降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构及方法技术

本发明专利技术公开了一种降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构及方法，本发明专利技术改良所述封装结构，通过采用玻璃毛细管固定光纤，同时光纤端面的研磨角度不小于11

【技术实现步骤摘要】
降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构及方法


[0001]本专利技术涉及模拟光信号半导体光电器件
，尤其涉及一种降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构及方法与应用。

技术介绍

[0002]基于激光光谱技术的不断发展，快速测量、高灵敏度和小型气体探测传感器的市场需求不断增加。由于VCSEL激光器具有低功耗、小体积、低成本等特点，同时又有其近红外波段选择性强、小电流调谐范围宽和电热功率低的特性，使它成为气体传感器的理想光源之一。在室温环境温度下VCSEL激光器可以发射1.65微米的近红外激光，成为CH4气体传感器的理想光源。
[0003]可调谐半导体激光吸收光谱技(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)是一种常见的高灵敏度气体检测方法，其工作原理是根据不同气体的不同特征光谱吸收峰，通过适当选择被测气体特征光谱吸收峰值的波长值，并匹配相同波长的激光源，可以实现比气体浓度的精确测量。当红外激光通过被测气体时，由于特征光谱吸收峰的吸收效应，其光强将降低。光强度降低的幅度与被测气体的浓度，以及光束经过被测气体的光程长度值成正比。因此，当光程长度值为已知值时，可以通过检测和分析红外吸收峰处的光强变化值来检测被测气体的浓度。在利用TDLAS技术并采用VCSEL激光器作为传感器光源时，需要将VCSEL激光器的输出波长稳定在气体(如CH4)的吸收峰附近，以便对其浓度进行测量。由于在使用TDLAS技术时，需要精密测量气体吸收峰处的光强变化值,也就是，吸收峰光强信号相对于本底噪音信号变化值，就需要最大程度的减小由本底噪音信号的变化引入的误差。
[0004]同时，为精确测量CH4的浓度，特别是低浓度CH4气体(国标要求的最低测量浓度是0.1％CH4浓度)时，需要通过调谐激光器的输出波长，使扫描的波长范围可以覆盖CH4气体吸收峰。为了在测量低浓度CH4气体时，准确地确定CH4气体吸收峰的位置，就需要用到含有高浓度CH4气体的参考气室，这就需要把激光器光源的功率利用光纤耦合器分出一路接到CH4气体的参考气室。随着激光器环境变化，激光器波长会变化，有参考光路的气体传感器能精确能定位吸收波长，能有效防止传感器误报。
[0005]在一个典型的全光纤气体传感系统中，如图1所示，通常采用一个带有光纤尾纤的VCSEL激光器组件10作为光源，激光光束可以通过两个1x2的光纤耦合器20分成三路的光路，其中一路经过探测气室30连接到光电探测器50，用于提供参考信号；另一路经过参考气室40连接到光电探测器60，用于提供检测信号；第三路之间连接到光电探测器70，用于提供光源变化监测信号。
[0006]在封装用于光纤通信的常规的带有光纤尾纤的VCSEL激光器组件时，为了减少光纤端面反射光的影响，耦合光纤端面通常被研磨成一个6
°
到8
°
的斜角。当这种工艺生产出的带有光纤尾纤的VCSEL激光器组件用在光纤通信应用时，由于传输的通信信号都是“0”或
“
1”的数字信号，对本低噪音的大小要求不高，所以这种常规的带尾纤的VCSEL激光器组件可以得到广泛的应用。但是，当把这种带尾纤的VCSEL激光器组件应用到高精度的传感器中，由于传感器的模拟量测量对信号的本底噪音要求很高，这种工艺生产的带尾纤的VCSEL激光器组件就不能应用于检测模拟信号的高精度的传感器应用中。
[0007]当需要测量精度达到0.1％的CH4气体浓度时，在目前CH4激光传感器通常探测长度60mm的条件下，需要传感器光源本身信号抖动小于0.1％即信号抖动＜0.001。这种模拟信号的低抖动性要求给带尾纤VCSEL激光器组件的封装工艺提出了挑战。
[0008]因此需进一步研发一款减少或避免由光信号抖动导致的光学本底噪音的带尾纤的VCSEL激光器组件，来解决上述现有技术中存在的问题。

技术实现思路

[0009]为解决上述现有技术中存在于带尾纤激光器组件本底噪音的技术问题，本专利技术的目的之一在于提供一种降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，通过利用玻璃毛细管代替常规的陶瓷插芯，采用玻璃毛细管与固定在玻璃毛细管内的光纤同步研磨的方式，使光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面研磨成一致的研磨角度，所述光纤研磨端面曲率半径(ROC)为∞，同时光纤研磨端面研磨角度达到11.7
°
；这样就可以将反射光锥的光轴中心相对于光纤光轴的角度增加到23.4
°
。同时，在光纤和玻璃毛细管研磨端面镀一层减反膜，当激光器芯片发出的光锥通过耦合透镜形成入射光锥，入射光锥的光束光能量极大部分通过镀有减反膜的研磨端面进入光纤和玻璃毛细管内，少部分反射光能量只能保持在反射光锥内并集中一个较大反射角度反射到耦合透镜之外，使反射光锥的光束不能经过耦合透镜回到激光器芯片中，从而大大减少了反射回激光器芯片的光强，使不参与光耦合的光束所产生的反射光强影响降到最低，极大减少激光器光信号抖动，降低激光器本底噪音。
[0010]本专利技术的目的之二在于提供一种降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器封装结构的封装方法。
[0011]本专利技术的目的之三在于提供一种降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构的应用。
[0012]本专利技术的目的之一通过以下技术方案实现：
[0013]降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，所述封装结构包括金属套管及设置在所述金属套管内的耦合透镜、激光器芯片、光纤、玻璃毛细管；至少一根所述光纤固定在所述玻璃毛细管内；所述光纤和玻璃毛细管研磨端面相对于光纤光轴的垂直面的研磨角度不小于11
°
，所述光纤和玻璃毛细管研磨端面的曲率半径(ROC)为∞，所述玻璃毛细管研磨端面的研磨角度与所述光纤研磨端面的研磨角度一致；所述光纤研磨端面与所述玻璃毛细管研磨端面同时镀有增透膜；所述激光器芯片发出的激光光束经过所述耦合透镜耦合并通过镀有所述增透膜的光纤和玻璃毛细管研磨端面进入所述光纤与所述玻璃毛细管内。
[0014]进一步地，所述光纤研磨端面相对于光纤光轴的垂直面研磨角度为11.7
°
。
[0015]进一步地，所述光纤研磨端面与所述玻璃毛细管研磨端面通过同步研磨制备而成。
[0016]进一步地，所述增透膜为以1650nm波长为中心的C波段增透膜。
[0017]进一步地，所述耦合透镜两面镀有所述增透膜。
[0018]进一步地，所述金属套管内表面为粗糙散射面。
[0019]本专利技术的目的之二通过以下技术方案实现：一种如上述的降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构的封装方法，包括以下步骤：
[0020]S1：将光纤固定在玻璃毛细管内，并将光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面进行同步研磨处理；
[0021]S2：将S1中完成同步研磨的光纤研磨端面与玻璃毛细管研磨端面经过清洗后，同时镀上增透膜；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，所述封装结构包括金属套管及设置在所述金属套管内的耦合透镜、激光器芯片、光纤、玻璃毛细管；至少一根所述光纤固定在所述玻璃毛细管内；其特征在于，所述光纤研磨端面相对于光纤光轴的垂直面的研磨角度不小于11
°
，所述光纤研磨端面的曲率半径为∞，所述玻璃毛细管研磨端面的研磨角度与所述光纤研磨端面的研磨角度一致；所述光纤研磨端面与所述玻璃毛细管研磨端面同时镀有增透膜；所述激光器芯片发出的激光光束经过所述耦合透镜耦合并通过光纤与玻璃毛细管端面的增透膜进入所述光纤与所述玻璃毛细管内。2.如权利要求1所述的降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，其特征在于，所述光纤研磨端面相对于光纤光轴的垂直面研磨角度为11.7
°
。3.如权利要求1所述的降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，其特征在于，所述光纤研磨端面与所述玻璃毛细管研磨端面通过同时研磨制备而成。4.如权利要求1所述的降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，其特征在于，所述增透膜为以1650nm波长为中心的C波段增透膜。5.如权利要求4所述的降低模拟信号噪音的带尾纤VCSEL激光器组件封装结构，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘统玉，李德虎，贾军，宁雅农，
申请(专利权)人：广东感芯激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：