三波長(zhǎng)合束單管激光器光纖耦合模塊設(shè)計(jì)

劉翠翠，王 鑫，井紅旗，吳 霞，王翠鸞，馬驍宇*

(1.中國(guó)科學(xué)院 半導(dǎo)體研究所，北京 100083； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

隨著科技的發(fā)展，光電子產(chǎn)業(yè)已融入到醫(yī)療美容、電子通訊、工業(yè)加工及國(guó)防安全等各個(gè)領(lǐng)域，成為當(dāng)今社會(huì)必不可少的產(chǎn)業(yè)之一。同時(shí)，光纖激光器及全固態(tài)激光器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)其泵浦器件即半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的數(shù)量與性能的要求也在不斷上升[1-4]。

近年來(lái)各國(guó)均不斷取得單管半導(dǎo)體激光器(簡(jiǎn)稱(chēng)“單管”)光纖耦合工藝上的突破。德國(guó)Fraunhofer實(shí)驗(yàn)室2009年首先提出以階梯反射鏡法實(shí)現(xiàn)空間合束，經(jīng)芯徑105 μm的光纖可出射光功率60 W[5]。2016年，凱普林公司應(yīng)用體布拉格光柵鎖模技術(shù)制備的偏振合束模塊經(jīng)100 μm的光纖輸出100 W光功率，耦合效率90%[6]。2013年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所以半導(dǎo)體激光器陣列為研究對(duì)象開(kāi)展了500 W三波長(zhǎng)合束光纖耦合模塊的設(shè)計(jì)工作[7]，其結(jié)果顯示，波長(zhǎng)合束技術(shù)可大大減小模塊體積，并成倍增大光功率密度。

在半導(dǎo)體激光器世界中，相比于激光器bars條與激光器陣列，單管半導(dǎo)體激光器憑借其無(wú)“smile 效應(yīng)”、電光轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，具有良好應(yīng)用前景，也逐漸成為高功率、高亮度、多波長(zhǎng)光束輸出的光纖激光器泵浦激光源模塊的重要的基本單元。

但綜合國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，對(duì)單管光纖耦合模塊的研究仍以空間合束、偏振合束技術(shù)為主，對(duì)多單管波長(zhǎng)合束模塊的研究仍鮮有耳聞。因此本課題利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件、Solidworks工程設(shè)計(jì)軟件、ANSYS熱分析軟件等設(shè)計(jì)并分析了一種含3種波長(zhǎng)、30支單管激光器的光纖耦合模塊。通過(guò)分析光纖夾角對(duì)耦合效率的影響以及模塊的散熱特性可知，本模塊在小傾角變化范圍內(nèi)耦合效率較穩(wěn)定，且散熱良好，可行性較高，因此本模擬設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有重要的指導(dǎo)意義。

2 單管激光器的特性

單管半導(dǎo)體激光器存在一定優(yōu)勢(shì)，但是也存在一定的缺點(diǎn)。其發(fā)光區(qū)快軸方向(即垂直于PN結(jié)方向)尺寸較小、慢軸方向(即平行于PN 結(jié)方向)尺寸較大的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其快軸方向易達(dá)到衍射極限，一般快軸遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角達(dá)20°～60°，慢軸遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角僅6°～15°，因此光束空間分布不對(duì)稱(chēng)，光束呈高度發(fā)散狀態(tài)[8]。為解決以上問(wèn)題，可采用光束整形的方法，減小發(fā)散角和光斑尺寸進(jìn)而提高耦合效率[9]。

為了評(píng)價(jià)光束質(zhì)量，引入光參量積(BPP,beam parameter product)，其值為光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散半角θ與束腰半徑R的乘積，即KBPP=θ×R。KBPP越大，光束質(zhì)量越差。光纖光參數(shù)積KBPPf為：

(1)

其中Dfiber為光纖芯徑，θf(wàn)iber為光纖端面最大接收半角。本模擬所用的光纖芯徑為105 μm，數(shù)值孔徑(NA)為0.22，光參數(shù)積為11.55 mm·mrad。

3 ZEMAX仿真模擬

如圖1所示，光纖端面呈圓形，整形后的光束在光纖端面處呈近似矩形的光斑。實(shí)現(xiàn)高效率光纖耦合的條件如下：

(2)

(3)

θlaser<θf(wàn)iber，

(4)

其中，KBPP1為整形后光參數(shù)積，Dlaser為聚焦后光斑尺寸，θlaser為聚焦后遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散半角。公式(2)表示光束光參數(shù)積需小于光纖光參數(shù)積，公式(3)表示光斑尺寸需小于光纖端面最大內(nèi)接正方形的邊長(zhǎng)，公式(4)表示聚焦后光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角需小于光纖端面最大接收角。滿足以上條件才可得到高耦合效率。

圖1 光纖耦合示意圖。(a)光纖耦合模擬圖；(b)光纖耦合入射端面的理論模型。滿足該端面表現(xiàn)的理論模型所限制的光纖耦合條件才可得到高效率的光纖耦合。
Fig.1 Schematic diagram of fiber coupling.(a) Over-all structure of fiber coupling from one side.(b) Theoretical model about fiber coupling on the light incoming end face of the fiber.Only if the conditions are met can we get the highest coupling efficiency.

結(jié)合空間合束與波長(zhǎng)合束，可在纖芯直徑不變的情況下，提高光纖輸出的光功率，增大光功率密度。圖2為本設(shè)計(jì)的模擬光路圖。本模型中單管波長(zhǎng)分別為808 nm/915 nm/975 nm，功率為12 W，發(fā)光尺寸為 1.5 μm×100 μm，初始遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為50°×12.2°。由于975 nm單管衍射極限大于808 nm、915 nm單管，且3種單管特性類(lèi)似，以下計(jì)算以975 nm單管為標(biāo)準(zhǔn)，可同時(shí)滿足其他單管的參數(shù)要求。

圖2 ZEMAX設(shè)計(jì)軟件所得三波長(zhǎng)、多單管半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)合束光纖耦合模塊的光路圖。
Fig.2 Optical structure of the three wavelengths,multiple single emitter semiconductor LDs fiber-coupled module designed by ZEMAX including optical elements and LDs (LD,diode laser).

光束整形前后的參數(shù)利用關(guān)系式(5)、(6)得到：

(5)

(6)

其中，f為光束整形透鏡的焦距，R0、R1分別為光束整形前后的束腰半徑，θ0、θ1分別為光束整形前后的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散半角。使用快軸光束整形透鏡(FAC)、慢軸光束整形透鏡(SAC)對(duì)光束快慢軸分別進(jìn)行整形，整形前后的光功率密度及光發(fā)散角見(jiàn)圖3，光參數(shù)積見(jiàn)表1。整形后快、慢軸發(fā)散半角分別降至0.21°和0.29°，光功率密度量級(jí)由102W/cm2-stras增至106W/cm2-stras。

圖3 快慢軸方向光束整形前(a)、后(b)的光發(fā)散角及光功率密度示意圖。
Fig.3 Divergence angle and power density of the chip before collimation(a) and after collimation(b) by FAC and SAC

表1光束整形前后的理論光參數(shù)積
Tab.1 Beam parameters of single semiconductor laser diode before and after collimation

R/mmθ/mradKBPP/(mm·mrad)快軸整形前0．00075436．30．330快軸整形后0．093263．7350．348慢軸整形前0．05106．55．523慢軸整形后1．344．0005．360

依據(jù)式(2)、(3)、(4)，聚焦后的光參數(shù)積需小于8.167 mm·mrad，尺寸需小于74.2 μm，光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散半角需要小于0.22 rad。式(7)、(8)限定了聚焦透鏡有效焦距的范圍：

(7)

(8)

其中，θf(wàn)ast為整形后快軸遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散半角，θslow為整形后慢軸遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散半角，Rfast為整形后快軸光束束腰半徑，Rslow為整形后慢軸光束束腰半徑，θlaser為聚焦后遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散半角。經(jīng)計(jì)算，該聚焦透鏡的有效焦距需大于3.05 mm，小于6.78 mm。

圖4 模塊波長(zhǎng)合束后聚焦前光斑(a)及聚焦后光斑(b)Fig.4 Light spot including 30 spots from LDs before focus (a) and after focus by focus lens (b) after wavelength multiplexing

經(jīng)ZEMAX模擬得到快軸整形透鏡為有效焦距為200 μm、材料為S-TIH53的非球面平-凸柱透鏡；慢軸整形透鏡為有效焦距為12.5 mm、材料為BK7的平-凸柱透鏡；聚焦透鏡為有效焦距為5 mm、材料為K2的凹-凸透鏡。結(jié)合圖1及式(2)、(3)可知，在快軸方向最多可疊加10個(gè)光束，如圖4(a)所示。聚焦后的光斑長(zhǎng)軸長(zhǎng)約70 μm，故芯徑105 μm的光纖最合適。整形后同種波長(zhǎng)的光通過(guò)階梯反射鏡形成一束空間合束光，其快軸光參數(shù)積為:

Kfast=2 mm×3.735 mrad=7.47 mm·mrad，

(9)

慢軸方向光參數(shù)積不變，滿足公式 (2)、(3)、(4)要求的光纖耦合條件。

利用ZEMAX的Detector Rect功能測(cè)得光纖輸出功率達(dá)357.91 W，光纖耦合效率為99.42%。由式(10)算得光纖輸出光功率密度平均值B為27.24 MW/cm2-stras。

(10)

其中，P為光纖輸出功率。經(jīng)ZEMAX追跡探測(cè)，本模塊在光束整形、激光合束、聚焦、耦合 4個(gè)步驟的能量損耗分別為0.56，0.02，0.28，1.23 W，占總功率的0.156%、0.006%、0.078%、0.333%。這是由于各透鏡表面均鍍有增透膜，反射鏡表面鍍有增反膜，各個(gè)環(huán)節(jié)能量損耗非常小。但考慮制作成本及技術(shù)難度，實(shí)際使用的透鏡的透射率及反射鏡的反射率一般不會(huì)達(dá)到最優(yōu)，這也是實(shí)驗(yàn)與模擬中效率存在差異的主要原因。

4 光纖夾角對(duì)耦合效率的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于指向性誤差的存在，難以實(shí)現(xiàn)光纖端面法線與光束之間的絕對(duì)平行，而是存在一定夾角(簡(jiǎn)稱(chēng)“夾角”)，耦合效率對(duì)此非常敏感。若本設(shè)計(jì)在一定傾角范圍內(nèi)能維持光纖耦合效率穩(wěn)定，則說(shuō)明該設(shè)計(jì)可行性較高。

圖5 由ZEMAX軟件測(cè)得在X方向(平行于光路方向)(a)及Y方向(垂直于光路方向)(b)光纖輸出功率與光纖和光束之間的夾角的關(guān)系
Fig.5 Relationship between output power and angle between fiber and light beam in the plane of the light path fromX-axis direction (a) and perpendicular to the fiber fromY-axis direction (b)

令光路所在平面上的夾角為x夾角，垂直于光纖的平面上的夾角為y夾角，在光纖出光面設(shè)置Detector Rect，并與該端面平行。如圖5所示，光纖輸出功率隨夾角的變大而逐漸減小，且該模塊的光纖輸出功率在夾角小角度變化范圍內(nèi)下降緩慢。分析認(rèn)為雖然聚焦后不同波長(zhǎng)的發(fā)散角不同，焦點(diǎn)無(wú)法完全重合，但在光纖芯莖及最大接收角選擇合適的情況下，輕微的夾角對(duì)該模塊的影響較小，故耦合效率得以保證；隨著夾角變大，小于光纖端面最大接收角的光線變少，在光纖端面發(fā)生反射的光線增多，故光纖耦合效率降低。

5 模塊散熱能力分析

光纖耦合模塊良好的散熱能力可提高其可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命。結(jié)合SolidWorks工程制圖軟件以及ANSYS模擬軟件對(duì)模塊進(jìn)行散熱分析，可進(jìn)一步確定其是否具備可行性。

設(shè)定單管激光器在13 A下發(fā)光功率為12 W，室內(nèi)溫度25 ℃，散熱熱沉溫度20 ℃。使用ANSYS軟件仿真得到模塊的發(fā)熱情況如圖6所示。模塊峰值溫度約為32.777 ℃，可見(jiàn)模塊溫升非常小，這是由于模擬時(shí)忽略芯片焊接中空洞對(duì)于散熱的影響，且階梯式過(guò)渡熱沉臺(tái)階的應(yīng)用不僅利于裝卸，也可形成良好的散熱通道。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)改進(jìn)焊料及焊接工藝、低溫循環(huán)水保持散熱熱沉恒定低溫等方法提高模塊散熱能力。

圖6 ANSYS模擬分析所得模塊散熱情況的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result of heat-dissipation capability about this module by ANSYS

6 結(jié) 論

本文基于ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)了一種將808 nm/915 nm/975 nm 三種波長(zhǎng)、輸出功率為12 W的30支單管激光器，經(jīng)過(guò)光束整形、空間合束、波長(zhǎng)合束，最終耦合進(jìn)數(shù)值孔徑為0.22、芯徑為105 μm的光纖的模塊。模擬結(jié)果為光纖輸出功率357.91 W，光功率密度27.24 MW/cm2-stras，光纖耦合效率99.42%。在耦合夾角小角度變化范圍內(nèi)，耦合效率下降較小。同時(shí)，模塊有良好的散熱通道，優(yōu)異的散熱性能保證了其較高的實(shí)用性。綜上所述，本模塊符合高功率、高亮度、多波長(zhǎng)光纖耦合模塊的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)要求，且對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定指導(dǎo)意義。

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劉翠翠(1993-)，女，河北滄州人，碩士研究生，2015年于河北工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事大功率半導(dǎo)體激光器的研究。

E-mail:sissiliu@semi.ac.cn

馬驍宇(1963-)，男，吉林延吉人，博士生導(dǎo)師，1987年于吉林大學(xué)獲得碩士學(xué)位,主要從事材料生長(zhǎng)、大功率激光二極管列陣及其組件的研究。

E-mail:maxy@semi.ac.cn