專(zhuān)利名稱(chēng)：保偏光纖尾纖組件的制作方法
保偏光纖尾纖組件相關(guān)項(xiàng)交叉引用
本發(fā)明要求申請(qǐng)于2007年1月3日的名稱(chēng)為"改善光泵浦模塊的功率穩(wěn)定性和消光 比的保偏光纖對(duì)準(zhǔn)的優(yōu)化"的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No.60/883， 221的優(yōu)先權(quán)，通過(guò)參考將 其結(jié)合于此。技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)涉及保偏光纖，特別涉及將保偏光纖安裝到光學(xué)模塊中。 發(fā)明背景
用于電信和感應(yīng)器工業(yè)中的光學(xué)模塊和光電模塊通常利用光纖輸入或輸出光，或在 它們內(nèi)部的光器件之間傳輸光。因此，在光器件和光纖之間提供一種低成本和有效的光 互連是在設(shè)計(jì)光纖耦合光學(xué)模塊時(shí)最重要的需求之一。
現(xiàn)在用來(lái)連接光器件和光纖的此類(lèi)光互連中的一種類(lèi)型，通常指光纖"尾纖"互連。 光纖尾纖是一段光纖，通常其緩沖涂層的一部分被去除，并往往覆有金屬鍍膜。這種尾 纖連接器或耦接頭能夠?qū)⒐饫w或有透鏡的光纖光學(xué)耦合到光產(chǎn)生或光探測(cè)元件，該光產(chǎn) 生或光探測(cè)元件與集成電路的引線(xiàn)相耦合。所述光產(chǎn)生元件，例如，可以是半導(dǎo)體或二 極管激光器，倍頻晶體或波導(dǎo)；所述光探測(cè)元件可以是光電二極管。這些元件通常耦合 并固定設(shè)置于有透鏡的光纖末端并具有取向，所述有透鏡的光纖末端位于通常形成密封 的外殼內(nèi)。所述有透^:的光纖或準(zhǔn)直光纖延伸越過(guò)外殼的邊緣，并承載信號(hào)輸入和/或輸 出該集成電路。將尾纖安裝在外殼內(nèi)并不是一個(gè)不重要的過(guò)程。例如，安裝在外殼內(nèi)的 激光二極管和尾纖的端面必須對(duì)準(zhǔn)，以使激光器的輸出光到光纖有最大耦合。而且，所 迷耦合必須堅(jiān)固，隨著時(shí)間和往往溫度和濕度的變化，保持最優(yōu)對(duì)準(zhǔn)。該耦合優(yōu)選可以 禁得起對(duì)光纖的操作或甚至跌落。高效的光耦合方案可以利用透鏡光纖，透鏡光纖被貼 在靠近光源的村底上，或利用在激光器和光纖之間的分立的體透鏡。在這兩個(gè)例子中， 光纖終端距光纖被貼附的最小距離是 0.5mm。
同一封裝內(nèi)，在例如激光二極管和光電二極管的光電器件和光纖之間形成相對(duì)穩(wěn)定 的固定互連的一種低成本方法是，在近光纖尾纖端面的一段長(zhǎng)度上涂覆金屬，然后焊接到外殼內(nèi)的金屬墊的位置上。例如，美國(guó)專(zhuān)利No.6,146，025公開(kāi)了一種封裝，其中，光 纖的一部分護(hù)套被去除并被剝下包層，以及其中，剝?nèi)グ鼘拥牟糠直唤饘倩缓罄煤?接球?qū)⑵滟N在激光器前的金屬墊上。
這種光纖安裝方法已經(jīng)被用于在光學(xué)模塊中安裝傳統(tǒng)的單模光纖，其中，耦合光的 偏振態(tài)不必須被保持。在光器件和尾纖的末端之間需要保持偏振控制的應(yīng)用中，尾纖通 常利用保偏(PM)光纖制造。PM光纖的應(yīng)用包括，用于摻鉺的半導(dǎo)體和拉曼光放大器 的耦合有光纖布拉;f各光柵(FBG)的泵浦激光器，以及耦合有光纖的倍頻激光器，其中， 可以使用PM光纖將泵浦激光器耦合到倍頻元件，例如LiNb03波導(dǎo)。
PM光纖區(qū)別于傳統(tǒng)光纖，因?yàn)楫?dāng)光在光纖內(nèi)傳播時(shí)，PM光纖保持入射光的偏振 方向，只要光在耦合進(jìn)入PM光纖時(shí)，其偏振方向與PM光纖的兩個(gè)主要偏振軸中的一 個(gè)對(duì)準(zhǔn)即可。這兩個(gè)主要軸通常指快軸和慢軸，所述快軸和慢軸通常由PM光纖芯中應(yīng) 力誘發(fā)的雙折射所致。由于雙折射，沿著所述兩個(gè)軸偏振的光信號(hào)將以不同的速度傳播， 它們之間有小的耦合，從而當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，保持光的偏振。誘發(fā)永久固有應(yīng)力從 而形成PM光纖的普通方法是，提供兩個(gè)應(yīng)力誘發(fā)區(qū)域，例如在光纖內(nèi)縱向延伸的位于 光纖芯的兩個(gè)相對(duì)側(cè)的應(yīng)力桿，如圖1中所示，表示了 PM光纖的橫截面，其通常被稱(chēng) 為熊貓光纖，具有芯2和兩個(gè)應(yīng)力誘發(fā)區(qū)域4a和4b。慢軸8被取向從而連接應(yīng)力桿4a, 4b的中心，而PM光纖的快軸9正交于慢軸8。應(yīng)力誘發(fā)區(qū)域4a, 4b可以由例如摻硼 的硅氧化物的材料制成，摻硼的硅氧化物的熱膨脹系數(shù)和由玻璃制成的芯2和包層3的 熱膨脹系數(shù)不同，從而使單軸拉伸應(yīng)力在應(yīng)力桿4a， 4b的平面內(nèi)作用于芯2，方向是垂 直于PM光纖的縱向方向，因此定義了慢軸8的方向。
PM光纖的保持光偏振的質(zhì)量通常由偏振消光比(PER)來(lái)表征，所述消光比是主 偏振態(tài)(典型相應(yīng)于線(xiàn)性偏振)的光分量和與主偏振態(tài)垂直的偏振態(tài)的光分量的光功率 比率。所述PER通常以dB量度。通常期望在PM光纖的輸入端和輸出端之間的光的PER 不大量減低，也就是盡可能少的減小。換言之，通常期望PM光纖輸出端的光的PER 盡可能的高。
因?yàn)镻M光纖的保偏質(zhì)量依賴(lài)于光纖芯內(nèi)的應(yīng)力，保偏質(zhì)量會(huì)被和光纖連接 (bonding)和焊接有關(guān)的外部應(yīng)力減低。因此，為了使和光纖連接和安裝有關(guān)的外部應(yīng) 力易于控制，這種光纖已經(jīng)傳統(tǒng)上用下面的方法安裝，先焊接PM光纖到金屬套管內(nèi)， 然后連接，例如，焊接內(nèi)部具有PM光纖的該套管到外殼，因?yàn)榕c光纖焊接有關(guān)的外部 應(yīng)力在對(duì)稱(chēng)的套管內(nèi)能夠更加對(duì)稱(chēng)，因此，外部應(yīng)力影響PM光纖的內(nèi)置雙折射的可能性更小，因此減低所述PER的可能性更小。這種PM光纖尾纖組件在包括美國(guó)專(zhuān)利在內(nèi) 的大量出版物中被公開(kāi)，例如授權(quán)給Inokuchi的美國(guó)專(zhuān)利6,332,721和6,337,874和授權(quán) 給Yang的美國(guó)專(zhuān)利6,400,746,所有這些公開(kāi)了利用PM光纖尾纖組件的激光二極管， 其中，PM光纖被安裝在圓筒形套管內(nèi)，所述圓筒形套管然后被固定在激光器外殼上。 [10] PM光纖尾纖的典型現(xiàn)有技術(shù)的封裝過(guò)程是，PM光纖的一部分被使用的焊料包圍， 使用的焊料被套管包圍。焊料然后被熔解并凝固以將光纖固定在套管內(nèi)。歷史上，考慮 過(guò)優(yōu)選將保偏光纖放置在封裝的中央，其中，來(lái)自封裝的對(duì)包層的應(yīng)力被平衡，從而和 其它封裝配置比，來(lái)自封裝誘發(fā)的應(yīng)力對(duì)光纖的PER有最小的影響。然而，這種方法 的一個(gè)缺點(diǎn)是，由于很難精確的將PM光纖放置在套管的中央，所以PER減低可能發(fā)生。 由于套管內(nèi)光纖位置離心的跡象和程度很難控制和預(yù)計(jì)，光纖PER可能被套管內(nèi)焊料 誘發(fā)的應(yīng)力減低。[11]授權(quán)給Dai的美國(guó)專(zhuān)利6, 480, 675和授權(quán)給Kusano的美國(guó)專(zhuān)利6， 782, Oil告 訴我們，這種困難可以通過(guò)使用PM光纖安裝組件來(lái)克服，其中，PM光纖被焊接到套 管或套圈的橢圓形或卯形內(nèi)腔，所述套管或套圈容納有固定粘貼到激光器外殼的PM光 纖尾纖的激光耦合末端。通過(guò)將套管內(nèi)的PM光纖的快軸和慢軸對(duì)準(zhǔn)所述橢圓形腔的長(zhǎng) 軸和短軸中的一個(gè)，從而所述套管關(guān)于PM光纖的慢軸和快軸對(duì)稱(chēng)，外部誘發(fā)應(yīng)力被用 來(lái)和內(nèi)部PM光纖應(yīng)力對(duì)準(zhǔn)，所述內(nèi)部PM光纖應(yīng)力例如，由'011專(zhuān)利圖9復(fù)制的圖2 中所示意的，由PM光纖應(yīng)力桿4a, b誘發(fā)的在光纖芯2內(nèi)的拉伸應(yīng)力，在此圖中，PM 光纖1被焊接到套管10的卵形焊接池lib內(nèi)，套管10在'011專(zhuān)利中指套圈。 [12]為了提高激光到PM光纖的耦合效率，球形或鑿形(chisel)透鏡往往形成于PM 光纖面向激光器的末端，其中鑿形有兩個(gè)傾面形成的脊線(xiàn)越過(guò)PM光纖面對(duì)激光器的末 端。鑿形透鏡通常是通過(guò)將光纖末端以一定角度相對(duì)運(yùn)動(dòng)著的研磨帶進(jìn)行研磨來(lái)形成。 形成一個(gè)傾面后，光纖末端繞著它的縱向轉(zhuǎn)180度，然后光纖末端再次壓向運(yùn)動(dòng)的研磨 帶以形成第二個(gè)傾面。'Oil專(zhuān)利告訴我們形成傾面，使得能夠研磨去除在PM光纖末端 的，在切割PM光纖過(guò)程中應(yīng)力桿4a， b附近可能出現(xiàn)的裂紋或瑕疵。更特別的是，'Oil 專(zhuān)利告訴我們研磨PM光纖，使得應(yīng)力應(yīng)用區(qū)域4a, 4b在鑿形透鏡的傾斜面，并且不 會(huì)越過(guò)脊線(xiàn)7而暴露出來(lái)。通過(guò)選擇在PM光纖末端的鑿形透鏡的脊線(xiàn)相對(duì)于應(yīng)力桿4a, b的方向，可以獲得在光纖末端的鑿形透鏡的更佳質(zhì)量。[13]因此，現(xiàn)有技術(shù)的在光學(xué)模塊的外殼內(nèi)粘貼PM光纖尾纖的解決方案包括，利用套 圈套管，優(yōu)選具有作為焊接池的橢圓形內(nèi)腔，從而在此容納PM光纖，然后，將其內(nèi)具有PM光纖的套管通過(guò)連接或焊接附著到所述外殼，其中離光器件(例如激光器)最近 的光纖端被耦合到光器件。這些類(lèi)型的尾纖組件，雖然顯示出預(yù)期的功能，但在制造過(guò) 程中，明顯要比直接焊接光纖到安裝墊要復(fù)雜的多，需要例如橢圓形套圈和套管的非標(biāo) 準(zhǔn)器件，以保證PER不被降低，并明顯增加了最終光學(xué)模塊的生產(chǎn)成本。發(fā)明內(nèi)容[14]因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，而提供一種保持耦合光高 偏振消光比的低成本PM光纖尾纖組件，而利用更少的套管光纖支架。 [15]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種光纖尾纖組件，包括安裝墊和保偏(PM)光纖；所述保 偏光纖具有快偏振軸，垂直于所述快偏振軸的慢偏振軸，以及用于光耦合所述PM光纖 到光器件的末端；其中，所述PM光纖的接近所述末端的部分被直接焊接到所述安裝墊， 它們之間沒(méi)有套管，從而使所述快偏振軸大致平行于所述安裝墊，以及其中，所述慢偏 振軸大致垂直于所述安裝墊。[16]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，接近所述末端的所述PM光纖的一部分被嵌入到包括焊料 材料的焊料球中，所述焊料球固定粘貼所述PM光纖到所述安裝墊，其中，所述焊料球 關(guān)于所述PM光纖的所述慢軸不對(duì)稱(chēng)。[17]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種光學(xué)模塊，包括利用保偏光纖的光纖尾纖組件， 所述保偏光纖以垂直的慢軸方向直接焊接到安裝墊上，以及所述光學(xué)模塊還包括用于接 收來(lái)自PM光纖末端的偏振光或耦合偏振光到PM光纖末端的光器件，其中，所述PM 光纖末端包括用于耦合到所述光器件的透鏡。[18]本發(fā)明的另一方面提供了一種將PM光纖安裝到光纖尾纖組件的方法，所述光纖具包括a)提供安裝墊；b)在所述PM光纖的末端確定慢偏振軸的方向；以及c)用焊 料直接將接近所述末端的所述PM光纖固定在所述安裝墊上，以使所述慢偏振軸大致垂 直于所述安裝墊。


[19]下面將結(jié)合代表本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖更詳細(xì)的描述本發(fā)明，其中，相同的參考 標(biāo)識(shí)用于指示相同的器件，其中 [20]圖1說(shuō)明了現(xiàn)有技術(shù)的保偏光纖；[21]圖2說(shuō)明了現(xiàn)有技術(shù)的保偏光纖尾纖，所述保偏光纖尾纖焊接在橢圓形套管內(nèi)， 用于安裝到光器件；[22]圖3是根據(jù)本發(fā)明的保偏光纖尾纖組件的側(cè)視圖； [23]圖4是圖3沿線(xiàn)A-A的PM光纖尾纖組件的橫截圖； [24]圖5是包括圖3的PM光纖尾纖組件的光器件的側(cè)視圖；[25]圖6說(shuō)明了采用PM光纖尾纖組件的激光二極管模塊的長(zhǎng)期功率穩(wěn)定性，其中，PM 光纖以慢軸垂直于安裝墊的方向焊接到安裝墊；[26]圖7說(shuō)明了釆用PM光纖尾纖組件的激光二極管^f莫塊的長(zhǎng)期功率穩(wěn)定性，其中，PM 光纖以慢軸平行于安裝墊的方向焊接到安裝墊。[27]圖8說(shuō)明了激光二極管模塊的PM光纖尾纖的遠(yuǎn)端的偏振消光比(PER),利用了 焊料球光纖安裝組件，在焊料球內(nèi)(在焊接處)的PM光纖有兩個(gè)不同的取向。
具體實(shí)施方式
[29]圖3和圖4說(shuō)明了本發(fā)明的PM光纖尾纖組件的舉例實(shí)施例，并將在下面被描述。 [30]首先參考圖3, PM光纖尾纖組件(PMFA) 100包括，PM光纖(PMF) 103，在 PMF103周?chē)皇褂锰坠芑蛱讎那闆r下，將PMF103直接焊接到安裝墊130, PMF103 與安裝墊130分離。PMF103有末端145,用于耦合到光器件(未在圖中示出)，PMF103 的末端145在下文也指近光纖末端145或簡(jiǎn)稱(chēng)為近末端145。 PMF103接近近光纖端面 145的一部分135a被嵌入到焊料球101，焊料球101粘附PMF103和安裝墊130，并將 PMF103固定貼到安裝墊130。 PMF103的末端145可以有一個(gè)在此形成的微鏡，用于提 高到光器件的耦合效率。PMF103的粘貼部分135a和近光纖末端145之間的距離優(yōu)選在 0.2毫米(mm )和2mm之間，以及更優(yōu)選在0.25mm到0.5mm之間。PMF焊接部分135a 的長(zhǎng)度范圍可以在大約0.2mm到1mm,以及優(yōu)選在0.3mm到0.6mm之間。 [31]參考圖4所示為沿著線(xiàn)(A-A)的PMFA100的橫截面，PMF103有兩個(gè)應(yīng)力桿形 式的應(yīng)力誘發(fā)區(qū)域110a， 110b,所述應(yīng)力桿包含在PMF103內(nèi)，并在PMF103的芯105 的兩個(gè)相對(duì)側(cè)，沿著PMF103的縱軸138。應(yīng)力桿110a， b沿著連接它們的中心并垂直 于縱PMF軸138的軸120,誘發(fā)拉伸應(yīng)力，在PMF103內(nèi)引起了對(duì)于在PMF103內(nèi)傳播 的光的雙折射，軸120是PMF103的慢偏振軸，垂直于慢軸120和PMF103的縱軸138 的軸125是PMF103的快偏振軸。包括兩個(gè)應(yīng)力成分或應(yīng)力桿llOa， b的PM光纖的所描述實(shí)施例通常指熊貓型光纖。其他類(lèi)型的PM光纖也已知，例如橢圓形應(yīng)力棒光纖和 蝶形光纖，它們利用光纖內(nèi)的單軸固有應(yīng)力誘發(fā)光纖芯內(nèi)的雙折射。根據(jù)本發(fā)明，這些 光纖作為PMF103也可以用于PMFA100的其它實(shí)施例中，利用的PM光纖的慢軸方向 垂直于安裝墊130。[32]根據(jù)本發(fā)明，焊料球中的PMF103被定方向，從而使快偏振軸125總的來(lái)說(shuō)平行于 安裝墊130,以及其中慢偏振軸120總的來(lái)說(shuō)垂直于安裝墊130。近一步的，根據(jù)本發(fā) 明并與現(xiàn)有技術(shù)PMF安裝組件對(duì)比，在PMF103和安裝墊130之間沒(méi)有套管的情況下， 將PMF103直接粘貼到安裝墊130的焊料球101,是相對(duì)于PMF光纖103的快偏振軸不 對(duì)稱(chēng)的，并具有用于粘貼到安裝墊的大致平低部分和PMF103上面的大致圓形頂部分。 出乎意料的是，我們發(fā)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)焊料球101內(nèi)的PMF光纖103的取向，在光學(xué)模塊內(nèi) 提供了提高的PER和蠕變穩(wěn)定性質(zhì)，將在下文描述。[33]焊料球101可以通過(guò)在提高的溫度熔解和回流(re-flowing)例如玻璃原料或金屬 焊料來(lái)形成。往回參考圖3,在優(yōu)選實(shí)施例中，接近PMF103末端145的PMF103的部 分135被剝?nèi)ゾ彌_層并覆有外金屬層128 (圖4),外金屬層128可以有金(Au)外表面。 安裝墊130可以由例如玻璃陶瓷，氧化鋯(zirconia),或鋁(alumina)的陶瓷材料制成, 并具有一層或多層頂金屬層132，所迷頂金屬層132優(yōu)選具有用于焊接到PMF103的含 金表面。焊料球101可以由回流共晶焊料合金AuSn制成，從而包圍PMD103的金屬化 部分135,焊料球101與金屬化部分135粘附并且與安裝墊130的頂金屬層132粘附。 焊料球101的焊料材料可以具有的熔解溫度是大約250度或更高。例如80%-Au和 20%-Sn的合成百分比或其它合成百分比可以被考慮用于焊料球101的焊料材料。其它 合適的焊料材料包括BiSn, SnAu, SnAgCu和AuGe。冷卻后，PMF103的金屬化部分 的一部分135a保持嵌在焊料球101內(nèi)，焊料球101粘附在安裝墊130上。 [34]焊接墊130，焊料球101和PMF103有不同的熱膨脹系數(shù)(CTE )。典型的，焊料 材料的CTE超過(guò)PMF103和安裝墊130的CTE。作為例子，焊料球101的AuSn焊料 材料的CTE大約是17ppm/°C，以及安裝墊130的陶瓷材料的更低CTE大約是 10.2ppm/。C，與焊料球101的CTE相比，安裝墊130的CTE更接近于PMF103的CTE。 由于CTE的差異和由于PMFA100的PMF-焊料-安裝墊結(jié)合的不對(duì)稱(chēng)配置，當(dāng)PMF103 的焊接部分135a固化并冷卻到室溫，PMF103的焊接部分135a在焊料球內(nèi)經(jīng)歷不對(duì)稱(chēng) 應(yīng)力，改變了 PMF103的焊接部分135a內(nèi)的應(yīng)力圖。[35]我們發(fā)現(xiàn)這些不對(duì)稱(chēng)應(yīng)力效應(yīng)的不同依賴(lài)焊料球IOI內(nèi)的PMF103的慢軸和快軸的取向，經(jīng)比較，如圖3和4所示的偏振軸取向更為有利，在下文中，該取向被稱(chēng)為垂直 慢軸取向。注意在本說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容中，當(dāng)用到有關(guān)PMF103和/或它的焊接部分135a時(shí)， 術(shù)語(yǔ)"慢軸，，和"快軸"指在沒(méi)有例如焊料球101誘發(fā)的外部應(yīng)力的情況下，PMF103的慢 偏振軸和快偏振軸。特別是，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PMFA100被用于耦合光器件，在焊料球中 的垂直慢軸取向提供了相對(duì)于水平慢軸取向的明顯的PER和功率穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)，所述水平 慢軸取向是，當(dāng)PMF103在焊料球中被取方向，使得快軸125垂直于安裝墊130以及慢 軸120平行于安裝墊130。[36]現(xiàn)在參考圖5,如圖所示光學(xué)模塊200利用了本發(fā)明的PMFAIOO。為了清楚的目 的，圖3和4的參考號(hào)用于圖5中標(biāo)示相同的元件。光器件(OC) 155被安裝在OC子 支架160上，子支架依次安裝在基底170上。OC子支架160可以包括控制OC155操作 溫度的熱電冷卻器(TEC )?；?70也可以支撐PMFA100的安裝墊130。 OC155和PMFA 被安裝，從而在OC155和PMF103之間提供有效的光耦合，也就是，使OC155能夠有 效的接收來(lái)自PM光纖103的近末端145的偏振光，或?qū)⑵窆怦詈系絇M光纖103的 近末端145。在OC155和PM光纖103的近末端145之間固定從而幫助光耦合的耦合透 鏡或透鏡153是可選的。最近的末端145可以包括透鏡表面，從而形成微鏡150,作為 舉例微鏡150可以是技術(shù)已知的球形，圓錐形，環(huán)形或鑿形微鏡。OC155可以具體化為 激光二極管，例如倍頻晶體的非線(xiàn)性光元件，波導(dǎo)或半導(dǎo)體光放大器，以及可以有光波 導(dǎo)180以引導(dǎo)偏振光。[37]在一個(gè)示范具體實(shí)施例中，OC155是具有大致平面有源波導(dǎo)180的激光二極管 (LD),大致平面有源波導(dǎo)180通常具有矩形橫截面，所述矩形橫截面水平方向(也就 是垂直于圖5的平面)的尺寸大于垂直于基底170和安裝墊130的垂直方向的尺寸。在 操作中，LD155發(fā)出的高度偏振光被耦合到PMF103的近末端145。 [38]表明LD155和PMF103之間的光耦合質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)是輸出功率穩(wěn)定性，對(duì) 于來(lái)自L(fǎng)D155的恒光功率，所述輸出功率穩(wěn)定性和PMF103的遠(yuǎn)末端160的光功率的 長(zhǎng)期變化有關(guān)。我們發(fā)現(xiàn)光學(xué)模塊200的長(zhǎng)期功率穩(wěn)定性依賴(lài)于在焊料球101內(nèi)的 PMF103的偏振軸相對(duì)于安裝墊130的取向，慢軸120的垂直取向提供了更好的功率穩(wěn) 定性。[39]圖6和7所示說(shuō)明了 2組9個(gè)激光器模塊，經(jīng)過(guò)6000小時(shí)，在PMF103的遠(yuǎn)末端 測(cè)量的輸出光功率變化的歸一化，這兩組模塊在焊接位置的PMF103的取向不同。在每 一個(gè)模塊中，PMF103在它的近端145形成了鑿形透鏡150，鑿形透鏡150邊緣的取向平行于激光波導(dǎo)180。[40]圖6顯示了第 一組激光模塊的長(zhǎng)期功率穩(wěn)定性，所述第 一組激光模塊包括根據(jù)本發(fā) 明的PMFA100,其PMF 103被取向使得在焊料球101內(nèi)它的慢軸120垂直于安裝墊130。 圖7顯示了第二組激光模塊的長(zhǎng)期功率穩(wěn)定性，第二組激光模塊包括和第一組的激光模 塊大致相同的激光模塊，不同的是，其PMF103被取向使得在焊料球101內(nèi)它的慢軸120 和安裝塾130平行。[41]從圖6和7的對(duì)比可以清楚的看出，根據(jù)本發(fā)明的圖6的模塊中的PMF103的垂直 慢軸取向，提供了激光模塊明顯更好的長(zhǎng)期功率穩(wěn)定性，所有激光模塊的長(zhǎng)期功率變化 穩(wěn)定在+\- 5%，對(duì)比于PMF103的平行慢軸取向的模塊提供的輸出功率變化是+10% / -15%。[42]當(dāng)PMF103采用它的慢軸取向垂直于安裝墊130 (因而是應(yīng)力桿110a， b的平面垂 直于安裝墊130)而焊接，第一組激光模塊的更好的功率穩(wěn)定性可能至少是一部分歸功 于在PMFAIOO內(nèi)的PMF103的更好的蠕動(dòng)(creep )穩(wěn)定性。在此，術(shù)語(yǔ)"蠕動(dòng)"指近PMF 末端145的慢垂直和水平位移，由于PMFA100的焊料球101內(nèi)的慢變化應(yīng)力，蠕動(dòng)可 能在激光操作過(guò)程中出現(xiàn)，并導(dǎo)致PMF103彎曲。應(yīng)力誘發(fā)區(qū)域110a能或多或少的阻 止PMF103彎曲，這依賴(lài)于所應(yīng)用的應(yīng)力相對(duì)于應(yīng)力誘發(fā)區(qū)域110a， b的取向和對(duì)稱(chēng)性。 出乎意料的是，我們發(fā)現(xiàn)，為了將橢圓形輸出光束耦合到激光二極管，應(yīng)力部分110a, b應(yīng)該被旋轉(zhuǎn)，從而使在光纖激光對(duì)準(zhǔn)的最敏感偏移方向，光纖更容易彎曲。在利用例 如鑿形透鏡光纖或環(huán)面透鏡系統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)透鏡的耦合方案中，在垂直方向的PMF103的 偏移容忍度通常更小，也就是，在垂直于激光波導(dǎo)180和安裝墊130的方向。注意，與 本發(fā)明相反，具有用于偏振光束結(jié)合的PM光纖尾纖的傳統(tǒng)980nmLD泵浦模塊，通常 利用的PMF尾纖在近PMF末端145處，應(yīng)力桿110a, b平面的取向平行于LD波導(dǎo)180 的平面。[43]本發(fā)明的PMFA100的另 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是關(guān)于通過(guò)PMF103傳播的光的PER特性。如上 面所討論的，在焊料球IOI內(nèi)應(yīng)用于PMF103的不對(duì)稱(chēng)外部應(yīng)力可能干涉在PMF103內(nèi) 由應(yīng)力桿110a, b誘發(fā)的內(nèi)部應(yīng)力，因此影響焊接PMF部分135a的雙折射，可能引起 其內(nèi)傳播的耦合光的PER的減低。我們發(fā)現(xiàn)獲得的PER強(qiáng)烈依賴(lài)于在焊料球101內(nèi)的 PMF103的取向。特別是，我們發(fā)現(xiàn)本發(fā)明PMF的取向，大致提供了明顯更高的PER 值，其中，應(yīng)力桿110a， b的平面垂直于安裝墊130以及，因此，慢軸120也垂直于安 裝墊130。這在圖8中被說(shuō)明，圖8代表了兩組LD模塊的PER值的積累分布。每一組利用直接將PM光纖焊接到氧化鋯制成的安裝墊，焊接長(zhǎng)度大約是0.58mm。在圖8中， 每一個(gè)符號(hào)的垂直坐標(biāo)代表在對(duì)應(yīng)組的特定LD模塊在PMF103的遠(yuǎn)末端測(cè)量的PER 值。兩組LD ^t塊在焊料球101內(nèi)利用不同的PMF取向。由曲線(xiàn)210上的方塊代表并 由箭頭標(biāo)識(shí)為"快軸"的第一組，對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的垂直的PMF慢軸取向。由曲線(xiàn)220上 的符號(hào)代表并由箭頭標(biāo)識(shí)為"慢軸"的第二組，對(duì)應(yīng)于PMF相對(duì)安裝墊平行的慢軸取向。 每個(gè)符號(hào)的橫坐標(biāo)提供了相應(yīng)PER測(cè)量值在各自PER分布中的相對(duì)等級(jí)，以及每個(gè)測(cè) 量值是以相對(duì)于該組的平均PER值的PER分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)量度的。例如，在每組中 大約50%的模塊的PER值大于相應(yīng)0級(jí)的PER,而大約84%的模塊具有的PER小于相 應(yīng)1級(jí)的PER值(也就是，在平均PER值之上的1標(biāo)準(zhǔn)偏差)。可以清楚的從圖8中看 出，根據(jù)本發(fā)明的在焊料球101內(nèi)的PMF軸取向在激光模塊的輸出具有明顯更高的PER 值，超過(guò)50%的模塊的PER大于20dB ，以及84%的模塊的PER值大于15dB。 [44]應(yīng)該注意的是，本發(fā)明的PMFAIOO在焊接位置的PMF103的垂直慢軸取向提供了 改善的PER,這并不依賴(lài)于在PMF103近末端的鑿形透鏡的存在或取向，并希望保持沒(méi) 有鑿形透鏡，例如，當(dāng)沒(méi)有鑿形透鏡，例如球形，圓錐形，或環(huán)面微鏡150被用在近光 纖末端，或當(dāng)PMF103有切開(kāi)的近末端145并使用外部耦合透鏡153。 [45]雖然如圖5所示的光學(xué)模塊200包括單個(gè)光學(xué)模塊155，利用PMFA100的光學(xué)模 塊的其它具體實(shí)施例可以有兩個(gè)被PMF103光互連的光學(xué)模塊。例如，耦合到PMF103 的近末端145的OC155可以是高功率激光二極管，PMF103的遠(yuǎn)末端160耦合到倍頻晶 體(未示出)，接近遠(yuǎn)末端160的PMF103的一部分利用第二焊料球焊接到另一個(gè)安裝 墊(未示出)。在PMF103的遠(yuǎn)末端的第二焊料球內(nèi)的PMF103的慢軸取向也可以垂直 于各自的安裝墊或安裝表面。[46]參考圖9,本發(fā)明的另一方面提供了一種將PM光纖安裝到例如PMFA100的光纖 尾纖組件內(nèi)的方法，包括下面大概步驟。第一，在步驟310和315,安裝墊130和一段 長(zhǎng)度的PMF103被提供。下一步，在步驟320,在PMF近末端的慢軸120的取向被確定； 這一步驟例如可以這樣完成，在顯微鏡下用眼睛觀(guān)察PMF光纖的近末端，從而定位兩 個(gè)應(yīng)力誘發(fā)區(qū)域110a,b;慢軸被確定的方向是沿著應(yīng)力誘發(fā)區(qū)域中心的連接線(xiàn)?？蛇x擇 的，PMF光纖可以在護(hù)套上有標(biāo)記從而識(shí)別PMF軸的方向。在下一步325中，PMF被 確定方向，使它的慢軸垂直于安裝墊，以此方向放置到安裝墊130,使PMF30的近末端 到光器件155的距離為所期望的距離。下一步，用焊料將接近PMF103的近末端部分直 接固定在安裝墊130,從而慢偏振軸120大致垂直于安裝墊。在優(yōu)選實(shí)施例中，步驟315可以包括剝?nèi)MF接近近末端部分的護(hù)套或緩沖層，從而露出PMF包層，以及用金屬 膜金屬化所述部分，以便更好的粘附焊料材料。[47]在優(yōu)選實(shí)施例中，將PM光纖安裝到光纖尾纖組件的前述步驟可以在組裝光學(xué)模塊 200的過(guò)程中操作。例如，如果光器件155是激光二極管，光學(xué)模塊是具有PM光纖尾 纖的激光模塊，組裝這類(lèi)模塊的步驟大體上在授權(quán)給Ziari等的美國(guó)專(zhuān)利6, 758, 610 中被描述，授權(quán)給Ziari等的美國(guó)專(zhuān)利6， 758, 61已轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人，通過(guò)參考 將其結(jié)合于此。在該美國(guó)專(zhuān)利中，加入了步驟320和325,并且如上所述，在焊接過(guò)程 中對(duì)PMF進(jìn)行特定取向。參考圖5,安裝PMF103可以在將LD155焊接到OC支架160 后進(jìn)行，OC支架160和安裝墊130都被附著在基底170上。在一個(gè)具體實(shí)施例中，然 后，在PMF103周?chē)?，在PMF103在安裝墊130上的待焊位置處，提供焊料材料，然后 在PMF對(duì)準(zhǔn)和粘貼的過(guò)程中利用激光加熱熔解焊料，如Ziari在專(zhuān)利中所描述的。所需 的激光加熱源的功率是相對(duì)低的，例如，當(dāng)AuSn被作為焊料球101的焊料材料，1-3 瓦特(W)通常就足夠。開(kāi)始LD155和PMF103被預(yù)先對(duì)準(zhǔn)。焊料材料然后被激光加熱 熔解，從而焊料材料回流到粘附在那里的PM光纖和安裝墊而形成不對(duì)稱(chēng)焊料球101, 其中，PM光纖被嵌入，將PM光纖附著到安裝墊。在一些具體實(shí)施例中，在熔解焊料 球101的過(guò)程中LD155可以;故開(kāi)啟，在PMF遠(yuǎn)末端的光功率^l測(cè)量以監(jiān)測(cè)LD155和 PMF103之間的光耦合效率，以幫助它們的光對(duì)準(zhǔn)。在焊料球被熔解的同時(shí)，LD155和 PMF103的對(duì)準(zhǔn)可以被精細(xì)調(diào)節(jié)，從而在保持PM103在焊接位置135a的慢軸取向大致 垂直于安裝墊130下，最優(yōu)化耦合效率。關(guān)閉加熱激光源后，焊料球101冷卻，固化， 并^f吏PMF103的位置相對(duì)于安裝墊130和LD155固定。[48]有利的是，前面描述的根據(jù)本發(fā)明的光纖尾纖組件和將保偏光纖安裝在光纖尾纖組 件的相關(guān)方法，提供了可替換現(xiàn)有技術(shù)的低成本連接保偏光纖到光學(xué)模塊的辦法，同時(shí) 提高了耦合光的長(zhǎng)期光耦合穩(wěn)定性和高偏振消光比。[49]當(dāng)然，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以設(shè)想大量其它實(shí)施例。
權(quán)利要求
1、一種光纖尾纖組件，包括安裝墊和保偏PM光纖；所述保偏光纖具有快偏振軸，垂直于所述快偏振軸的慢偏振軸，以及用于光耦合所述PM光纖到光器件的末端；其中，所述PM光纖的接近所述末端的部分被直接焊接到所述安裝墊，它們之間沒(méi)有套管，從而使所述快偏振軸大致平行于所述安裝墊，以及其中，所述慢偏振軸大致垂直于所述安裝墊。
2、 如權(quán)利要求1所述的光纖尾纖組件，其中，接近所述末端的所述PM光纖的一 部分被嵌入到包括焊料材料的焊料球中，所述焊料球固定粘貼所述PM光纖到所述安裝 墊，其中，所述焊料球關(guān)于所述PM光纖的所述慢軸不對(duì)稱(chēng)。
3、 如權(quán)利要求2所述的光纖尾纖組件，其中，所述PM光纖的所述部分具有金屬 外層，以及其中，所述焊料材料包括AuSn, SnAgCu, BiSn或AuGe中的一種。
4、 如權(quán)利要求3所述的光纖尾纖組件，其中，所述焊料材料包括共晶合金。
5、 如權(quán)利要求4所述的光纖尾纖組件，其中，所述PM光纖的所述金屬外層包括 Au,以及其中，所述焊料材料包括AuSn的共晶合金，所述共晶合金包圍所述PM光纖 的所述金屬外層并與之粘附。
6、 如權(quán)利要求2所述的光纖尾纖組件，其中，所述焊料球包括玻璃焊料材料，所 述玻璃焊料材料包圍所述PM光纖的接近所述末端的部分。
7、 如權(quán)利要求1所述的光纖尾纖組件，其中，所述安裝墊包括陶瓷材料。
8、 如權(quán)利要求7所述的光纖尾纖組件，其中，所述陶瓷材料包括氧化鋯和鋁中的 一種。
9、 如權(quán)利要求3所述的光纖尾纖組件，其中，所述安裝墊具有用于將所述PM焊 接到所述安裝墊的金屬層。
10、 如權(quán)利要求1所述的光纖尾纖組件，其中，所述PM光纖具有芯和兩個(gè)應(yīng)力誘 發(fā)桿，所述兩個(gè)應(yīng)力誘發(fā)桿在所述芯的兩個(gè)相對(duì)側(cè)嵌在所述PM光纖內(nèi)，以及其中，所 述慢軸大致平行于所述應(yīng)力誘發(fā)桿的中心連接線(xiàn)。
11、 如權(quán)利要求2所述的光纖尾纖組件，其中，所述安裝墊的熱膨脹系數(shù)小于所述 焊料材料的熱膨脹系數(shù)。
12、 一種光學(xué)模塊，包括如權(quán)利要求1所述的光纖尾纖組件以及所述光器件，所述 光器件被設(shè)置，用于接收來(lái)自所述PM光纖的所述末端的偏振光或耦合偏振光到所述 PM光纖的所述末端。
13、 如權(quán)利要求1所述的光纖尾纖組件，其中，所述PM光纖的所述末端包括用于耦合到所述光器件的透鏡。
14、 如權(quán)利要求13所述的光纖尾纖組件，其中，所述透鏡是鑿形透鏡。
15、 如權(quán)利要求13所述的光纖尾纖組件，其中，所述透鏡是非鑿形透鏡。
16、 如權(quán)利要求2所述的光纖尾纖組件，其中，所述焊料球包括用于粘附在所述安 裝墊的大致平坦部分。
17、 一種將保偏PM光纖安裝到光纖尾纖組件的方法，所述光纖具有用于耦合偏振 光到所述PM光纖或?qū)⑵窆鈴乃鯬M光纖耦合出的末端，所述方法包括a) 提供安裝墊；b) 在所述PM光纖的末端確定慢偏振軸的方向；c) 用焊料直接將接近所述末端的所迷PM光纖固定在所述安裝墊上，以使所述慢 偏振軸大致垂直于所述安裝墊。
18、 如權(quán)利要求17所述的方法，其中，步驟(c)包括d) 以所期望的方向?qū)⑺鯬M光纖放置在所述安裝墊上，以使所述慢偏振軸大致 垂直于所述安裝墊，e) 在放置在所述安裝墊之上的PM光纖的一部分的周?chē)峁┖噶喜牧?，以及f) 熔解所述焊料材料，從而使之在與其粘附的所述PM光纖的周?chē)亓鳎⒌剿?安裝墊以形成不對(duì)稱(chēng)焊料球，其中，所述PM光纖被嵌入，將所述PM光纖粘貼到所述 安裝墊。
19、 如權(quán)利要求17所述的方法，還包括提供光器件的步驟，所述光器件有待于被 光耦合到所述PM光纖的所述末端，其中，步驟(c)包括使光通過(guò)所迷光器件和所述PM光纖的所述末端， 監(jiān)測(cè)它們之間光耦合的效率，以及相對(duì)于所述光器件對(duì)準(zhǔn)所述PM光纖的所迷末端，從而優(yōu)化所述效率，同時(shí)保持所 述PM光纖的所述慢軸的方向大致垂直于所述安裝墊。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光纖尾纖組件，其中，保偏光纖被直接焊接到安裝墊，它們之間沒(méi)有套管或套圈。保偏光纖接近光纖末端的一部分被以垂直的慢軸的方向嵌入不對(duì)稱(chēng)焊料球，不對(duì)稱(chēng)焊料球具有用于粘附到安裝墊的平坦部分。在焊料球內(nèi)的保偏光纖的垂直的慢軸方向提高了利用本發(fā)明的光學(xué)模塊的功率穩(wěn)定性和偏振消光比性質(zhì)。
文檔編號(hào)G02B6/02GK101216575SQ20081000001
公開(kāi)日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2008年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月3日
發(fā)明者尼古拉斯·蓋休, 杰伊·A·斯基德莫爾, 理查德·杜斯特博格, 馬克·K·范·貢藤 申請(qǐng)人:Jds尤尼弗思公司