高亮度大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊

劉力寧， 高 欣， 張曉磊， 張哲銘， 顧華欣， 徐雨萌， 喬忠良， 薄報(bào)學(xué)

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

近年來(lái)，光纖激光器在信息傳輸、金屬焊接、汽車(chē)制造等方面發(fā)展迅速。要獲得輸出功率較高的光纖激光器，需要保證其泵浦源出射亮度高，同時(shí)泵浦源模塊的輸出功率很大[1]。半導(dǎo)體激光器大功率、高亮度的特點(diǎn)在應(yīng)用時(shí)有著突出優(yōu)勢(shì)，所以對(duì)于提高耦合模塊的功率和亮度是十分重要的。半導(dǎo)體激光器本身也有很多優(yōu)點(diǎn)，如光電轉(zhuǎn)換效率高、散熱性好、體積小、工作時(shí)間長(zhǎng)、性能穩(wěn)定等，所以在工業(yè)加工方面的直接應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。LD芯片可以分為3種：?jiǎn)芜叞l(fā)射型、bar條型、疊陣型。相比于bar條型和疊陣型，單邊發(fā)射型半導(dǎo)體激光器有著單發(fā)光點(diǎn)輸出功率和亮度更高、結(jié)構(gòu)散熱更好、更緊湊等優(yōu)點(diǎn)。輸出時(shí)為了獲得更大的能量和更高的亮度，通常使用多個(gè)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行空間合束和偏振合束[2-4]。中國(guó)工程物理研究院于2016年使用16支每支功率16W的雙管半導(dǎo)體激光器成功耦合進(jìn)入105μm/NA0.15的光纖中，輸出功率達(dá)154W，亮度達(dá)25MW/cm2-str，耦合效率約為60.16%[5]。中物院利用階梯狀合束方法將5個(gè)激光器的出射光耦合進(jìn)105μm/NA0.2的光纖，輸出功率為21.8W，亮度為1.83MW/cm2-str[6]。2015年國(guó)內(nèi)第一臺(tái)輸出功率達(dá)5kW的高功率半導(dǎo)體激光系統(tǒng)由北京工業(yè)大學(xué)研制成功[7]。

鑒于單邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的優(yōu)良性能，本文應(yīng)用多支單偏振態(tài)單邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，通過(guò)空間階梯式疊加組合光束和偏振式合束的手段，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足產(chǎn)品化規(guī)格的光纖耦合模塊。通過(guò)機(jī)械軟件設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)，優(yōu)化模塊中的熱沉結(jié)構(gòu)，使用熱分析軟件分析整個(gè)耦合模塊溫度情況。獲得優(yōu)化后的新型熱沉結(jié)構(gòu)，使模塊溫度有效降低。從而為大功率、高亮度光纖耦合模塊產(chǎn)品提供結(jié)構(gòu)模型和數(shù)據(jù)支持。

2 光學(xué)設(shè)計(jì)

單邊發(fā)射型LD的整個(gè)外延層厚度約為4～5μm，P型電極位于外延層的上方，外延層下為N型電極。發(fā)光條寬一般在90～200μm之間，腔長(zhǎng)為1～4mm[8]。有源區(qū)比較薄，垂直有源區(qū)方向容易產(chǎn)生衍射效應(yīng)，通常將與p-n結(jié)互相垂直的方向定義為快軸，快軸方向光束發(fā)散嚴(yán)重，通常角度能夠達(dá)到15°～35°；定義慢軸為與p-n結(jié)方向一致，慢軸方向的光發(fā)散角度一般為6°～15°。圖1(a)為單邊發(fā)射激光器的模型，圖1(b)為單邊發(fā)射LD光束的長(zhǎng)距離輸出圖形，可以看出輸出光形為橢圓。

評(píng)價(jià)光束品質(zhì)好壞有很多種方法，光參數(shù)積(KBPP)是其中一種[9]。定義KBPP為光斑半徑與發(fā)散半角的乘積:

(1)

圖1 (a)單邊發(fā)射LD示意圖； (b) 遠(yuǎn)距離輸出光斑。

Fig.1(a) Laser diodes of the single-emitter.(b) Light spot of far field.

ω為光斑發(fā)散直徑，θ為光斑發(fā)散角。

(2)

KBPPf,s分別為激光二極管快慢軸的光參數(shù)積。

本文應(yīng)用16支單偏振模式、波長(zhǎng)為980nm、功率為12W的單邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器進(jìn)行設(shè)計(jì)，單邊發(fā)射LD發(fā)散角為30°(快軸)×8°(慢軸)，有源區(qū)面積為1μm(快軸)×90μm(慢軸)，腔長(zhǎng)為4000μm。由光參數(shù)積的定義得：

KBPPf=0.0005mm×263mrad=0.13mm·mrad,

(3)

KBPPs=0.045mm×70mrad =3.15mm·mrad,

(4)

由式(2)、(3)、(4)可知,所采用的激光模塊滿(mǎn)足耦合條件。可以看出快軸相比慢軸光束質(zhì)量為好，但快軸發(fā)出光有較大發(fā)散角，不利于光纖耦合，所以需要通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)準(zhǔn)直光束。壓縮快軸發(fā)散角時(shí)使用的快軸準(zhǔn)直透鏡(FAC)規(guī)格參數(shù)比較嚴(yán)格，且加工工藝難度大。快軸準(zhǔn)直透鏡(FAC)有球面鏡、柱面鏡、非球面鏡等多種，為了減小準(zhǔn)直時(shí)產(chǎn)生的像差，本文使用的是非球面橢圓柱面鏡，選用LIMO公司的FAC-300型快軸準(zhǔn)直透鏡，其焦距為0.3mm，非球面系數(shù)為-0.503。光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡后光發(fā)散角為1.67mrad。由于快軸準(zhǔn)直鏡裝調(diào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生±0.5mrad的指向誤差[10-12]，所以快軸發(fā)散角為2.67mrad。慢軸光束發(fā)散角較為理想，使用橢圓柱面鏡作為慢軸準(zhǔn)直鏡(SAC)既可以減少工藝成本，同時(shí)也可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其焦距為20mm，經(jīng)優(yōu)化后光束在慢軸方向的發(fā)散角為2.5mrad。通過(guò)準(zhǔn)直后，每個(gè)激光器快慢軸的光束質(zhì)量對(duì)比如表1所示。圖2(a)為ZEMAX模擬快慢軸準(zhǔn)直系統(tǒng)，圖2(b)為準(zhǔn)直后輸出遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖，圖3為準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光器發(fā)散角。

表1 準(zhǔn)直前后的單邊發(fā)射LD的光束參數(shù)對(duì)比

圖2 (a)ZEMAX模擬快慢軸準(zhǔn)直系統(tǒng)；(b)準(zhǔn)直后輸出遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖。

Fig.2 (a) Fast-slow axis collimation by ZEMAX. (b) Light spot after collimation.

圖3 (a)準(zhǔn)直后快軸發(fā)散角； (b)準(zhǔn)直后慢軸發(fā)散角。

Fig.3 (a) Fast axis divergence angle after collimation. (b) Slow axis divergence angle after collimation.

光束準(zhǔn)直后慢軸方向KBPPs為3.5 mm·mrad，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于快軸方向KBPPf的0.4 mm·mrad，所以需要通過(guò)合束方式增大快軸KBPPf值。由于光纖KBPP值限制和耦合輸出功率盡量大的要求，所以在快軸方向排列8支單偏振態(tài)半導(dǎo)體激光器，在慢軸方向只能排列1支。在快軸空間疊加合束時(shí)本文使用階梯結(jié)構(gòu)，并添加多片反射鏡來(lái)完成，由于快軸準(zhǔn)直后光斑直徑為0.3 mm，考慮實(shí)際機(jī)械加工誤差，確定臺(tái)階高度差為0.4 mm，相鄰激光器距離為7 mm。由于準(zhǔn)直后慢軸光束有5 mrad發(fā)散角，所以空間合束后第8支激光器和第1支激光器存在的光程差將導(dǎo)致最頂端光束沿慢軸方向增擴(kuò)0.2 mm，慢軸方向光斑尺寸最大為3 mm，慢軸KBPP值最大為3.75 mm·mrad，由公式(3)可知耦合條件依然可以得到滿(mǎn)足。通過(guò)偏振合束可以將兩束不同偏振態(tài)的光束進(jìn)行合束。將其中一組出射光通過(guò)1/2波片，光束偏振角度將轉(zhuǎn)變?chǔ)?2。兩組光通過(guò)偏振棱鏡實(shí)現(xiàn)P光可以透射，S光能夠反射，最終實(shí)現(xiàn)偏振合束。光束經(jīng)過(guò)偏振合束后光束質(zhì)量不變，但功率能夠增加一倍，實(shí)現(xiàn)了輸出大功率的目標(biāo)。表2是合束后光束參數(shù)對(duì)比。圖4(a)為光路合束結(jié)構(gòu)示意圖,圖4(b)為合束光斑及尺寸。

設(shè)計(jì)光纖耦合模塊時(shí)對(duì)光學(xué)聚焦系統(tǒng)要求嚴(yán)格，良好的聚焦系統(tǒng)是獲得模塊大功率的保證。由于光纖芯徑很小，所以聚焦時(shí)對(duì)光斑尺寸要求很高。合束后光斑形狀近似為矩形，通過(guò)聚焦系統(tǒng)后要求聚焦光斑最大距離(光斑對(duì)角線(xiàn)距離)小于光纖的直徑。同時(shí)聚焦光斑最大發(fā)散角要小于光纖接收入射光的入射角度。聚焦透鏡焦距應(yīng)滿(mǎn)足公式(5)：

表2 空間合束前后的光束參數(shù)對(duì)比

圖4 (a)合束后光路結(jié)構(gòu)圖；(b)合束后光斑圖。

Fig.4 (a) Optical design structure after the unit of spatial multiplexing after the spatial combination. (b) Light spot from the unit of spatial multiplexing after the spatial combination.

(5)

F為聚焦透鏡組焦距；ω為光斑半尺寸；θ為光束發(fā)散角；D為芯徑；KNA為數(shù)值孔徑。

由幾何光學(xué)可知聚焦時(shí)如果產(chǎn)生像差，聚焦光斑會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理想聚焦光斑。 這樣則很難保證聚焦后光斑滿(mǎn)足耦合要求，會(huì)降低耦合效率。所以光束聚焦時(shí)必須進(jìn)行消像差，通常使用的聚焦系統(tǒng)包括垂直柱透鏡聚焦鏡組、三片式聚焦鏡組、非球面聚焦透鏡。本文模擬設(shè)計(jì)了非球面型聚焦鏡和三片式消像差聚焦鏡組，對(duì)比發(fā)現(xiàn)非球面聚焦鏡聚焦效果更為理想，所以選擇非球面聚焦透鏡進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。圖5(a)為非球面聚焦鏡聚焦光斑，圖5(b)為三片式聚焦鏡組聚焦光斑，圖5(c)為光纖輸出100 mm后的光斑圖。

圖5 (a)非球面聚焦鏡聚焦光斑；(b) 三片式聚焦鏡組聚焦光斑；(c)光纖輸出100 mm后的光斑圖。

Fig.5 (a) Light spot from aspherical focusing mirror. (b) Light spot from three-chip focusing mirror group. (c) Light spot of fiber output after 100 nm.

作為光纖激光器的泵浦源，半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的亮度也應(yīng)盡量提高。由公式(5)可知聚焦系統(tǒng)的焦距范圍為6.84 mm≤F≤18.77 mm。光纖具有均勻光效應(yīng)[13]，且聚焦后的光在光纖中進(jìn)行全反射，根據(jù)幾何光學(xué)可知全反射時(shí)出射角等于入射角，所以設(shè)計(jì)聚焦系統(tǒng)時(shí)應(yīng)使進(jìn)入光纖時(shí)光束的入射角盡量小。本文選擇非球面聚集透鏡焦距為18 mm、非球面系數(shù)為-0.546的長(zhǎng)焦距聚集透鏡，可以盡量壓縮入射角。聚焦后，光斑數(shù)值孔徑為0.08。聚焦后的耦合模塊輸出功率達(dá)到189.4 W，耦合模塊輸出功率效率值達(dá)到98.6%。由亮度公式:

(6)

計(jì)算得到耦合模塊亮度達(dá)到94.66 MW/cm2-str。

3 模塊熱分析

半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的散熱性能是否良好決定著模塊的使用壽命[14]。溫度升高會(huì)引起紅移、輸出功率效率降低等問(wèn)題。因此對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器耦合模塊封裝時(shí)要求盡量低熱阻封裝。本文應(yīng)用導(dǎo)熱性良好的Cu、AlN做熱沉，結(jié)合機(jī)械軟件設(shè)計(jì)階梯式熱沉模型。在不影響光路前提下優(yōu)化熱沉結(jié)構(gòu)，使耦合模塊散熱效果更好。優(yōu)化設(shè)計(jì)熱沉AlN距離Cu熱沉邊緣0.5 mm，優(yōu)化后在25 ℃恒溫環(huán)境下，單排模塊最高結(jié)溫為42.4 ℃，溫度比優(yōu)化前結(jié)構(gòu)降低1 ℃以上。模塊最高溫度與最低溫度差為1.2 ℃。圖7(a)為單排模塊熱沉結(jié)構(gòu)和熱分析結(jié)果，圖7(b)是整個(gè)耦合模塊的熱沉結(jié)構(gòu)和熱分析結(jié)果。

圖7 (a)單排模塊結(jié)構(gòu)熱分析結(jié)果；(b)整個(gè)模塊結(jié)構(gòu)熱分析結(jié)果。

Fig.7 (a)Thermal analysis results of single row module structure. (b) Thermal analysis results of the whole module structure.

4 結(jié) 論

本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求及可行性參數(shù)，設(shè)計(jì)大功率、高亮度LD光纖耦合模塊。用ZEMAX仿真優(yōu)化模塊光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)合理的準(zhǔn)直、合束以及聚焦系統(tǒng)。以16支單偏振態(tài)、波長(zhǎng)980 nm、功率12 W的激光器為基礎(chǔ)，通過(guò)階梯結(jié)構(gòu)結(jié)合多反射鏡設(shè)計(jì)出半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊。耦合進(jìn)直徑100 μm、數(shù)值孔徑NA為0.2的光纖中。最終實(shí)現(xiàn)模塊耦合輸出功率值達(dá)到189.4 W，耦合輸出功率效率值達(dá)到98.6%，輸出光源亮度值達(dá)到94.66 MW/cm2-str。通過(guò)機(jī)械軟件優(yōu)化得到新熱沉結(jié)構(gòu)，使用ANSYS軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度仿真，結(jié)果表明模塊結(jié)溫42.4 ℃，相比優(yōu)化前結(jié)構(gòu)溫度降低1 ℃以上，得到良好的散熱結(jié)構(gòu)模型。

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