光器件封装详解-有源光器件的结构和封装(5)

2019-04-02 15:28

分为单透镜耦合和多透镜耦合,如图4.1所示。利用透镜耦合可以获得比直接耦合更高的耦合效率。而采用双透镜耦合,其主要优势就是可以分散公差,使得光路上的元件可以有更大的位移空间。

图4.1 激光器到光纤的耦合方式

4.1.1 直接耦合

图4.2是直接耦合的两种方式,直接耦合可以使用劈形(cleaved)光纤或者锥形(tapered)光纤来实现。劈形光纤由裸纤直接劈开获得,光纤端面为平面,价格较便宜,但由于端面为平面所以反射较大,并且与激光器耦合时插入损耗也较大(一般为9-12dB)。

图4.2 直接耦合的两种方式

锥形光纤是在光纤的末梢结合了一个透镜,主要可以通过下面两种方法形成:

1.熔化并将光纤末端拉制成锥形,这一方法将使纤芯和包层均被锥形化。通常使用电弧或者将光纤伸入熔化的玻璃中去对光纤进行加热。通过控制工艺过程可以控制透镜的对称性。该方法可获得大约2-3dB的插入损耗。

2.腐蚀或者打磨,该方法在光纤端面形成透镜的同时保持纤芯的直径不发生变化。而且可以获得其它一些剖面外形(譬如抛物面)而不仅仅是球面。这种方法能够获得更好的耦合效率,在与激光器耦合时插入损耗可以低至0.2-0.4dB左右。

对于直接耦合,光纤末端一般安装在靠近激光器的地方。因此,光纤必须延伸进封装内部,此时,如果器件要求密闭封装,还要对光纤进行金属化以便与管壳进行密封处理。此外,在直接耦合中影响光源到光纤耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径(NA)。另外,光源的发光面尺寸、光纤端面尺寸、形状以及两者间的距离等也都会影响耦合效率。

4.1.2 透镜耦合

图4.3是透镜耦合的几种方式,透镜耦合可以是单透镜也可以是多透镜。当使用单透镜时,激光器到光纤端面的距离由透镜前后两面的半径决定。在使用多透镜的情况下,光束通过第一个透镜变成平行光,然后通过第二个透镜聚焦。在需要对反射进行严格控制的时候可以将隔离器放置在光束平行后的任何一个位置(即两个透镜间的任何位置)。此外,透镜耦合可以将其中一个透镜安装在管壳上,这样光纤就不必伸入管壳内部,也就不必对光纤进行金属化。

图4.3 透镜耦合的几种方式

4.2 对准技术

对准技术一般分为“有源对准”(active alignment)和“无源对准”(passive alignment)。在有源对准技术中,激光器或者探测器通过外加偏压或电流使器件处于工作状态下进行光轴等的对准。对于无源对准,有源光器件不需要工作,而是通过某些标记来进行对准。相比之下,无源对准是一种较新的对准技术,具有容易实现自动化、减少组装设备和工序等优点。下面是业界使用的一些对准技术的例子。 4.2.1 同轴型器件的对准

图4.4 同轴型器件的对准及装配流程图

4.2.2 双透镜系统的对准

图4.5 蝶形封装双透镜系统的对准及装配图

4.2.3 直接耦合的对准

图4.6 直接耦合的对准及装配图

5 有源光器件的其它组件/子装配

5.1 透镜

图5.1给出了有源光器件内部常用的几种透镜组件,图5.2给出了有源光器件管壳上常用的几种集成透镜组件。

图5.1 光模块内部使用的透镜组件

图5.2 几种集成在管壳上的透镜

5.2 热电制冷器(TEC)

图5.3 TEC原理及实物图

热电制冷又称温差电制冷,它是利用热电效应(即帕尔贴效应)的一种制冷方法,这种方法的制冷效果主要取决于两种材料的热电势。半导体材料具有较高的热电势,所以可以用来做成小型热电制冷器,如图5.3所示,当通以正向电流时,热量由上表面流到下表面实现制冷的功能;反之,当通以反向电流时,热量由下表面流到上表面实现制热的功能。在光发送器件里面,常用这种小型的制冷器来控制激光器管芯的温度,使其温度保持一个恒定的值,以保持激光器性能(功率、光谱等)的稳定。 5.3 底座

对于单模尾纤的光发送器件,光信号耦合进光纤的直径约6μm,一旦耦合光路固定好后便不允许有任何位移,例如在径向发生1μm的位移将会导致光功率下降到原来的约70%(减小约1.5db)。而在管壳内部,激光器以及一些光学组件都固定在底座上,因此要求底座有较好的机械强度和共面性,稍厚一些的底座其机械性能自然更好,当然也利于散热。同时,在生产装配过程中要注意热沉的共面性以及安装定位螺丝的顺序和扭矩。 5.4 激光器管芯和背光管组件

在一个有源光器件内部包含了各个子组件,由这些子组件按照一定的装配顺序组装成为一个完整的器件。通常,激光器管芯和背光检测管也都是以一个组件的形式出现的。图5.4是一些激光器管芯组件和背光管组件的结构和材料特性图。对于激光器管芯组件来说,一般还集成了匹配电阻,有时候热敏电阻也做在同一个组件上以便准确地探测激光器管芯的温度。而背光管一般只有一个简单的PIN探测器在上面,用来检测光功率大小。组装时一般都是通过焊料与其他部分焊接在一起。

图5.4 一些激光器管芯和背光管组件的结构和材料特性


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