一種半導(dǎo)體激光器多模光纖耦合技術(shù)

金阿立 周斌 喬顯金 周樹陽 楊發(fā)倫

摘? ?要：用于激光夜視監(jiān)控系統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束通常是橢圓高斯光束。為了克服其高階模的不均勻性、大垂直發(fā)散角等問題，需要利用光纖耦合技術(shù)對激光光束進行整形和光斑均勻化處理，以便于工程應(yīng)用。在分析光纖耦合技術(shù)原理及耦合損耗的基礎(chǔ)上，對半導(dǎo)體激光器與多模光纖耦合問題進行討論，給出可行的耦合工藝方法，實現(xiàn)了光斑的均勻化輸出。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器? 光纖耦合? 整形? 光斑均勻化

中圖分類號：TN248;TN25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0099-03

半導(dǎo)體激光器可用于激光夜視監(jiān)控系統(tǒng)等中遠(yuǎn)距離照明場合，為了克服其高階模不均勻性、大垂直發(fā)散角等問題，需要進行光纖耦合。其目的是將激光光束低損耗地耦合到系統(tǒng)中，通過壓縮光束發(fā)散角或光束束腰半徑實現(xiàn)光束整形，以改善遠(yuǎn)場對稱性和光斑形狀，便于工程應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器與光纖耦合技術(shù)一直是近年來的重要研究方向，產(chǎn)生了如單模光纖耦合、單管多模光纖耦合、列陣大功率光纖耦合等耦合系統(tǒng)。其中，國外多模光纖耦合可從芯徑100μm得到30W以上功率。國內(nèi)半導(dǎo)體激光器芯片的制作工藝還存在一定差距，比如出光面尺寸較大，發(fā)散角內(nèi)光功率占比比較低等。本文根據(jù)照明激光光源整形和均勻化要求，采用多模光纖耦合技術(shù)，對半導(dǎo)體激光器輸出光斑進行耦合處理，以實現(xiàn)中等輸出功率和中等距離的激光照明效果。

1? 半導(dǎo)體激光器光纖耦合原理

半導(dǎo)體激光器有源區(qū)截面的尺寸通常比較小，單模一般為0.15μm×（2～4）μm，多模為1μm×（100～200）μm，其遠(yuǎn)場為橢圓高斯光束，存在較大的發(fā)散角，特別是在垂直于結(jié)平面上的光束，其發(fā)散角（）約為40°[3]。

在高斯近似條件下，可以將激光基模輸出的場分布寫為：

式中，Ψ0為場振幅Ψ0，ω0x為平行于結(jié)平面的光束束腰半徑，ω0v為垂直于結(jié)平面上光束束腰半徑。設(shè)在近軸條件下，耦合系統(tǒng)以ABCD傳輸矩陣表示，則經(jīng)過光纖耦合系統(tǒng)變換后，在輸出端面上的場分布為：

式中，

式中，為新振幅;k為傳播常數(shù);λ0為真空中的激光波長;Rx、Ry為等相位面曲;率半徑ωx，ωy為光斑半徑。

在近軸條件下得到的公式（2），需要針對大發(fā)散角高斯光束修正。對于單模光纖，當(dāng)其歸一化頻率V大于0.75時，導(dǎo)波本征模為：

式中，r為極坐標(biāo)，。

若已知單模光纖的ΨF和具體形式，可依據(jù)下式得到單模光纖耦合效率：

式中，Rj為系統(tǒng)第j個光學(xué)界面的總反射率。

對于多模光纖耦合問題，采用光線追跡法則更為簡便?？紤]到多模光纖芯徑遠(yuǎn)大于導(dǎo)波波長，采用光線追跡法討論該問題可保證足夠精度。將激光高斯光束分解為Nj根光線，經(jīng)耦合系統(tǒng)后，若進入光纖芯內(nèi)并形成穩(wěn)定傳輸模式的光線數(shù)量為Ni（入射角小于多模光纖數(shù)值孔徑），則耦合效率為：

2? 半導(dǎo)體激光器與多模光纖耦合

對于以多模形式為主的中等功率以上半導(dǎo)體激光器，通常采用與大芯徑的多模光纖耦合，才可獲得大功率輸出（從幾瓦到幾百瓦）[4]，十分適用于激光也是監(jiān)控系統(tǒng)的距離照明。

2.1 單管耦合原理及性能分析

要保證高效率光纖耦合，必須盡可能減小光束質(zhì)量損失，因此在耦合工藝上應(yīng)將光束整形為域光纖芯端面相似大小和形狀。但另一方面，激光光束特性在水平和垂直方向上并不對稱。在發(fā)散角較小的水平方向上，光束質(zhì)量較差，光束特性介于高斯光束和幾何光束之間;在發(fā)散角較大的垂直方向上，光束質(zhì)量接近衍射基線，呈高斯分布。為簡化討論，我們采用幾何光學(xué)近似，將激光束視為由水平和垂直兩個方向上的兩個點光源發(fā)射，于是得到端面尺寸為1μm×（100～200）μm，如圖1所示。其中，水平方向上的點光源在半導(dǎo)體窗口后約2mm處，垂直方向上點光源緊貼于半導(dǎo)體窗口后（不大于2μm）。

由圖1可知，半導(dǎo)體激光器光束形狀極不對稱，垂直方向上發(fā)散角一般為40°（數(shù)值孔徑約為0.34），而通常光纖的數(shù)值孔徑為0.22，因此需要在該方向上進行準(zhǔn)直;水平方向上，對于中等功率以上半導(dǎo)體激光器，其發(fā)射窗口的條寬在200μm以上，而光纖芯徑一般小于200μm，因此需要在該方向上進行聚焦。

圖2給出了多模光纖耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。采用微型柱透鏡對垂直方向進行準(zhǔn)直，其尺寸為Φ200μm×720μm，鍍808nm增透膜，采用球透鏡或自聚焦透鏡進行聚焦。

對于圓柱或球透鏡，焦距為：

式中，n為透鏡折射率，r為光學(xué)面曲率半徑。

由式（9）可知，為提高聚焦能力，應(yīng)采用大折射率材料，如直徑為2mm的石英球透鏡，其焦距僅為1.1mm。

利用透鏡整形，針對不同光纖芯徑的激光照明實驗可得如圖3所示光斑圖樣。其中，400μm光纖芯徑經(jīng)透鏡整形，照明光斑十分不均勻，100μm光纖芯徑的照明光斑亮暗對比過于明顯，相對而言200μm光纖芯徑的效果最好。

為了耦合系統(tǒng)更為簡單實用，我們采用一種光纖頭特殊處理技術(shù)，即將平面光纖研磨成特殊形狀，從而省略了自聚焦透鏡，如圖4所示。

我們以5W單管半導(dǎo)體激光器為例，對上述四種錐角尺寸光纖頭進行了試驗，其結(jié)果如表1所示。

由表1可知，不同光纖芯徑可選擇不同耦合技術(shù)，如對于400μm光纖芯徑，采用平頭直接耦合方法，可得到94%的耦合效率，且生產(chǎn)成本基數(shù)低;對于100μm光纖芯徑，選擇錐球面直接耦合或錐球面+圓柱透鏡耦合，都可較平頭直接耦合或平頭+圓柱透鏡耦合提高1倍耦合效率，不過成本增加了3～4成。本文將采用平頭+圓柱透鏡工藝方法。

2.2 平頭光纖+圓柱透鏡工藝

平頭光纖+圓柱透鏡的耦合工藝，主要是采用柱透鏡進行光束快軸預(yù)準(zhǔn)直，如圖5所示，為柱透鏡光纖耦合示意圖。在實際應(yīng)用中，通常采用一根100μm光纖代替圓柱透鏡。其工藝過程大體分為三步。首先，將光纖的涂覆層剝離;其次，利用六維調(diào)整架對裸露光纖進行調(diào)整，實現(xiàn)光束預(yù)準(zhǔn)直;最后，粘貼到熱沉上。

通過預(yù)準(zhǔn)直，激光光束質(zhì)量可得到顯著提升，快軸發(fā)散角壓縮到3°～5°。預(yù)準(zhǔn)直后，利用光纖夾具將制備好的光纖一同安裝到六維調(diào)整架上。

3? 封裝、測試及老化實驗分析

封裝，是利用激光焊接、注膠、機械定位等方法，將半導(dǎo)體激光器與光纖安裝到銅制盒體內(nèi)，以便使用。盒體設(shè)計主要基于兩種考慮，散熱性和空間結(jié)構(gòu)。良好的散熱可保證系統(tǒng)正常運行，從而避免因盒體過熱燒壞系統(tǒng)，散熱上應(yīng)考慮激光管、光纖與熱沉之間的散熱性，一級熱沉與二級熱沉之間的散熱性，以及二級熱沉與盒體之間的散熱性;盒體空間設(shè)計上，應(yīng)合理安排各元器件的相對位置，以便節(jié)省空間，節(jié)約成本。圖6為自行設(shè)計的盒體樣本的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

光纖耦合系統(tǒng)完成封裝后，應(yīng)進行測試和老化試驗。實驗結(jié)果分別如圖7、圖8所示。其中圖7為光纖耦合后的輸出光斑圖樣，與圖3給出的三組光斑圖樣相比，該輸出光斑具有較好均勻化。圖8為光纖耦合前后的P-I特性曲線。

由P-I特性曲線可知，半導(dǎo)體激光器通過準(zhǔn)直后，其準(zhǔn)直效率為97%，耦合進入光纖的耦合效率達到87%以上。對于常用于紅外激光照明的單管半導(dǎo)體激光器，若其功率為1.5W～2W，經(jīng)測算可實現(xiàn)150～300m距離上的照明。

上述單管半導(dǎo)體激光器利用單根光纖耦合，可得到中等輸出功率（1.5～2W）的激光照明，實現(xiàn)中等距離的夜間監(jiān)視。若需大輸出功率激光照明，可采用多管疊加耦合的方法，以滿足數(shù)公里的遠(yuǎn)距離需求，例如3個疊加可得到5～6W輸出功率，19個疊加可得到30～40W輸出功率。但這種疊加存在的主要問題是體積較大，功率密度較低，得到的光束質(zhì)量一般。

4? 結(jié)語

為滿足激光夜視監(jiān)控系統(tǒng)的照明需求，本文利用光纖耦合原理實現(xiàn)了激光器的整形處理。在給出光纖耦合原理基礎(chǔ)上，從原理、工藝、測試等方面對半導(dǎo)體激光器與多模光纖耦合問題進行了研究。單管半導(dǎo)體激光器通過單根光纖耦合后可得到圓光斑，再通過光學(xué)系統(tǒng)可以實現(xiàn)發(fā)散角壓縮，獲得中等輸出功率和中等距離照明。針對大功率輸出和遠(yuǎn)距離照明，考慮采用列陣耦合得到多纖芯捆綁的大芯徑光纖輸出激光器，將另文討論。

參考文獻

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[3] 趙發(fā)英，張全.平端光纖與錐形球透鏡光纖的耦合[J]. 光子學(xué)報，2003，32（2）：218-220.

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