大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的耦合光學(xué)系統(tǒng)

1、12期陳少武等：大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的耦合光學(xué)系統(tǒng)15732001年12月CH N ESE JOU RNAL O F SEM ICONDU CTOR SDec , 2001? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.，Ltd.12期陳少武等：大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的耦合光學(xué)系統(tǒng)1573? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.，Ltd.12期陳少武等：大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的耦合光學(xué)系統(tǒng)1573大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的耦合光學(xué)系統(tǒng)3陳少武韓勤胡傳賢金才政（中國科學(xué)

2、院半導(dǎo)體研究所國家光電子工藝中心，北京100083）摘要：針對808nm大功率GaA s GaA A s半導(dǎo)體量子阱激光器的遠(yuǎn)場光場分布特點，提出了與多模光纖耦合時對耦合光學(xué)系統(tǒng)的特殊要求，并根據(jù)低成本、實用化的要求設(shè)計制作了專用的耦合光學(xué)系統(tǒng)，對耦合光學(xué)系統(tǒng)的實際性能進行了測試，給岀了耦合效率統(tǒng)計分布圖、耦合偏差曲線和高低溫可靠性實驗結(jié)果.用設(shè)計制作岀的實用 化耦合光學(xué)系統(tǒng)完成了輸岀功率15 30W ,光纖束數(shù)值孔徑為0111 0122的半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，模塊的使用結(jié)果表明耦合光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、實用.關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器；光學(xué)系統(tǒng)；光纖；可靠性EEACC : 4320J; 4125;

3、0170NPACC:4260B中圖分類號：TN 253文獻標(biāo)識碼：A文章編號：0253177（2001 ） 1221572 235? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.，Ltd.12期陳少武等：大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的耦合光學(xué)系統(tǒng)1573? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.，Ltd.12期陳少武等：大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的耦合光學(xué)系統(tǒng)15733國家"863 "計劃715主題資助項目（課題號:86327152Z3523B）.陳少武 男，1968年出生，

4、副研究員，博士，主要從事大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊和光纖通信用高速光發(fā)射模塊的研究2001 202227 收到，2001 205230 定稿©2001中國電子學(xué)會1引言目前,半導(dǎo)體激光器在信息、能源、醫(yī)療、材料、 娛樂等諸多領(lǐng)域都得到了越來越多的應(yīng)用，材料和器件的水平也有了長足的進展1,2.在相當(dāng)多的應(yīng)用中,半導(dǎo)體激光器都要和光纖或光纖束耦合為一體，例如光纖通信中的光發(fā)射模塊或半導(dǎo)體光放大器，自然要求半導(dǎo)體激光器（放大器）和單模光纖耦合在一起，在這方面國內(nèi)華中理工大學(xué)進行了半導(dǎo)體激 光放大器輸出耦合方式的研究，獲得了 50%的耦合效率3.另一些應(yīng)用領(lǐng)域如半導(dǎo)體激光手術(shù)刀、全固態(tài)激

5、光器的半導(dǎo)體激光泵源4,5、用于材料加工處理 的半導(dǎo)體激光系統(tǒng)等，均需要和光纖（束）高效率耦 合起來這主要有兩方面的實際意義：其一是光纖柔 軟易彎曲，激光可以方便靈活地通入到窄小空間；其 二是光纖耦合不僅可以從根本上改善輸出光束的質(zhì) 量，同時還可以采用多光纖集束使輸出功率得到相 對于單管數(shù)十倍的提高但是，半導(dǎo)體激光器由于其 特殊的有源區(qū)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其輸出光束的質(zhì)量往往很 差，從而對耦合光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計提出了特殊的要求 進一步要求耦合光學(xué)系統(tǒng)不僅耦合效率高 ，而且穩(wěn)定可靠、工藝簡化實用，則耦合設(shè)計更具挑戰(zhàn)性國 內(nèi)的研究絕大多數(shù)集中在半導(dǎo)體激光器和單模光纖 的耦合方面，目前我們還沒有看到有關(guān)大功率半導(dǎo)

6、 體激光器和多模光纖耦合方面的公開研究報道從國外一些研究機構(gòu)公開報道的研究論文看68，或多或少都存在著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以實用化的問題 ， 基本上處于實驗室研究的水平而國外一些著名半導(dǎo)體激光器專業(yè)制造廠商如SDL、Coheren t、Op toPower等均有產(chǎn)品投放市場，但一方面就10W以上 模塊對我國實行禁運限運，另一方面對耦合技術(shù)嚴(yán) 加保密，在公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文中無法了解其耦合 關(guān)鍵技術(shù)本文總結(jié)了我們承擔(dān)的“863”課題研究成 果，報道大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的耦合 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和實驗研究結(jié)果.2大功率半導(dǎo)體量子阱激光器的光場 分布特點和耦合光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計考 慮為使問題重點突出并簡明起

7、見，這里我們忽略大功率半導(dǎo)體量子阱激光器復(fù)雜的具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，而將其簡化為一個三層平板波導(dǎo)，中間的薄層為有源層，層厚為1血，寬度為100150 An.由于光場 在平行于PN結(jié)平面的方向上受到限制，因此在該方向上由衍射引起的光場發(fā)散程度大，輸出光斑為一狹長的橢圓形，圖1是我們用遠(yuǎn)場掃描法測出的 808nn大功率GaAs GaA A s半導(dǎo)體量子阱激光器 的遠(yuǎn)場光場分布圖，在平行于PN結(jié)方向上(稱為輸 出光束的慢軸)的發(fā)散角(FWHM值)通常為6°在 垂直于PN結(jié)方向上(稱為輸出光束的快軸)的發(fā)散圖1808nm大功率半導(dǎo)體激光器遠(yuǎn)場光強分布測試曲線F IG. 1Far 2F ield In

8、tensity Profile of808nm H igh Pow er LD角通常為36.而多模光纖的基模場分布具有圓對 稱性，其模場和LD出光面的近場模場嚴(yán)重失配.光 纖的導(dǎo)光能力用數(shù)值孔徑NA表征，若直接將LD和多模光纖平面對接耦合(即Butt2joi nt coup li ng)，當(dāng)LD輸出光束的快軸發(fā)散角超出光纖的數(shù)值孔徑 角時，就會引起傳輸損耗，光纖的數(shù)值孔徑越小，耦 合損耗就越大.LD輸出光束的另一個特點是光束 存在較大的像散，是指光束在快軸和慢軸方向上發(fā) 散中心的不重合.為了得到高耦合效率，必須采用合 理的耦合光學(xué)系統(tǒng)對LD的光束進行整形變換.實際情況是LD光束慢軸發(fā)散角小于光

9、纖的數(shù)值孔徑 角，快軸發(fā)散角大于光纖的數(shù)值孔徑角，因此我們總結(jié)出以下幾條耦合光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計原則：(1) 光學(xué)系統(tǒng)在快軸和慢軸方向上應(yīng)具有不同的焦距，或引入某種非成像的非對稱結(jié)構(gòu)(如光楔、棱鏡、光柵等)，以校正光束的像散；(2) 在光纖芯徑要求較小的情況下應(yīng)采用非球 面透鏡，以求盡量消除球差，獲得較小的聚焦半徑；(3) 耦合光學(xué)系統(tǒng)不僅有很高的耦合效率 ，而且 還應(yīng)具有較大的耦合容差，以便降低耦合難度，提高 成品率；(4) 耦合光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)微型化，并與我們掌握的全金屬化耦合焊接工藝相兼容；(5)在滿足要求的前提下，應(yīng)盡量簡化耦合光學(xué) 系統(tǒng)，減少元件數(shù)量，并設(shè)法將數(shù)個元件集成為一 體,一方面降低成本

10、，另一方面可減少不可靠環(huán)節(jié) 提高長期穩(wěn)定性以上幾點是一般性原則，具體設(shè)計應(yīng)結(jié)合光纖 數(shù)值孔徑、光纖芯徑、器件體積、成本等情況具體考 慮3中等數(shù)值孔徑光纖耦合光學(xué)系統(tǒng)中等數(shù)值孔徑光纖是指N. A.在0122 0138過幾何光學(xué)分析，光線在錐形側(cè)面上連續(xù)反射n次后與光纖軸向的夾角 H為：H= 90°-?n = H+ n S(1)式中 H為光線和光纖軸的初始夾角；S為光錐錐頂 角.光線經(jīng)錐頂端面折射后與光纖軸向的夾角?n為n1?n = arcsin sin (H+ n S(2)錐形側(cè)面光纖的有效數(shù)值孔徑NA eff為n 1NA eff = sin?n = sin (H+ n S(3)no從

11、以上分析可知，當(dāng)光線由錐頂一方入射時，原 先超出光纖數(shù)值孔徑角的大角度光線(對應(yīng)于多模光纖的高次模)，經(jīng)光纖錐形側(cè)面多次反射后，光線 與光纖軸向的夾角逐漸減小，當(dāng)減小到光纖的數(shù)值 孔徑角以內(nèi)時，原來的高次漏模就變成為導(dǎo)模，錐形側(cè)面光纖起到一種模式變換器的作用，具有增大光纖有效數(shù)值孔徑，壓縮光線發(fā)散角，提高耦合效率的 特性.圖3是和LD耦合實測得到的耦合效率在xyzAll rights reserved.范圍內(nèi)的光纖，對于這類光纖的耦合，我們設(shè)計出一 種球頂錐形側(cè)面的耦合光學(xué)結(jié)構(gòu)，球頂曲面用來對 光束慢軸方向進行準(zhǔn)直，錐形側(cè)面用來對光束快軸 發(fā)散進行壓縮.考慮圖2所示一段錐形側(cè)面光纖，通圖2光線

12、在錐形側(cè)面光纖中的傳播F IG. 2 L ightwave P ropagati on in W edge2 Shaped F iber? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.，Ltd.1574半導(dǎo)體學(xué)報22卷1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1574半導(dǎo)體學(xué)報22卷三維方向上的變化曲線，可以看出，耦合效率對快軸 方向的位置偏差最為敏感，對光纖軸向的位置偏差最不敏感，對慢軸方向的位置偏差敏感程度居中，當(dāng)三個方向上耦合效率下降50%時，對

13、應(yīng)的位置偏差分別為75 24和300 4n.-15Q-100-W050 LOT 1W圖4抽樣測試光纖耦合效率分布FIG 4 Statistical D istribu tion of Cou 2 p ling Efficiency1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1574半導(dǎo)體學(xué)報22卷4超低數(shù)值孔徑光纖耦合光學(xué)系統(tǒng)1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1574半導(dǎo)體學(xué)報22卷K)和4

14、020SO602D0-50-30 -W W 3050帖i 一 I.I .一. 1一. . I.0 100 200 30Q 400 500 tiOO XK)圖3(a)光纖耦合輸出在x方向的變化；(b)光纖耦合輸出在y方向的變化；(c)光纖耦合輸出在z方向的變化FIG 3(a) Fiber 2Coup led Output vs ?< (b) Fiber 2Coup led O u tpu t vs ?y; (c) F iber 2Doup led O utpu t vs ?z圖4是隨機抽取60個耦合光纖樣本的耦合效 率統(tǒng)計分布圖.最大耦合效率為92%,最小耦合效率為81%,平均耦合效率為8

15、8%.我們用這種耦合技術(shù)研制成功兩臺光纖數(shù)值孔徑為0122,輸出功率大于15W的大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊.超低數(shù)值孔徑光纖是指N. A.小于0122的光纖,我們根據(jù)要求研究了數(shù)值孔徑低達0111的光纖耦合.由于這種光纖的接受角很小，僅為11°,因此耦合極為困難，用前面提到的球頂錐形側(cè)面方法不 能得到高耦合效率，必須設(shè)計專用的耦合光學(xué)系統(tǒng) 圖5是我們設(shè)計的耦合光學(xué)系統(tǒng)示意圖.耦合系統(tǒng)引入了一個微透鏡(/Q_ ens),位于LD芯片前適當(dāng) 位置,并采用金屬化焊接工藝加以固定.微透鏡用來準(zhǔn)直快軸方向的發(fā)散光束，其后再對接耦合端面已 成球面的光纖，光纖同樣用金屬化焊接工藝加以固 疋LD

16、Chip 皿Hh 3圖5超低數(shù)值孔徑光纖耦合系統(tǒng)示意圖F IG 5 Coup ling Schem e fo r Super L ow N . A . F iber微透鏡的作用可以用圖6說明.圖6光線通過微透鏡的傳播F IG. 6 L ightwave Propagati on via AL ens1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1574半導(dǎo)體學(xué)報22卷1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reser

17、ved.1576半導(dǎo)體學(xué)報22卷2ab ±B= arccos由圖可見，光線由F點發(fā)出，經(jīng)圓柱形微透鏡 會聚后聚焦于F.假設(shè)光線的入射角為H微透鏡的半徑為r,微透鏡折射率為n,LD端面離微透鏡的距 離為L.由圖中所示幾何關(guān)系，并根據(jù)斯涅爾定理 容易得到以下各關(guān)系式? = H+ 2 B- 2 A(4)noA= arcsi n sin(H+ B(5)-n-a2b2-4(1+ b2)(a2-2(1 + b2)-(6) 式中 a=伽HL+), b= tanhr ，圖7是LD端面到微透鏡距離取不同值時，光線會聚角隨發(fā)散角變化的關(guān)系曲線圖7微透鏡的焦距特性F IG. 7 Focu sing Cha

18、racteristic of A2- ens由以上的分析計算可以得出以下結(jié)論：(1) 當(dāng)距離L較大時，微透鏡對較小發(fā)散角光 線的壓縮作用比較好，例如當(dāng)L為30An時,激光器 在土 22°發(fā)散角以內(nèi)的光線經(jīng)微透鏡耦合后發(fā)散角 可壓縮在土 1 °以內(nèi)；(2) 當(dāng)距離L較小時，微透鏡對較大發(fā)散角光 線的壓縮作用比較好，例如當(dāng)L為10An時,激光器 在土 54°發(fā)散角以內(nèi)的光線經(jīng)微透鏡耦合后發(fā)散角 可壓縮在土 6。以內(nèi)(對應(yīng)于NA = 0111的光纖);(3) 微透鏡用于半導(dǎo)體激光器和小數(shù)值孔徑光 纖耦合時，最佳耦合距離L應(yīng)取10 An左右；(4) 微透鏡的球面像差很嚴(yán)重

19、，但并不影響其在 光纖耦合中的應(yīng)用.我們用這種耦合技術(shù)研制成功了三臺出纖功率 為25 30W的大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊 樣機，光纖束數(shù)值孔徑為0111,平均耦合效率為75%.5耦合光學(xué)系統(tǒng)的高低溫可靠性實驗為了檢驗采用全金屬化耦合焊接工藝固定的耦 合光學(xué)系統(tǒng)的可靠性，我們對耦合好的尾纖輸出激 光器進行了高低溫實驗，在-20 20、60、70、80 C分別放置30m in,然后待溫度恢復(fù)到室溫后再測試輸 出光功率，測試結(jié)果見圖8從測試結(jié)果看，輸出光 功率無衰退跡象，證明了這種耦合光學(xué)系統(tǒng)的溫度 可靠性，適合于在我國南北方的極端氣候下使用.圖8高低溫可靠性實驗F IG 8 Temperatu

20、 re R eliab ility T esting6結(jié)論大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的耦合光學(xué) 系統(tǒng)設(shè)計需根據(jù)光纖數(shù)值孔徑 、光纖芯徑、激光器光 束發(fā)散情況、器件體積、耦合成品率、性價比等因素 綜合考慮.我們給出了一些一般性設(shè)計原則，實際情況需在滿足要求的前提下，盡量簡化耦合光學(xué)系統(tǒng)， 減少元件數(shù)量，并設(shè)法將數(shù)個元件集成為一體，以減 少不可靠環(huán)節(jié)，提高長期穩(wěn)定性.根據(jù)這一設(shè)計原 則,設(shè)計并實現(xiàn)了兩種不同的耦合光學(xué)系統(tǒng)，分別滿足數(shù)值孔徑為0111和0122的光纖耦合要求，其中 N. A.為0122的光纖耦合得到的平均耦合效率為 88% ,最大耦合效率為 92% ;NA為0111的光纖耦 合得

21、到的平均耦合效率為75%.在-2080 C的溫度范圍內(nèi)進行了高低溫可靠性實驗，結(jié)果表明無衰退跡象.我們用這兩種耦合光學(xué)系統(tǒng)研制成功了輸 出功率在15 30W的大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦 合模塊，并用于中國科學(xué)院物理研究所研制的LD泵浦全國態(tài)Nd：YVO4綠光激光器中，獲得了大于 5W的532 nm綠光輸出.參考文獻1 ZHENG Lia n2xi,XA0 Zhi2so, HAN Qin et al. ,H ighow er SQW L asers by M OCVD Grow th, Ch inese Journal of Semi2 con ductors, 1996, 17 (5): 392

22、 鄭聯(lián)喜,肖智博,韓勤,等, M OCVD生長大功率單量子阱激光器，半導(dǎo)體學(xué)報，1996, 17 (5): 392.2 FAN G Gao2zhan, X AO Jian2v ei et al. , 157W Q 2CW A l2 GaA s GaAs L inear L aser D iode A rrays , Ch inese Journal of Semiconducto rs, 2000, 21 (1): 102方高瞻,肖建偉,等,157W 準(zhǔn)連續(xù)A lGaA s GaAs激光二極管線列陣，半導(dǎo)體學(xué)報， 2000, 21 (1): 102,3 L U Xue2feng, HUAN G

23、 D e2xiu et al. , Study on Output 2Cou2 pli ng Structure U si ng in Sem ico nducto r L aser Amp lifier , Ch i2 nese Journal of Semiconducto rs, 1993, 14 (7): 423劉雪峰，黃 德修,等,一種半導(dǎo)體激光放大器輸出耦合方式的研究，半導(dǎo)體學(xué)報,1993, 14(7): 423.4 J. Q. Yao, Curre nt Developm e nt an d Outlook fo r LD Pumped Solid State L asers,

24、97'sSeminar on L eading Edge Develop2 m ent and Industrializati on Strategy of Information Op toelec2 tronics, 1997, 4260姚建銓，激光二極管泵浦的固體激光器 的發(fā)展現(xiàn)狀及展望，97年度信息光電子前沿發(fā)展與產(chǎn)業(yè)開發(fā) 對策研討會,1997, 4260 .5 T. L. Dai, Semiconducto r L aser D iodes Pumped Solide State L asers, Chengdu Sichuan U niversity Press, 1993

25、 戴特力,半 導(dǎo)體二極管泵浦固體激光器,成都四川大學(xué)出版社,1993.6 Takeshi Ozeki and B. S Kawasaki, Efficient Power Coup ling U sing T aper2Ended M ulti mode Op tical Fibers, Electron. L ett. , 1976, 12 (23): 607608.7 w. H. Cheng , C. SWang et al. , Highly Efficient Power Cou 2 pling Betw een GaA A s L asers and T apered2H emisp

26、herical 2 End M ulti mode Fibers, Appl. Opt , 1982, 21 (19): 3409 3410.8 Regis S Fan and R. B rian Hooker , Tapered Polym er Single 2M ode W aveguides for M ode T ransfo rmation, IEEE. Journal of L igh twave T echnology , 1999, 17(3): 4664741995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All righ

27、ts reserved.1576半導(dǎo)體學(xué)報22卷1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1576半導(dǎo)體學(xué)報22卷Two Practica l F iber Coupl ing Optical System s forH igh PowerF iber -CoupledLa ser D iodes M odule1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1576半導(dǎo)體學(xué)報22卷1995-2004

28、Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1576半導(dǎo)體學(xué)報22卷CHEN Shao2v u, HAN Q in, HU Chuan2xian and J IN Cai2zheng(N ational Research Center f or Op toelectronics Technology , Institu te of Sem icond uctors ,T he Ch inese A cad emy of Sciences, B eij ing 100083, Ch ina )Abstract : Tw

29、 o kinds of novel coup ling op tical system , special fo r fiber 2D coup ling , are presen ted and developed by con sider2 ing the astigm atism and far 2field in ten sity distribu tion characteristics of 808 nm high pow er GaA s GaA lA s quan tum w ell laser diode. The average coup ling efficiency f

30、o r fiber num erical apertu re of 0111 and 0122 is 75% and 88% respectively . The actual perfo rm ance of the coup ling op tical system is studied by m easu ring the coup ling efficiency statistical distribu tion, the coup ling deviati on and the temperatu re depending characteristics . T he two coup ling op tical system s are u sed successfu lly in the h igh pow er fiber 2coup led laser diodes modu lew ith fiber 2coup led ou tpu t pow er of 1530W and