ОПТИЧЕСКИЙ ПЕРЕДАЮЩИЙ МОДУЛЬ Российский патент 2005 года по МПК H01S5/22 

Изобретение относится к квантовой электронной технике и может использоваться в системах лазерной космической связи и в системах лазерной атмосферной связи.

Из уровня техники известен оптический передающий модуль, производства фирмы Power Technology Incorporated (USA), содержащий внешний корпус с установленными внутри оптическими элементами, лазерным диодом с электронным блоком управления, при этом фокус оптических элементов совмещен с активной площадкой лазерного диода, а оптическая ось оптических элементов совмещена с осью симметрии внешнего корпуса. При этом все элементы конструкции устанавливаются в корпус и закрепляются внешней гайкой.

Недостатком известного оптического передающего модуля является изменение диаграммы расходимости лазерного излучения при изменении температуры окружающей среды из-за изменения геометрических размеров корпуса и низкая устойчивость при воздействии механических нагрузок (вибрация и удары).

Наиболее близким по решению поставленной задачи и технической сущности предложения является оптический передающий модуль (патент РФ №2201024, МПК Н 01 S 5/022, 2003 г.), включающий следующее.

Лазерный диод, на монтажной поверхности монтажной пластины которого закреплен полосковый одномодовый инжекционный лазер. Оптические элементы, по крайней мере цилиндрическая линза и градан оптически связаны с активной площадкой инжекционного лазера, фокус цилиндрической линзы находится на оптической оси оптического передающего модуля, а центр цилиндрической линзы установлен от упомянутой активной площадки на расстоянии, не более фокусного. Абсолютная величина произведения угловой расходимости рад, излучения лазерного диода в горизонтальной плоскости по уровню 0.5 и радиуса R, мкм, цилиндрической линзы удовлетворяет условию Средство крепления выполнено по крайней мере из двух элементов крепления с параллельными плоскими торцевыми поверхностями и в каждом из них сформировано отверстие с диаметром по любому его поперечному сечению, по крайней мере превышающему апертуру пучка излучения. Элементы крепления соединены параллельными торцевыми поверхностями, причем температурные коэффициенты линейного расширения материалов элементов крепления и цилиндрической линзы или равны, или отличны в пределах, не превышающих 1%. В средстве крепления в его первом элементе крепления помещена цилиндрическая линза. Входная торцевая поверхность первого элемента крепления закреплена на монтажной пластине лазерного диода, а в отверстии по меньшей мере одного другого элемента крепления закреплен градан, его входной торец размещен на заданном расстоянии от цилиндрической линзы и его ось совмещена с оптической осью модуля. Корпус с размещенными в нем лазерным диодом, средством крепления с элементами крепления, оптическими элементам и компаундом, помещенным в местах крепления оптических элементов в элементах крепления, крепления последних друг с другом и с монтажной поверхностью лазерного диода, и между средством крепления и внутренними стенками корпуса, а также узел вывода излучения, причем корпус герметизирован.

Недостатками прототипа является то, что при изменении температуры происходит изменение диаграммы расходимости лазерного излучения. Это связано с расстройкой геометрического положения активной площадки лазерного диода относительно положения фокуса оптических элементов. При этом не существует возможности подбора материалов корпуса, компаунда и линз для обеспечения нерасстраиваемости оптического передающего модуля, поскольку оптические элементы связаны компаундом как с лазерным диодом, так и с внешним корпусом. Предложенное использование в качестве конструкционных материалов оптических элементов, элементов крепления и корпуса кварца и керамики резко усложняют изготовление и, хотя обеспечивают стабильность сбора излучения лазерного диода, полностью не решают проблему расстройки фокуса при изменении температуры.

Технический результат направлен на повышение устойчивости формы диаграммы направленности оптического передающего модуля за счет уменьшения расстройки фокуса вплоть до нулевых значений при воздействии жестких механоклиматических факторов.

Технический результат достигается тем, что оптический передающий модуль, содержит наружный корпус с размещенными в нем средством крепления, компаундом, лазерным диодом, установленным в монтажной пластине, оптическими элементами, которые оптически связаны с активной площадкой лазерного диода, при этом фокус оптических элементов находится на оптической оси оптического передающего модуля, а средство крепления выполнено в виде полого цилиндрического корпуса, закрепленного посредством эластичного компаунда во внутренней полости наружного корпуса модуля, при этом компаунд располагается в зазоре между стенками наружного и внутреннего корпусов через отверстия, выполненные в двух сечениях и расположенные симметрично по периметру наружного корпуса, кроме того, эластичный компаунд образует азимутально-симметричные упругие элементы, размещенные в двух сечениях по краям наружной поверхности внутреннего корпуса, а лазерный диод установлен ближе к одному из торцов внутреннего корпуса со стороны оптических элементов и соединен с электронным блоком управления, при этом максимально допустимая величина расстройки фокуса Δd устанавливается соотношением зависящих от характеристик материала корпусов и упругих элементов

где L - расстояние между медианными сечениями упругих элементов;

F - фокусное расстояние оптических элементов;

С - расстояние между медианным сечением ближнего к лазерному диоду упругого элемента и точкой излучения лазерного диода;

К₁ - коэффициент жесткости упругого элемента в сечении, ближнем к лазерному диоду;

К₂ - коэффициент жесткости упругого элемента в сечении, дальнем от лазерного диода;

α₁ - коэффициент линейного температурного расширения материала наружного корпуса;

α₂ - коэффициент линейного температурного расширения материала внутреннего корпуса;

β - коэффициент температурного изменения фокусного расстояния оптических элементов;

ΔT - диапазон изменения температуры окружающей среды.

Отличительными признаками от прототипа является то, что средство крепления выполнено в виде полого цилиндрического корпуса, закрепленного посредством эластичного компаунда во внутренней полости наружного корпуса модуля, при этом компаунд располагается в зазоре между стенками наружного и внутреннего корпусов через отверстия, выполненные в двух сечениях и расположенные симметрично по периметру наружного корпуса, кроме того, эластичный компаунд образует азимутально-симметричные упругие элементы, размещенные в двух сечениях по краям наружной поверхности внутреннего корпуса, а лазерный диод установлен ближе к одному из торцов внутреннего корпуса со стороны оптических элементов и соединен с электронным блоком управления, при этом максимально допустимая величина расстройки фокуса Δd устанавливается соотношением зависящих от характеристик материала корпусов и упругих элементов

где L - расстояние между медианными сечениями упругих элементов;

F - фокусное расстояние оптических элементов;

С - расстояние между медианным сечением ближнего к лазерному диоду упругого элемента и точкой излучения лазерного диода;

К₁ - коэффициент жесткости упругого элемента в сечении, ближнем к лазерному диоду;

K₂ - коэффициент жесткости упругого элемента в сечении, дальнем от лазерного диода;

α₁ - коэффициент линейного температурного расширения материала наружного корпуса;

α₂ - коэффициент линейного температурного расширения материала внутреннего корпуса;

β - коэффициент температурного изменения фокусного расстояния оптических элементов;

ΔT - диапазон изменения температуры окружающей среды.

На фиг.1 схематично изображен продольный разрез оптического передающего модуля, на фиг.2 - разрез по А-А, на фиг.3 показана схема изменения геометрических параметров деталей оптического передающего модуля при изменении температуры.

Оптический передающий модуль содержит наружный корпус 1 с размещенными в нем средством крепления 2, компаундом, лазерным диодом 4, установленным в монтажной пластине 9, оптическими элементами 2, которые оптически связаны с активной площадкой лазерного диода 4, при этом фокус оптических элементов 2 находится на оптической оси оптического передающего модуля.

Средство крепления 2 выполнено в виде полого цилиндрического внутреннего корпуса 3, закрепленного посредством эластичного компаунда во внутренней полости наружного корпуса модуля 1, при этом компаунд располагается в зазоре между стенками наружного 1 и внутреннего корпусов 3 через отверстия 6, выполненные в двух сечениях и расположенные симметрично по периметру наружного корпуса 1. Эластичный компаунд образует азимутально-симметричные упругие элементы 7 и 8, размещенные в двух сечениях по краям наружной поверхности внутреннего корпуса 1. Лазерный диод 4 установлен ближе к одному из торцов внутреннего корпуса 3 со стороны оптических элементов 2 и соединен с электронным блоком управления 5. При этом максимально допустимая величина расстройки фокуса Δd устанавливается соотношением зависящих от характеристик материала наружного 1 и внутреннего 3 корпусов и упругих элементов 7 и 8

где L - расстояние между медианными сечениями упругих элементов 7 и 8;

F - фокусное расстояние оптических элементов 2;

С - расстояние между медианным сечением ближнего к лазерному диоду 4 упругого элемента 7 и точкой излучения лазерного диода 4;

K₁ - коэффициент жесткости упругого элемента 7 в сечении, ближнем к лазерному диоду 4;

К₂ - коэффициент жесткости упругого элемента 8 в сечении, дальнем от лазерного диода 4;

α₁ - коэффициент линейного температурного расширения материала наружного корпуса 1;

α₂ - коэффициент линейного температурного расширения материала внутреннего корпуса 3;

β - коэффициент температурного изменения фокусного расстояния F оптических элементов 2;

ΔT - диапазон изменения температуры окружающей среды.

Работает оптический передающий модуль при воздействии внешних механоклиматических факторов следующим образом.

При сборке внутренний корпус 3 с лазерным диодом 4 и электронной схемой управления 5 устанавливается в наружный корпус 1 и через отверстия 6 юстируется по трем координатам таким образом, чтобы точка излучения лазерного диода 4 совпадала с фокусом оптических элементов 2 и лежала на его оптической оси. Это обеспечивает минимальную расходимость оптического передающего модуля и минимум аберраций. Затем внутренний корпус 3 фиксируется эластичным компаундом в двух сечениях, который после отверждения образует упругие эластичные элементы 7 и 8. После удаления котировочных приспособлений оптический передающий модуль выдерживает воздействие перепада температур, вибрации и ударов в широком диапазоне. При этом точка излучения лазерного диода 4 совпадает с фокусом оптических элементов 2.

Выбор конструктивных соотношений геометрических размеров деталей конструкции и их характеристик выбирается исходя из следующих факторов.

При начальной температуре координаты отрезка между сечениями расположения упругих элементов 7 и 8 K₁ и К₂ относительно точки О равны L. Соответственно координаты точки излучения равны L+C и координаты расположения оптических элементов 2 - L+C+F. При повышении температуры и условии, что α₂>α₁, координаты данных точек изменятся и будут соответственно равны (L₁-Δх₂), (C₁+L₁-Δx₂), (F₁+C₁+L₁-Δx₂). Данные изменения показаны на фиг.2 пунктиром.

Поскольку при нагревании расширяется как наружний 1, так и внутренний 3 корпуса, но с разными коэффициентами температурного расширения (КТР), то получается следующее соотношение:

ΔX₁+ΔX₂=L·(α₂-α₁)·ΔT,

где ΔT - величина изменения температуры.

При расширении внутреннего корпуса 3 относительно наружного 1 упругие элементы 7 и 8 изгибаются пропорционально своей жесткости, поэтому выполняется следующее соотношение:

K₁·ΔX₁=K₂·ΔX₂.

Из этого следует, что

Координаты расположения оптических элементов 2, закрепленных в наружном корпусе 1, относительно точки О после увеличения температуры соответствуют

A=(F+L+C)·(1+α₁·ΔT).

Координаты точки излучения лазерного диода 4 относительно точки О после увеличения температуры соответствуют

Для исключения разъюстировки оптического передающего модуля необходимо, чтобы выполнялось условие

A-B=F·(1+β·ΔT).

При введении допуска на величину расстройки фокуса Δd выполняется соотношение

A-B-F·(1+β·ΔT)≤Δd.

Подставляя в последнее выражение предыдущие и преобразуя, получается соотношение

Величина расстройки фокуса взята по абсолютной величине для согласования знаков. Данное соотношение соответствует скомпенсированному с заданной точностью лазерному диоду 4 для работы при изменении температуры окружающей среды в заданном диапазоне.

Задаваемая величина расстройки фокуса определяется требуемыми допусками на расходимость пучка излучения оптического передающего модуля. Расходимость излучения в приближении геометрической оптики определяется соотношением

где D - диаметр пучка излучения на оптческих элементах 2, a d - расстояние от точки излучения до фокуса оптческих элементов 2.

Преобразуя предыдущие выражения можно определить, что относительное изменение расходимости от температуры будет равно:

Это означает, что если допустимое отклонение расходимости не должно превышать 5%, а величина d=0,05 мм, необходимо, чтобы величина расстройки не превышала 0,0025 мм.

Для оптического передающего модуля, имеющего параметры F=40 мм, L=68 мм, С=-11 мм, β=0,2·10^-6, α₂=24·10^-6 (алюминий), α₁=11·10^-6 (сталь), работающего в диапазоне температур 100°С, необходимо, чтобы 1,7<K₂/K₁<2,1.

При применеии предложенного технического решения повышается устойчивость формы диаграммы направленности оптического передающего 10 модуля за счет уменьшения расстройки фокуса вплоть до нулевых значений при воздействии жестких механоклиматических факторов.

По предлагаемому техническому решению изготовлены опытные образцы. Технические параметры подтверждены положительными результатами предварительных испытаний.

Изобретение относится к квантовой электронной технике и может использоваться в системах лазерной космической связи и в системах лазерной атмосферной связи. Оптический передающий модуль содержит наружный корпус с размещенными в нем средством крепления, компаундом, лазерным диодом, установленным в монтажной пластине, оптическими элементами, которые оптически связаны с активной площадкой лазерного диода, при этом фокус оптических элементов находится на оптической оси оптического передающего модуля. Средство крепления выполнено в виде полого цилиндрического корпуса, закрепленного посредством эластичного компаунда во внутренней полости наружного корпуса модуля. Компаунд располагается в зазоре между стенками наружного и внутреннего корпусов через отверстия, выполненные в двух сечениях и расположенные симметрично по периметру наружного корпуса, кроме того, эластичный компаунд образует азимутально-симметричные упругие элементы, размещенные в двух сечениях по краям наружной поверхности внутреннего корпуса. Лазерный диод установлен ближе к одному из торцов внутреннего корпуса со стороны оптических элементов и соединен с электронным блоком управления, при этом максимально допустимая величина расстройки фокуса Δd устанавливается соотношением зависящих от характеристик материала корпусов и упругих элементов:

где L - расстояние между медианными сечениями упругих элементов; F - фокусное расстояние оптических элементов; С - расстояние между медианным сечением ближнего к лазерному диоду упругого элемента и точкой излучения лазерного диода; K₁ - коэффициент жесткости упругого элемента в сечении, ближнем к лазерному диоду; К₂ - коэффициент жесткости упругого элемента в сечении, дальнем от лазерного диода; α₁ - коэффициент линейного температурного расширения материала наружного корпуса; α₂ - коэффициент линейного температурного расширения материала внутреннего корпуса; β - коэффициент температурного изменения фокусного расстояния оптических элементов; ΔТ - диапазон изменения температуры окружающей среды. Технический результат направлен на повышение устойчивости формы диаграммы направленности оптического передающего модуля за счет уменьшения расстройки фокуса вплоть до нулевых значений при воздействии жестких механоклиматических факторов, 3 ил.

Оптический передающий модуль, содержащий наружный корпус с размещенными в нем средством крепления, компаундом, лазерным диодом, установленным в монтажной пластине, оптическими элементами, которые оптически связаны с активной площадкой лазерного диода, при этом фокус оптических элементов находится на оптической оси оптического передающего модуля, отличающийся тем, что средство крепления выполнено в виде полого цилиндрического корпуса, закрепленного посредством эластичного компаунда во внутренней полости наружного корпуса модуля, при этом компаунд располагается в зазоре между стенками наружного и внутреннего корпусов через отверстия, выполненные в двух сечениях и расположенные симметрично по периметру наружного корпуса, кроме того, эластичный компаунд образует азимутально-симметричные упругие элементы, размещенные в двух сечениях по краям наружной поверхности внутреннего корпуса, а лазерный диод установлен ближе к одному из торцов внутреннего корпуса со стороны оптических элементов и соединен с электронным блоком управления, при этом максимально допустимая величина расстройки фокуса Δd устанавливается соотношением зависящих от характеристик материала корпусов и упругих элементов:

где L - расстояние между медианными сечениями упругих элементов;

F - фокусное расстояние оптических элементов;

С - расстояние между медианным сечением ближнего к лазерному диоду упругого элемента и точкой излучения лазерного диода;

K₁ - коэффициент жесткости упругого элемента в сечении, ближнем к лазерному диоду;

К₂ - коэффициент жесткости упругого элемента в сечении, дальнем от лазерного диода;

α₁ - коэффициент линейного температурного расширения материала наружного корпуса;

α₂ - коэффициент линейного температурного расширения материала внутреннего корпуса;

β - коэффициент температурного изменения фокусного расстояния оптических элементов;

ΔT - диапазон изменения температуры окружающей среды.