CN101326456A - 连接激光器与光纤的光学组合 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种光学组合(1)，它包括光学包装(3)和准直器(7)，该光学包装(3)有带孔(5)的壁(4a)并包含能通过该孔(5)发射激光束(LB)的激光器装置(2)；该准直器(7)包含规定第一(8a)及第二端(8b)的套筒(11)，以及光纤(F)的终端部分(10)。此外，该组合(1)包括有第一表面(22a)及第二表面(22b)的接合单元(20)，该第一表面(22a)在第一接触区与环绕孔(5)的壁(4a)接触，该第二表面(22b)包含与所述套筒(11)表面一部分接触的凸的表面(23)，所述套筒(11)表面的一部分与第二接触区中所述套筒的第一端(8a)对应，所述凸的表面(23)至少部分地***所述套筒(11)中，以便使所述准直器(7)相对于激光束(LB)对准。

Description

连接激光器与光纤的光学组合

技术领域

本发明涉及一种光学组合，其中一个或更多信号在光电装置如激光器和光纤之间耦合，尤其涉及能在激光束出射的光学包装和传输光纤之间实现改进的连接的光学组合。

背景技术

在光电***的设计中，最重要的考虑之一是，在电路组件如集成电路等之间的连接或有纯光学组件如波导等光电装置之间的连接。要进行光纤通信，必须用光学方法使光电装置如激光器与光纤耦合。高性能的光电装置，一般被组装在包括外壳的光学包装，诸如蝶式包装中。这些包装外壳在它们的壁之一中有孔，激光器产生的光束从该孔出射。光束在包装内通过自由空间传播并从包装孔射出，与光纤耦合。在远程通信中，激光器装置，通常是半导体激光二极管产生的光束，必须耦合到传输光纤，对大多数远程通信中的应用，该传输光纤是单模光纤。

在WDM***中，有利地采用外腔式激光器***作为发射器，外腔式激光器包括增益介质(通常是半导体激光二极管)和光学组件，这些光学组件使发射的光束准直并选择要发射的波长。

美国专利No.6,526,071描述一种能够在远程通信中使用的外腔式可调谐激光器，用于产生International Telecommunications Union(ITU，国际电信同盟)栅格(grid)上的任何信道的中心波长。公开的可调谐激光器，包括增益介质、栅格发生器(grid generator)、和信道选择器，栅格发生器和信道选择器两者都定位在光束光路中。栅格发生器按与信道间隔对应的区间，选择腔的周期性纵模，并拒绝邻近的模式。信道选择器选择波长栅格内的信道，并拒绝其他的信道。栅格发生器加工成一定尺寸，使其自由光谱区(FSR)与选择的波长栅格(ITU栅格)的栅格线之间间隔对应，而信道选择器加工成一定尺寸，使其FRS比栅格发生器的FRS更宽，栅格发生器本身的FRS又比腔的FRS宽。

有FP标准具作为栅格发生器和基于LC可调谐反射镜的外腔式可调谐激光器，在WO 2005/041371中描述。通常采用有源对准使光纤与相应的激光器对准。在光纤有源地对准激光器之后，借助各种技术，诸如激光焊接，或使用适当的粘结剂，诸如环氧或胶，通过把光纤套管或其他光纤外壳，诸如TO盒包装，安装到激光器外壳中，完成对准过程。在激光束与传输光纤的耦合中，需要优化功率传送效率和组件对准容差。

激光器装置和光纤之间的耦合，能够在包含激光器的包装内实施(即，光纤直接置于芯片前面)。因此，为了进行这一连接，包装中必须留出一些自由空间，而另外的光学单元难以放置在其间。

激光器装置和光纤之间的连接，还可以用所谓“准直器”的连接组合实施，该“准直器”必须与准直的激光束路径对准，然后固定于包含激光器的包装。准直器设计成把准直的激光束聚焦于光纤的一端。通常，准直器是预组装的包括光纤终端的组合，有光纤端部和在附着于装置包装之前相对光纤终端定位并固定的透镜，使有大致恒定截面的光束，即准直光束，能够耦合到光纤或从光纤耦合出来。一般说来，透镜和光纤终端固定于圆柱形金属套筒内。在准直器中也可以有另外可供选择的光学单元。

另外，包括在准直器中不同的组件，当准直器已在包装前面对准时，可以用激光焊接组装。这种需要从包装出射的准直光束的技术，包括通过有源对准步骤，把聚焦透镜定位在激光束前面的步骤，这样，射出包装的光束的光轴，基本上垂直于包含光束从中出射的孔的包装壁，例如与垂直轴的偏离在0.5°以内。

然后是组装光纤：把包含套管的套筒有源地对准夹持器，之后是固定套管，对透镜的焦点优化光纤的位置。也可能需要焊接后的对准。另外，只要有适当的工作台可供使用，所有单元(套筒、夹持器、和套管)能够同时对准。为使用上述技术来制作包括包装和准直器而专门设计的工作台，例如由ELS Elektronik Laser System GmbH或Mortitex USA Inc.出售，相应产品的名称是“Versaweld”和“FZ-80”。

以Agere Systems Inc.和Triquint Technology Holding Co.名义的美国专利No.6702476，描述一种光纤光学装置和组装该光纤光学装置的方法，可在光学装置包装中的光纤和体光学装置之间提供至少4°的调整。在光学处理器包装的壁的开孔上，类似衬垫的结构允许开始时在其平的表面和球形弯曲表面上进行可调整接触。这些表面之一在该开孔周围靠在壁上，而另一表面靠在连接组合的接触特征上，该连接组合通常是预组装的准直器组合，并夹持光纤的终端部分。在最后附着到该两个表面前，在平的表面上进行平移调整，又在弯曲表面上进行倾斜调整。光纤光学装置由此与光学装置包装对准，并且，通过该包装能够与另一个连接组合对准，该另一个连接组合开始时固定就位在该光学装置包装的另一个开孔上。在适当的各个表面、壁、和接触特征上，设有圆的圆锥，以利于最后粘结时粘结剂的流动。在粘结剂填充后，用紫外光使粘结剂改性(UV-tacked)并随后进行热固化。

以Oki Electric Ind.Co.LTD名义的日本专利申请No.09-015447，公开一种固定光纤准直器的结构和方法，为的是保持稳定的特性。在中心有通孔的环形固定和耦合单元，能插进由粘结光纤构成的光纤准直器和套筒中的光学透镜之间，这样可以对准它们的光轴，而光学功能部分这样也接近与光学功能部分的光轴对准，球面和球形接收部分定位在准直器和该单元之间，能使该球面和边缘部分贴合，并用焊接耦合和固定。

以Japan Aviation Electronics Industry Ltd名义的日本专利申请No.2004-077985，出示一种用于对准光学单元如光调制器、光纤的光学模块，它调整辐照光纤夹持器和光学单元的光的投影角。对准鞍部的光纤的球形表面和对准焊接的鞍部的光纤，起调整单元的作用。该调整单元调整辐照光纤夹持器和光学单元，如光调制器的光的投影角。

发明内容

本发明涉及一种包括激光器装置和光纤的光学组合，它允许两个单元之间实现改进的连接。本发明另外的目的，是实现整个价格相对低廉的这种组合。

申请人首先考虑包括套筒的准直器，套筒的一端有凸的球形表面的形式。所述准直器可以与截断圆锥形的耦合构件配对。但是，申请人已经认识到，有包括球表面的套筒的准直器，要求制作特殊设计的准直器(市场上出售的标准的准直器，不用球面生产)，因此增加制作成本。此外，这种耦合的几何形状，不允许为了补偿焊接后的偏移而进行焊接后的调整，例如用激光锤处理。

组合成本和复杂性的增加，也来自两个弯曲表面的形成，诸如在凹的和凸的表面的组合中，因为非常低的光学容差，例如数毫弧度的量级，这种组合必须精确匹配。

另外，申请人已经观测到，使用粘结剂材料把光学组合的不同单元接合，可能产生缺陷。首先，对金属有良好粘结并在聚合时同时有低收缩的粘结剂，是罕有的。此外，要获得适当的聚合，热退火处理是必要的。但是，该处理要求高温，高温可以破坏组合。因为许多粘结剂还是蒸气可渗透的，要获得密封的光学组合，必须在组合中引入密封窗，从而增加生产成本。如果在聚合之后失去对准，则没有对准恢复技术。再有，实施包括其中自动机械必须分配粘结剂阶段的处理，特别需要的是：该机械必须接触已对准的单元(保持对准)又要达到高的精度。此外，全部机械阻抗和时间可靠性是没有保证的。

按照本发明，该光学组合包括光学装置包装，该光学装置包装容纳能发射激光束的激光器装置和可任选的光学组件，该光学组件可能需要修改光束自身的光路和光谱(如使光束偏移或选择它的波长)。该包装可以包括其他内部单元，诸如电子装置和其他的子组合。

任何类型的激光器都可以用于本发明的组合中。按照一个优选的实施例，设想使用可调谐激光器。更可取的是，采用外腔式可调谐激光器***。最好是，该激光器构造成选择多个等间隔的输出频率之一发射输出辐射，该输出频率与ITU信道栅格匹配。

按照本发明的一个优选实施例，外腔式可调谐激光器包括增益介质和可调谐反射镜。最好是，该可调谐反射镜与导热的平台热接触。最好是，该增益介质也与导热的平台热接触。按照第一个优选实施例，可调谐反射镜基本上水平地相对导热平台放置。按照第二个优选实施例，可调谐反射镜基本上垂直于从增益介质发射的光束安装。

该包装，例如以金属材料，诸如钢制成，在该包装的外壁之一上，至少有一孔，以便激光束可以传播到包装本身之外，优选的外壁的几何形状，规定一圆柱的或箱状包壳，有一主纵轴，孔是沿该主纵轴给出的。最好是，主纵轴基本上垂直于有孔的包装的外壳壁，光束从该孔出射。

合适的包装例子，是标准的市售14针蝶式金属陶瓷包装。

申请人已经观察到，激光光束最好是准直的光束，例如在包装内部有准直透镜，该激光光束可以在不同位置和相对于包装纵轴不同角度从光学装置包装射出。在图1中，以举例方式，画出从包装辐射的激光束A、B、C的可能路径示意图。出射角α是包装主纵轴Z和光束之间的角度。输出光束的这些角度变化，可以起因于包装中存在的不同光学组件的对准条件，和它们在孔内各自的定位。

事实上，包装中存在的光学组件，诸如构成外腔式激光器的光学组件，必须小心对准，而可接受的容差又极低。因此，在出射光束相对于Z轴的定位和角度中(例如，出射光束集中于孔内并在十分之几度内与Z轴平行)，常常不能强加严格的要求，因为这样可能在包装结构中导致甚至更严重的容差，从而增加制作的复杂性和成本。

因此，必须能耦合从激光器包装出射的光束，基本上不管它的倾斜角α(可以是几度的量级)和它在包装孔上的位置。由此，光纤必须在数度的角度随机性内“捕获”出射光束。于是，光纤必须放置在垂直于光束出射的壁的(X，Y)平面中正确的位置(即，光纤需要沿X和Y轴平移)，还要放置在相对于Z轴正确的角度。这些偏离Z轴的角度变化，能够表示成围绕X和Y轴的小的旋转。

光纤相对于激光束沿Z轴的平移位移，以及绕该轴的旋转，与相对于沿其他两轴X和Y的位移和绕其他两轴X和Y的旋转(在对偏振不灵敏的情形下)相比，通常不会导致高的损耗。因此，在相对于X和Y的平移和旋转中，需要更高的精度。

为实现已说明的耦合，本发明的光学组合包括一种准直器，该准直器包含套筒，光纤的终端部分固定于其中。可取的是，该光纤是单模传输光纤，更可取的是，该光纤是偏振保持与吸收减少光纤(熊猫光纤)。

此外，在包括在本发明该组合中的激光器的优选实施例中，在激光腔外面沿光束路径的准直透镜之后，提供一棱镜。该棱镜用于改变光束传播角，在特殊的激光器配置中，该角相对于Z轴倾斜。由于优选的激光器是可调谐激光器，就是说，它在不同波长上发射，该棱镜由于色散，可以按照选择的波长，给与光束不同的角度偏移。这样，为了避免因上述位于激光器发射波段两端的信道色散而引起可观的畸变，重要的是使激光器和光纤之间耦合的额外损耗最小。

申请人已经注意到，在激光束出射的包装中，孔前面的准直器的逐步组装(即，使用的准直器不是在与光电装置对准之前预组装的)，要求出射光束的倾斜角α，包含在-0.5°和0.5°之间，因为更高的角度将导致非常低的耦合效率，从而影响光学包装的设计和降低内部对准容差。此外，由于许多不同的处理步骤，使整个光学组装过程颇为复杂，还要计及必须使用专用于每一特定处理阶段的不同工具。最终产品的全部成本，以及它的生产时间，由此是相对地高的。

按照本发明的一个实施例，是使用预组装的准直器，即，构成准直器的组件，是在准直器与光电装置对准阶段之前的阶段组装的。

该准直器包括有主纵轴Z′并规定第一和第二端的套筒，传输光纤的引出端(即终端部分)与准直器的第二端连接，最好通过套管连接。套筒最好是圆柱形的。

由于从包装出射的光束的角度随机性，包装的主纵轴Z和准直器的主纵轴Z′，不一定要重合，甚至彼此平行。

准直器还包括透镜，置于套筒的第一和第二端之间，该透镜用于使光信号与套管耦合。本领域熟知的许多不同类型的透镜，可以在本发明中采用，非球面透镜或GRIN透镜是可能的例子。

可供选择的是，准直器最好包括光学隔离器，定位在圆柱形套筒的第一和第二端之间，该隔离器防止背反射光返回，进入激光腔，而进入激光腔的光在超过给定阈值时，可以降低激光束的功率。

最好是，按照本领域熟知的标准技术和材料(诸如不锈钢)制作准直器，这样使制作成本最小。

申请人已经观察到，围绕优化对准位置的约小于一毫弧度的角度容差，不允许把准直器直接焊接到包装壁上。举例说，准直器圆柱形套筒直接焊接在包装外壳的壁上，在对准和在包装上准直器的固定中，将不能保证需要的精度。

按照本发明，为了使准直器与包装壁接合，提供一种接合单元。

按照本发明，该接合单元包括两个相对的表面，使第一个与激光束出射的包装壁接触，和使第二个与准直器表面的一部分接触。

接合单元还包括激光束通过的通孔。最好是，该通孔比激光束出射时通过的孔，有更大的扩展，以便该通孔不与光束的传播发生干扰。

更详细地说，接合单元的第一表面，具有与其中形成孔的包装壁外表面互补的几何形状，就是说，在平面壁的情形，该第一表面基本上是平面。由此规定第一接触区，它是接合单元第一表面的区和与包装壁外表面物理接触的对应区。

接合单元第二个相对的表面，包括面向外凸的表面，最好是有半径R的球面的面向外的部分。由此规定第二接触区，它是第二表面的区和准直器表面的区，在该准直器表面的区中，接合单元与准直器贴合。更具体地说，接触是在凸表面的一部分和准直器套筒在它第一端附近的表面的一部分发生的。

最好是，接合单元第二表面包括球形表面和平面表面两部分，该平面表面从球形表面边界扩展。更好地，该平面表面是环形表面。

在本发明的一个优选实施例中，接合单元可以看作包含两个单元：第一单元有安放在第二单元上的半球形状，该第二单元基本上是圆柱形凸缘，且全部结构在以半球轴为中心的中部有小孔。在这种情形下，接合单元第二表面的平面表面，是该凸缘的外表面。

凸表面的形状和尺寸是这样的：准直器套筒的第一端，能够部分地与该凸的表面配对，就是说，球面表面的一部分穿入准直器空的套筒，直至达到贴合为止。凸表面的曲率半径R，大于或等于圆柱形套筒的半径。

可取的是，为了达到准直器套筒和弯曲的凸表面之间更好的贴合(即，为获得更大的第二接触区)，准直器套筒在它对应的第一端包括锥形区。更可取的是，套筒的内表面终止在它有截头锥体表面的第一端，即，圆柱的内直径在接近它的第一端时增加。该锥形区，或叫喇叭口，用本领域的标准技术是容易实现的。最好是，接合单元通过激光焊接固定于包装和准直器。

申请人已经认识到，借助提供这样的接合单元，多亏5°的自由度，能够在光纤和激光束之间获得非常好的耦合，该5°自由度，是由准直器套筒内表面的一部分在接合单元凸表面上的相互滑动(绕三轴的旋转)，和由第一表面在包装壁上的相互滑动(沿垂直于包装主轴的两个轴的平移)提供的。该组合各个组件的对准操作，将在下面更详细说明。

此外，由于接合单元的几何形状，能使准直器成为本领域熟知的标准的预组装准直器，无需任何特殊设计的零件，从而降低整个组合的生产成本。

在按照本发明的组合制作过程中，执行准直器和接合单元的有源对准。在有源对准期间，按照本领域的标准技术，监控传送到尾光纤的功率。

多亏接合单元和准直器的相互几何形状，在对准期间能够有5°的自由度。事实上，接合单元的第一表面，可以相对于包装壁沿X和Y方向平移，同时与套筒端配对的凸的弯曲表面可以绕X、Y、和Z轴旋转，使一个表面在另一表面上滑动。凸表面在准直器套筒规定的小孔上的穿入，能实现无空气隙的贴合。

最好是，本发明的激光焊接处理包括两个焊接步骤：第一步骤把接合单元的第一表面焊接到包装壁，而第二步骤把接合单元的第二表面焊接到准直器。

最好首先用点焊技术把接合单元焊接到包装上，然后把准直器焊接到接合单元上。例如，对每一焊接步骤，最好用现代的三点焊。

在两个焊接阶段之后，如果出现焊接后偏移，为了对此进行补偿，最好实施锤阶段。

另外，如果需要密封的组合，则用于把接合单元接合到包装和准直器的激光焊接工具，也能够通过低功率的焊接点，用来实施组合的密封。这一步骤再次降低组合的整个成本，因为不需要附加的单元，例如密封窗。

附图说明

按照本发明的光学组合的更多特征和优点，从下面参照附图给出的详细描述中，将变得更明显，附图中：

-图1是包装的示意侧视图，光束是从该包装出射的；

-图2是按照本发明的准直器的示意侧视图；

-图3a是按照本发明教导的组合的示意侧视图；

-图3b是图3a的组合的分解视图；

-图4是可调谐激光器的截面侧视图，该激光器包括在本发明的组合的优选实施例中；

-图5是第二个可调谐激光器的截面侧视图，该激光器包括在本发明组合的另外的优选实施例中；

-图6a和6b分别是图2的准直器的顶视图和截面侧视图；

-图7a和7b分别是图3a和3b组合中使用的接合单元的顶视图和截面侧视图；

-图8a和8b表示本发明的方法的两个步骤，用于接合图3a的组合的不同单元；

-图9和10表示本发明方法的两个另外的步骤。

具体实施方式

先参考图3a和3b，图上示意画出一种光学组合，整体以1表示，其中的激光器装置2，按照本发明的教导连接到传输光纤F。在图3a中，光学组合1按已组装的配置画出，而在图3b的部分分解视图中，画出光学组合1的各组件。

光学组合1包括：装配在包装3中的激光器装置2；包括光传输光纤F的准直器7；和夹在该两者之间的接合单元20。

包装3例如是蝶式包装，并且它包括包含内部光学装置(诸如激光器2)的外壁4，可取的是，包装3呈有主纵轴Z的规则形状。更可取的是，包装外壁4最好以金属材料，例如不锈钢或Kovar^TM形成，该包装外壁规定箱状或圆柱的形状。基本上垂直于Z轴的外壁4之一的壁4a包括孔5，激光器装置2产生的激光束，从该孔5出射。除孔5外的其他孔，也能在包装3中形成。最好是，包含孔5的壁4a是规定外部平的表面的平面壁(本文中的“外部”，意指讨论中的表面不面对包装内部的光学装置)。

最好是，通过孔5从包装出射的激光束，是准直的激光束，就是说，包装3内有准直透镜(例如分别见图4和5中的透镜31、201，下面还要说明)。“准直”光束在本文中意指该光束的截面在传播期间是近似恒定的。准直使光束的发散最小，并降低目标区上的光束斑大小。但是应当指出，由于衍射效应，不能保持精确恒定的光束截面。

没有靠近增益芯片21(图4和5)的准直透镜，将导致极其发散的光束(即发散在25°以上)，从而一个外部的准直器不足以收集所有辐射。孔5自身将阻挡该发散的光束。

按照整个组合的设计和配置，除激光器装置2外，在包装3中还可以有其他有源的和/或无源的单元。

任何类型的激光器装置，都适合本发明的应用。在一个优选实施例中，激光器3是外腔式激光器。甚至更可取的是采用可调谐激光器。

按照图4画出的本发明第一优选实施例，激光器装置2包括增益介质21、准直透镜31、信道分配栅格单元41、偏折器61、和可调谐反射镜81。激光器2包括导热平台101。增益介质21以专门为外腔式激光器应用而设计的半导体二极管，例如InGaAs/InP多量子阱Fabry-Perot(FP)增益芯片为基础。增益芯片包括后小面221和前小面231。增益芯片的前小面231是腔内小面并有防反射涂层。最好是，弯曲增益芯片波导，使它成一定角度入射于前小面上，为的是再降低向后的反射。后小面221是部分地反射的，并起外腔的端反射镜之一的作用。后小面的反射率可以在例如10％到30％之间的范围，以便允许相对高的激光输出功率。

在激光腔内，从增益芯片前小面231出射的光束，被使光束准直的准直透镜31准直，规定光路251。该准直光束射到信道分配栅格单元41上。

信道分配栅格单元41最好是FP标准具，例如固体或空气间隔的标准具。激光器可以按一定方式设计，使工作波长与ITU信道栅格对准。在这种情形下，激光波长通过FP标准具41集中于ITU栅格，该FP标准具41被构造和配置成规定许多等间隔的传输峰。在WDM或DWDM电信***的应用中，传输峰间隔，即栅格单元的FSR，与ITU信道栅格对应，例如是200、100、50、或25GHz。

最好是，准直透镜31基本上垂直于光路251放置在腔中。最好是，FP标准具41以稍为倾斜的角度，例如0.5°垂直于光路251放置在腔中，以便使FP标准具的反射光免于返回激光增益芯片。

在FP标准具41之后，激光束射到偏折器61，该偏折器61使光束251沿光路261偏折到可调谐反射镜81上。可调谐反射镜81把光信号反射回偏折器61，后者又使光信号偏折回增益介质21。在本实施例中的偏折器61，是平面反射镜，例如镀金的石英板。

可调谐反射镜81是电光单元，其中的可调谐能力是用具有与电压相关的折射率的材料获得的，最好是液晶(LC)材料。可调谐反射镜用作粗调单元，在FP标准具的峰之间起鉴频作用。

激光腔是有一定光路长度的折叠谐振腔，该光路长度是偏折器61和增益介质的后小面221之间的光路251，与偏折器和可调谐反射镜81之间的光路261之和。

激光束借助增益芯片21的部分反射的后小面221耦合出外腔。最好是，准直透镜201沿激光器输出光束的光路放置。在本实施例中，光束分束器181，例如是98％/2％的分支，置于透镜201之后，拾取输出光的一部分，作为测试光束引向光电检测器191，用于功率控制。

此外，最好在透镜201之后放置一棱镜301；“之后”意指以光束传播方向为准。透镜201和棱镜301可以安装在同一安装结构上，图中没有画出安装结构。棱镜301使激光束的传播方向倾斜，在画出的实施例中是19.5°，以便使出射光束大致沿Z轴传播。在该优选实施例中，激光器2被设计成产生基本上单纵模的、而且最好是单横模的辐射。纵模是指同时在激光腔内的数个离散频率上产生激光。横模对应于激光辐射的横方向上光束强度截面中的空间变化。一般说来，增益介质的合适选择，例如市面上出售的包括波导的半导体激光二极管，可保证单一空间的或单一横向的模式操作。

可调谐反射镜81相对于导热平台101的主表面平面基本上水平地放置，该导热平台101最好热耦合到为平台提供热控制的热电冷却器(TEC111)。

图5画出按照本发明第二实施例的激光器2。相同的参考数字给予与图4画出的那些可调谐激光器单元对应的单元，而省略对它们的详细解释。

在已经通过FP标准具41之后的光，射到光束分束器(BS)451上，在那里，光部分地被转向可调谐反射镜81。光电检测器461接收的一部分激光，是已经被可调谐反射镜返回到BS并其后传输通过BS的光，它作为测试光束，用于功率监控。

按照图5实施例的激光腔的设计，由于不需要第二准直透镜(图4中的透镜201)，所以具有改进腔的紧凑性的优点，该第二准直透镜用于使到达光输出组合的输出光准直，以便耦合进光纤。而且，如果实现了功率监控，不需要用于分出输出功率的又一个BS。

最好在图5的激光器设计中，激光二极管的后小面有大于90％的反射率，而前小面有低于10^-3的反射率，以便在非选择的信道中能够导致激光发射的增益波动成为最小。

此外，最好包括在本发明组合1中的激光器装置2的另一个优选实施例，包括置于外腔内的基本上垂直于光束的可调谐反射镜。

回头参考图3a和3b，为获得良好的对准和最小的损耗，组合1还包括准直器7，最好是预组装的准直器，用于把激光器2连接到传输光纤F(更准确地说，是与光纤F的终端部分连接，该终端部分命名为引出端10)。准直器7，如图2所示，包括外套筒11，该外套筒11最好以金属材料形成(如不锈钢)，有主纵轴Z′，并规定第一和第二相对端8a、8b。可取的是，套筒11是细长的并有规则形状(即，它在(X，Y)平面上的截面是圆或规则的多边形)，更为可取的是，它是圆柱形。

在图6a和6b中，画出准直器的套筒11更详细的例子(内部的光学装置没有画出)。按照本发明的优选实施例，该例可在图6b的横截面中更清楚地看到，该套筒11有锥形端8a，即，构成套筒11的与它的第一端8a对应的一些材料，已经被除去，以形成内部的喇叭口15。更可取的是形成截头锥体形的表面。最好是，套筒的内直径，在从套筒11的端8a走向第二端8b的给定区域内减小。

作为例子，准直器7的优选尺寸如下：套筒是圆柱形，外直径4mm，内直径3mm，而长为2cm。

最好是，准直器7(再参见图2)还包括最好按本领域标准的套管9，用于保护附着于套管9的光纤F的已剥离端(引出端10)。引出端10的构造，要便于它传输被准直器7反射的光信号。套管9可以由玻璃、塑料、金属、或陶瓷材料制成。在本实施例中，套管9置于套筒11第二端8b的相应位置。在图6a和6b中，也可看见用已知技术把套管9附着于其中的套筒11上的孔18。

此外，透镜14置于套筒11内，在套筒11的第一和第二端8a、8b之间。选择准直器7中透镜14的位置，使它的焦点定位在引出端10的端面上。透镜14把平行的激光束改变成能耦合进光纤F的会聚光束。最好是，透镜14是GRIN透镜，但是，只要该透镜能会聚成有给定模场直径(MFD)的光束，任何类型的透镜也可以使用。在该优选实施例中，MFD例如是450μm。

可供选择地，准直器7还包括放置在套筒11内的光学隔离器17，位于套筒11的第一和第二端8a、8b之间。

光纤F，它的尾端10***套管9中，可取的是单模传输光纤，如包含8-9微米直径的芯区的石英光纤。更可取的是，该光纤是偏振保持和吸收减少光纤(熊猫光纤)。

光学组合1还包括接合单元20，置于包含包装3的激光器和准直器7之间，有两个相对表面22a、22b，包装3和准直器2附着于该两个相对表面22a、22b上。

在图7a和7b中详细表示的接合单元20，是有通孔21的机械结构，从包装3出射的激光束LB通过该通孔21。考虑到激光束可能的残留的发散，通孔21的优选几何形状是扩张的形状。“扩张的孔”在下面是指孔21通过垂直于孔的平面的截面尺寸，从第一表面22a向着第二表面22b增加。该几何形状使光束被该孔的壁截留的可能性最小。

接合单元的第一表面22a的几何形状，可使它与包装3的壁4a的外表面配对，且使它与之贴合。类似地，如在下面的描述，第二表面22b的几何形状，可使它与套筒11表面对应于套筒第一自由端8a的一部分配对。

可取的是，第一表面22a是平面表面，更可取的是环形平面表面。在该优选实施例中，壁4a的平面外表面和接合单元20的第一表面22a之间的接触，具有使该两个表面之间的接触为最大的平面几何形状。第一表面22a和壁4a相互接触的区，被称为第一接触区。

按照本发明的一个优选实施例，接合单元20第一表面22a和包装3之间的接触，是在孔5和通孔21重叠的位置上形成的。最好是，通孔21截面在该第一表面上的区，大于孔5的区，以便接合单元20与光束的传播不发生干扰。在该优选实施例中，第一接触区是环形区。该两表面(壁4a的外表面和表面22a)用激光焊接固定。

第二表面22b包括向外凸的表面23。最好是，凸表面23的曲率中心，大致以从包装3通过孔5来的激光束LB为中心。

最好是，凸表面23的曲率半径R大于或等于圆柱形套筒11的内半径。

可取的是，凸表面23是球形表面的一部分。甚至更可取的是，凸表面23是因孔21的存在而去除“顶部”的半球表面。孔21的轴和半球的轴最好重合。最好是，半球表面23的曲率中心和环形表面22a的中心重合。最好是，第二表面22b还包括围绕凸表面23的环形的平的表面24。

在本发明的一个优选实施例中，接合单元20包括凸缘12、与壁4a贴合的表面(从而第一表面22a与凸缘表面之一重合；凸缘的第二表面与平面表面24重合)。更可取的是，在凸缘12上安装半球并形成其轴与半球轴重合的通孔21。

作为例子，孔21截面在第一表面22a上的直径，等于2.6mm。在图7b的截面中，孔21的壁和接合单元20的纵轴之间形成的角度，等于5°。凸缘12的厚度等于0.3mm。半球23的半径等于3.8mm。

凸表面23的一部分，通过准直器7的第一端8a***准直器7的套筒11。当达到贴合时，穿入终止。事实上，选择套筒11和凸表面23的相应尺寸，能够实现这样的部分***。规定实现物理接触的凸表面的一部分和套筒表面的一部分为第二接触区。

当考虑在准直器的套筒11上形成喇叭口15的优选实施例时，该***是方便的并获得更好的贴合。

按使准直器的轴基本上与激光束LB对准的方式，用激光焊接来固定准直器和接合单元(见图8b)。

为了获得上述的光学组合，按照本发明的处理过程如下。

把包装3、接合单元20、和准直器7，预先放置在激光焊接工作台包含的托架上(在图9和10中只部分画出)。

然后，在工作台上装上托架中的组件。图9中，各矩形箱32表示工作台的机动台。它们的支点33最好与凸表面23的曲率中心重合。

最好是，包装3的安装要使它的轴Z竖直放置，使孔5在上表面。例如见图8a，图上画出这种配置。

然后，以表面22a面对壁4a的接合单元20和准直器7，有源地对准从包装3出射的光束。使接合单元20沿X和Y轴运动，以便通孔21以光束路径BP(该光束路径BP在图8a上以虚线画出)为中心。多亏第一表面22a和壁4a的几何形状之间的配对，能实现这些运动。光束路径BP可以沿Z轴，也可以相对Z轴有一定角度，如在图8a所示。在有这种倾斜的情形下，准直器7绕X、Y、Z轴旋转，直到它与光束路径对准为止(使它的轴沿光束路径)。这种配置中的变化，在图8a(未对准)和图8b(已对准)中画出。由于凸表面22a的几何形状，多亏套筒11内表面12a的一部分在凸表面23上的滑动，能够使准直器7通过自身绕不同轴旋转来对准。在套筒11上形成的优选锥形表面15，增加接合单元20和套筒11之间的切向接触。在这种情形下，第二接触区是该锥形表面的一部分。

凸表面23部分穿入套筒11规定的小孔13内的优选配置，能在接合单元20和准直器7之间，实现宽范围的可能的各个角位置。尤其是，能够达到15°的角度。取决于选择的物理尺寸，可以或多或小地标志该穿入。此外，该穿入配置能有更好的机械稳定性。

在该对准步骤中，接合单元20、准直器7、和包装3，最好彼此不接触，并在其间留出数毫米的空隙。

在对准结束时，进行沿Z轴的平移，直到使接合单元20与壁4a接触为止。在壁4a和第一表面22a的优选平面几何形状中，当达到贴合时，两个表面的相互接触是没有空气隙的。

在因接合单元20贴合到包装3上而使对准失准的情形下，最好施行另外的精细对准步骤。

包装3-接合单元20-准直器7的固定，是通过两个激光焊接步骤完成的。在第一步骤中，把接合单元20固定在包装3上：最好在第一表面22a和壁4a之间的界面附近焊接一些焊接点。最好是，这些点是对Z轴对称的，以降低焊后偏移的发生和使额外损耗最小。

最好是，焊接三个同时焊接点并用三个沿轴向放置的激光焊接头30实施(见图10)。最好是，三点彼此绕Z轴相隔120°。但是，在本发明的处理中，可以设想任何数量的焊接点，取决于使用的工作台中可用的焊接头数量。此外，从激光焊接头30出射的激光焊接光束和Z轴之间形成的角度，最好约45°(见图10)。

最好是，为接合组合各单元而实施的焊接点，是所谓的“搭焊”接点。搭接是用焊接通过一种材料进入另一种材料使两种材料接合的地方。因此，接点单元最好包括凸缘12，以便能实现这些搭接：焊接点是在凸缘12上实施的(尤其是在表面24上)，且熔融材料穿入包装壁4a。

在该第一焊接步骤稍稍使对准变坏的情形下，则进行特别的精细对准阶段。

第二焊接步骤按与第一焊接步骤基本上类似的方式进行。

组装的配置在图8b中画出，其中的黑点表示焊接点31。图不是按比例的，且为清晰起见，点31的尺寸显然被夸大了。图8a还画出准直器7与激光束LB的对准。

如有必要为了组合的最后使用，可以在上面概述的焊接处理之后，执行密封操作阶段，以便密封整个组合。该阶段包括环绕接合单元接触区的依次的低功率激光点(即，首先在接合单元和包装之间的接触区中，其后是在接合单元和准直器之间)。

举例说，在上述处理中使用的合适的激光焊接工作台，有如下特征：

-1064nm波长的脉冲Nd/Yag激光器(如激光器TrumphHL22P)，具有最大能量30J。脉冲功率从300W到3kW。激光器还包括脉冲轮廓编辑器。

-包括有三根光纤的能量分派***，用于传递辐射到工作台。单个脉冲可以分为三个相等部分，并聚焦进三根不同的光纤。均衡功率误差不超过1％。使用的光纤的芯等于200μm，它们的长度等于4m。

-工作台包括三个焦距为135mm的焊接头，并有用于图像***的外壳。焦点上的焊接点直径为300μm。

-对各激光头自动线性定位。

-还包括三个独立的控制快门，快门位于每一焊接头之前，按照作出的选择，这些快门允许从一个、两个、或三个激光头发射辐射。

-激光器是可控的，并可通过PC编程。

该组合达到小于0.1dB的额外损耗。

Claims (27)

1.一种光学组合(1)，包括：

-光学包装(3)，上有带孔(5)的壁(4a)并包含能通过该孔(5)发射激光束(LB)的激光器装置(2)；

-准直器(7)，包含规定第一端(8a)及第二端(8b)的套筒(11)，所述准直器(7)包括光纤(F)的终端部分(10)；

-接合单元(20)，有第一表面(22a)及第二表面(22b)，所述第一表面(22a)在第一接触区与环绕孔(5)的壁(4a)接触，而所述第二表面(22b)包含与所述套筒(11)的表面的一部分接触的凸表面(23)，所述套筒(11)的表面的一部分与第二接触区中所述套筒的第一端(8a)对应，所述凸表面(23)至少部分地***所述套筒(11)中，以便所述准直器(7)相对于所述激光束(LB)对准。

2.按照权利要求1的光学组合(1)，其中的包装(3)，包括准直透镜(31、201)，以便使孔(5)上的激光束(LB)成为准直的激光束。

3.按照权利要求1或2的光学组合(1)，其中所述准直器(7)是预组装的准直器。

4.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中所述准直器包括聚焦透镜(14)，用于把所述激光束(LB)耦合到所述光纤(F)上。

5.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中所述套筒(11)是圆柱形的。

6.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中所述接合单元(20)的所述第一表面(22a)是平的。

7.按照权利要求6的光学组合(1)，其中所述第一表面(22a)是环形表面。

8.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中所述凸表面(23)是球形表面的一部分。

9.按照前面权利要求任一项的光学组合，其中所述套筒(11)的第一端(8a)，包括锥形部分(15)，所述第二接触区与所述锥形部分(15)对应。

10.按照权利要求9的光学组合(1)，其中所述所述锥形部分(15)是截头锥体表面。

11.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中所述接合单元(20)包括凸缘(12)，所述凸缘(12)包括所述第一表面(22a)。

12.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中所述第二表面(22b)包括从所述凸表面(23)沿径向扩展的平表面(24)。

13.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中所述接合单元(20)包括与所述孔(5)重叠的通孔(21)。

14.按照权利要求13的光学组合(1)，其中所述孔(21)有圆形截面，且所述截面的直径从第一表面(22a)向第二表面(22b)增大。

15.按照权利要求13或14的光学组合(1)，其中所述通孔(21)规定一纵轴，所述轴与所述弯曲表面(23)的轴重合。

16.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中所述准直器(7)包括位于所述第一端和所述第二端(8a，8b)之间的光学隔离器(17)。

17.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中弯曲的凸的第二表面(22b)的曲率半径R，大于或等于所述套筒(11)的内半径。

18.按照前面权利要求任一项的光学组合，其中所述准直器(7)包括与其第二端(8b)对应的套管(9)，所述光纤(F)的所述终端部分(10)从该套管(9)出发。

19.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中所述激光器(2)是可调谐激光器。

20.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中所述激光器(2)是外腔式可调谐激光器。

21.按照权利要求19或20的光学组合(1)，其中所述激光器的所述可调谐单元是可调谐反射镜(81)。

22.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中所述包装(3)是蝶式包装。

23.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中所述包装(3)有箱状的形状。

24.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中所述包装(3)规定第一纵轴(Z)，所述壁(4a)垂直于所述轴，所述准直器(7)规定第二纵轴(Z′)，而所述第一和第二纵轴相互间形成角度(α)，所述第二纵轴(Z′)与所述激光束(LB)对准。

25.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，其中所述光纤是偏振保持和吸收减少光纤。

26.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，包括位于所述壁(4a)和所述接合单元(20)的所述第一表面(22a)之间的界面附近的多个焊接点(31)。

27.按照前面权利要求任一项的光学组合(1)，包括位于所述接合单元(20)的所述第二表面(22a)和所述套筒(11)之间的界面附近的多个焊接点(31)。

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