CN113009653A - 光发射组件 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种光发射组件。该光发射组件包括：激光器组件半导体激光器芯片被设置在第一透镜的焦点位置并且使得半导体激光器芯片偏离光路轴线第一预定夹角，以便经第一透镜反射的反射光无法达到半导体激光器芯片的镭射区；第一透镜，第一透镜的第一焦距大于或者等于预定焦距阈值，预定焦距阈值被配置为减少经由第一透镜反射的反射光达到半导体激光器芯片的比例；光隔离器，光隔离器至少包括磁性单元、起偏器、偏振片和检偏器，偏振片用于旋转经由起偏器输入的光或者经由检偏器反射的发射光的偏振方向，起偏器的通光轴与检偏器的通光轴之间的夹角为第二预定夹角；以及第二透镜。本公开能够降低反射光所导致的相对强度噪声。

Description

光发射组件
本申请是申请日为2020年12月11日，申请号是202011436068.6，发明名称为“光发射组件和用于封装光发射组件的方法”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开的实施例总体上涉及配置有半导体激光器芯片的光发射组件的制造领域，并且更具体地，涉及一种光发射组件和用于封装光发射组件的方法。
背景技术
随着第五代通信***速率的提升，由配置有半导体激光器芯片的光发射组件所形成的高速通信器件得到广泛的应用。
传统的光发射组件的光路例如采用半导体激光器芯片组合单透镜结构或者双透镜结构。在上述传统的光发射组件的封装过程中或多或少的会存在一定比例的光反射现象。当反射回来的光进入半导体激光器芯片中就会产生自发辐射。自发辐射中，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性，这种光对半导体激光器芯片的性能的劣化是致命的。因此，如何降低反射光带来的影响对于高速激光器的封装是至关重要。特别是对于大功率激光器而言，例如，根据5G大功率激光器的要求，激光器的相对强度噪声需要控制在-165dB至-170dB，而反射光会会导致的相对强度噪声提高的现象。
综上，上述传统的光发射组件的封装方案存在反射光所导致的相对强度噪声提高的不足之处。
发明内容
本公开提供了一种光发射组件，能够降低反射光所导致的相对强度噪声。
根据本发明的第一方面，还提供了一种光发射组件，该设备包括：激光器组件，激光器组件包括半导体激光器芯片和热沉，半导体激光器芯片被设置在热沉之上，并且半导体激光器芯片被设置在第一透镜的焦点位置并且使得半导体激光器芯片偏离光路轴线第一预定夹角，以便经第一透镜反射的反射光无法达到半导体激光器芯片的镭射区；第一透镜，用于将半导体激光器芯片所输出的激光光束转换为平行光，第一透镜具有第一焦距，第一焦距大于或者等于预定焦距阈值，预定焦距阈值被配置为减少经由第一透镜反射的反射光达到半导体激光器芯片的比例；光隔离器，设置在第一透镜和第二透镜之间，光隔离器至少包括磁性单元、起偏器、偏振片和检偏器，磁性单元用于提供磁场，偏振片用于旋转经由起偏器输入的光或者经由检偏器反射的发射光的偏振方向，起偏器的通光轴与检偏器的通光轴之间的夹角为第二预定夹角；以及第二透镜，用于将通过光隔离器输出的平行光进行汇聚；光纤，用于接收经由第二透镜所汇聚的光，光纤被配置在第二透镜的焦点位置。
根据本公开的第二方面，提供了一种封装光发射组件的方法，该方法包括：将半导体激光器芯片焊接在壳体中的热沉之上，以便形成激光器组件；将激光器组件固定在垫板上；经由吸取装置吸取具有第一焦距的第一透镜，以用于将半导体激光器芯片设置在第一透镜的第一侧的预定位置处，吸取装置被设置在六轴位移调节装置上，第一透镜用于将半导体激光器芯片所输出的激光光束转换为平行光，第一焦距被配置为大于或者等于预定焦距阈值，以便减少经由第一透镜反射的反射光达到半导体激光器芯片的比例；经由光束分析装置，获取第一透镜所输出的平行光所形成的光斑图像；基于光斑图像的光斑尺寸，经由六轴位移调节装置调节吸取装置的位置，以用于使得半导体激光器芯片由预定位置处调整至第一透镜的焦点位置处并且使得半导体激光器芯片偏离光路轴线第一预定夹角；在第一透镜的第二侧依次固定光隔离器和第二透镜，光隔离器至少包括磁性单元、起偏器、偏振片和检偏器，磁性单元用于提供磁场，偏振片用于旋转磁场中的、经由起偏器输出的正向光路光的偏振方向以及旋转经由检偏器反射的反向光路的光的偏振方向，起偏器的通光轴与检偏器的通光轴之间的夹角为第二预定夹角，第二透镜用于将通过光隔离器输出的平行光进行汇聚；以及经由夹具夹持光纤，以便将光纤的位置调整并固定至第二透镜的焦点位置。
在一些实施例中，所述第一预定夹角为3度，使得利用光束分析装置分别测量距离第一透镜第一位置处和距离第一透镜第二位置处的光斑尺寸变化小于预定偏差阈值。
在一些实施例中，所述激光器组件包括多个半导体激光器芯片，所述多个半导体激光器芯片中的每一个半导体激光器芯片被设置在多个第一透镜中的一个对应第一透镜的焦点位置并且偏离对应光路轴线所述第一预定夹角，所述光发射组件还包括：聚合器，用于将所述多个第一透镜所转换的多束平行光聚合为一束平行光，所述光隔离器设置在所述聚合器和所述第二透镜之间；以及热敏电阻，被贴装在所述热沉的预定检测位置处，以用于检测所述热沉的温度，所述预定检测位置临近所述半导体激光器芯片。
在一些实施例中，偏振片为法拉第旋光器，所述法拉第旋光器使得经由起偏器输入的线偏振光或者经由所述检偏器反射的发射光旋转45度，所述第二预定夹角为45度。
在一些实施例中，所述预定焦距阈值为0.6mm。
在一些实施例中，所述第一预定夹角为3度，使得利用光束分析装置分别测量距离第一透镜第一位置处和距离第一透镜第二位置处的光斑尺寸变化小于预定偏差阈值，所述偏振片包括第一偏振片和第二偏振片，所述检偏器包括配置于所述第一偏振片和所述第二偏振片之间的第一检偏器，以及配置于所述第二偏振片另一侧的第二检偏器。
在一些实施例中，第一偏振片和第二偏振片中法拉第旋转在相反方向上产生。
在一些实施例中，在正向光路中，正向入射光经由第一偏振片中旋转45°的偏振光经过第一检偏器，然后由第二偏振片在与由第一偏振片产生的旋转的方向相反的方向上使偏振光旋转45°，经旋转的偏振光经由第二检偏器输出光隔离器，所述隔离器的出射光的偏振方向与入射光的偏振方向平行。
在一些实施例中，经由六轴位移调节装置调节吸取装置的位置，以用于将半导体激光器芯片设置在第一透镜的焦点位置包括：提取第一光斑图像的第一光斑轮廓数据和第一中心坐标数据，以及提取第二光斑图像的第二光斑轮廓数据和第二中心坐标数据；基于第一光斑轮廓数据和第二光斑轮廓数据，计算第一光斑和第二光斑的尺寸变化数据；计算第一中心坐标数据和第二中心坐标数据的坐标变化数据；基于尺寸变化数据和坐标变化数据，确定第二光斑相对于第一光斑的变化是否符合预定条件；响应于确定第二光斑相对于第一光斑的变化不符合预定条件，输出位移数据，以便经由六轴位移调节装置调节吸取装置的位置；响应于确定第二光斑相对于第一光斑的变化符合预定条件，将与吸取装置的当前位置所对应的第一透镜的位置确定为第一透镜的固定位置；控制吸取装置提升第一透镜离开固定位置，以便将UV胶水涂覆于固定位置处；以及控制吸取装置降下第一透镜，以便将第一透镜固定在固定位置处。
附图说明
通过参照附图的以下详细描述，本公开实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将以示例以及非限制性的方式对本公开的多个实施例进行说明。
图1示出了根据本公开的实施例的用于实施用于封装光发射组件的方法的***的示意图。
图2示出了根据本公开的实施例的用于封装光发射组件的方法的流程图。
图3示出了在自由空间传输的高斯光束半径的示意图。
图4示出了根据本公开的实施例的光隔离器的工作原理图。
图5示出了根据本公开的另一实施例的光隔离器的示意图。
图6示出了半导体激光器芯片与第一透镜离焦情况下的光路模型的示意图。
图7示出了半导体激光器芯片偏离光路轴线前后的光路模型的示意图。
图8示出了半导体激光器芯片处于不同焦距的第一透镜的焦点位置处的光路模型的示意图。
图9示例了根据本公开实施例的准直后的光斑图像。
图10示例性示出了传统的用于封装光发射组件的方法的相对强度噪声示意图。
图11示例性示出了根据本公开实施例的用于封装光发射组件的方法的相对噪声示意图。
图12示出了根据本公开的实施例的用于设置第一透镜位置的方法的流程图。
图13示例性示出了根据本公开实施例的光发射组件的结构示意图。
图14示例性示出了根据本公开实施例的阵列式光发射组件的结构示意图。
图15示意性示出了适于用来实现本公开实施例的计算设备1500的框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。
如前文所描述，传统的光发射组件的封装方案中，反射回来的光进入半导体激光器芯片中就会产生自发辐射。自发辐射对半导体激光器芯片的性能的劣化是致命的，而且反射光会导致激光器的相对强度噪声的提高。
为了至少部分地解决上述问题以及其他潜在问题中的一个或者多个，本公开的示例实施例提出了一种用于封装光发射组件的方法。该方案包括：将半导体激光器芯片焊接在壳体中的热沉之上，以便形成激光器组件；将激光器组件固定在垫板上；经由吸取装置吸取具有第一焦距的第一透镜，以用于将半导体激光器芯片设置在第一透镜的第一侧的预定位置处，吸取装置被设置在六轴位移调节装置上，第一透镜用于将半导体激光器芯片所输出的激光光束转换为平行光，第一焦距被配置为大于或者等于预定焦距阈值，以便减少经由第一透镜反射的反射光达到半导体激光器芯片的比例；经由光束分析装置，获取第一透镜所输出的平行光所形成的光斑图像；基于光斑图像的光斑尺寸，经由六轴位移调节装置调节吸取装置的位置，以用于使得半导体激光器芯片由预定位置处调整至第一透镜的焦点位置处并且使得半导体激光器芯片偏离光路轴线第一预定夹角；在第一透镜的第二侧依次固定光隔离器和第二透镜，光隔离器至少包括磁性单元、起偏器、偏振片和检偏器，磁性单元用于提供磁场，偏振片用于旋转磁场中的、经由起偏器输出的正向光路光的偏振方向以及旋转经由检偏器反射的反向光路的光的偏振方向，起偏器的通光轴与检偏器的通光轴之间的夹角为第二预定夹角，第二透镜用于将通过光隔离器输出的平行光进行汇聚；以及经由夹具夹持光纤，以便将光纤的位置调整并固定至第二透镜的焦点位置。
在上述方案中，通过将半导体激光器芯片设置在焦距大于或者等于预定焦距阈值的第一透镜的焦点处，本公开可以使得通过第一透镜反射回来的光较少地进入到半导体激光器芯片的有源区，进而避免反射光对激光发射造成的干扰。另外，通过基于第一透镜所输出平行光光斑的尺寸，经由六轴位移调节装置调节吸取装置的位置，进而使得半导体激光器芯片被调整至第一透镜的焦点位置处并且使得半导体激光器芯片偏离光路轴线第一预定夹角，本公开可以进一步使得通过透镜反射回来的光由于半导体激光器芯片的第一预定夹角的角度而不会进入到芯片有源区，进而减少对发射造成的干扰，同时不会造成耦合效率的降低。再者，通过偏振片用于旋转磁场中的、经由起偏器输出的正向光路光的偏振方向以及旋转经由检偏器反射的反向光路的光的偏振方向，本公开可以进一步使得反射返回的光束由偏振片的旋转后隔绝光路，进而阻止通过光隔离器之后的光因为反射原路返回至芯片形成自发辐射影响光束质量。因此，本公开能够降低反射光所导致的相对强度噪声。
图1示出了根据本公开的实施例的用于实施用于封装光发射组件的方法的***100的示意图。如图1所示，***100包括：半导体激光器芯片110、热沉112、垫板114、热敏电阻116、壳体(未示出)、吸取装置120、六轴位移调节装置122、第一透镜130、光束分析装置140、光隔离器150(光隔离器150包括磁性单元152、起偏器154、偏振片156和检偏器158)、第二透镜160、夹具(未示出)、光纤170。
关于半导体激光器芯片110，其用于输出激光光束，半导体激光器芯片被设置在热沉112之上。由于阈值电流随着有源区温度的升高指数增长，电光转换效率随着有源区温度的升高指数下降，因此半导体激光器芯片的有源区的温度控制是大功率激光器的重要问题。可以通过降低有源区至冷却介质之间的热阻有利于有源区的温度控制。
关于热沉112，其设置在壳体(未示出)内部。
关于热敏电阻116，通过使用环氧银胶将该热敏电阻116贴装在热沉的预定检测位置处，预定检测位置临近半导体激光器芯片110。基于热敏电阻116的检测数据，调整热沉112的温度。例如，计算设备如果确认热敏电阻116的检测数据大于或者等于预定温度阈值，则输出控制指令以用于降低制冷器温度。
关于垫板114，其上固定有由半导体激光器芯片110、热沉112所组成的激光器组件。
关于吸取装置120，其用于吸取具有第一焦距的第一透镜130，以用于将半导体激光器芯片调整至在第一透镜130的第一侧的固定位置处。吸取装置120被设置在六轴位移调节装置122上。
关于六轴位移调节装置122，其上设置有吸取装置120。通过调整六轴位移调节装置122的吸取装置120的位置，可以带动吸取装置120所吸取的第一透镜130移动，例如使得半导体激光器芯片110最终处于第一透镜130的焦点位置处并且使得半导体激光器芯片偏离光路轴线第一预定夹角。
关于第一透镜130，其用于将半导体激光器芯片所输出的激光光束转换为平行光，第一透镜具有第一焦距，第一焦距大于或者等于预定焦距阈值，预定焦距阈值被配置为减少经由第一透镜反射的反射光达到半导体激光器芯片的比例。
关于光束分析装置140，其用于获取第一透镜130所输出的平行光在第一位置处所形成的第一光斑图像；以及获取第一透镜130所输出的平行光在第二位置处所形成的第二光斑图像。其中，第二位置处距离第一透镜的距离大于第一位置处距离第一透镜的距离。
关于计算设备，其例如是图1所示的计算机。计算设备用于基于光束分析装置140所采集的第一光斑图像和第二光斑图像中光斑的尺寸变化(例如光斑直径的变化和/或光斑中心坐标的变化)，生成位移数据，控制六轴位移调节装置调节吸取装置的位置，以便使得第二光斑相对于第一光斑的尺寸变化符合预定条件。如果计算设备能够确定第二光斑相对于第一光斑的尺寸变化符合预定条件，将与吸取装置120的当前位置所对应的被吸取的第一透镜130的位置确定为第一透镜的固定位置。在一些实施例中，计算设备可以具有一个或多个处理单元，包括诸如GPU、FPGA和ASIC等的专用处理单元以及诸如CPU的通用处理单元。另外，在每个管理设备上也可以运行着一个或多个虚拟机。
关于光隔离器150，其设置在第一透镜130和第二透镜160之间，光隔离器150至少包括磁性单元152、起偏器154、偏振片156和检偏器158。磁性单元152用于提供磁场，偏振片156用于旋转经由起偏器输入的光或者经由检偏器反射的发射光的偏振方向，起偏器的通光轴与检偏器的通光轴之间的夹角为第二预定夹角。
关于第二透镜160，其用于将通过隔离器输出的平行光进行汇聚。
关于夹具，其用于夹持光纤，以便将光纤的位置调整并固定至第二透镜的焦点位置，以便封装光发射组件。
关于光纤170，其用于接收经由第二透镜所汇聚的光，光纤被配置在第二透镜的焦点位置。
以下将结合图2描述用于封装光发射组件的方法200。图2示出了根据本公开的实施例的用于封装光发射组件的方法200的流程图。应当理解，方法200例如可以在图1所描述的***100处执行。应当理解，方法200还可以包括未示出的附加动作和/或可以省略所示出的动作，本公开的范围在此方面不受限制。
在步骤202，将半导体激光器芯片焊接在壳体中的热沉之上，以便形成激光器组件。例如，在步骤202之前，首先使用环氧银胶将制冷器(TEC)贴装于管状壳体的底部；然后使用环氧银胶将垫板贴于制冷器上；再使用芯片共晶设备将半导体激光器芯片焊接在热沉上，以便形成激光器组件。
在步骤204，将激光器组件固定在垫板上。例如，使用环氧银胶将所形成的激光器组件贴在垫板上。之后，可以使用环氧银胶将热敏电阻等元器件贴在热沉的相应位置。然后，再使用金线键合设备将各元件与管状壳体各引脚的焊盘用金线进行连接。
在步骤206，经由吸取装置吸取具有第一焦距的第一透镜，以用于将半导体激光器芯片设置在第一透镜的第一侧的预定位置处，吸取装置被设置在六轴位移调节装置上，第一透镜用于将半导体激光器芯片所输出的激光光束转换为平行光，第一焦距被配置为大于或者等于预定焦距阈值，以便减少经由第一透镜反射的反射光达到半导体激光器芯片的比例。
例如，使用专门的吸取装置吸取第一透镜，再通过精密六轴位移调节台调整吸取装置的位置，从而控制第一透镜在上下、左右、前后等方位进行移动。
关于第一透镜的第一焦距的配置，经研究发现，采用焦距合适的第一透镜可以保证更高的耦合效率和更低的镭射区反射。传统采用的第一透镜的焦距一般在0.2mm左右，如果采用焦距更长的第一透镜，可以使得反射光更难进入到半导体激光器芯片的镭射区，不过，过长的第一透镜的焦距则可能导致耦合效率的降低。经研究发现，配置焦距为大于0.2mm，特别是0.6mm左右的第一透镜可以使得光发射组件具有更低的镭射区反射的同时，耦合效率还可以达到92％以上。由此，可以获得较高的耦合效率的同时降低反射光所导致的相对强度噪声。
在步骤208，经由光束分析装置，获取第一透镜所输出的平行光所形成的光斑图像。例如，在第一透镜远离半导体激光器芯片的一侧放置一个光束分析装置用来采集第一透镜所输出的平行光所形成的光斑图像。例如，半导体激光器芯片的光功率为100mW，可以基于光束分析装置的采集数据确定经过第一透镜(collimator lens)之后的光斑质量是否满足预定条件。在一些实施例中，光束分析装置为光束图像采集装置，例如为CMOS相机、或者CCD相机，其将所采集的光斑图像发送至计算设备，由计算设备针对光斑图像进行分析。在一些实施例中，光束分析装置自身带有计算单元，可以针对所采集的光斑图像进行分析，以便输出光斑尺寸和坐标等数据，并可将该光斑尺寸和坐标等数据发送给计算设备以用于调整第一透镜的位置。
半导体激光器芯片所输出光束是近轴波，光束的能量在沿着轴线Z方向逐渐发散，这种分布为高斯光束。图3示出了在自由空间传输的高斯光束半径300的示意图。如图3所示，W0代表代表Z为0位置处的高斯光束半径，在该位置，光束宽度最小，该位置称为束腰位置。在Z为Z0的位置处，高斯光束半径W(z)为
Figure BDA0002972231960000083
倍的W0。
以下结合公式(1)说明光束的振幅分布特性按照高斯函数规律变化的情况。公式(1)示出了高斯光束的表达式。
Figure BDA0002972231960000081
在上述公式(1)中，r代表以光轴中心点为参考的径向坐标。Z代表以光轴上光波最窄(束腰位置)为参考的轴向坐标。W(z)代表振幅下降到最大值的1/e时的光斑半径。W0代表代表Z＝0处的高斯光束半径，即激光的束腰宽度。E0代表初始激光的强度。
对于在自由空间传输的高斯光束而言，其束腰位置的光斑的半径在光轴方向上大于束腰宽度W0。以下结合公式(2)说明对于波长为λ的光波，其腰斑位置在z轴上的分布情况。
Figure BDA0002972231960000082
在上述公式(2)中，λ代表光波的波长。W0代表激光的束腰宽度。W(z)代表振幅下降到最大值的1/e时的光斑半径。Z代表以光轴上光波最窄(束腰位置)为参考的轴向坐标。zR代表瑞利距离。以下结合公式(3)说明瑞利距离zR的计算方式。
Figure BDA0002972231960000091
因此，可以通过上述公式获知自由空间传输的高斯光束在不同位置处的光斑的尺寸。在本公开的封装光发射组件的方法中，半导体激光器芯片所发出的激光光束经由第一透镜形成平行光，光束分析装置再通过实测的方式采集当前实际光路(即半导体激光器芯片所输出的激光光束经由第一透镜转换为平行光)中的经转换后的平行光所形成的光斑图像，以用于后续步骤中基于所采集的光斑图像的光斑尺寸来调整半导体激光器芯片与第一透镜的相对位置。
在步骤210，基于光斑图像的光斑尺寸，经由六轴位移调节装置调节吸取装置的位置，以用于使得半导体激光器芯片由预定位置处调整至第一透镜的焦点位置处并且使得半导体激光器芯片偏离光路轴线第一预定夹角。
关于使得半导体激光器芯片偏离光路轴线第一预定夹角的设置，经研究发现，在光发射组件的实际封装过程中，半导体激光器的芯片和第一透镜之间离焦的现象是无法避免的。以下结合图6示例半导体激光器芯片和第一透镜之间离焦情况下光路模型。图6示出了半导体激光器芯片与第一透镜离焦情况下的光路模型600的示意图。图6的上下两部分分别示例性地示出了两种离焦情况。光路模型600例如包括半导体激光器芯片(未示出)、第一透镜604、光隔离器606、第二透镜610和光纤612。在图6的上半部分中，半导体激光器芯片的出射光位置例如在602-1的位置，偏离了第一透镜604的焦点位置608。半导体激光器芯片的出射光经由第一透镜604、光隔离器606、第二透镜610，最终汇聚至614-1所示位置。在图6的下半部分中，半导体激光器芯片的出射光位置例如在602-2的位置，偏离了第一透镜604的焦点位置。半导体激光器芯片的出射光经由第一透镜、光隔离器和第二透镜，最终汇聚至614-2所示位置。离焦情况的出现就会导致反射光进入到半导体激光器芯片的镭射区，进而干扰半导体激光器芯片发光而产生噪声。
以下结合图7说明使得半导体激光器芯片偏离光路轴线第一预定夹角的方式。图7示出了半导体激光器芯片偏离光路轴线前后的光路模型700的示意图。图7的上半部分示出了半导体激光器芯片702与第一透镜710在同一光路轴线上的情形。半导体激光器芯片702所射出的激光706经第一透镜710后形成平行光。经第一透镜710反射的反射光708-1会达到半导体激光器芯片的的镭射区704-1。研究发现，半导体激光器芯片的的镭射区704-1或者704-2的直径一般为2μm左右。因此本公开实施例在保证足够耦合效率的基础上使第一透镜和半导体激光器芯片呈第一预定夹角，以便避免反射光进入半导体激光器芯片的镭射区。
图7的下半部分示出了半导体激光器芯片702偏离光路轴线712第一预定夹角的情形。此时，经第一透镜反射的反射光708-2无法达到半导体激光器芯片的的镭射区704-2。由此，降低了反射光所进入半导体激光器芯片的镭射区而导致的相对强度噪声。在一些实施例中，调整焦点位置处的半导体激光器芯片使其偏离光路轴线3°角，这样不仅能够保证较高的耦合效率，而且能够降低反射光所进入半导体激光器芯片的镭射区而导致的相对强度噪声。
例如，如果光束分析装置能够接收到高斯直径很好的椭圆形光斑。根据前文提及的公式所指示的自由空间传输的高斯光束特点及其原理，以及基于光束分析装置所实际采集的当前实际光路中的经转换后的平行光在不同位置处所形成的光斑图像，计算不同位置处的光斑变化比。关于计算不同位置处的光斑变化比的方法例如包括：计算设备提取对应不同位置处的光斑图像(由光束分析装置所实际采集)的图像特征，以便确定该光斑图像的光斑轮廓数据和中心坐标数据；然后基于光斑轮廓数据计算对应不同位置处的光斑图像的光斑直径；然后基于所计算的光斑图像的光斑直径来计算不同位置之间的光斑直径的变化比。关于光斑轮廓数据的确定方式，例如采用现有的图像数据处理方式，在此，不再赘述。经测试和计算，10cm处(距离第一透镜10cm的位置的确定与光发射组件的尺寸相关)的光斑直径和100cm处(距离第一透镜100cm的位置的是经测试而确定的，在该位置能够较好地衡量远距离传输的平行光的准直特性)光斑直径的变化比需要小于0.005，则确定预定偏差阈值为0.005，可以利用光束分析装置分别测量第一位置处(例如10cm处)和第二位置处100cm处的光斑尺寸，然后基于光斑尺寸确定光斑中心偏差是否小于或者等于预定偏差阈值，例如，实测光斑直径变化比为0.003，小于预定偏差阈值0.005(例如为变化比阈值)。如果小于预定偏差阈值，则表明半导体激光器芯片的位置处于第一透镜的焦点位置处并且准直效果良好。该第一透镜的焦距被配置为大于或者等于预定焦距阈值，以便减少经由第一透镜反射的反射光达到半导体激光器芯片的比例。
然后调整焦点位置处的半导体激光器芯片使其偏离光路轴线3°角，并且使得利用光束分析装置分别测量第一位置处(例如10cm处)和第二位置处100cm处的光斑尺寸变化依然小于预定偏差阈值。则可以确定当前第一透镜的位置为用于封装的固定位置。下文将结合图12说明用于将半导体激光器芯片设置在第一透镜的焦点位置的方法，在此，不再赘述。
图8示出了偏离光路轴线的半导体激光器芯片处于不同焦距的第一透镜的焦点位置处的光路模型800的示意图。图8的上半部分示出了偏离光路轴线的半导体激光器芯片处于焦距较小的第一透镜810-1的焦点处的情形。图8的下半部分示出了偏离光路轴线的半导体激光器芯片处于焦距较大的第一透镜810-2的焦点处的情形。该较大的焦距例如配置为大于或者等于预定焦距阈值，以使得反射光更难进入到半导体激光器芯片的镭射区。根据图8所示，配置更长焦距(例如为0.6mm左右)的第一透镜810-2组合偏离光路轴线的半导体激光器芯片，可以实现更低的镭射区反射。例如，反射光808-2对半导体激光器芯片的镭射区804-2的影响显然小于反射光808-1对半导体激光器芯片的镭射区804-1所带来的影响。
图9示例了根据本公开实施例的准直后的光斑图像。
在使得半导体激光器芯片由预定位置处调整至第一透镜的焦点位置处并且使得半导体激光器芯片偏离光路轴线第一预定夹角之后，通过六轴位移调节装置控制吸取装置的位置将第一透镜升起，然后使用专门的UV胶水涂覆于第一透镜的下方，再控制吸取装置将第一透镜降至第一透镜的焦点位置处，然后使用UV光源将胶水进行固化。
在步骤212，在固定第一透镜的位置之后，在第一透镜的第二侧依次固定光隔离器和第二透镜，光隔离器至少包括磁性单元、起偏器、偏振片和检偏器，磁性单元用于提供磁场，偏振片用于旋转磁场中的、经由起偏器输出的正向光路光的偏振方向以及旋转经由检偏器反射的反向光路的光的偏振方向，起偏器的通光轴与检偏器的通光轴之间的夹角为第二预定夹角，第二透镜用于将通过光隔离器输出的平行光进行汇聚。
将光隔离器固定在第一透镜和第二透镜之间主要是为了提高光束质量并且减少反射光对激光信号产生的影响。以下结合图4和图5说明光隔离器的作用。
本公开通过将光隔离器固定在第一透镜和第二透镜之间，可以阻止通过光隔离器之后的光因为反射原路返回至半导体激光器芯片从而形成自发辐射而影响光束质量。
图4示出了根据本公开的实施例的光隔离器的工作原理图。图4左右两部分分别示出了在正向光路和反向光路光隔离器400的工作原理。如图4所示，光隔离器400例如包括磁性单元410、起偏器420、偏振片430和检偏器440。偏振片430粘接在起偏器420和检偏器440之间。偏振片430例如而不限于是由钇铁石榴石单晶制备而成的法拉第旋转片。磁性单元410例如是磁环。偏振片430用于旋转磁场中的、经由起偏器输出的正向光路光的偏振方向以及旋转经由检偏器反射的反向光路的光的偏振方向。以下结合公式(4)说明偏振片430所旋转的旋转角度。
θ＝VLB (4)
在上述公式(4)中，θ代表偏振片430所旋转的旋转角度。V代表费尔德常数。费尔德常数通常与介质性质、光波频率和温度有关。L代表偏振片430的厚度。B代表磁性单元410所提供的磁场强度。在一些实施例中，光隔离器组装的过程中，起偏器420的偏振方向必须与半导体激光器芯片的输出光的偏振方向相同。
例如，在正向光路中，参见图4的左半部分，起偏器420的偏振方向是0°。半导体激光器芯片发出的光402(出射光的光路方向例如如标记412-1所示)经过0°的起偏器420时可无损耗通过，通过起偏器420时的光路方向例如如标记412-2所示。偏振片430的旋转角被设置为45°，例如，偏振片430将半导体激光器芯片的输出光的偏振方向顺时针旋转45°，通过偏振片430时的光路方向例如如标记412-3所示，此时的光路方向与检偏器440的偏振方向相同，因而可以低损耗地通过检偏器440。
在反向光路中，参见图4的右半部分，反射光406经由检偏器之后，被旋转45°，再经过偏振片旋转45°后，反射光的光路方向变为标记412-4所示的竖直90°。起偏器的偏振方向是0°。该竖直90°的光路方向与0°的起偏器的偏振方向垂直，因而阻止反射光通过，进而可以实现避免半导体激光器芯片由反射光下导致的性能劣化。
在一些实施例中，光发射组件配置有双级光隔离器。双级光隔离器例如为4片式双级光隔离器，或者为5片式双级光隔离器。图5示出了根据本公开的另一实施例的光隔离器的示意图。如图5所示，4片式双级光隔离器包括磁性元件510、以及依次设置的第一偏振片520(例如第一法拉第旋转片)、第一检偏器530、第二偏振片540(例如第二法拉第旋转片)和第二检偏器550。其中磁性元件例如向第一偏振片和第二偏振片施加同一方向的磁场，并且第一偏振片520和第二偏振片540中法拉第旋转在相反方向上产生。例如，在正向光路中，正向入射光502经由第一偏振片中旋转45°的偏振光经过第一检偏器530，然后由第二偏振片540在与由第一偏振片520产生的旋转的方向相反的方向上使偏振光旋转45°。然后，经旋转的偏振光经由第二检偏器550输出光隔离器。隔离器的出射光504的偏振方向与入射光502的偏振方向平行。
在反向光路中，反射光506经过第二检偏器550之后，经过第二偏振片540旋转45°后，反向光的偏振方向例如变为竖直90°。该竖直90°的偏振光无法反向通过，并且与光隔离器500的入射光的偏振方向垂直。因此能够降低对半导体激光芯片的出射激光的影响。本公开通过采用上述双级光隔离器，能够更好地降低反射光带来的噪声。
关于固定第二透镜的方式，例如可以使用专门的胶水将第二透镜进行固定。例如，如图1所示，本公开半导体激光器芯片所发出的光经过第一透镜(collimator lens)变成平行光，然后经过第二透镜(focus lens)汇聚进光纤。通过采用第一透镜和第二透镜的双透镜结构，有利于使得光发射组件的耦合效率高。例如，双透镜结构模拟耦合效率可达95％以上，实际工艺实现的耦合效率可达80％，单透镜结构耦合模拟耦合效率只有85％，实际工艺可达到的耦合效率只有65％。
在步骤214，经由夹具夹持光纤，以便将光纤的位置调整并固定至第二透镜的焦点位置。
例如，可以使用夹具夹持光纤，通过设备的控制微调光纤位置，找到光纤的最佳位置，即第二透镜的焦点位置，在这个位置激光器的光能够最大程度的进入光纤，然后利用激光焊接的方式将光纤进行固定，以便封装光发射组件。
以下结合图10和图11来说明，本公开在降低反射光所导致的相对强度噪声方面的技术效果。图10示例性示出了传统的用于封装光发射组件的方法的相对强度噪声示意图1000。图10例如指示了噪声测量装置关于传统封装方法所封装的光发射组件的相对强度噪声的测量结果的显示界面。图11例如指示了噪声测量装置关于本公开封装方法所封装的光发射组件的相对强度噪声的测量结果的显示界面。如图10所示，在标记1002所指示的峰值3.2GHZ点的相对噪声RIN很高。图11示例性示出了根据本公开实施例的用于封装光发射组件的方法的相对噪声示意图1100。如图11所示，经封装后的光发射组件相对强度噪声为-169dB/Hz，满足小于-165dB/Hz的预定要求。而且耦合效率仍然可以满足大于80％。因此，本公开不仅可以降低反射光所导致的相对强度噪声方面的技术效果，而且能够保证较高的耦合效率。
在上述方案中，通过将半导体激光器芯片设置在焦距大于或者等于预定焦距阈值的第一透镜的焦点处，本公开可以使得通过第一透镜反射回来的光较少地进入到半导体激光器芯片的有源区，进而避免反射光对激光发射造成的干扰。另外，通过基于第一透镜所输出平行光光斑的尺寸，经由六轴位移调节装置调节吸取装置的位置，进而使得半导体激光器芯片被调整至第一透镜的焦点位置处并且使得半导体激光器芯片偏离光路轴线第一预定夹角，本公开可以进一步使得通过透镜反射回来的光由于半导体激光器芯片的第一预定夹角的角度而不会进入到芯片有源区，进而减少对发射造成的干扰，同时不会造成耦合效率的降低。再者，通过偏振片用于旋转磁场中的、经由起偏器输出的正向光路光的偏振方向以及旋转经由检偏器反射的反向光路的光的偏振方向，本公开可以进一步使得反射返回的光束由偏振片的旋转后隔绝光路，进而阻止通过光隔离器之后的光因为反射原路返回至芯片形成自发辐射影响光束质量。因此，本公开能够降低反射光所导致的相对强度噪声。
以下将结合图12描述用于使得半导体激光器芯片处于第一透镜的焦点位置的方法。图12示出了根据本公开的实施例的用于设置第一透镜位置的方法1200的流程图。应当理解，方法1200例如可以在图1所描述的***100处(例如在***100所包括的计算设备处)执行。应当理解，方法1200还可以包括未示出的附加动作和/或可以省略所示出的动作，本公开的范围在此方面不受限制。
在步骤1202，计算设备处，获取光束分析装置所采集的第一透镜所输出的平行光在第一位置处所形成的第一光斑图像。
在步骤1204，计算设备获取光束分析装置所采集的第一透镜所输出的平行光在第二位置处所形成的第二光斑图像，第二位置处距离第一透镜的距离大于第一位置处距离第一透镜的距离。
在步骤1206，提取第一光斑图像的第一光斑轮廓数据和第一中心坐标数据，以及提取第二光斑图像的第二光斑轮廓数据和第二中心坐标数据。
在步骤1208，计算设备基于第一光斑轮廓数据和第二光斑轮廓数据，计算第一光斑和第二光斑的尺寸变化数据。
在步骤1210，计算设备计算第一中心坐标数据和第二中心坐标数据的坐标变化数据。
在步骤1212，基于尺寸变化数据和坐标变化数据，确定第二光斑相对于第一光斑的变化是否符合预定条件。
步骤1214，如果计算设备确确定第二光斑相对于第一光斑的变化不符合预定条件，输出位移数据，以便经由六轴位移调节装置调节吸取装置的位置。
步骤1216，如果确定第二光斑相对于第一光斑的变化符合预定条件，将与吸取装置的当前位置所对应的第一透镜的位置确定为第一透镜的固定位置。
步骤1218，在确定为第一透镜的固定位置之后，计算设备控制吸取装置提升第一透镜离开固定位置，以便将UV胶水涂覆于固定位置处。
步骤1220，计算设备控制吸取装置降下第一透镜，以便将第一透镜固定在固定位置处。
通过采用上述手段，本公开可以自动地进行第一透镜的准直与固定。
图13示例性示出了根据本公开实施例的光发射组件1300的结构示意图。如图13所示，光发射组件1300例如包括：壳体1310、半导体激光器芯片1316、热沉1304、垫板1306、第一透镜1314、光隔离器1302、第二透镜1320、光纤1324。发射组件1300还包括制冷器1308、热敏电阻1318、元器件1312和金属件1322。
关于第一透镜1314，其用于将半导体激光器芯片1316所输出的激光光束转换为平行光，第一透镜1314具有第一焦距，第一焦距大于或者等于预定焦距阈值，预定焦距阈值被配置为减少经由第一透镜反射的反射光达到半导体激光器芯片1316的比例。在一些实施例中，通过把最容易产生反射的第一透镜放在制冷器1308上，防止高低温情况下由于温度变化导致膜系偏移形成相对强度噪声高的现象发生。
关于半导体激光器芯片1316，其被设置在热沉1304之上，并且半导体激光器芯片1316被设置在第一透镜1314的焦点位置并且使得半导体激光器芯片偏离光路轴线第一预定夹角光。
关于光隔离器1302，其设置在第一透镜1318和第二透镜之间1320，光隔离1302器至少包括磁性单元、起偏器、偏振片和检偏器，磁性单元用于提供磁场，偏振片用于旋转经由起偏器输入的光或者经由检偏器反射的发射光的偏振方向，起偏器的通光轴与检偏器的通光轴之间的夹角为第二预定夹角。
关于第二透镜1320，其用于将通过隔离器输出的平行光进行汇聚。关于光纤1324，其用于接收经由第二透镜1320所汇聚的光，光纤1324被配置在第二透镜1320的焦点位置。
图14示例性示出了根据本公开实施例的阵列式光发射组件1400的结构示意图。如图14所示，阵列式光发射组件1400例如包括：壳体1410、多个半导体激光器芯片1412、热沉1414、垫板1416、制冷器1418、热敏电阻1420、多个第一透镜1422、聚合器1424、位移透镜1426、光隔离器(未示出)、一个第二透镜(未示出)、金属件1428和光纤1430和柔性电路板1432。图14中仅示出了部分组件。多个半导体激光器芯片中的每一个半导体激光器芯片被设置在多个第一透镜中的一个对应第一透镜的焦点位置并且偏离对应光路轴线第一预定夹角。
关于聚合器1424，其用于将多个第一透镜1422所转换的多束平行光聚合为一束平行光，光隔离器设置在聚合器和第二透镜之间。
关于位移透镜1426，其用于将经由聚合器1424聚合后的一束平行光进行平移，以便使得平移后的平行光经由光隔离器(未示出)和第二透镜(未示出)进入光纤1430。其中光隔离器和第二透镜例如设置在金属件1428内部。在一些实施例中，阵列式光发射组件1400可以设置多个光隔离器，并且将多个光隔离器分别设置在多个第一透镜1422和聚合器1424之间，以便进一步降低反射光所导致的相对强度噪声。
关于热敏电阻1420，其被贴装在热沉的预定检测位置处，以用于检测热沉的温度，预定检测位置临近半导体激光器芯片。
关于柔性电路板1432，其用于为多个半导体激光器芯片1412提供供电和信号。
图15示意性示出了适于用来实现本公开实施例的计算设备1500的框图。设备1500可以是用于实现执行图12所示的方法1200的设备。如图15所示，设备1500包括中央处理单元(CPU)1501，其可以根据存储在只读存储器(ROM)1502中的计算机程序指令或者从存储单元1508加载到随机访问存储器(RAM)1503中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 1503中，还可存储设备1500操作所需的各种程序和数据。CPU 1501、ROM 1502以及RAM1503通过总线1504彼此相连。输入/输出(I/O)接口1505也连接至总线1504。
设备1500中的多个部件连接至I/O接口1505，包括：输入单元1506、输出单元1507、存储单元1508，处理单元1501执行上文所描述的各个方法和处理，例如执行方法1200。例如，在一些实施例中，方法1200可被实现为计算机软件程序，其被存储于机器可读介质，例如存储单元1208。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 1502和/或通信单元1509而被载入和/或安装到设备1500上。当计算机程序加载到RAM 1503并由CPU1501执行时，可以执行上文描述的方法1200的一个或多个操作。备选地，在其他实施例中，CPU 1501可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法1200的一个或多个动作。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，该编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。
这些计算机可读程序指令可以提供给语音交互装置中的处理器、通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理单元，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理单元执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
以上仅为本公开的可选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等效替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光发射组件，包括：
激光器组件，所述激光器组件包括半导体激光器芯片和热沉，所述半导体激光器芯片被设置在所述热沉之上，并且所述半导体激光器芯片被设置在第一透镜的焦点位置并且使得所述半导体激光器芯片偏离光路轴线第一预定夹角,以便经第一透镜反射的反射光无法达到半导体激光器芯片的镭射区；
第一透镜，用于将所述半导体激光器芯片所输出的激光光束转换为平行光，所述第一透镜具有第一焦距，所述第一焦距大于预定焦距阈值，所述预定焦距阈值被配置为减少经由所述第一透镜反射的反射光达到所述半导体激光器芯片的比例；
光隔离器，设置在所述第一透镜和第二透镜之间，所述光隔离器至少包括磁性单元、起偏器、偏振片和检偏器，所述磁性单元用于提供磁场，所述偏振片用于旋转经由所述起偏器输入的光或者经由所述检偏器反射的发射光的偏振方向，所述起偏器的通光轴与所述检偏器的通光轴之间的夹角为第二预定夹角；以及
第二透镜，用于将通过光隔离器输出的平行光进行汇聚；
光纤，用于接收经由所述第二透镜所汇聚的光，所述光纤被配置在所述第二透镜的焦点位置。
2.根据权利要求1中的所述光发射组件，其中所述第一预定夹角为3度，使得利用光束分析装置分别测量距离第一透镜第一位置处和距离第一透镜第二位置处的光斑尺寸变化小于预定偏差阈值。
3.根据权利要求1中的所述光发射组件，其中所述激光器组件包括多个半导体激光器芯片，所述多个半导体激光器芯片中的每一个半导体激光器芯片被设置在多个第一透镜中的一个对应第一透镜的焦点位置并且偏离对应光路轴线所述第一预定夹角，所述光发射组件还包括：聚合器，用于将所述多个第一透镜所转换的多束平行光聚合为一束平行光，所述光隔离器设置在所述聚合器和所述第二透镜之间；以及
热敏电阻，被贴装在所述热沉的预定检测位置处，以用于检测所述热沉的温度，所述预定检测位置临近所述半导体激光器芯片。
4.根据权利要求3中的所述光发射组件，其中光发射组件为阵列式光发射组件，所述光发射组件还包括：
位移透镜，用于将经由聚合器聚合后的一束平行光进行平移，以便使得平移后的平行光经由光隔离器和第二透镜进入光纤，所述光隔离器为多个，以用于分别设置在多个第一透镜和聚合器之间。
5.根据权利要求1中的所述光发射组件，其中偏振片为法拉第旋光器，所述法拉第旋光器使得经由起偏器输入的线偏振光或者经由所述检偏器反射的发射光旋转45度，所述第二预定夹角为45度。
6.根据权利要求1中的所述光发射组件，其中所述预定焦距阈值为0.6mm。
7.根据权利要求1中的所述光发射组件，其中所述第一预定夹角为3度，使得利用光束分析装置分别测量距离第一透镜第一位置处和距离第一透镜第二位置处的光斑尺寸变化小于预定偏差阈值，所述偏振片包括第一偏振片和第二偏振片，所述检偏器包括配置于所述第一偏振片和所述第二偏振片之间的第一检偏器，以及配置于所述第二偏振片另一侧的第二检偏器。
8.根据权利要求7中的所述光发射组件，其中第一偏振片和第二偏振片中法拉第旋转在相反方向上产生。
9.根据权利要求8中的所述光发射组件，其中在正向光路中，正向入射光经由第一偏振片中旋转45°的偏振光经过第一检偏器，然后由第二偏振片在与由第一偏振片产生的旋转的方向相反的方向上使偏振光旋转45°，经旋转的偏振光经由第二检偏器输出光隔离器，所述隔离器的出射光的偏振方向与入射光的偏振方向平行。
10.根据权利要求9中的所述光发射组件，其中在反向光路中，反射光经过第二检偏器之后，经过第二偏振片540旋转45°后，反向光的偏振方向被改变为竖直90°，与光隔离器的入射光的偏振方向垂直。
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