大功率半導體激光器光纖耦合技術調研報告

1、大功率半導體激光器光纖耦合技術調研報告丄、八1前言近年來，高功率光纖激光器因其優(yōu)良的性能日益受到人們的重視和青睞，被廣泛地應用于工業(yè)加工、空間光通信、醫(yī)療和軍事等各個方面，其迅速發(fā)展在很 大程度上得益于大功率高亮度半導體激光器技術的進步，大功率半導體激光光纖 耦合技術一直是高功率光纖激光器技術的一項關鍵核心技術。相反地，半導體激光器泵浦的高功率光纖激光器（DPFL）的發(fā)展也帶動了大功率半導體激光器技 術，尤其是大功率半導體激光光纖耦合技術的進步。由于單管半導體激光器（LD）的輸出功率受限于數瓦量級，遠不能滿足高 功率光纖激光器泵浦源的要求，要獲得更大輸出功率須采用具有多個發(fā)光單元的 激光二極管

2、陣列（LD Array）。按照結構形式的不同，激光二極管陣列分為線陣 列（LD Bar）和面陣列（LD Stack）,分別如圖1（a）和（b）所示，其中LD Bar的輸 出功率一般在數十瓦至百瓦量級，而 LD Stack的輸出功率一般在數百瓦乃至上 千瓦。無論是單管LD還是LD Array，由其固有結構特點決定了半導體激光器具 有光束發(fā)散角較大，輸出光束光斑不對稱，亮度不高等問題，給作為高功率光纖 激光器泵浦源的實際應用帶來很大困難和不便。一個較好的解決方法是將半導體激光耦合進光纖輸出，這樣既可以利用光纖的柔性傳輸， 增加使用的靈活性，又 可以從根本上改善半導體激光器的輸出光束質量。Fig.1

3、（ a） LD Bar 和（b） LD Stack大功率半導體激光器陣列光纖耦合技術作為一項高新技術，具有很高的技術含量，涉及半導體材料、纖維光學技術、微光學技術、微精細加工技術和耦合封 裝技術等關鍵單元技術。目前為止，大功率半導體激光器陣列光纖耦合技術主要 采用兩條技術路線：光纖束耦合法和微光學系統(tǒng)耦合法。下面將主要以LD Bar光纖耦合技術為例，就該兩種方法進行詳細闡述。2.大功率半導體激光器陣列光纖耦合技術2. 1光纖束耦合法光纖束耦合法（又稱光纖陣列耦合法）是早期使用的一種光纖耦合技術， 具有結構簡單明了、耦合效率高、各發(fā)光元的間隙不影響整體光束質量和成本低 等優(yōu)點。該方法通過微光學系

4、統(tǒng)將 LD Bar各個發(fā)光單元發(fā)出的光束在快軸方向 進行準直和壓縮后，與相同數目的光纖陣列一一對應耦合， 然后通過光纖合束在光纖束出射端進行集束輸出，示意圖如圖 2所示Fig.2 光纖束耦合法示意圖由于大功率半導體激光器陣列在平行于 PN結平面方向（慢軸方向）的發(fā)散角較小（一般為，相應的數值孔徑為0.050.11）,沒有超出輸出光纖的數值孔徑（通常為0.11或0.22）,因此不用對慢軸方向的發(fā)散角進行壓縮，只需 對激光器在垂直于PN結平面方向（快軸方向，發(fā)散角一般為 ，相應的數值孔徑為0.260.34）的輸出光束進行壓縮即可。圓柱形微透鏡對光束具有一 定的會聚作用，能夠把半導體激光器發(fā)出的光束

5、進行單方向會聚，利用圓柱形微透鏡可以實現快軸方向發(fā)散角的壓縮，盡管具有較大的光學象差，但是并不影響它在耦合中的應用。大功率LD Bar各個發(fā)光單元發(fā)出的光束經過圓柱形微透鏡 實現快軸方向的準直和壓縮后，一對一的耦合到光纖陣列中，然后將光纖陣列用 特殊的工藝進行合束處理，并裝配到 SMA905的標準接頭中。圖3為LD Bar光 纖陣列耦合系統(tǒng)示意圖。實用化產品中采用此方法的有中科院半導體所，美國 Cohere nt公司和SDL公司等，其中Cohere nt和SDL的產品的光纖束輸出端有時 會對接一根單芯光纖，這就要求有很好的對接光學系統(tǒng)。在這種光纖陣列耦合方 法中，光纖陣列需要精密排列固定，且排

6、列周期應和LD Bar的單元周期嚴格匹配。因此需要加工特殊設計的精密 V型槽或U型槽陣列，用以固定光纖陣列。Fig.3光纖陣列耦合系統(tǒng)示意圖光纖束耦合法雖然因具有結構簡單，成本低等優(yōu)點被廣泛應用于對亮度和功 率密度要求不高的實用化系統(tǒng)中，但是由于光纖束（包括對接光纖）直徑較大， 導致輸出激光的亮度和功率密度較低，并且也難以通過對該光束進行進一步整形 來提高光亮度。因此，該耦合技術不能很好的滿足半導體激光器泵浦源對高光能 量密度的要求，正逐漸被采用微光學透鏡陣列的光束整形耦合技術所取代。2. 2微光學系統(tǒng)整形耦合法微光學系統(tǒng)整形耦合法是通過微光學系統(tǒng) （微透鏡陣列、微棱鏡陣列、微柱 透鏡等）對L

7、D Bar輸出的光束進行準直、整形、變換和聚焦耦合進入單根光纖 中。圖4所示為微光學系統(tǒng)整形耦合法的原理方框圖。Fig.4微光學系統(tǒng)整形耦合法原理方框圖如前所述，LD Bar由于其結構的特殊性決定了快、慢軸方向光束的非對稱 性，因此輸出光束的準直需要在快、 慢軸方向上分別進行。因為發(fā)散角比較大且 為高斯光束，快軸的準直通常需利用具有大數值孔徑（一般NA>0.85）的非球面 微柱透鏡，既可以校正球差而又不至于增加過多的透鏡片數，如圖5所示。設計和制作該非球面微柱透鏡所需的參數主要有透鏡尺寸、數值孔徑（快軸方向）、焦距、材料和波長等。慢軸方向是由N個具有一定寬度和一定間隔的的線發(fā)光元構成的，

8、故通常采用球面微柱透鏡陣列將一個發(fā)光區(qū)與一個微柱透鏡對應準直。慢軸方向光束的理想準直度取決于LD Bar的結構，尤其是發(fā)光區(qū)的周期和發(fā)光區(qū)尺寸之比，即空間占空比的倒數，并且占空比越小，理想準直精度越高。 圖6（a）所示為用于慢軸準直的球面微柱透鏡。設計和制作該球面微柱透鏡陣列所 依據的參數主要有單個發(fā)光區(qū)尺寸、發(fā)光單元的周期、數值孔徑（慢軸方向）、發(fā)光單元的數目和波長等。在半導體激光微光學系統(tǒng)耦合技術領域一直處于領先 地位的德國LIMO公司，針對LD Bar的慢軸準直應用，專門設計了一種更先進 的微透鏡陣列（Telescope-ArrayS。該微透鏡陣列由兩個非球面微柱透鏡陣列組 成，可以更有

9、效地壓縮慢軸發(fā)散角，優(yōu)化獲得更高的激光亮度，并且可以將發(fā)光 單元線陣列轉化為一條均勻的線發(fā)光區(qū)，如圖 6（b）所示。Fig.5非球面微柱透鏡Fig.6（a）球面微柱透鏡陣列Fig.6(b) Telescope-Arrays 的兩種結構另一方面，LD Bar的輸出光束在快軸和慢軸方向的不對稱造成了光束質量 的不均衡，具體表現為兩個方向上的光參數積差別很大?？燧S方向的光束質量接近衍射極限，光參數積只有零點幾個 mm.mrad ;而慢軸方向的光束質量較差， 光參數積高達幾百 mm.mrad。這樣的光束是不可能通過傳統(tǒng)的成像光學系統(tǒng)聚 焦成對稱小光斑的，必須采用特殊的光學器件對光束進行整形， 以減小慢

10、軸方向 的光參數積，實現兩個方向光束質量的均衡。目前，國內外有文獻報導的光束整形方法主要有雙平面反射鏡法、階梯反射鏡法、多棱鏡陣列法、棱鏡組折反射法、微片棱鏡堆整形法和二維透射式閃耀光 柵陣列法等，但是這些整形方法或由于器件加工困難， 或由于裝調復雜等問題導 致耦合效率不高，還處于實驗室研究階段，離實用化和商業(yè)化還有一定距離。 作 為技術成熟度比較高的典型代表，德國LIMO公司的光纖耦合輸出型大功率半導 體激光器采用設計獨特的光束整形系統(tǒng)可以實現快慢軸光參數積的均衡，并將準直后的非對稱半導體激光光束無損耗地變換成對稱的圓形光束，以便于光纖耦 合。圖(7)所示即為該光束整形變換微光學系統(tǒng)的結構圖

11、。Fig.7 光束整形微光學系統(tǒng)結構圖該光束整形微光學系統(tǒng)包括三部分，分別是光參數積均衡器、二次準直柱透 鏡和聚焦柱透鏡對，依次如圖8(a)和(b)所示。Fig.8(a)光參數積均衡器(包含準直柱透鏡)(b)準直和聚焦柱透鏡組光參數積均衡器由傾斜的柱透鏡陣列組成，LD Bar輸出光經快慢軸準直后，每個發(fā)光單元一一對應通過光參數積均衡器中的柱透鏡，形成與發(fā)光單元數目相等且呈矩形分布的光斑，實現了快軸和慢軸方向光參數積的均衡。 但是經過 光參數積后的光束不再是準直光，而是在垂直方向上發(fā)散的矩形分布，需要利用 微柱透鏡進行二次準直，最后用一對柱透鏡分別在快軸和慢軸方向上進行聚焦， 形成對稱的便于光纖

12、耦合的圓形光斑。為了能達到最優(yōu)的耦合效果，設計制造這種應用于大功率 LD Bar光纖耦合 的光束整形變換微光學系統(tǒng)，所依據的參數主要有：發(fā)光單元尺寸、發(fā)光單元周 期、發(fā)光單元數目、快慢軸的發(fā)散角、LD Bar的微笑效應(smile-effect)和耦合光纖的纖芯直徑與數值孔徑等。特別需要說明的是，LIMO通過將快慢軸準直微柱透鏡、光束整形變換系統(tǒng)和聚焦微柱透鏡進行片上集成，構成一個整體，即所謂的HOC (Hybrid Optical Chip)。利用這種HOC，不僅可以對LD Bar輸出光進行 光纖耦合，也可以對單管LD和LD Stack輸出光進行光纖耦合。圖9所示為利 用HOC對不同類型的半導體激光器進行光束整形變換聚焦的示意圖。HOC光束整形變換聚焦示意圖0.02mrrOmm1,5mm利用微光學系統(tǒng)整形耦合法進行大功率半導體激光器的光纖耦合，可以將大功率半導體激光耦合進芯徑相對較小的單根光纖，容易實現高亮度和高功率密度 的激光輸出，非常適合于泵浦高功率光纖激光器。但是，由于對所用微透鏡及其 陣列的光學質量要求很高，制作和加工難度較大，導致成本較高。3.大功率半導體激光器光纖耦合產品概況目前，在商業(yè)化的大功率半導體激光器光纖耦合產品市場上，一直由國外的一些大公司占據著優(yōu)勢地位，如美國的 Cohere nt、SDL、Spectra-Pysics公司以及 德國的L