單管光纖耦合

1、976nm單管高功率光纖耦合模塊摘 要隨著光纖激光器在工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，對高功率，高亮度泵浦模塊提出迫切要求。單管光纖耦合模塊作為泵浦源在光纖激光器系統(tǒng)中具有獨(dú)一無二的優(yōu)勢，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩墓β兽D(zhuǎn)換效率和已經(jīng)被證明的高可靠性，并且無需復(fù)雜水冷設(shè)備，使得整個系統(tǒng)的使用和維護(hù)成本大大降低。 本文首先確定了耦合所用激光器芯片及光束特性。為使芯片具有高功率密度、高可靠性，從芯片材料結(jié)構(gòu)、芯片腔面工藝方面進(jìn)行了相關(guān)研究。在對激光器光束特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出減小激光器發(fā)散角的一些措施。 根據(jù)光纖中光線傳播理論，設(shè)計了耦合所用光纖微透鏡參數(shù)，通過光學(xué)軟件對耦合光路進(jìn)行仿真，得到單管耦合到芯徑105m，

2、數(shù)值孔徑NA=0.22光纖的理論耦合效率達(dá)93%以上（未鍍增透膜）。根據(jù)仿真結(jié)果，對C-mount封裝的976nm激光器和所設(shè)計的光纖進(jìn)行耦合試驗(yàn)，得到90m條寬激光器與光纖的耦合效率大于90%，100m條寬激光器與光纖的耦合效率接近80%，證明所設(shè)計的光纖微透鏡能夠使激光器實(shí)現(xiàn)高的耦合效率，有較好的實(shí)用性。 為使耦合模塊封裝更可靠，尺寸更小，采用COS（Chip on Sub mount）的封裝形式。封裝過程中，采用Ansys仿真軟件對熱沉材料和尺寸進(jìn)行模擬優(yōu)化；通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)對芯片燒焊工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)；為了使實(shí)際的耦合效率更接近理論值，對激光點(diǎn)焊耦合工藝進(jìn)行了模擬優(yōu)化和反復(fù)實(shí)驗(yàn)。關(guān)鍵字：單管激

3、光器，光纖耦合模塊，光纖微透鏡，耦合效率，COS封裝High Power Fiber Coupling 976 nm Single Emitter LDABSTRACTWith rapid growth in fiber lasers for industrial applications there is higher demand for higher power and higher brightness laser diode pump modules. Single emitter fiber coupled modules offers unique advantage for u

4、se in fiber laser systems due to their higher power-conversion efficiency (PCE) and proven reliability. The higher PCE of the laser diode pump directly translates to higher PCE of the fiber laser, which leads to lower system cost via reduced cooling requirements.In this paper, in order to improving

5、LD optical output power, we do much research on materials optimization, structure optimization and cavity surface technology optimization. Then the laser diode chip use in coupling was confirmed. The beam characteristic of LD was also analyzed briefly to get smaller beam divergence. Under guidance o

6、f theory of beam transmission in fiber，the wedge-fiber applied in coupling was designed by ray tracing theory ,then the optical circuit was simulated by Tracepro. The coupled efficiency of laser diodes with wedge-fiber 105/125m ,NA=0.22 achieved to more than 93%. The corresponding experiment of LD w

7、ith C-mount packaged was done according to the designed optic-circuit, and the coupled efficiency of 90m emitting laser diodes is 90%, 100m emitting laser diodes nearly 80%. Testing result and simulation result was compared and discussed, and the modules were proven practicality.Chip on sub mount st

8、ructure was adopted, which improves the packaging reliability and reduces the size of module. The materials and size of the mounts were designed by Ansys simulation, and the techniques of semiconductor lasers bonded to their sub mount were researched. Besides the coupling technology of laser welding

9、 were simulated and tested for higher coupling efficiency.KEY WORDS: single emitter LD, fiber coupled module, fiber micro-lens, couple efficiency, COS package目 錄第一章 緒論1§1-1 高功率光纖耦合模塊的研究意義1§1-2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢3§1-3 本文研究內(nèi)容5本章小結(jié)5第二章半導(dǎo)體激光器芯片與光束特性分析6§2-1 材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化6§2-2 腔面工藝優(yōu)化82-2-1 電流非

10、注入腔面工藝82-2-2 真空解理工藝92-2-3離子銑腔面鈍化工藝9§2-3半導(dǎo)體激光器光束特性分析102-3-1 半導(dǎo)體激光器光束遠(yuǎn)場特性112-3-2 影響光場特性的主要因素12本章小結(jié)15第三章光纖耦合理論與實(shí)驗(yàn)研究16§3-1光纖理論知識163-1-1 光纖結(jié)構(gòu)與分類163-1-2 光纖中光線傳輸特性17§3-2 耦合系統(tǒng)的光路設(shè)計193-2-1 激光器光纖耦合條件193-2-2 激光器光纖耦合光路設(shè)計19§3-3 激光器光纖耦合系統(tǒng)仿真233-3-1 光纖模型建立233-3-2 光源模型建立233-3-3 仿真結(jié)果及分析24§3-4

11、 耦合試驗(yàn)分析25本章小結(jié)26第四章光纖耦合模塊的封裝技術(shù)27§4-1半導(dǎo)體激光器的封裝274-1-1熱沉的優(yōu)化284-1-2 燒焊工藝優(yōu)化31§4-2光纖耦合工藝研究324-2-1耦合調(diào)試324-2-2激光點(diǎn)焊工藝優(yōu)化32§4-3模塊整體結(jié)構(gòu)354-3-1模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)354-3-2模塊封帽36本章小結(jié)37第五章 光纖耦合模塊的測試與分析38§5-1耦合模塊測試385-1-1 電-光特性385-1-2 溫度特性385-1-3 光場特性395-1-4 熱阻測試39§5-2 耦合模塊試驗(yàn)分析405-2-1 耦合效率誤差分析40第六章 總結(jié)42參考文

12、獻(xiàn)43致 謝45iii第一章 緒論§1-1 高功率光纖耦合模塊的研究意義半導(dǎo)體激光器的光波導(dǎo)存在較強(qiáng)的非對稱性，其輸出光束在垂直結(jié)方向和平行結(jié)方向發(fā)散角差別較大，使半導(dǎo)體激光器的直接應(yīng)用受到限制。光纖耦合模塊可以很好的解決這一問題，因?yàn)楣饫w輸出是一種標(biāo)準(zhǔn)接口，光束傳輸非常容易幾乎沒有限制；除此之外，光纖還具有均化光斑的作用，從光纖中輸出的激光光斑是對稱的。目前，光纖耦合模塊主要用于泵浦固體激光器、光纖激光器和光纖放大器。其中高功率光纖激光器，無論在效率、體積、冷卻和光束質(zhì)量等方面，均比同等功率水平的氣體激光器和二極管泵浦固體激光器有顯著改善，可廣泛應(yīng)用于通訊、軍事、醫(yī)療、材料加工等領(lǐng)

13、域，作為第三代激光技術(shù)的代表，光纖激光器被稱為21世紀(jì)初最偉大的發(fā)明之一1。光纖激光器采用優(yōu)異的雙波導(dǎo)限制機(jī)制，使得其輸出功率可以達(dá)到很大，目前采用主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)的光纖激光器，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了千瓦級功率輸出2；光纖激光器采用光纖做增益介質(zhì)，具有很大的表面積/體積比，這使其具有非常好的散熱性能；光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成，由于原料易得，在技術(shù)、產(chǎn)品和市場成熟之后，可大幅度降低成本，除光路部分外，半導(dǎo)體激光器泵浦是構(gòu)成光纖激光器成本的主要部分。激光泵浦技術(shù)作為高功率光纖激光器的核心技術(shù)之一，最終目的是要把數(shù)百瓦甚至數(shù)千瓦的泵浦激光耦合到直徑只有數(shù)百微米的雙包層光纖內(nèi)包層中，目前所采用的

14、泵浦技術(shù)主要有端面泵浦和側(cè)面泵浦兩種3。端面泵浦是一種傳統(tǒng)泵浦方式，在耦合效率要求不太高的情況下是一種較理想的方式，具有結(jié)構(gòu)簡單，便于操作的優(yōu)點(diǎn)，但是泵浦光是從光纖一端進(jìn)入的，在整個光纖內(nèi)是非均勻分布，為了解決這一問題，人們發(fā)明了各種側(cè)面泵浦技術(shù)，包括V型槽側(cè)向泵浦，棱鏡側(cè)向泵浦，光纖側(cè)面泵浦，光柵側(cè)面泵浦等方式。側(cè)向泵浦能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)泵浦，提高泵浦光的耦合效率，但也存在加工工藝復(fù)雜，成本高等缺點(diǎn)。目前，商用光纖激光器中多采用側(cè)向樹杈泵浦方式，如圖1.1所示，將激光器光纖耦合模塊輸出的泵浦光通過光纖合束器耦合到雙包層光纖中，從而提高泵浦功率。圖1.1 側(cè)向樹杈泵浦方式Fig. 1.1 Later

15、al branch pump為了實(shí)現(xiàn)光纖激光器的全光纖化和高功率輸出，要求泵浦源是帶有光纖輸出的高功率、高亮度、高可靠性耦合模塊，因此，研究半導(dǎo)體激光器與光纖的高效耦合是發(fā)展高功率光纖激光器的一個重要環(huán)節(jié)。以往對激光二極管線陣進(jìn)行耦合的報道很多，但線陣耦合模塊也存在很多缺點(diǎn)，首先，用于線陣激光器光束整形的系統(tǒng)價格非常昂貴，尤其是高功率、小光纖芯徑的情況，整形系統(tǒng)復(fù)雜性增加，光的利用效率也在降低 4；其次，線陣上個體發(fā)光單元的損耗可能導(dǎo)致整個線陣的失效。10mm半導(dǎo)體激光器線陣的典型壽命是10,00020,000小時，這取決于工作模式和環(huán)境條件，與這些數(shù)字形成鮮明對比的是單管的壽命，一般都在50

16、,000小時以上。圖1.2為二極管線陣和單管存活概率對比。單管激光器在一定時間內(nèi)的存活概率要遠(yuǎn)高于激光二極管線陣；另外，線陣耦合模塊需要復(fù)雜的微通道水冷進(jìn)行制冷，成本進(jìn)一步增加。近年來，隨著單管芯片結(jié)構(gòu)和工藝的進(jìn)步，輸出功率不斷提高，目前，單管芯激光器（LD）已經(jīng)有超過20W的報道，Alfalight 976 nm 波段，條寬100 m的LD可獲得22 W 的連續(xù)輸出，峰值電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)68%5。此外，單管芯激光器可以耦合進(jìn)更小光纖芯徑內(nèi)，具有更高的功率密度，并且無需復(fù)雜水冷，利用簡單、獨(dú)立的風(fēng)冷即可達(dá)到制冷要求，獨(dú)立工作，利于維修更換，這些特性使得單管光纖耦合模塊的效率更高，成本更低，即使泵

17、浦幾千瓦的光纖激光器，單管光纖耦合模塊也可以成為具有競爭力的泵浦源6- 7。 圖1.2 二極管線陣和單管陣列存活概率對比Fig. 1.2 Block diagramm and survival probability of diode bar and single emitter arrangement隨著研究的深入，光纖激光器在國外已經(jīng)被廣泛接受和使用8- 9。國內(nèi)，很多單位也已經(jīng)開展了相關(guān)研究工作。目前，高功率光纖激光器大多采用摻Y(jié)b3+(或Er，Yb共摻)光纖，Yb3+具有相當(dāng)寬的吸收帶寬（800-1000nm）以及相當(dāng)寬的激發(fā)帶（970-1200nm），最佳吸收位于915nm和976n

18、m的半導(dǎo)體激光器輸出波長，而且沒有受激態(tài)吸收。因此，對相應(yīng)的泵浦源915nm或976nm高功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊提出迫切需求，而國內(nèi)對于單管耦合模塊的研究距離國際水平還有一定的差距，尤其是輸出芯徑較小的高亮度單管耦合模塊的研究幾乎為空白，故本文以976nm單管激光器與芯徑105m光纖的耦合為例，介紹整個耦合模塊的研發(fā)過程，實(shí)現(xiàn)模塊高效率，高功率，高亮度輸出具有重要研究意義。§1-2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢光纖耦合模塊的設(shè)計應(yīng)遵循耦合效率高，穩(wěn)定可靠，工藝簡化實(shí)用的原則。從激光器和光纖的耦合方式按照它們之間是否存在光學(xué)原件這一點(diǎn)，可分為兩種：直接耦合和間接耦合10。直接耦合是把

19、端面處理過的光纖直接對向激光器的發(fā)光區(qū)。間接耦合是指在半導(dǎo)體激光器和光纖之間利用獨(dú)立光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行耦合，這樣的耦合方式需對光束進(jìn)行整形后才能耦合進(jìn)光纖，對準(zhǔn)直光學(xué)設(shè)計要求較高，整體系統(tǒng)比較復(fù)雜，體積較大。九十年代開始，陸續(xù)有大功率光纖耦合器件見諸報導(dǎo)。1993年美國SDL公司大功率光纖耦合器件，輸出功率10W，采用400m多模石英光纖，光纖數(shù)值孔徑0.4，耦合效率50%。2001年美國Opto Power公司報導(dǎo)了他們的大功率光纖耦合器件，功率達(dá)到了30W，采用800m多模石英光纖，光纖數(shù)值孔徑NA=0.22，耦合效率75%11。隨后越來越多的通信光電子制作商涉足大功率激光耦合產(chǎn)業(yè)，取得飛速發(fā)展

20、，諸如Eagleyard、OSRAM、FBH、Laser Jet、Bookham等12，德國DILAS半導(dǎo)體激光器公司為了獲得更高的功率，降低成本和增加亮度，對二極管激光陣列進(jìn)行優(yōu)化，包括降低微光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性等使得單陣列的光纖耦合模塊已經(jīng)可以達(dá)到100W的輸出功率，傳導(dǎo)冷卻多陣列光纖耦合模塊耦合到200m芯徑光纖的輸出功率可達(dá)500W；美國的APOLLO公司以高功率見長，是目前世界上光纖耦合模塊功率密度最高的公司之一，功率密度達(dá)600KW/cm2，最大耦合輸出功率達(dá)到5KW，光纖芯徑1.0mm，數(shù)值孔徑0.22。德國JENOPTIK公司采用多陣列偏振耦合、波長耦合等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)輸出2KW的

21、光纖耦合模塊產(chǎn)品，芯徑1.5mm，NA=0.32，可聚焦光斑為1mm，功率密度達(dá)250KW/cm2。單管光纖耦合模塊作為光纖激光器的泵浦源向著高功率、高亮度、高耦合效率和高可靠性的方向發(fā)展。這與芯片自身的性能關(guān)系密切外，封裝形式和封裝工藝等因素也很重要。隨著單管光纖耦合模塊研究的深入,不同封裝方式被采用，如圖1.3所示。90年代中期到21世紀(jì)初工業(yè)應(yīng)用激光器中一直保持L2/L3封裝形式15 如圖1.3.1所示；2004年，JDSU采用L3平臺設(shè)計的模塊，耦合到NA=0.2光纖耦合效率大于80%，連續(xù)輸出功率為5W，熱阻率為4/W；2008年在此基礎(chǔ)上發(fā)展的L4封裝，結(jié)構(gòu)更緊湊，體積減小了25%

22、，高度降低了35%，結(jié)合新一代多模芯片，耦合到105m，NA= 0.15/0.22光纖，功率轉(zhuǎn)換效率大于50%，耦合效率大于90%，可靠工作輸出功率為10W，熱阻2.2/W，在工作溫度為15時，輸出功率可高達(dá)18W16。圖1.3.2為Bookham公司基于TO-258的封裝，熱阻3.5-4.5/W，適用于更嚴(yán)格的環(huán)境，在8A工作電流，35熱沉溫度時的出纖功率為7W，最大輸出功率可超過11.5W。此外還有IPG公司比較典型的2針封裝，如圖1.3.3所示；帶有熱敏電阻和制冷器的HHL封裝，圖1.3.4所示。 圖1.3.1L2/L3和L4泵浦模塊對比 圖1.3.2 TO-258封裝 圖1.3.3 無

23、制冷2針封裝 圖1.3.4 HHL封裝圖1.3 光纖耦合模塊的不同封裝方式Fig.1.3 The diffident package of fiber coupled module 目前，德國的LIMO、JENOPTIK公司、美國的APOLLO、JDSU、OCLARO公司等，其單管光纖耦合模塊的產(chǎn)品水平達(dá)到10w以上，JDSU公司的產(chǎn)品還實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀的光反饋控制，極大提高了器件的性能和泵浦系統(tǒng)的可靠性。美國nLight公司采用的多單管級聯(lián)耦合方式，實(shí)現(xiàn)了100W功率輸出，光纖芯徑105 m，NA=0.22/0.15。國內(nèi)，西安炬光公司在2010年初也推出國內(nèi)首次自主研發(fā)生產(chǎn)的連續(xù)單管半導(dǎo)體激光器

24、耦合模塊，模塊輸出芯徑為200/400um，NA=0.22，輸出功率28W，耦合效率大于87%。表1.1為國內(nèi)外一些典型單管光纖耦合模塊產(chǎn)品的性能指標(biāo)17- 19。表1.1 國內(nèi)外典型大功率光纖耦合產(chǎn)品性能指標(biāo)Table 1.1The performance index of typical high power fiber coupled product公司名稱OCLAROJENOPTIKBWTJDSU工研激光型號BMU10-9xx-01/02JOLD7.8-BAFCM-11K9xS02F-10W-R6398-L4GLD-808BP-4輸出功率（w）257.810104中心波長(nm)9xx

25、8089xx976808光譜寬度(nm)64563斜率效率（w/A）0.951.50.90.90.8纖芯直徑（m）105100105105200數(shù)值孔徑0.15/0.220.220.150.15/0.220.22閾值電流（mA）60013005008501500工作電壓(V)5.541.922工作電流(A)11.56.516146從發(fā)展趨勢來看，國外光束整形模塊、光纖耦合模塊的發(fā)展已經(jīng)不僅僅局限于光束整形技術(shù)和輸出功率指標(biāo)本身，他們正在更多地將光束整形技術(shù)與泵浦等實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，更關(guān)注于高光束質(zhì)量、高效率、高可靠性以及模塊在工程化應(yīng)用中的功能集成化方面，如：Coherent公司的光束整形模塊、

26、光纖耦合模塊已經(jīng)與固態(tài)激光器的泵浦結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，形成了一種結(jié)構(gòu)緊湊的功能性模塊，從而使得大功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用更加靈活、普及。國內(nèi)激光器以及光纖的參數(shù)指標(biāo)相對于國外還較低，這極大的限制了國內(nèi)光纖耦合激光器的發(fā)展。§1-3 本文研究內(nèi)容1. 確定耦合所用半導(dǎo)體激光器芯片。為了使光纖耦合模塊實(shí)現(xiàn)高效率、高功率、高亮度的輸出，需要半導(dǎo)體激光器在窄條寬上實(shí)現(xiàn)高的光輸出功率并且具有較小的光束發(fā)散角。為了滿足這些要求從芯片結(jié)構(gòu)、芯片工藝等方面對高功率密度激光器芯片進(jìn)行了研究。2. 設(shè)計合適的耦合光路。對耦合所用光纖微透鏡參數(shù)進(jìn)行理論設(shè)計，并利用光學(xué)軟件對設(shè)計的耦合光路進(jìn)行模擬和優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)

27、果建立具體的試驗(yàn)以驗(yàn)證所設(shè)計的光纖微透鏡參數(shù)是否合理。3. 耦合模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要包括半導(dǎo)體激光器載體器件的設(shè)計和制作；夾具的設(shè)計和制作；耦合光路基板的設(shè)計與制作等。4. 耦合模塊的封裝工藝。包括激光器的封裝工藝，光纖耦合的激光點(diǎn)焊工藝，以及將整個模塊封裝進(jìn)管殼的技術(shù)手段等。本章小結(jié)本章介紹了單管光纖耦合模塊研究的目的和意義，總結(jié)了國內(nèi)外單管光纖耦合模塊的發(fā)展水平，并對本論文要完成的工作做了簡要說明。第二章 半導(dǎo)體激光器芯片與光束特性分析目前對于單管耦合來說，通常采用芯徑為105m的光纖，以與雙包層光纖實(shí)現(xiàn)更好的匹配。為了提高光纖耦合模塊的耦合效率，通常要求半導(dǎo)體激光器芯片在窄條寬（100m

28、）上實(shí)現(xiàn)高的光輸出功率，從而芯片的電流注入密度、腔面功率密度會成倍增加，此外，采用窄發(fā)散角芯片也是提高耦合效率的有效手段，這些毫無疑問對芯片的結(jié)構(gòu)、壽命、可靠性提出了更高的要求。本章從芯片的材料結(jié)構(gòu)、芯片腔面工藝方面入手，對適合本課題的高功率密度激光器芯片做簡要介紹，并對其光場特性進(jìn)行分析。§2-1 材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化首先，有源區(qū)采用應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)低閾值電流密度、高輸出功率以及優(yōu)異的溫度特性和可靠性等。目前使用的高功率半導(dǎo)體激光器一般采用光子和載流子分別限制量子阱結(jié)構(gòu)，如圖2.1所示。圖2.1 半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)Fig. 2.1 The basic structure of LD圖

29、2.2為不同材料的禁帶和晶格常數(shù)圖22- 23，從圖中可以看出為了匹配GaAs襯底的晶格常數(shù)，同時滿足976nm（Eg=1.26/0.976=1.29eV）波長需要，采用應(yīng)變InGaAs量子阱有源區(qū)是最佳選擇。另外和GaAs晶格常數(shù)匹配的有二元化合物GaAs和AlAs，三元化合物AlxGa1-xAs 、 In0.49Ga0.51P，以及In0.49GaxAl0.51-xP，InGaAsP 和InAlGaAsP。圖2.2 不同材料禁帶寬度和晶格常數(shù)圖Fig. 2.2 Energy band-gap versus lattice constant for common semiconductors

30、其次，通過優(yōu)化材料組分，盡可能降低內(nèi)損耗。一般情況組分元素越多，電和熱參數(shù)越差，并且生長也越難控制。故激光器材料常選用二元和三元化合物。為了限制載流子，蓋層禁帶寬度要大于波導(dǎo)層禁帶寬度，波導(dǎo)層禁帶寬度要大于有源區(qū)禁帶寬度。為了限制光場，蓋層折射率要大于波導(dǎo)層折射率，目前蓋層折射率有漸變和突變兩種，這主要由組分和摻雜決定，而每種材料不同的組分和摻雜都有特定的電阻（表現(xiàn)為壓降），光損耗和熱阻。故材料優(yōu)化還需考慮電阻和光損耗的優(yōu)化問題。例如，p型蓋層中提高摻雜可以降低電阻，但是光損耗會隨摻雜增多線性增加（熱阻也會有輕微增大），若降低摻雜雖能降低光損耗，但器件的壓降必然提高，最終導(dǎo)致器件的效率下降。此

31、外，蓋層折射率漸變的實(shí)現(xiàn)在工藝上也存在很多難點(diǎn)，工藝實(shí)現(xiàn)的問題也需要考慮。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，我們選擇低Al組分的AlGaAs材料作為p型和n型蓋層的最佳選擇24- 26，因?yàn)樗哂械偷碾娮?、熱阻和光損耗。目前采用這種材料設(shè)計的100m條寬單管激光器已經(jīng)有輸出功率19W的報道21。第三，除了優(yōu)化激光器芯片的材料組分外，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計也很關(guān)鍵。為了使激光器獲得高的功率輸出密度，大光腔結(jié)構(gòu)逐漸被采用，這是由于大光腔結(jié)構(gòu)可以有效拓寬激光器內(nèi)部光場，從而降低光功率密度分布，提高激光器大功率工作時材料的穩(wěn)定性，是大功率激光器發(fā)展的優(yōu)化結(jié)果。例如，COD閾值同為25MW/cm2的材料，對發(fā)光尺寸為100m的單管

32、芯激光器，普通光腔的近場光斑尺寸只有0.25m，其輸出光功率約為5W；如果采用近場光斑尺寸為1.5m的大光腔材料，輸出光功率理論上可以達(dá)到30W。從另一方面考慮，對于同樣的工作光功率，大光腔材料的腔面光功率密度更低，熱吸收會導(dǎo)致的腔面材料的退化率慢，從而改善激光器腔面燒毀問題，提高激光器大功率工作時的可靠性?；谏鲜龇治霾⒔Y(jié)合現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，確定適用于本課題的激光器芯片材料結(jié)構(gòu)如表2.1所示。表2.1 量子阱激光器結(jié)構(gòu)Tab 2.1 The structure of quantum well LD材料厚度（nm）濃度p+接觸層GaAs250>2E19（Zn）p型蓋層Al0.35GaAs80

33、05E17（Zn）p型波導(dǎo)層Al0.15GaAs500不摻雜量子阱GaAs5不摻雜GaInAs7.5不摻雜GaAs5不摻雜n型波導(dǎo)層Al0.15GaAs500不摻雜n型蓋層Al0.35GaAs10001E18（Si）n型襯底GaAs§2-2 腔面工藝優(yōu)化大功率連續(xù)激光器腔面的熱吸收會導(dǎo)致腔面溫升，加速腔面材料的退化，退化同時使熱吸收加劇，如此最終導(dǎo)致激光器腔面燒毀（COD燒毀）。通常腔面處理技術(shù)包括電流非注入腔面工藝、真空解理工藝和離子銑腔面鈍化工藝等以降低腔面的損耗，提高功率轉(zhuǎn)換效率；增加腔面燒毀閾值和腔面穩(wěn)定性，改善激光器腔面燒毀問題，提高激光器工作點(diǎn)和大功率工作可靠性。2-2-

34、1 電流非注入腔面工藝采用局部腐蝕掉P型擴(kuò)散層和介質(zhì)鈍化的方法在芯片出光端面制作電流阻擋層，如圖2.3所示，限制腔面載流子注入。從而減少腔面載流子密度，抑制載流子在腔面附近的非輻射復(fù)合，同時降低腔面自由載流子吸收以及非輻射復(fù)合，從而改善了腔面的溫升問題，使腔面燒毀功率密度升高。圖2.3 電流非注入腔面結(jié)構(gòu)Fig. 2.3 Current is non-injected into the cavity surface structure針對976nm高功率單管芯片我們開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，初步實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：使用電流非注入腔面工藝，不會對功率產(chǎn)生太大影響，但是能夠顯著減緩器件的退化速度，如圖2.4所

35、示，為非注入腔面對燒毀失效形貌與普通腔面的對比情況。 圖2.4非注入腔面對燒毀失效形貌的影響Fig. 2.4 The burnout failure morphology of non-injected cavity surface2-2-2 真空解理工藝在大氣環(huán)境下解理后，芯片解理面將馬上氧化，使得腔面含氧過多，導(dǎo)致腔面質(zhì)量變差，嚴(yán)重影響器件的可靠性。而在高真空條件下進(jìn)行真空解理，然后加鍍一層鈍化層，則可有效避免腔面氧化問題，使半導(dǎo)體激光器端面可承受光功率密度提高2個數(shù)量級33- 34。針對976nm高功率單管芯片，我們進(jìn)行了初步的研究，試驗(yàn)表明，真空解理技術(shù)能夠明顯提高老化中COD閾值的穩(wěn)

36、定性，并對抑制功率退化有一定作用，有利于激光器腔面可靠性的提高。圖2.5.1和圖2.5.2分別為真空解理和常規(guī)解理情況下樣品老化情況對比。圖2.5.1 真空裂片樣品老化后COD對比圖圖2.5.2常規(guī)樣品老化后COD對比圖圖2.5 樣品老化情況對比Fig. 2.5 The comparison of sample aging test2-2-3離子銑腔面鈍化工藝盡管在高真空解理可以避免腔面被氧化，但操作極為不便，不易提高工效和成品率。人們更關(guān)注于在大氣環(huán)境下解理后如何祛除氧化污染，提出了用離子束清洗腔面獲得無污染腔面的方法。方法是解理后，用Ar離子或其他離子進(jìn)行清洗，祛除氧化層等雜質(zhì)污染。離子銑

37、技術(shù)能夠清潔激光二極管腔面，但過大的離子能量會對激光二極管材料造成損傷，在腔面引入缺陷。為了減小損傷，必須對離子銑條件進(jìn)行優(yōu)化，包括離子能量、劑量的優(yōu)化。經(jīng)過離子清洗的腔面如果直接蒸鍍氧化物薄膜，腔面容易再度污染和氧化，因此離子洗之后需要緊接著蒸鍍一層鈍化層，一方面保護(hù)清潔的腔面，另一方面阻止進(jìn)一步氧化?？梢杂米麾g化層的材料有Si3N4、Si、Al、ZnSe、ZnS等。這些鈍化層要足夠薄，以免對增透膜的光學(xué)性質(zhì)有過多的影響，還要防止出現(xiàn)光吸收、腔面漏電等問題。主要技術(shù)原理示意圖如圖2.6。圖2.6 激光二極管腔面鈍化鍍膜示意圖Fig. 2.6 Laser diode facet passiva

38、tion coating diagram初步實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：使用現(xiàn)有離子銑及腔面鈍化技術(shù)，雖然沒有提高腔面抗燒毀功率閾值，但是能夠顯著減緩器件的退化速度，器件工作壽命可望獲得提高。§2-3半導(dǎo)體激光器光束特性分析眾所周知，半導(dǎo)體激光器的光場在快慢軸方向很不一致，其空間光場為一個橢圓形，為了能更好的實(shí)現(xiàn)高功率單管與光纖的耦合，有必要對半導(dǎo)體激光器的空間光場進(jìn)行系統(tǒng)的分析，并建立其模型。通常，半導(dǎo)體激光器輸出光場分別用近場和遠(yuǎn)場特性來描述。近場特性指光強(qiáng)在解理面上的分布，遠(yuǎn)場特性是指距輸出腔面一定距離（）的光束在空間的分布，它常與光束發(fā)散角的大小相聯(lián)系36。圖2.7給出了單管高功率激光器芯

39、片的一些典型尺寸和輸出光束特點(diǎn)?？燧S（垂直于p-n結(jié)）方向發(fā)光區(qū)尺寸很小，約1m，與輻射的波長相比擬。慢軸（平行p-n結(jié)）方向，典型的發(fā)光尺寸為50m-200m。這樣腔面就類似于一個狹縫，光束通過如此狹窄的縫隙時發(fā)生衍射并發(fā)散。半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角通常定義為光強(qiáng)下降到最大光強(qiáng)的1/2處所對應(yīng)的角度，即半高全寬時的全角發(fā)散角，可用LD綜合測試儀測得，垂直發(fā)散角用表示，水平發(fā)散角用表示。對于激光器和光纖耦合，發(fā)散角越小，調(diào)整的容忍度越大，越有利于高效耦合。圖2.7脊形波導(dǎo)激光器光束遠(yuǎn)場圖Fig. 2.7 The beam far field distribution of ridge wavegu

40、ide LD2-3-1 半導(dǎo)體激光器光束遠(yuǎn)場特性根據(jù)半導(dǎo)體激光器的模式理論，光束遠(yuǎn)場分布可以通過對近場分布做傅立葉變換得到37： （2-1）式中，為激光在真空中的波數(shù)，為遠(yuǎn)場發(fā)散角，分別為激光器出射端面坐標(biāo)。圖2.8激光器遠(yuǎn)場垂直發(fā)散角和水平發(fā)散角Fig. 2.8 Laser far field vertical divergence angle and horizontal divergence angle如圖2.8為三層平板介質(zhì)波導(dǎo)，根據(jù)Casey等對垂直發(fā)散角的測量結(jié)果與數(shù)值計算38和Dumke給出的近似表達(dá)式 39 。 （2-2）式中，為激光器折射率，為有源層厚度，為限制層的折射率，為

41、激射波長。以有源區(qū)為AlxGa1-xAs/GaAs為例，得到垂直發(fā)散角與有源層厚度的關(guān)系如圖2.9所示。圖2.9垂直發(fā)散角與有源區(qū)厚度關(guān)系圖Fig. 2.9The vertical divergence angle and the active layer thickness diagram從圖中可以看出垂直發(fā)散角隨有源區(qū)的厚度增加先增大后減小。通常有源層厚度很薄，典型值一般為0.1m左右，則上式可表示為 （2.3）則與有源區(qū)的厚度成正比關(guān)系，即垂直發(fā)散角隨有源區(qū)的厚度減小而減小，與圖中曲線的前半段是一致的。這似乎不能用衍射理論來解釋，但與試驗(yàn)結(jié)果是基本符合的。實(shí)際原因是隨著有源區(qū)厚度的減小或

42、折射率的減小，電磁場滲入無源區(qū)的成份增加了，相當(dāng)于加厚了有源層，因而減小36。 當(dāng)有源層厚度增大到能與波長相比擬時，2.3式可近似表示為 （2.4）符合光的狹縫衍射理論，垂直發(fā)散角隨有源區(qū)的厚度增大而減小。 半導(dǎo)體激光器的條寬S遠(yuǎn)大于工作波長，可以套用有源層較厚的的表達(dá)式，則水平發(fā)散角近似表達(dá)式如下： （2.5）2-3-2 影響光場特性的主要因素根據(jù)上面的討論，可以看出，對于垂直方向來說，其發(fā)散角與有源區(qū)的厚度及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。對于量子阱激光器，波導(dǎo)層也參與發(fā)光，減小半導(dǎo)體激光器的垂直發(fā)散角的方法從原理上講有兩類，即減少有源區(qū)厚度和增大光腔尺寸。圖2.10是不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對應(yīng)得到的近場光斑，可

43、以看出，采用寬波導(dǎo)、小折射率差材料是實(shí)現(xiàn)小發(fā)散角的最佳方案。圖2.10不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的二極管近場光斑分布Fig. 2.10 The near field distribution of different waveguide LD另據(jù)報道采用漸變折射率波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，垂直發(fā)散角可減小到27.5°，但漸變折射率在工藝實(shí)現(xiàn)過程中也存在很多困難。因此，我們設(shè)計采用分別限制量子阱技術(shù)，通過優(yōu)化波導(dǎo)層厚度、折射率差等，在有源層兩側(cè)生長厚度達(dá)0.6m 的波導(dǎo)層，研制出了976nm高功率單管激光器，100m 條寬，輸出功率3W時，垂直發(fā)散角為32°，如圖2.11所示。 圖2.11大光腔激光器的折

44、射率分布及結(jié)構(gòu)Fig. 2.11 Refractive index profiles and material structures of LOC LD對于水平方向，條寬較寬的激光器芯片在水平方向?yàn)槎嗄９ぷ鳡顟B(tài)，存在多光絲發(fā)射現(xiàn)象，使遠(yuǎn)場分布出現(xiàn)不平滑和不對稱，其本質(zhì)上為增益導(dǎo)引型激光器。由于存在電流擴(kuò)展效應(yīng)，它的導(dǎo)波效應(yīng)與工作電流，即激勵水平的變化有關(guān)，電流增大會造成輻射模發(fā)生畸變，帶來一系列缺點(diǎn)：近場輻射圖向有源區(qū)一側(cè)偏移，P-I曲線上出現(xiàn)扭折。圖2.12給出了不同電流注入下，水平發(fā)散角與垂直發(fā)散角的變化，從圖中可以看出隨著電流注入增加，水平發(fā)散角有逐步增大的趨勢，此外，模場特性也更加不穩(wěn)

45、定。圖2.12不同電流注入下，水平發(fā)散角與垂直發(fā)散角變化Fig. 2.12 Beam divergence at various injection current為了盡量減小這些因素對耦合的影響，我們設(shè)計采用適當(dāng)深度的光限制隔離槽以及量子阱混合工藝改變橫向折射率分布來增強(qiáng)光限制，從而實(shí)現(xiàn)水平方向發(fā)散角為80。綜上所述，根據(jù)所設(shè)計的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論仿真得到垂直方向上波導(dǎo)折射率及近場光強(qiáng)分布如圖2.13.1所示，圖2.13.2為相應(yīng)垂直方向上的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布。 圖2.13.1波導(dǎo)折射率及近場光強(qiáng)分布 圖2.13.2垂直方向遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布圖 2.13激光器理論波導(dǎo)折射率分布及相應(yīng)的近場遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布Fi

46、g. 2.13 Refractive index profiles, near field distribution and far field distribution of LD通過對激光器的光強(qiáng)遠(yuǎn)場分布進(jìn)行測試，得到典型的光強(qiáng)遠(yuǎn)場分布如圖2.14所示，從圖中可以看出垂直發(fā)射半角約為40°，水平發(fā)射半角約為10°，。圖2.14典型激光器的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布圖Fig. 2.14 Far field distribution of typical LD本章小結(jié) 本章確定了耦合所用激光器芯片及光束特性。為了使芯片具有高的功率密度，高的可靠性，從芯片材料、芯片工藝、芯片結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行

47、了相關(guān)研究，結(jié)合現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)技術(shù)確定了自主研制芯片的材料及結(jié)構(gòu)。在對激光器光束特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出減小激光器發(fā)散角的一些措施。第三章 光纖耦合理論與實(shí)驗(yàn)研究為了實(shí)現(xiàn)激光器與光纖的高效耦合，本章從光纖的理論知識出發(fā)，分析了光線在光纖中的傳輸特性，設(shè)計了理論上滿足耦合條件的光路系統(tǒng)，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。§3-1光纖理論知識3-1-1 光纖結(jié)構(gòu)與分類圖3.1為典型光纖結(jié)構(gòu)。纖芯和包層為光纖結(jié)構(gòu)的主體，纖芯的折射率比包層的折射率稍大，當(dāng)滿足一定的入射條件時，光波就能沿著纖芯向前傳播；涂覆層用于隔離雜光和保護(hù)光纖免受環(huán)境污染和機(jī)械損傷；實(shí)際的一些應(yīng)用中，在光纖涂覆層外面還加一層護(hù)套，用

48、于提高光纖的強(qiáng)度，保護(hù)光纖。圖3.1 光纖結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3.1 The structure of optical fiber光纖的分類方法有很多種。按傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量可以分為單模光纖和多模光纖：只能傳輸一種模式的光纖為單模光纖；能同時傳輸多種模式的光纖為多模光纖。兩者主要差別為纖芯的尺寸和纖芯/包層相對折射率不同，單模光纖芯徑?。?12m），芯-皮折射率差?。ǎ?；多模光纖芯徑大（50500m），芯-皮折射率差大（）。按照光纖的不同用途，可分為通信/測量用光纖和傳能光纖。前者芯徑小，一般在數(shù)十微米量級以下；后者芯徑大，在數(shù)十百微米量級以上。按纖芯折射率分布可分為階躍折射率光纖和梯度折射率光纖

49、。前者芯徑折射率是均勻的，在纖芯和包層的分界面折射率發(fā)生突變；后者折射率是按一定函數(shù)關(guān)系隨光纖中心徑向距離變化41。3-1-2 光纖中光線傳輸特性分析光波在光纖中的傳播特性有兩種基本方法：光線光學(xué)和波動光學(xué)。本文中所用光纖芯徑遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體激光器的輻射波長，故可以采用光線光學(xué)的方法進(jìn)行分析。3-1-2-1 子午光線的傳播通過光纖中心軸的任何平面都稱為子午面，位于子午面內(nèi)的光線稱為子午光線。圖3.2為均勻折射率光纖中子午光線傳播示意圖。子午光線的傳播特點(diǎn)是：入射光線、反射光線和分界面的法線三者均在子午面內(nèi)。圖3.2 子午光線的全反射Fig. 3.2 Total reflection of meri

50、dional ray其中，和分別為纖芯和包層的折射率，為光纖周圍介質(zhì)的折射率。要使光能完全限制在光纖內(nèi)傳輸，則光線在纖芯-包層分界面上的入射角大于等于臨界角，即 （3.1） （3.2） 式中: （3.3） （3.4）根據(jù)菲涅耳定理可得 （3.5） （3.6）相應(yīng)于臨界角的發(fā)射角，通稱為孔徑角，反應(yīng)了光纖集光能力的大小。于此類似，定義為光纖的數(shù)值孔徑，一般用NA表示，即 （3.7）3-1-2-2 斜光線的傳播光纖中不在子午面內(nèi)的光線都是斜光線，它和光纖的軸線既不平行也不相交，其空間軌跡是空間螺旋線。同理，由圖3.3中的幾何關(guān)系可以求出斜光線的全反射條件。圖中QK為入射在光纖中的斜光線，它與光纖軸

51、OO不共面；H為K在光纖橫截面的投影，HTQT，OMQH，為光線在纖芯-包層分界面上的入射角41。圖3.3 斜光線的全反射光路Fig. 3.3 total reflection light transmission of oblique light由圖中幾何關(guān)系得斜光線的全反射條件為 （3.8）已知 （3.9）由折射定律，可得斜光線在光纖傳播中滿足全反射的條件為 （3.10）則斜光線的數(shù)值孔徑為 （3.11）通過上述計算可以得到斜光線的數(shù)值孔徑大于子午光線的數(shù)值孔徑，也就是說只要子午光線能在光纖中傳播，那么斜光線也一定滿足在光纖中傳播的條件。因此，接下來的理論計算中只需考慮子午光線的傳播。&#

52、167;3-2 耦合系統(tǒng)的光路設(shè)計3-2-1 激光器光纖耦合條件對于光纖耦合的分析通常有兩種方法：模式耦合法和光線追跡法。前者多用于激光器與單模光纖的耦合，后者可以應(yīng)用于激光器與多模光纖的耦合；多模光纖中能夠傳播的模式數(shù)目與其數(shù)值孔徑有關(guān)，當(dāng)數(shù)值孔徑變大時，能夠在其中傳播的模式數(shù)目會急劇增加42。為了簡化處理，本文忽略模式匹配對耦合效率的影響。基于以上假設(shè)和多模光纖的傳播理論，可以認(rèn)為激光器與多模光纖的耦合需要滿足的條件為：半導(dǎo)體激光器的光斑尺寸和發(fā)散角與光纖的芯徑和接收角匹配。即激光器光束的光斑尺寸要小于光纖的芯徑；光束發(fā)散角小于光纖的接收角。在第二章中已經(jīng)對半導(dǎo)體激光器的光束特性進(jìn)行了介紹

53、，接下來的計算和模擬中假設(shè)激光器垂直方向發(fā)射半角為40°，水平方向發(fā)射半角為10°，以確?？梢园す馄靼l(fā)出的所有光，使模擬結(jié)果更接近實(shí)際。3-2-2 激光器光纖耦合光路設(shè)計對于單管芯激光器，光源發(fā)光面積較小，一般用直接耦合的辦法即可實(shí)現(xiàn)較高的耦合效率，目前常用光纖微透鏡的方法進(jìn)行耦合，光纖端面微透鏡是在光纖的端面上制作一個微透鏡以增大光纖的數(shù)值孔徑，從而擴(kuò)大接收光的范圍。光纖微透鏡的形狀一般有斜面形、球形、錐形、楔形、雙曲面形等，就目前文獻(xiàn)看雙曲面形柱狀楔形的耦合效率最高13- 14，但其制作難度很大，耦合容差也比較小。因此，本文采用柱狀楔形微透鏡光纖進(jìn)行耦合，光纖芯徑為

54、105m，折射率，包層芯徑為125m，折射率，數(shù)值孔徑NA=0.22。光纖耦合光路的設(shè)計主要是確定光纖的楔角和前端圓柱半徑的大小。3-2-2-1 柱狀楔形微透鏡參數(shù)設(shè)計由于激光器垂直方向和水平方向的光束存在較大差異，我們對其在光纖中的傳播進(jìn)行分別討論。另外，從3.1節(jié)中已經(jīng)得到結(jié)論，斜光線的數(shù)值孔徑大于子午光線的數(shù)值孔徑，下文分析中均為子午光線的傳播。圖3.4為垂直方向光線在光纖中傳播示意圖，為激光器的發(fā)射角，為光纖楔角的一半，為光線射到光纖芯徑和包層臨界線的夾角，為空氣折射率，為光纖芯徑的折射率，為包層的折射率。圖3.4 垂直方向光線傳播Fig. 3.4 Ray tracing of fast-axis光線在光纖中傳播需滿足全反射的條件: （3.12）由式3.12得，即時，射到