CN112886390A - 一种多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构与方法，属于半导体激光器封装技术领域，结构包括壳体、R型单组激光器、L型单组激光器、偏振合束器和光纤耦合器，其中，所述壳体为长方体，长方体一侧设有凹槽，凹槽下表面一侧设有台阶，台阶上表面两端分别设有R型单组激光器和L型单组激光器，台阶前的凹槽下表面上设有偏振合束器，凹槽下表面另一侧的壳体上设有光纤耦合器。本发明避免了大功率单组激光器空间合束可能出现的相互干涉问题，明显改善了光源质量，同时避免了大功率单组激光器散热不均匀的问题。

Description

一种多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构 与方法

技术领域

本发明涉及一种多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构与方法，属于半导体激光器封装技术领域。

背景技术

经过几十年的发展，半导体激光器越来越被社会所熟知，并且已经在多处领域得到应用，半导体激光器的光电转换效率在60％以上，远远高于其他同类产品的光电转换效率，其能耗低，器件中热积累少、寿命长、准直性好、照明距离远等优点在社会同类行业中作为一种新兴的技术应用越来越广泛。半导体激光器所具有的各类优点决定其越来越受到社会各界的广泛重视。目前市面上常见的主要是单组的大功率光纤耦合半导体激光器，其受限于空间结构的尺寸大小，存在激光传输过程出现相互干涉的可能，由于芯片是在有一定高度差的台阶上，距离散热底部较远，热阻相对偏大，导热效率低下，且多款反射镜样式，对台阶及反射镜加工精度要求较高，虽然单个结构相对简单，但是对激光器的装配要求很高，调整复杂，体积相对较大。

中国专利文件CN100576666公开了一种大功率光束耦合半导体激光器，包括同一波长相同偏振态的两个半导体激光器、扩束聚焦器件，所述的两个半导体激光器在同一光轴上相对放置，在两半导体激光器间的光路上设置一其斜面上镀有偏振膜的直角偏振耦合棱镜，在该直角偏振耦合棱镜的一侧直角面上贴置一四分之一波片，一个激光器的出射光束经直角偏振耦合棱镜反射后传输至扩束聚焦器件，另一个激光器的出射光束通过四分之一波片的反射实现偏振方向的90度旋转后与前述的反射光束耦合成一束传输。该激光器的安装调整较为复杂，工业应用较为困难，且无法避免激光传输过程出现相互干涉的可能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，该结构避免了激光传输过程出现相互干涉的可能，且对激光器的装配要求较低，调整简单。

本发明还提供上述一种多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构的封装方法。

本发明的技术方案如下：

一种多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，包括壳体、R型单组激光器、L型单组激光器、偏振合束器和光纤耦合器，其中，

所述壳体为长方体，长方体一侧设有凹槽，凹槽下表面一侧设有台阶，台阶上表面两端分别设有R型单组激光器和L型单组激光器，台阶前的凹槽下表面上设有偏振合束器，凹槽下表面另一侧的壳体上设有光纤耦合器。

优选的，所述R型单组激光器包括底板，底板上设有阶梯热沉，阶梯热沉上设有激光器芯片，激光器芯片的安装高度可根据实际需要进行对应调整，激光器芯片出光一侧设有快轴准直透镜，底板上还设有慢轴准直透镜和反射镜，激光器芯片的光经过快轴准直透镜、慢轴准直透镜，经由反射镜反射射出。

进一步优选的，所述L型单组激光器包括底板，底板上设有阶梯热沉，阶梯热沉上设有激光器芯片，激光器芯片的安装高度可根据实际需要进行对应调整，激光器芯片出光一侧设有快轴准直透镜，底板上还设有慢轴准直透镜和反射镜，激光器芯片的光经过快轴准直透镜、慢轴准直透镜，经由反射镜反射射出；同一个台阶上的R型单组激光器的反射镜与L型单组激光器的反射镜成镜像对称；R型单组激光器的反射镜反射出的激光与L型单组激光器的反射镜反射出的激光共同进入偏振合束器中。

优选的，所述凹槽形状为长方体，凹槽下表面一侧设有4组台阶。

优选的，光纤耦合器包括耦合透镜、固定座和光纤组件，耦合透镜装配在固定座一端，光纤组件装配在固定座另一端，固定座装配在壳体上，耦合透镜在壳体内侧，光纤组件在壳体外侧。

优选的，所述偏振合束器横截面为直角梯形，偏振合束器上表面为S3面，偏振合束器内设有中空部分，中空部分靠近直角梯形斜边所在侧面，中空部分内与斜边侧面对应的侧面为S4面，中空部分横截面为平行四边形，斜边侧面与S4面平行，中空部分下表面设有长方形开口，中空部分下表面S1面与偏振合束器下表面S2面大小相同，斜边侧面与S1面呈45°，与S3面呈135°。两束激光进入偏振合束器后，其中一束激光经S1面透射、斜边侧面反射、S4面反射、S3面透射输出，另一束激光经S2面透射、S3面透射输出，两束激光形成一束输出。

优选的，快轴准直透镜为非球面柱状透镜，形状为半圆柱体，S1面为曲面，S2面为平面，快轴准直透镜通过S2面安装于激光器芯片模块，快轴准直剩余发散角≤5mrad，S1、S2两面镀AR膜，透射率≥99.5％@785-985nm，激光损伤阈值：≥15KW/cm²。

优选的，慢轴准直透镜为球面柱状透镜，形状为长方体，S1一面设置为曲面，S1面对面的平面为S2面，慢轴准直剩余发散角≤15mrad，S1、S2两面镀AR膜，透射率≥99.5％@785-985nm，入射角AOI＝0-12.5Deg，激光损伤阈值≥10KW/cm²。

优选的，反射镜为45度高反射率镜，反射率≥99％，S面为不透光平面，S面不透射，全反射，S面镀膜，反射率AR≥99％@780-900nm，反射率BR≥99％@900-1000nm，入射角AOI＝45+/-5Deg，激光损伤阈值：≥10KW/cm²。

优选的，阶梯热沉上设置有引流槽，激光器芯片模块烧结于阶梯热沉上时，溢出的部分焊料会随引流槽排至下方热沉处，避免腔面发光区污染，影响后续快轴准直。

一种多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构的封装方法，步骤如下：

(1)阶梯热沉上安装激光器芯片，激光器芯片出光一侧安装快轴准直透镜，底板上安装慢轴准直透镜和反射镜，分别组成R型单组激光器和L型单组激光器；

(2)R型单组激光器和L型单组激光器分别安装于凹槽内的台阶上，同一个台阶上的R型单组激光器的反射镜与L型单组激光器的反射镜成镜像对称；

(3)凹槽内安装偏振合束器和光纤耦合器，完成多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器的封装。

本发明的有益效果在于：

1、本发明R型单组激光器与L型单组激光器的多组对称阵列的新型封装结构，避免了大功率单组激光器空间合束可能出现的相互干涉问题，明显改善了光源质量，同时避免了大功率单组激光器散热不均匀的问题。

2、本发明的结构简单，提升了制造效率，调整简单，通过多组激光器的封装满足大功率的需求。

3、本发明的偏振合束器解决了目前同等功率的单组激光器由于传输距离较远导致的功率衰减问题，大幅度提升了单位体积的输出功率，有利于更高功率的光纤耦合。

附图说明

图1为本发明的结构俯视图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的R型单组激光器俯视图；

图4为本发明的R型单组激光器结构示意图；

图5为本发明的L型单组激光器俯视图；

图6为本发明的L型单组激光器结构示意图；

图7为本发明的壳体俯视图；

图8为本发明的壳体结构示意图；

图9为本发明的偏振合束器示意图；

图10为本发明的光学俯视图；

图11为本发明的快轴准直透镜结构示意图；

图12为本发明的慢轴准直透镜结构示意图；

图13为本发明的反射镜结构示意图；

其中，1、R型单组激光器；2、L型单组激光器；3、壳体；4、偏振合束器；5、耦合透镜；6、固定座；7、光纤组件；8、激光器芯片；9、快轴准直透镜；10、慢轴准直透镜；11、反射镜；12、凹槽；13、台阶；14、引流槽；15、底板；16、阶梯热沉。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：如图1-2所示，本实施例提供一种多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，包括壳体3、R型单组激光器1、L型单组激光器2、偏振合束器4和光纤耦合器，其中，

所述壳体3为长方体，长方体一侧设有凹槽12，凹槽12下表面一侧设有台阶13，壳体结构如图7-8所示，台阶13上表面两端分别设有R型单组激光器1和L型单组激光器2，台阶13前的凹槽12下表面上设有偏振合束器4，凹槽12下表面另一侧上方的壳体3上设有光纤耦合器。

所述R型单组激光器1包括底板15，底板15上设有阶梯热沉16，阶梯热沉16最低价上设有激光器芯片8，激光器芯片8出光一侧设有快轴准直透镜9，底板15上还设有慢轴准直透镜10和反射镜11，R型单组激光器1结构如图3-4所示，激光器芯片8的光经过快轴准直透镜9、慢轴准直透镜10，经由反射镜11反射射出。

所述L型单组激光器2包括底板15，底板15上设有阶梯热沉16，阶梯热沉16最低阶上设有激光器芯片8，激光器芯片8出光一侧设有快轴准直透镜9，底板15上还设有慢轴准直透镜10和反射镜11，L型单组激光器2结构如图5-6所示，激光器芯片8的光经过快轴准直透镜9、慢轴准直透镜10，经由反射镜11反射射出；同一个台阶上的R型单组激光器1的反射镜11与L型单组激光器2的反射镜11成镜像对称；R型单组激光器的反射镜反射出的激光与L型单组激光器的反射镜反射出的激光共同进入偏振合束器4中，如图10所示。

所述偏振合束器4横截面为直角梯形，偏振合束器4上表面为S3面，偏振合束器内设有中空部分，中空部分靠近直角梯形斜边所在侧面，中空部分内与斜边侧面对应的侧面为S4面，中空部分横截面为平行四边形，斜边侧面与S4面平行，中空部分下表面设有长方形开口，中空部分下表面S1面与偏振合束器下表面S2面大小相同，斜边侧面与S1面呈45°，与S3面呈135°，偏振合束器4结构如图9所示。两束激光进入偏振合束器4后，其中一束激光经S1面透射、斜边侧面反射、S4面反射、S3面透射输出，另一束激光经S2面透射、S3面透射输出，两束激光形成一束输出。

快轴准直透镜9为非球面柱状透镜，形状为半圆柱体，S1面为曲面，S2面为平面，如图11所示，快轴准直透镜通过S2面安装于激光器芯片模块，快轴准直剩余发散角＝5mrad，S1、S2两面镀AR膜，透射率＝99.5％@785-985nm，激光损伤阈值＝15KW/cm²。

慢轴准直透镜10为球面柱状透镜，形状为长方体，S1一面设置为曲面，S1面对面的平面为S2面，如图12所示，慢轴准直剩余发散角＝15mrad，S1、S2两面镀AR膜，透射率＝99.5％@785-985nm，入射角AOI＝0-12.5Deg，激光损伤阈值＝10KW/cm²。

反射镜11为45度高反射率镜，如图13所示，反射率＝99％，S面为不透光平面，S面不透射，全反射，S面镀膜，反射率AR＝99％@780-900nm，反射率BR＝99％@900-1000nm，入射角AOI＝45+/-5Deg，激光损伤阈值＝10KW/cm²。

一种多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构的封装方法，步骤如下：

(1)阶梯热沉16上安装激光器芯片8，激光器芯片8出光一侧安装快轴准直透镜9，底板15上安装慢轴准直透镜10和反射镜11，分别组成R型单组激光器1和L型单组激光器2；

(2)R型单组激光器1和L型单组激光器2分别安装于凹槽12内的台阶上，同一个台阶上的R型单组激光器1的反射镜与L型单组激光器2的反射镜成镜像对称；

(3)凹槽12内安装偏振合束器4和光纤耦合器，完成多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器的封装。

实施例2：一种多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，所述凹槽12形状为长方体，凹槽12下表面一侧设有4组台阶。

实施例3：一种多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，光纤耦合器包括耦合透镜5、固定座6和光纤组件7，耦合透镜5装配在固定座6一端，光纤组件7装配在固定座6另一端，固定座6装配在壳体3上，耦合透镜5在壳体3内侧，光纤组件7在壳体3外侧。

实施例4：一种多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，阶梯热沉16上设置有引流槽14，激光器芯片8烧结于阶梯热沉16上时，溢出的部分焊料会随引流槽14排至下方热沉处，避免腔面发光区污染，影响后续快轴准直。

对比例：对比例提供一种多芯片光纤耦合半导体激光器，其结构为芯片焊接在热沉上，然后经过快轴准直透镜和慢轴准直透镜进行准直，由不同高度的反射镜水平反射到聚焦镜上，最后聚焦耦合到水平光纤中，对比例与实施例1的参数对比如表1所示，由表1可知，实施例1的各项参数性能优于对比例，实施例1的产量相较于对比例明显提升，且故障率降低，提升效果显著。

表1：对比例与实施例1的参数对比

Claims (10)

1.一种多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，包括壳体、R型单组激光器、L型单组激光器、偏振合束器和光纤耦合器，其中，

所述壳体为长方体，长方体一侧设有凹槽，凹槽下表面一侧设有台阶，台阶上表面两端分别设有R型单组激光器和L型单组激光器，台阶前的凹槽下表面上设有偏振合束器，凹槽下表面另一侧的壳体上设有光纤耦合器。

2.如权利要求1所述的多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，所述R型单组激光器包括底板，底板上设有阶梯热沉，阶梯热沉上设有激光器芯片，激光器芯片出光一侧设有快轴准直透镜，底板上还设有慢轴准直透镜和反射镜，激光器芯片的光经过快轴准直透镜、慢轴准直透镜，经由反射镜反射射出。

3.如权利要求2所述的多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，所述L型单组激光器包括底板，底板上设有阶梯热沉，阶梯热沉上设有激光器芯片，激光器芯片出光一侧设有快轴准直透镜，底板上还设有慢轴准直透镜和反射镜，激光器芯片的光经过快轴准直透镜、慢轴准直透镜，经由反射镜反射射出；同一个台阶上的R型单组激光器的反射镜与L型单组激光器的反射镜成镜像对称；R型单组激光器的反射镜反射出的激光与L型单组激光器的反射镜反射出的激光共同进入偏振合束器中；

优选的，所述凹槽形状为长方体，凹槽下表面一侧设有4组台阶。

4.如权利要求1所述的多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，光纤耦合器包括耦合透镜、固定座和光纤组件，耦合透镜装配在固定座一端，光纤组件装配在固定座另一端，固定座装配在壳体上，耦合透镜在壳体内侧，光纤组件在壳体外侧。

5.如权利要求1所述的多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，所述偏振合束器横截面为直角梯形，偏振合束器上表面为S3面，偏振合束器内设有中空部分，中空部分靠近直角梯形斜边所在侧面，中空部分内与斜边侧面对应的侧面为S4面，中空部分横截面为平行四边形，斜边侧面与S4面平行，中空部分下表面设有长方形开口，中空部分下表面S1面与偏振合束器下表面S2面大小相同，斜边侧面与S1面呈45°，与S3面呈135°。

6.如权利要求2所述的多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，快轴准直透镜为非球面柱状透镜，形状为半圆柱体，S1面为曲面，S2面为平面，快轴准直透镜通过S2面安装于激光器芯片模块，快轴准直剩余发散角≤5mrad，S1、S2两面镀AR膜，透射率≥99.5％@785-985nm，激光损伤阈值：≥15KW/cm2。

7.如权利要求2所述的多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，慢轴准直透镜为球面柱状透镜，形状为长方体，S1一面设置为曲面，S1面对面的平面为S2面，慢轴准直剩余发散角≤15mrad，S1、S2两面镀AR膜，透射率≥99.5％@785-985nm，入射角AOI＝0-12.5Deg，激光损伤阈值≥10KW/cm2。

8.如权利要求2所述的多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，反射镜为45度高反射率镜，反射率≥99％，S面为不透光平面，S面不透射，全反射，S面镀膜，反射率AR≥99％@780-900nm，反射率BR≥99％@900-1000nm，入射角AOI＝45+/-5Deg，激光损伤阈值：≥10KW/cm2。

9.如权利要求2所述的多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，阶梯热沉上设置有引流槽。

10.如权利要求3所述的多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器封装结构的封装方法，其特征在于，步骤如下：

(1)阶梯热沉上安装激光器芯片，激光器芯片出光一侧安装快轴准直透镜，底板上安装慢轴准直透镜和反射镜，分别组成R型单组激光器和L型单组激光器；

(2)R型单组激光器和L型单组激光器分别安装于凹槽内的台阶上，同一个台阶上的R型单组激光器的反射镜与L型单组激光器的反射镜成镜像对称；

(3)凹槽内安装偏振合束器和光纤耦合器，完成多组对称阵列的大功率光纤耦合半导体激光器的封装。

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