匹配LD8稳定可靠工作所需的制冷器4的大小。
关于本发明的耦合主撑件3，用于支撑中心定位准直模块10、凹槽16和自聚焦透镜12，通过LD8的激光束调整光轴一致。
关于本发明的准直模块10，如图3所示结构。是由前、后面型结构不同的非球面透镜101和102集成一体的。前非球面透镜101在弧矢面的投影有最佳化的双曲线曲率分布，它准直LD8的快轴(θ⊥)束散，并消除LD8激光束快轴的像差，使得弧矢方向的激光束成平行光束；前非球面透镜101在子午面的投影近似半圆，它使LD8慢轴方向的激光束适当发散。后非球面透镜102在子午面有最佳的椭圆曲率分布，联合前非球面透镜101对子午面激光束的发散作用，使得激光束成近似对称的圆形出射；而后非球面透镜在弧矢面内的投影是直线，它保证了光束在这个面的平行出射。本发明的这种准直模块补偿了激光束的快轴和慢轴的像散，从而准直了激光束。
关于本发明的渐变自聚透镜12，两端面均对LD8的工作波长镀有增透膜，其焦斑大小与单模光纤23的本征模斑相匹配，且聚焦点落在紧贴输出端的端面处。
关于本发明的耦合固定头20，为了耦合固定，把耦合固定头20做成如图2所示结构，耦合损耗最小，尾纤输出光功率几乎与未加固定前耦合时一样，即光纤23的固定结构不引入耦合损耗。
关于本发明的光纤耦合输入头13，严格共轴的固定在凹槽16中，其耦合输入端面研磨抛光成6°～8°倾角，以减少对来自LD8入射光的反射损耗，提高耦合效率。
关于本发明的光纤23，是标准熔融硅突变折射率单模光纤，它兼有耦合、传输、空间模式滤波的多重作用，只有能激发单模光纤本征模(LP01)的光束才能被传播，它能滤除噪声，净化模式，经它滤波后，在光纤连接头24的连接芯头25中将得到理想的高斯光束。
本发明利用准直模块10结构的巧妙性，集消像差，去像散的作用于一身，使准直后的光束在快、慢轴都接近理想平面波状态，且近圆形输出；也正因其有这样的结构，从而比在先技术更好地解决了高束腰比(≤8)LD与单模光纤耦合的技术难题。其耦合效率50％＜η≤76％，提高了输出功率。此外，本发明也适用于小腰束比高功率单模LD与单模光纤的耦合，故本发明的应用潜力很大。
本发明内建半导体制冷器4和光监控器11，具有制冷、控功率等功能，使得高功率LD能稳定可靠工作。本发明在尾纤端附加了标准连接头24，便于本发明与应用系统的对接，这大大扩大了本发明的应用范围。本发明的结构紧凑合理，小型轻便，并有大的耦合工作距离(d≤198μm)，耦合时操作方便，有易于产业化的优势。
本发明具有单模光纤耦合及空间滤波器的激光二极管，由于单模光纤的空间模式滤波作用，使得光束为基模(PL01)输出，准直模块具有特殊结构，集消像差，去像散的作用于一身，使准直后的光束在快、慢轴都接近理想平面波状态，且近圆形光斑输出，这对提高激光输出光束特性极为有利，耦合效率50％～76％。
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明耦合固定头20的剖示结构示意图。
图3是本发明准直模块10的结构示意图。
图4是本发明准直模块10在弧矢面内的投影示意图。
图5是本发明准直模块10在子午面内的投影示意图。
具体实施例方式
先请参阅图1、2、3，由图可见，本发明具有单模光纤耦合及空间滤波器的激光二极管的构成包括带有管壳电极1的管座2和耦合主撑件3，在耦合主撑件3内腔和管座2的中心轴线上依次置有半导体制冷器4、散热铜块5、热沉铜块6、激光二极管8、耦合距离控制件9、准直模块10、自聚焦透镜12和光纤耦合头13；所述的激光二极管8、准直模块10、自聚焦透镜12以及光纤耦合头13同光轴，所述的准直模块10是由弧矢面的面型不同于子午面面型的前非球面透镜101和弧矢面的面型不同于子午面面型的后非球面透镜102构成的，该准直模块10的前非球面透镜101和后非球面透镜102在弧矢面内的投影分别为双曲线和直线，所述的前非球面透镜101和后非球面透镜102在子午面内的投影分别为半圆和半椭圆曲线，如图4和图5所示，该准直模块10的输入端面和输出端面均镀有对激光二极管8的发光波长的增透膜，该准直模块10的输入端的非球面透镜101正对所述的激光二极管8的发光面，该准直模块10的输出端为非球面透镜102，正对所述的自聚焦透镜12。
所述的散热铜块5和热沉铜块6连成一体，在该散热铜块5的一侧分别设有孔以置放热敏电阻7，在激光二极管8的发光面上一侧有光监控器11，所述的准直模块10的输入端面通过耦合距离控制件9与激光二极管8的发光面相对，在热沉铜块6的右表面上沿其中心轴线上有一半圆形的凹槽16，所述的光纤耦合头13置于该凹槽16内并由耦合固定头20和固定马夹14固定在耦合主撑件3内，在固定马夹14、耦合固定头20与热沉铜块6上的凹槽16之间填满填充料构成填充层15。
所述的激光二极管8的发光面到准直模块10输入端面之间的耦合距离d由耦合距离控制件9来控制，耦合距离d控制在d≤198μm。
所述的自聚焦透镜12是折射率渐变的，它的节长Pt＝0.25，该自聚焦透镜12的输出端面即是单模光纤23的输入端面，该自聚焦透镜12的两端面均镀有对激光二极管8工作波长的增透膜。
所述的耦合固定头20的中心位置正是光纤23前端的光纤耦合头13。
所述的光纤23的外圆上套有细管套18，在该细管套18的外圆上套有金属管套17，在光纤23的外圆与细管套18之间及在细管套18外圆与金属管套17之间均有固定密封层19)该光纤23的另一端伸出耦合主撑件3之外，靠近该耦合主撑件3的一端在光纤23外圈上套有铜管21，在光纤23外圆与铜管21之间有热缩管22，该光纤23的尾端具有带连接头芯25的连接头24。
所述的光纤耦合头13的光纤输入端面的倾斜角β的取值范围为6°＜β≤8°。
所述的固定马夹14、耦合固定头20与热沉铜块6上的凹槽16之间的填充层15是锡焊加环氧树脂胶层构成的，在光纤23外圆与细管套18之间和在细管套18外圆与金属管套17之间的固定密封层19是锡焊加环氧树脂胶层构成的。
所述的固定马夹14是科伐制成的所述的细管套是石英细管或玻璃毛细管。
本发明的优选实施例的单模光纤、高束腰比高功率激光二极管8、准直模块10、自聚焦透镜12和耦合滤波器的性能参数如下表所列。
下面是本发明的三个实施例的列表。
实施例1
实施例2
实施例3
综上所述，本发明具有单模光纤耦合及空间滤波器的激光二极管，由于单模光纤的空间模式滤波作用，使得光束为基模(PL01)输出，准直模块具有特殊结构，集消像差，去像散的作用于一身，使准直后的光束在快、慢轴都接近理想平面波状态，且近圆形光斑输出，这对提高激光输出光束特性极为有利，耦合效率50％～76％。
权利要求
1.一种具有单模光纤耦合及空间滤波器的激光二极管，特征在于其构成包括带有管壳电极(1)的管座(2)和耦合主撑件(3)，在耦合主撑件(3)内腔和管座(2)的中心轴线上依次置有半导体制冷器(4)、散热铜块(5)、热沉铜块(6)、激光二极管(8)、耦合距离控制件(9)、准直模块(10)、自聚焦透镜(12)和光纤耦合头(13)；所述的激光二极管(8)、准直模块(10)、自聚焦透镜(12)以及光纤耦合头(13)同光轴，所述的准直模块(10)是由弧矢面的面型不同于子午面面型的前非球面透镜(101)和弧矢面的面型不同于子午面面型的后非球面透镜(102)构成的，该准直模块(10)的前非球面透镜(101)和后非球面透镜(102)在弧矢面内的投影分别为双曲线和直线，所述的前非球面透镜(101)和后非球面透镜(102)在子午面内的投影分别为半圆和半椭圆曲线，该准直模块(10)的输入端面和输出端面均镀有对激光二极管(8)的发光波长的增透膜，该准直模块(10)的输入端的非球面透镜(101)正对所述的激光二极管(8)的发光面，该准直模块(10)的输出端为非球面透镜(102)，正对所述的自聚焦透镜(12)。
2.根据权利要求1所述的激光二极管单模光纤耦合器，其特征在于所述的散热铜块(5)和热沉铜块(6)连成一体，在该散热铜块(5)的一侧分别设有孔以置放热敏电阻(7)，在激光二极管(8)的发光面上一侧有光监控器(11)，所述的准直模块(10)的输入端面通过耦合距离控制件(9)与激光二极管(8)的发光面相对，在热沉铜块(6)的右表面上沿其中心轴线上有一半圆形的凹槽(16)，所述的光纤耦合头(13)置于该凹槽(16)内并由耦合固定头(20)和固定马夹(14)固定在耦合主撑件(3)内，在固定马夹(14)、耦合固定头(20)与热沉铜块(6)上的凹槽(16)之间填满填充料构成填充层(15)。
3.根据权利要求1所述的激光二极管单模光纤耦合器，其特征在于所述的激光二极管(8)的发光面到准直模块(10)输入端面之间的耦合距离d由耦合距离控制件(9)来控制，耦合距离d控制在d≤198μm。
4.根据权利要求1所述的激光二极管单模光纤耦合器，其特征在于所述的自聚焦透镜(12)是折射率渐变的，它的节长Pt＝0.25，该自聚焦透镜(12)的输出端面即是单模光纤(23)的输入端面，该自聚焦透镜(12)的两端面均镀有对激光二极管(8)工作波长的增透膜。
5.根据权利要求1所述的激光二极管单模光纤耦合器，其特征在于所述的耦合固定头(20)的中心位置正是光纤(23)前端的光纤耦合头(13)。
6.根据权利要求1所述的激光二极管单模光纤耦合器，其特征在于所述的光纤(23)的外圆上套有细管套(18)，在该细管套(18)的外圆上套有金属管套(17)，在光纤(23)的外圆与细管套(18)之间及在细管套(18)外圆与金属管套(17)之间均有固定密封层(19)，该光纤(23)的另一端伸出耦合主撑件(3)之外，靠近该耦合主撑件(3)的一端在光纤(23)外圈上套有铜管(21)，在光纤(23)外圆与铜管(21)之间有热缩管(22)，该光纤(23)的尾端具有带连接头芯(25)的连接头(24)。
7.根据权利要求1所述的激光二极管单模光纤耦合器，其特征在于所述的光纤耦合头(13)的光纤输入端面的倾斜角β的取值范围为6°＜β＜8°。
8.根据权利要求1所述的激光二极管单模光纤耦合器，其特征在于所述的固定马夹(14)、耦合固定头(20)与热沉铜块(6)上的凹槽(16)之间的填充层(15)是锡焊加环氧树脂胶层构成的，在光纤(23)外圆与细管套(18)之间和在细管套(18)外圆与金属管套(17)之间的固定密封层(19)是锡焊加环氧树脂胶层构成的。
9.根据权利要求1所述的激光二极管单模光纤耦合器，其特征在于所述的固定马夹(14)是科伐制成的
10.根据权利要求1之9任一项所述的激光二极管单模光纤耦合器，其特征在于所述的细管套(18)是石英细管或玻璃毛细管。
全文摘要
一种具有单模光纤耦合及空间滤波器的激光二极管，主要是用一个在弧矢面和子午面的面型不同的非球面准直模块准直高束腰比LD的激光束，准直模块的前表面在弧矢面内的投影是双曲线，它用来准直LD快轴激光束，并校正弯曲相面成近平面相面，消除准直光束的像差；准直模块的后端表面在弧矢面内的投影为一直线。准直模块的前表面在子午面内的投影近似为半圆，准直模块的后表面在子午面内的投影具有椭圆的曲率分布，它们准直LD慢轴的激光束，缩小束散和束尺寸，配合快轴的准直作用，使准直光束成为去像差、消像散的近平行、圆形的激光束。再通过渐变折射率自聚焦透镜聚焦，完成高效耦合。本发明的耦合效率50％～76％，结构紧凑合理，操作方便，易于产业化。
文档编号H01S5/024GK1658452SQ20051002417
公开日2005年8月24日 申请日期2005年3月2日 优先权日2005年3月2日
发明者刘宏展, 刘立人, 胡衍芝, 徐荣伟, 栾竹 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所