基于ZEMAX的多光束半導(dǎo)體激光器光纖耦合設(shè)計

劉暢，別光

（長春中國光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，長春　130117）

基于ZEMAX的多光束半導(dǎo)體激光器光纖耦合設(shè)計

劉暢，別光

（長春中國光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，長春130117）

基于ZEMAX模擬了一組多光束半導(dǎo)體激光器的光纖耦合模塊，采用14支波長為808nm的輸出功率為60W的線列陣激光二極管作為耦合光源，采用偏振技術(shù)實現(xiàn)多光路的合束，最終耦合進(jìn)入芯徑400μm，NA為0.22的光纖中，最終輸出功率超800W，耦合效率達(dá)97%，實現(xiàn)了高效耦合，并對光纖對接過程中的耦合效率進(jìn)行了分析。

ZEMAX；偏振合束；耦合效率；誤差分析

隨著“超晶格”概念的出現(xiàn)，低維物理理論以及MBE、MOCVD等外延新工藝技術(shù)的發(fā)展，量子阱結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器由此產(chǎn)生，這使得大輸出功率的半導(dǎo)體激光器開始了它的實用化之路，如在民用方面的光通信、激光存儲、激光打印機(jī)、激光測量、激光光譜以及泵浦光源等；在軍用方面的激光武器、激光制導(dǎo)、激光引信等［1-3］。

然而，半導(dǎo)體激光器本身存在著缺陷，由于其垂直于發(fā)射帶的快軸發(fā)光面通常只有1μm左右，很薄，而發(fā)散角卻可達(dá)到30°～60°；但是慢軸發(fā)光面卻較寬，在100μm左右，而光束發(fā)散角卻僅有8°～12°［4］。這就造成了它的輸出光束的不對稱化，影響光束質(zhì)量，難以直接耦合進(jìn)入具有理想芯徑的光纖中，這時就需要光纖耦合系統(tǒng)來改善光束質(zhì)量這一問題，使其符合耦合條件，耦合進(jìn)入光纖中。

本文使用ZEMAX仿真模擬了14支波長為808nm的輸出功率為60W的線列陣激光二極管（Laser Diode Bar）作為光源的光纖耦合系統(tǒng)，每個Bar的發(fā)散角為10°（慢軸方向）×36°（快軸方向），單個發(fā)光點的發(fā)光尺寸為100μm（慢軸方向）×1.4 μm（快軸方向），并最終得到了一個較高的耦合效率，并對光纖耦合系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析，為實際的器件封裝過程提供了基礎(chǔ)。

1　合束技術(shù)

實現(xiàn)輸出高功率、高亮度、高光束質(zhì)量的激光光束對于半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用十分重要，而提高功率及亮度最直接有效的方法就是對多束激光進(jìn)行合束。對于半導(dǎo)體激光器的合束技術(shù)主要有以下三種方法：空間合束、偏振合束、波長合束，這些合束技術(shù)都是非相干的合束方法［5］。

空間合束就是將半導(dǎo)體激光巴條在空間排列時產(chǎn)生的一些不發(fā)光區(qū)域通過某些方法填充上［6］。這種技術(shù)在提高輸出功率的同時會在一定程度上改變光束質(zhì)量，但是該技術(shù)是相對簡單的提高半導(dǎo)體激光器功率的方法，其工作原理如圖1所示。

圖1　空間合束示意圖

由于半導(dǎo)體激光器出射光束具有偏振態(tài)，故可以通過偏振耦合鏡將兩束激光合成一束。偏振合束就是將偏振態(tài)互相垂直的兩束光合成為一束的過程，通過偏振合束器時一束激光發(fā)生全反射，一束激光發(fā)生全透射，這個過程如同偏振分束棱鏡的逆運(yùn)用［7］。偏振合束可以在不改變光束質(zhì)量的前提下增加輸出功率，其過程如圖2所示。

當(dāng)要將兩個或兩個以上具有不同波長的半導(dǎo)體激光器射出的光束合成一束時，需要通過波長合束器來實現(xiàn)，這就是波長合束技術(shù)，其過程如圖3所示［8］。該方法也能在基本維持光束質(zhì)量的同時增加輸出功率。一般情況下，用各種色散元件作為波長合束器，可將具有N種波長的激光光束的亮度提高近N倍。波長合束技術(shù)的關(guān)鍵就在于合束膜的容納能力。

圖2　偏振合束示意圖

圖3　波長合束示意圖

本文使用的LD為單一波長，故選擇的合束方式為偏振合束，使一組光束發(fā)生全透射，另一組光束發(fā)生全反射，以此來提高總體的光束亮度。

2　光纖耦合系統(tǒng)的仿真模擬

LD的大發(fā)散角使光束準(zhǔn)直成為光纖耦合必須進(jìn)行的第一步。首先，由于快軸發(fā)散角很大，達(dá)到36°，若不先對其進(jìn)行準(zhǔn)直，將會造成極大的像散，本文采用D型柱面鏡對快軸進(jìn)行準(zhǔn)直。慢軸方向發(fā)散角雖然相對較小，但是由于慢軸方向發(fā)光尺寸較大，所以該方向上的BPP值較大，就必須對其進(jìn)行準(zhǔn)直，提高慢軸方向的光束質(zhì)量。慢軸準(zhǔn)直結(jié)果將影響能耦合進(jìn)入的光纖芯徑值，本文將采用微透鏡陣列分別對每一LD Bar進(jìn)行慢軸準(zhǔn)直。準(zhǔn)直后的參數(shù)如表1所示。

表1　準(zhǔn)直前后光束參數(shù)

圖4　偏振合束后的光斑圖

為達(dá)到高功率高亮度的目的，故不僅僅使用一組疊陣，需要將多路光束合成一束，利用半導(dǎo)體激光器本身的偏振性，采用了偏振合束技術(shù)來實現(xiàn)了多光路的合束，同時獲得大的功率輸出。偏振合束后的光斑如圖4所示。

偏振合束后的輸出功率達(dá)837.63W，達(dá)到了在增加功率的同時幾乎不改變光束質(zhì)量的目的。

圖5　聚焦示意圖

經(jīng)過合束的激光光束的尺寸仍然是大于光纖芯徑的，這時就需要聚焦模塊來進(jìn)行對光束的匯聚，使光束最終能耦合進(jìn)入目標(biāo)光纖中。聚焦過程示意圖如圖5所示，聚焦前后光束半高為h、h′，發(fā)散半角為θ、θ′，若要耦合進(jìn)入芯徑為400μm，則需要滿足如下條件：

可得出聚焦鏡的焦距范圍：

根據(jù)上述式子，可以算出聚焦鏡在快、慢軸方向上的焦距范圍不重合，這就不能直接使用具有同一焦距的聚焦鏡進(jìn)行耦合。故先對慢軸光束的發(fā)散角進(jìn)行調(diào)整，使其焦距有重合范圍，這就是聚焦過程，整個光纖耦合系統(tǒng)的光路示意圖如圖6所示。

圖6　光纖耦合系統(tǒng)示意圖

圖7為光纖端面處的激光束的光斑形狀，從圖中可以得出，整個光纖耦合系統(tǒng)的輸出功率為821.78W，光纖耦合效率達(dá)97.83%。

圖7　光纖端面光斑圖

3　耦合效率分析

在實際的裝調(diào)過程中，半導(dǎo)體激光器和光纖進(jìn)行對接時會產(chǎn)生垂軸誤差、軸向誤差和角向誤差，這些誤差都將造成耦合效率不同程度的降低。應(yīng)用ZEMAX軟件對這三個誤差進(jìn)行分析，分別得出垂軸誤差、軸向誤差和角向誤差對耦合效率的影響情況。

首先分析垂軸誤差，垂軸誤差就是對接時，由于兩光軸在垂直方向上為在同一水平線上造成的，其造成的影響如圖8所示；其次是軸向誤差，軸向誤差就是光纖未放置在最佳的耦合位置上，造成了耦合效率的下降，其耦合效率和偏移距離關(guān)系曲線圖如圖9所示；最后是角向誤差，角向誤差就是由于對接過程中，兩光軸之間出現(xiàn)了一定的夾角而造成的誤差。其耦合效率隨偏移量的下降情況如圖10所示。

從圖中可看出，要把耦合效率下降情況控制在3%以內(nèi)，就需要在半導(dǎo)體激光器和光纖進(jìn)行對接的過程中，把垂軸誤差控制在10μm以內(nèi)；軸向誤差控制在100μm以內(nèi)；軸向誤差在X方向上影響較大，應(yīng)控制在52mrad以內(nèi)。在光纖對接的裝調(diào)過程中，只有控制好裝調(diào)精度，那么對整個系統(tǒng)的影響將不會很大，但是裝調(diào)精度若是控制的不好，將影響整個光纖耦合系統(tǒng)的最終效果。

圖9　軸向誤差曲線圖

圖10　角向誤差曲線圖

4　總結(jié)

設(shè)計并模擬了基于ZEMAX的多光束光纖耦合系統(tǒng)，該系統(tǒng)有效的避免了復(fù)雜的光束整形過程，獲得了較高的光纖耦合效率，實現(xiàn)了超八百瓦的功率輸出，耦合進(jìn)入了d=400μm，NA=0.22的光纖中，并且耦合效率超過97%。并分析了光纖對接誤差對耦合效率的影響，為實現(xiàn)極高亮度半導(dǎo)體激光器的多光束光纖耦合系統(tǒng)提供理論依據(jù)以及技術(shù)支持。

［1］Wolf P，Kohler B，Rotter K，et al.High-power，high-brightness and low-weighet fiber coupled diode lasers exceeding 1.2 kW of output power［C］// Proc of SPIE.2011；79180E.

［2］ 周澤鵬，薄報學(xué)，高欣，等.基于ZEMAX高功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合設(shè)計［J］.發(fā)光學(xué)報，2013，34（9）：1208-1212.

［3］ 余俊宏，郭林輝，譚昊，等.半導(dǎo)體激光器波長穩(wěn)定系統(tǒng)的反饋效率［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2015，27（4）：041014.

［4］ Lu X W，Zhang Z F，Wang Y H，et al.Design of 980nm semiconductor laser diode arrays and optical fiber coupling system［C］.2012 International conference onoptoelectronicsandmicroelectronics（ICOM），2012，23-25（8）：119-122.

［5］Robin K Huang，Bien Chann，James Burgess，et al. Direct diode lasers with comparable beam quality to fiber，CO2，and solid state lasers［J］.Proc.of SPIE. 2012，8241：824102.

［6］ 郝明明.大功率半導(dǎo)體激光短陣列合束及光纖耦合技術(shù)的研究［D］.長春：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2012.

［7］StephanStrohrmaier，ChristophTillkon，Peter Olschowsky，et al.High-power，high-brightness direct-diode laser［J］.Optics&Photonics News，2010，21（10）：24-29.

［8］ Fu P，Zou Y G，Wang L，et al.Coupling characteristicoftaperedopticalfiberbasedonZEMAX ［C］.2012 International conference on optoelectronics and microelectronics（ICOM）.2012，23-25（8）：73-76.

［9］ M G daSilva，A M Bastos，C S Sobrinho.Analytical and numerical studies of the performance of a nonlinear directional fiber coupler with periodically modulated dispersion［J］.Optical Fiber Technology，2006，12：148-161.

Fiber Coupling Design of Multiple Beam Semiconductor Laser Based on ZEMAX

LIU Chang，BIE Guang
（Changchun China Optical Science and Technology Museum，Changchun 130117）

The paper simulate the actual situation of fiber coupling of multiple beam semiconductor based on ZEMAX，using fourteen pieces of mini-bar that its output power is 60W are arranged in two stack arrays as laser source by polarization multiplexing.The beam could be coupled into the fiber of 400μmcore diameter with 0.22 numerical aperture. The output power is more than 800W and the coupling efficiency is about 97%.It is analysed that the system coupling efficiency can be affected by alignment error of fiber and optical elements.

ZEMAX；polarization beam；coupling efficiency；error analysis

TN248

A

1672-9870（2015）05-0022-04

2015-07-10

劉暢（1986-），女，碩士，E-mail：liuchang306532@163.com