一种分布反馈式光纤激光器降噪封装的制作方法
【专利摘要】一种分布反馈式光纤激光器降噪封装，它包括呈中空筒状结构的外壳、与外壳开口端配合的外壳上盖，其特征是在外壳中设置有弯曲塑型金属底座，弯曲塑型金属底座上表面设置有C字形的塑型沟槽，塑型沟槽的弯曲直径控制在25mm至45mm之间，在外壳和弯曲塑型金属底座之间设置有减振隔音措施。
【专利说明】一种分布反馈式光纤激光器降噪封装
【技术领域】
[0001 ] 本申请涉及一种光纤激光器封装结构，尤其涉及一种降低DFB FL噪声影响的光纤激光器封装。
【背景技术】
[0002]光纤激光器(Fiber Laser)是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来:在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。分布反馈式光纤激光器(Distributed feedback fiber laser,简称DFB FL)是在一段掺杂光纤上刻写相移光栅构成的激光器,该激光器具有体积小、重量轻、输出激光线宽窄、噪声低等突出特点，被广泛应用与水听器、振动传感器以及种子光源等，是一种优质的传感元件与激光光源。目前DFB FL制作技术最早是被欧美等西方国家率先发现并制作和应用，随着我国近几年科技的飞速发展，也开始掌握了该项制作技术，如国内的山东省科学院激光研究所、中国科学院半导体研究所、武汉理工大学等，大部分制作的器件是被作为光纤水听器等传感元器件使用，作为激光光源使用还与西方国家具有较大差距，国内尚未见性能较好的该类产品出现。DFB FL光源国内技术尚未成熟的原因主要是因为激光器本身容易受到外部声波的扰动，从而破坏了原有的窄线宽和低噪声优势，无法实现稳定的产业化封装。本专利经过大量理论研究与实验，找出了 DFB FL噪声与线宽劣化的原因，研制出提高DFB FL激光质量的有效封装方式，实现了 DFB FL作为光源使用的技术突破。
【发明内容】
[0003]本申请涉及一种能降低DFB FL噪声影响的分布反馈式光纤激光器降噪封装结构。通过该专利技术，可以实现DFB FL的抗噪声干扰封装，获得稳定可靠的窄线宽光纤激光器光源。
[0004]—种分布反馈式光纤激光器降噪封装结构，它包括呈中空筒状结构的外壳、与外壳开口端配合的外壳上盖，其特征是在外壳中设置有弯曲塑型金属底座，弯曲塑型金属底座上表面设置有C字形的塑型沟槽，塑型沟槽的弯曲直径控制在25mm至45mm之间，在外壳和弯曲塑型金属底座之间设置有减振隔音措施。弯曲塑型金属底座用于容纳固定DFB FL激光器，并使其按照塑型沟槽形状摆放固定，因此塑型沟槽使得封装在内的DFB FL也形成弧形弯曲。
[0005]本方案的具体特点还有，在塑型沟槽内固定放置弯曲的DFB FL, DFB FL位于在塑型沟槽的C形弧线的中部，通过C字形塑型沟槽保持DFB FL的弯曲形状，并不受两端的拉力。DFB FL的出入纤和尾纤均需固定在塑型沟槽中，防止光纤在槽内滑动。
[0006]塑型沟槽中靠近出入纤的位置为第一固定段，第一固定段两端设置硬胶固定点、中间设置软胶固定点，软胶固定点在两个硬胶固定点中间。塑型沟槽中靠近尾纤的位置为第二固定段，第二固定段的光纤采用软胶固定的方式。这种固定方式目的是用于消除外部声波振动沿光纤传入DFB FL0塑型沟槽的两端开口处设置有圆弧状倒角，防止出口处的棱角对光纤的损伤或者施加剪切力。
[0007]在外壳中位于弯曲塑型金属底座下方设置有温控器；弯曲塑型金属底座放置于温控器上，弯曲塑型金属底座与温控器之间设置有导热硅脂，由于弯曲塑型金属底座和温控器不直接接触，而是通过一层导热硅脂间接接触，可以使得DFB FL能够工作在稳定的恒温条件下同时产生抗振动缓冲作用，保持输出波长不发生改变，同时也通过制冷降低激光器的热噪声。
[0008]减振隔音措施包括在外壳中还设置有盘纤底座，盘纤底座呈中空且一端封闭的桶状结构，盘纤底座底面的中部设置有凹槽，用于安放TEC温控器及其导线。在底面上设置有盘纤隔板，盘纤隔板位于凹槽和侧壁之间且间隔均布于一个同心圆上。盘纤隔板与盘纤底座突出的的侧壁共同构成一个半封闭腔，用于盘放多余的激光器尾纤，盘纤隔板纵截面外形为倒置L型，与盘纤底座突出的侧壁形成便于放置盘纤的半封闭盘纤空间。盘纤底座用于承载温控器和塑型金属底座，其中凹槽用于放置温控器，温控器采用TEC半导体制冷器件，形状尺寸与凹槽尺寸匹配。如图2所示，若干个光纤隔板分布呈间断圆环排列，这样可以适应不同长度的光纤尾纤盘放。
[0009]盘纤底座和外壳的侧壁上均设置有出纤孔,与将光纤连接到外部。
[0010]在外壳中位于盘纤底座下方设置有吸音棉隔层，在吸音棉隔层下方设置有金属隔层，在外壳中位于盘纤底座，吸音棉隔层和金属隔层的外围设置有用于填充空隙的吸音棉隔绝层。
[0011]盘纤底座和外壳的材质为金属。
[0012]本申请的有益效果是:
1、传统上用于降噪消除外界声波对激光器的影响主要是采用使用和增加吸音隔音介质/外壳的方法，这种方法仅仅是从外界工作条件上给器件带来降噪处理，效果不够明显和稳定。本申请通过研究DFB FL线宽劣化与外界声波的影响机理设计了弯曲封装方式，将DFB FL控制在一定的弯曲半径内，从器件根本上大大降低了对外界声波的响应灵敏度。
[0013]声波振动会严重影响DFB FL的出光性能，是DFB FL作为光源使用必须解决的大问题。本授权首次发现并使用了弯曲封装降低DFB FL对声波的响应敏感度的新方法，将DFB FL弯曲到一定的半径范围内能够极大地消除声波对激光器线宽的展宽系数，从而从根本上降低DFB FL线宽劣化。同时，外壳为高密度的金属层；外壳中填充了低密度软弹吸音棉作为吸音棉隔绝层；吸音棉隔绝层上放置一块金属隔层形成声波反射界面；金属隔层上边放置吸音棉隔层；再往上放置盘纤底座，材料为金属。由以上几层可以形成基于不同密度交替的吸音与隔音结构，形成多个阻止声波振动向内传播的反射界面以及用于吸收已进入内部声波振动的吸音层，通过构建多个吸音层与声波反射层达到声波与振动的消除，从而可以有效控制声波的侵入与干扰，从外部工作条件上降低DFB FL劣化。外壳与外壳上盖能够固定在一起，共同形成一个密闭的保护空间，并且材质为金属材料，具有一定的机械强度，保护激光器不受外部损坏。
[0014]2、在DFB FL与弯曲塑型底座固定的方式上，本申请采用了一端硬固定，另一端软固定的方式，既能够保证DFB FL的抗拉性能，又不会使得DFB FL受到应力或者拉力造成对声波灵敏度的提高。另外，不管是哪种封装降噪方式，声波都会从外界沿着光纤(固体)向内部传播，到达DFB FL后依然会对线宽产生影响，本申请特意在光纤固定的时候设置了几道消除沿纤传播声波振动的吸收点，声波传输到硬胶固定点时会遇到一层反射界面，从而产生了损耗，剩余部分继续传播遇到软胶固定点，软胶固定点能够吸收振动能量，从而衰减外部干扰的传入，再次遇到硬胶固定点后又一次形成反射界面，因此，经过一些列的反射与吸收，声波到达DFB FL时几乎所剩无几，大大提高了该结构的降噪效果。
[0015]3、除了采用弯曲封装装置从DFB FL器件根源上消除线宽劣化灵敏度以外，同时也采用了多层吸音棉与金属隔音措施，从工作环境上对噪声进行降噪处理。
[0016]4、弯曲塑型底座与TEC不直接接触，而是通过一层导热硅脂间接接触，导热硅脂呈粘稠的乳胶状，既有很好的导热性，又能起到消除振动的作用，令振动信号不能轻易通过TEC传导到弯曲塑型底座上。
[0017]5、如图6所示为常规未经过本专利设计方案封装前的DFB FL线宽RF谱随环境噪声的变化曲线，DFB FL线宽测量使用了延时自零差线宽测量法，通过获得线宽频域的RF谱来计算激光线宽值，也就是图6所示的曲线分布的半高半宽值，谱宽越大说明激光线宽越宽，单色性越差。图7是采用本专利方案后同一个DFB FL器件分别在58dB、78dB、88dB噪声环境下的测量结果，可以明显对比发现，受到外界声波扰动明显减弱，大大提高了抗干扰能力。图8是通过计算得出的封装前后同一器件在不同噪声干扰下的线宽值，更加直观地看出抗干扰能力得到极大提高，并且线宽被显著压缩。并且，该设计充分考虑到光纤激光器的保护等问题，提高了 DFB FL作为光源使用的稳定性和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为分布反馈式光纤激光器降噪封装结构示意图；图2为盘纤底座结构示意图；图3为弯曲塑型金属底座结构示意图；图4为DFB FL在弯曲塑型金属底座内的固定示意图；图5为不同的弯曲半径对激光器的线宽压缩效果；图6为封装前DFB FL分别在不同噪声干扰下获得的线宽测量RF谱；图7为封装后DFB FL分别在不同噪声干扰下获得的线宽测量RF谱；图8为封装前后线宽值效果对比图。
[0019]图中:1_外壳；2_吸音棉隔层；3_金属隔层；4_温控器；5_盘纤底座；6_出纤孔；7-出纤缓冲保护套；8_弯曲塑型金属底座；9_塑型沟槽；10_盘纤隔板；11_吸音棉隔绝层；12-外壳上盖；13_温控器出线孔；14_导线出线缓冲保护套；15_凹槽；16_出入纤；17_尾纤；18-DFB FL ;19-硬胶固定点；20_软胶固定点。
【具体实施方式】
[0020]如图1所示，一种分布反馈式光纤激光器降噪封装结构，它包括呈中空筒状结构的外壳1、与外壳I开口端配合的外壳上盖12,在外壳I中设置有弯曲塑型金属底座8,如图3所示，弯曲塑型金属底座8上表面设置有C字形的塑型沟槽9，塑型沟槽9的弯曲直径控制在25mm至45mm之间。弯曲直径与线宽的关系如图6所示,可以看出，当直径在25mm到45mm之间时，能够有效压缩激光器的线宽值，弯曲直径过大或者常规的自由放置状态均会使得激光器线宽较宽，弯曲直径过小则会造成光纤损耗过大，影响输出功率。本专利采用了 30mm直径取得了不错的效果。弯曲塑型金属底座8用于容纳固定DFB FL激光器，并使其按照塑型沟槽9形状摆放固定，因此塑型沟槽9使得封装在内的DFB FL18也形成弧形弯曲。在塑型沟槽9内固定放置弯曲的DFB FL18，DFB FL18位于C形弧线的中部。DFB FL18的出入纤16和尾纤17均需固定在塑型沟槽9中，防止DFB FL18在塑型沟槽9内滑动。
[0021]如图4所示，DFB FL被封装固定在塑型沟槽9内，并充满导热硅脂。塑型沟槽实际为呈特定弯曲形状的沟道，用于保持DFB FL的弯曲形状。塑型沟槽9中靠近出入纤16的位置为第一固定段，第一固定段两端设置硬胶固定点19、中间设置软胶固定点20固定DFBFL18，软胶固定点20在两个硬胶固定点19中间。塑型沟槽9中靠近尾纤17的位置为第二固定段，第二固定段的光纤采用软胶固定的方式。这种固定方式目的是用于消除外部声波振动沿光纤传入DFB FLlS0塑型沟槽9的两端开口处设置有圆弧状倒角；以防止对光纤形成剪切力，损坏光纤。
[0022]在外壳I中位于弯曲塑型金属底座8下方设置有温控器4 ;弯曲塑型金属底座8放置于温控器4上，弯曲塑型金属底座8与温控器4之间设置有导热硅脂，由于弯曲塑型金属底座8和温控器4不直接接触，而是通过一层导热硅脂间接接触，可以使得DFB FL18能够工作在稳定的恒温条件下，保持输出波长不发生改变，同时也通过制冷降低激光器的热噪声。
[0023]在外壳I中还设置有盘纤底座5,盘纤底座5呈中空且一端封闭的桶状结构，盘纤底座5底面的中部设置有凹槽15，在底面上设置有盘纤隔板10，盘纤隔板10位于凹槽15和侧壁之间且间隔均布于一个同心圆上。盘纤隔板10与盘纤底座5突出的的侧壁共同构成一个半封闭腔，用于盘放多余的激光器尾纤，盘纤隔板10纵截面外形为倒置L型，能够方便光纤盘放。盘纤底座5用于承载温控器4和弯曲塑型金属底座8，其中凹槽15用于放置温控器4,温控器4采用TEC半导体制冷器件(Thermo Electric Cooler, TEC),形状尺寸与凹槽15尺寸匹配。如图2所示，若干个盘纤隔板10分布呈间断圆环排列，这样可以适应不同长度的光纤尾纤盘放。盘纤底座5和外壳的侧壁上均设置有出纤孔6，与将光纤连接到外部。在外壳I中位于盘纤底座5下方设置有吸音棉隔层2,在吸音棉隔层2下方设置有金属隔层3，在外壳I中位于盘纤底座5，吸音棉隔层2和金属隔层3的外围设置有用于填充空隙的吸音棉隔绝层11。
[0024]本发明中外壳1、金属隔层3、盘纤底座5、弯曲塑型金属底座8以及外壳上盖均米用铝、铜或者不锈钢等金属材料；消音棉隔层2、吸音棉隔绝层11均采用密度较低的纤维吸音棉材料；出纤缓冲保护套7以及导线出线缓冲保护套均采用橡胶等弹性材料。
[0025]DFB FL激光器栅区长度为4cm，尾纤光纤为980HP光纤，DFB FL与弯曲塑型金属底座固定方式如图4所示，出入纤端采用固体胶固定、软胶固定、固体胶固定的软硬交替方式，在尾纤端采用多点软胶固定，固体胶在本专利实施时采用了卡夫特胶水(俗称哥俩好)，软胶采用了 705硅胶。DFB FL尾纤被盘放在盘纤底座与盘纤隔板构成的沟道内，从出纤孔经过出纤缓冲保护套输出，连接温控器的电线经过温控器出纤孔和导线出线缓冲保护套连接到外部。各个分立器件之间采用硅胶粘接，防止分立器件自由晃动。
【权利要求】
1.一种分布反馈式光纤激光器降噪封装,它包括呈中空筒状结构的外壳、与外壳开口端配合的外壳上盖，其特征是在外壳中设置有弯曲塑型金属底座，弯曲塑型金属底座上表面设置有C字形的塑型沟槽，塑型沟槽的弯曲直径控制在25mm至45mm之间，在外壳和弯曲塑型金属底座之间设置有减振隔音措施。
2.根据权利要求1所述的分布反馈式光纤激光器降噪封装，其特征是在塑型沟槽内固定放置弯曲的DFB FL,DFB FL位于在塑型沟槽的C形弧线的中部，通过C字形塑型沟槽保持DFB FL的弯曲形状，并不受两端的拉力。
3.根据权利要求1所述的分布反馈式光纤激光器降噪封装，其特征是塑型沟槽中靠近出入纤的位置为第一固定段，第一固定段两端设置硬胶固定点、中间设置软胶固定点，软胶固定点在两个硬胶固定点中间；塑型沟槽中靠近尾纤的位置为第二固定段，第二固定段的光纤采用软胶固定的方式。
4.根据权利要求1所述的分布反馈式光纤激光器降噪封装，其特征是塑型沟槽的两端开口处设置有圆弧状倒角。
5.根据权利要求1所述的分布反馈式光纤激光器降噪封装，其特征是在外壳中位于弯曲塑型金属底座下方设置有温控器；弯曲塑型金属底座放置于温控器上，弯曲塑型金属底座与温控器之间设置有导热硅脂。
6.根据权利要求1所述的分布反馈式光纤激光器降噪封装，其特征是减振隔音措施包括在外壳中还设置有盘纤底座，盘纤底座呈中空且一端封闭的桶状结构，盘纤底座底面的中部设置有安放TEC温控器及其导线的凹槽，在底面上设置有盘纤隔板，盘纤隔板位于凹槽和侧壁之间且间隔均布于一个同心圆上。
7.根据权利要求6所述的分布反馈式光纤激光器降噪封装，其特征是盘纤隔板与盘纤底座突出的侧壁之间用于盘放多余的激光器尾纤，盘纤隔板纵截面外形为倒置L型，与盘纤底座突出的侧壁形成便于放置盘纤的半封闭盘纤空间。
8.根据权利要求6所述的分布反馈式光纤激光器降噪封装，其特征是盘纤底座和外壳的侧壁上均设置有出纤孔，与将光纤连接到外部。
9.根据权利要求6所述的分布反馈式光纤激光器降噪封装，其特征是在外壳中位于盘纤底座下方设置有吸音棉隔层，在吸音棉隔层下方设置有金属隔层，吸音棉隔层和金属隔层的外围设置有用于填充空隙的吸音棉隔绝层。
10.根据权利要求6所述的分布反馈式光纤激光器降噪封装，其特征是盘纤底座和外壳的材质为金属。
【文档编号】H01S3/02GK104201544SQ201410399215
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2014年8月14日
【发明者】倪家升, 王昌, 彭纲定, 郭健, 王英英, 祁海峰, 宋志强, 张发祥, 王蒙 申请人:山东省科学院激光研究所