高亮度藍(lán)光半導(dǎo)體激光器光纖耦合技術(shù)

段程芮，趙鵬飛，王旭葆，林學(xué)春*

1 北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部激光工程研究院，北京 100124；

2 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所全固態(tài)光源實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

1 引 言

半導(dǎo)體激光器(LD)具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長和易于調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光纖通信、工業(yè)加工、醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測以及軍事國防等領(lǐng)域[1]，也是固體激光器和光纖放大器中不可或缺的泵浦光源[2-4]。其中藍(lán)光LD 因其波長短不僅在數(shù)據(jù)存儲、彩色顯示等方面獲得重要應(yīng)用[5-6]，在材料加工方面也具有巨大的潛力。銅基合金材料是工業(yè)領(lǐng)域常見的金屬材料，廣泛用于各種導(dǎo)電、制冷設(shè)備中，激光加工技術(shù)相對成熟，但因其在近紅外激光波段的吸收率低，導(dǎo)致激光加工效率低、質(zhì)量差，往往需要二次處理[7-8]。由于銅基合金材料對藍(lán)光吸收率是近紅外光的5～12 倍[9]，因此歐美等發(fā)達(dá)國家提出直接應(yīng)用藍(lán)光激光代替近紅外激光加工銅基合金材料，加工效率和質(zhì)量均可獲得大幅度的提升[10-11]。近年來藍(lán)光LD 的發(fā)展迅速，商用單發(fā)光點(diǎn)的功率提升到了5 W[12]，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到直接應(yīng)用的要求，因此必須采用光束合束技術(shù)來進(jìn)一步提高輸出功率。

藍(lán)光LD 輸出的光特性類似于近紅外LD，因此其合束可以套用成熟的近紅外半導(dǎo)體激光器的合束方法，常見為空間合束、偏振合束和波譜合束。空間合束不論光束如何排布最終需要合成為肩并肩的一維或者二維光束陣列，輸出功率隨合束單元的數(shù)量增加而線性增長，缺點(diǎn)是光束質(zhì)量隨合束單元的數(shù)量增加而變差[13-15]。后兩種方法則可保持光束質(zhì)量不變而提高輸出功率，偏振合束的缺點(diǎn)是功率僅能翻倍一次[16-17]，而波譜合束可將空間和偏振合束實(shí)現(xiàn)的不同波長的輸出通過二向色元件再次疊加，原則上(不考慮損耗)使用幾次輸出功率會翻幾倍[18-20]，因此，空間、偏振合束是光束合成的基本方法，應(yīng)用它們實(shí)現(xiàn)的亮度會決定激光系統(tǒng)最終的輸出亮度。在空間合束時，需要依據(jù)光束質(zhì)量與光纖參數(shù)的匹配條件來確定組合光束的空間排列，對LD 合束后的矩形光束而言，首先要滿足光斑對角線方向的光纖耦合條件，這會限制合束光在快軸和慢軸方向的尺寸，進(jìn)而導(dǎo)致聚焦進(jìn)入光纖時快慢軸方向的發(fā)散角不能填滿整個光纖的數(shù)值孔徑，角度填充系數(shù)不高于圓形光束光纖耦合時的64%[21-23]，不能充分利用光纖的數(shù)值孔徑。如能在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上提高矩形光束光纖耦合時的角度填充系數(shù)，必然可以進(jìn)一步增加LD 數(shù)量從而提升光纖輸出的功率和亮度[24]。目前代表光纖輸出藍(lán)光LD 合成的最高水平是美國的NUBURU 公司，對VBG 鎖波LD在空間和偏振合束的基礎(chǔ)上進(jìn)行波譜合束，實(shí)現(xiàn)了100 μm 光纖輸出1500 W 的藍(lán)光激光器[25-26]。國內(nèi)銳科、凱普林等也在官網(wǎng)上公布了500 W、400 μm 光纖輸出產(chǎn)品，但在亮度方面還遠(yuǎn)落后于國外，因此如何獲得高功率高亮度的藍(lán)光輸出，仍是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

本文通過對多發(fā)光單元合束及其光纖耦合進(jìn)行理論分析，獲得不必完全滿足光纖耦合條件的藍(lán)光LD快慢軸組合的最優(yōu)解，與滿足全部光纖耦合條件的一般情況比較，提高了合束光束聚焦進(jìn)入光纖時的角度填充系數(shù)，在耦合損耗增加量小于1%的條件下，光纖耦合輸出的功率和亮度提高了近三分之一。

2 激光的光束質(zhì)量和亮度

光束質(zhì)量是描述激光束空間特性的重要參量，在LD 光纖耦合時，采用光束參數(shù)積(beam parameter product，BPP)描述LD 的光束質(zhì)量更為方便[27]。BPP定義為光斑的束腰半徑與光束遠(yuǎn)場發(fā)散半角的乘積，其單位為毫米乘以毫弧度(mm?mrad)，如下所示：

其中：D 為光斑直徑，θ 為遠(yuǎn)場光束發(fā)散半角。激光光束在通過理想無像差光學(xué)系統(tǒng)時，BPP 值通常保持不變。且BPP 的值越小，表明光束質(zhì)量越好。

另一個反映激光光束空間特征的參數(shù)是亮度[28]，它也是激光加工過程中的一個重要指標(biāo)，定義為單位發(fā)光面積在單位立體角內(nèi)的發(fā)光功率，表達(dá)式：

其中：B 為激光光束的亮度，P 為激光光束的功率，ΔS為激光光束的發(fā)光面積，ΔΩ 為激光光束的發(fā)光立體角。亮度和BPP 之間的關(guān)系：

式(3)表明，亮度B 與光參數(shù)積BPP 成反比，激光光束的束寬和發(fā)散角越小，則BPP 值越小，光束質(zhì)量越好，亮度也越高。

3 Zemax 仿真模擬

3.1 藍(lán)光LD 輸出光束的特性

單管LD 輸出的光場分布是由PN 結(jié)平面波導(dǎo)特性決定的，PN 結(jié)在快軸方向(垂直于PN 結(jié))的厚度一般約1 μm，光束衍射明顯導(dǎo)致發(fā)散角較大(30°～60°)，在慢軸方向(平行于PN 結(jié))的厚度一般在15 μm～200 μm，光束衍射不明顯，發(fā)散角較小(10°～20°)[29]。表1列出了本文所用的藍(lán)光LD 管的主要參數(shù)。

表1 藍(lán)光LD 的主要參數(shù)Table 1 The main parameters of blue LDs

根據(jù)表1 和式(1)，藍(lán)光LD 在快軸方向的BPP 為0.196 mm·mrad，在慢軸方向的BPP 為1.833 mm·mrad。采用Zemax 可作出藍(lán)光LD 的遠(yuǎn)場發(fā)散特性，圖1(a)給出藍(lán)光LD 快慢軸的遠(yuǎn)場發(fā)散角，圖1(b)給出了距離LD 發(fā)光面1 mm 和100 mm 處的光斑。由圖1 可知，藍(lán)光LD 有很大的發(fā)散特性，在光纖耦合前需要對LD的快慢軸進(jìn)行準(zhǔn)直處理。

3.2 藍(lán)光LD 的快慢軸準(zhǔn)直

由圖1 可知，藍(lán)光LD 在快軸方向的發(fā)散角遠(yuǎn)大于慢軸方向，是典型的像散光束。為了提高LD 與光纖的耦合效率，需對快慢軸分別進(jìn)行準(zhǔn)直。考慮到TO封裝的LD 帶有出光窗口，其表面距離LD 發(fā)光面約1 mm，因此，F(xiàn)AC 的物方截距要大于1 mm，可在Zemax中設(shè)計(jì)有效焦距為1.65 mm 的非球面柱透鏡作為LD的快軸準(zhǔn)直鏡(FAC)，此時物方截距約1.2 mm。圖2為Zemax 序列模式下FAC 準(zhǔn)直藍(lán)光LD 快軸光束的光路圖。準(zhǔn)直后光斑半徑為0.75 mm，發(fā)散半角為0.043°對應(yīng)的光參數(shù)積為0.563 mm·mrad。

圖1 藍(lán)光LD 的遠(yuǎn)場輸出特性。(a) 快慢軸遠(yuǎn)場發(fā)散角；(b) 近遠(yuǎn)場光斑圖Fig.1 The far field output characteristics of blue LD.(a) The far field divergence angle of fast and slow axis;(b) The spot diagram of near and far field

圖2 快軸準(zhǔn)直光路圖Fig.2 The light path diagram of fast axis collimation

設(shè)計(jì)慢軸準(zhǔn)直透鏡(SAC)為一個有效焦距為16 mm 的非球面柱透鏡，圖3 為Zemax 序列模式下對LD慢軸進(jìn)行準(zhǔn)直的光路圖。SAC 準(zhǔn)直后慢軸方向的光斑半徑為2 mm，發(fā)散半角為0.06°，對應(yīng)的光參數(shù)積為2.09 mm·mrad。

圖3 慢軸準(zhǔn)直光路圖Fig.3 The light path diagram of slow axis collimation

在Zemax 序列模式下完成藍(lán)光LD 快慢軸準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)后，在非序列模式下進(jìn)行光線追跡，可獲得如圖4 所示的光斑圖。

3.3 受光纖耦合條件限制的LD 合束

芯徑直徑Dfiber=105 μm、數(shù)值孔徑NA=0.22 的光纖對應(yīng)的光參數(shù)積可以表示為

式中：Dfiber為光纖芯徑，NA 為光纖的數(shù)值孔徑，可以表示為

圖4 準(zhǔn)直后光斑圖Fig.4 The spot diagram after collimation

式中：θfmax為光纖的最大接收角，n0為空氣的折射率，n1為纖芯的折射率，n2為包層的折射率。因此，多個LD 光束合束后耦合進(jìn)光纖，需要滿足以下關(guān)系[30]：

1) 光斑的直徑不大于光纖的芯徑：

2) 光斑的發(fā)散角不大于光纖的最大接收角：

3) 快慢軸的光參數(shù)積均小于光纖的光參數(shù)積：

以上耦合條件表明，多個LD 光束合成后的快慢軸光參數(shù)積需相近，避免差別太大。

現(xiàn)將準(zhǔn)直前后快慢軸的光束參數(shù)整理如表2 所示。由表2 可知，藍(lán)光LD 在快慢軸準(zhǔn)直后的光參數(shù)積分別為0.563 mm?mrad 和2.09 mm?mrad，代入式(9)和(10)可以判斷耦合進(jìn)光纖的LD 數(shù)量。假設(shè)快軸方向上可以容納m 個LD，經(jīng)過空間合束后每個發(fā)光單元之間的間距約為0.4 mm，則快軸方向的光斑直徑為(1.9m?0.4) mm；慢軸方向上可以容納n 個LD 單管，空間合束后每個發(fā)光單元之間的間距約為0.5 mm，則慢軸方向的光斑直徑為(4.5n?0.5) mm。由此可以得出m 和n 滿足的關(guān)系式：

由以上兩式可以得出：m ≤11.67，n ≤3.58。因m、n 均為正整數(shù)，所以m 最大可取11，n 最大可取3，即快軸方向上最多可以排列11 個LD，慢軸方向上最多可以排列3 個LD。此結(jié)果僅滿足了光參數(shù)積的匹配條件式(8)～式(10)，如果同時考慮聚焦匹配條件(式(6)和式(7))，則m 和n 的數(shù)值還要進(jìn)一步減小，因?yàn)樯婕熬劢雇哥R焦距，將在3.4 節(jié)進(jìn)一步討論m 和n 的取值范圍。空間合束的原理如圖5 所示，反射鏡(mirror)的作用是減小光束之間的“暗區(qū)”，使光斑緊密排列提高光束質(zhì)量。為了進(jìn)一步地提高輸出功率而不改變光束質(zhì)量，可利用偏振合束將兩組不同偏振態(tài)的光束合成輸出。由于藍(lán)光LD 是P 偏振光，為得到兩組不同偏振態(tài)的光束，可利用λ/2 波片將光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，將P 偏振光變?yōu)镾 偏振光，再通過PBS(偏振合束器)實(shí)現(xiàn)偏振合束。在Zemax 軟件模擬中，可通過設(shè)置光源的偏振特性來代替λ/2 波片，偏振合束的原理如圖6 所示。

表2 準(zhǔn)直前后快慢軸的光束參數(shù)Table 2 The beam parameters of fast and slow axis before and after collimation

圖5 空間合束原理圖Fig.5 The schematic diagram of spatial beam combination

圖6 偏振合束原理圖Fig.6 The schematic diagram of polarization beam combination

3.4 光束聚焦及光纖耦合

偏振合束后的光束近似為一束矩形平行光，需要通過透鏡聚焦才能耦合進(jìn)入105 μm/0.22NA 的光纖。首先要確定聚焦透鏡的焦距，根據(jù)光纖耦合條件，聚焦后光斑的尺寸不大于光纖的芯徑，發(fā)散角不大于光纖的數(shù)值孔徑，可列出式(13)～式(16)：

由式(13) 可以確定透鏡焦距的上限：f ≤40.76 mm 。由式(14)～式(16)可知，f 越大聚焦后光斑的發(fā)散角越小。因此取f=40 mm，可以得出聚焦后的光斑直徑大小為103.03 μm，小于光纖的芯徑。

由式(14)和(15)可分別得出快慢軸方向可以容納的LD 數(shù)目的范圍為m ≤9.47，n ≤4 。結(jié)合3.3 節(jié)得到的 m ≤11.67，n ≤3.58，m 和n 可取m=9，n=3。該結(jié)果是根據(jù)式(9)、式(10)、式(14)和式(15)計(jì)算獲得的，滿足快軸和慢軸兩個方向的光纖耦合條件，但是并不滿足式(16)所代表的對角線耦合條件，如圖7(a)所示，圓面積表示在光纖數(shù)值孔徑范圍內(nèi)耦合透鏡上的光斑，矩形面積表示藍(lán)光LD 合束后在耦合透鏡上的光斑，此時光斑四個角在經(jīng)過透鏡聚焦進(jìn)入光纖時的角度大于光纖的數(shù)值孔徑。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)m=6，n=3 時，式(16)得到滿足，此時矩形光束和光纖數(shù)值孔徑二者的關(guān)系如圖7(b)所示，光斑剛好全部落入纖芯內(nèi)，聚焦光束對光纖數(shù)值孔徑的角度填充系數(shù)(定義為圖7 所示的矩形面積與圓面積的比值)為56.9%，此時耦合效率最高。因矩形光斑的4 個角所占的功率極小，故以損耗四個角的功率為代價，以提升光束進(jìn)入光纖的角度填充系數(shù)，進(jìn)一步提高輸出功率。因此在n=3的條件下，將m=6 時的耦合損耗作為參考值(即假設(shè)該點(diǎn)的損耗為0)，比較m=7，8，9 時的輸出功率和耦合損耗，來選擇最優(yōu)m 值，Zemax 軟件模擬結(jié)果如表3 所示。

圖7 角度填充系數(shù)與耦合條件關(guān)系圖。(a) 不滿足；(b) 滿足Fig.7 The relationship between angle filling factor and coupling condition.(a) Not satisfied;(b) Satisfied

由表3 可知，取m=6 時的耦合效率94.18%作為無損耗參考值，則m=7 的相對損耗為0.27%，m=8 的相對損耗為0.42%，m=9 的相對損耗為3.38%，在m=8到m=9 的損耗發(fā)生突變，增大近一個數(shù)量級。因此可選8×3 的快慢軸光束組合作為最優(yōu)解，此時光束聚焦進(jìn)入光纖的角度填充系數(shù)為76.5%，相比滿足全部光纖耦合條件的6×3 理想組合，耦合損耗增加0.42%，輸出功率提高32.7%。

表3 快軸單管數(shù)量變化時耦合輸出參數(shù)對比Table 3 The comparison of various parameters for the number of LDs in the fast axis

3.5 仿真結(jié)果與討論

根據(jù)以上計(jì)算設(shè)計(jì)光纖耦合藍(lán)光LD 模塊光路，如圖8 所示。

圖8 光纖耦合光路圖Fig.8 The optical path diagram of fiber coupling

空間合束后的光斑如圖9 所示，光斑尺寸為15 mm×13 mm，對應(yīng)的功率為76.179 W。為了提高輸出亮度采用偏振合束提升功率達(dá)到154.81 W。偏振合束后的光斑類似圖9，光斑尺寸仍為15 mm×13 mm。此時合束光快慢軸的光參數(shù)積為

經(jīng)過f=40 mm 的透鏡聚焦后的光斑如圖10 所示。聚焦后的光斑尺寸為103.03 μm，小于光纖芯徑，對應(yīng)的功率為154.3 W，光纖輸出的光斑圖如圖11 所示。

圖9 空間合束后光斑圖Fig.9 The spot diagrams after space beam combination

圖10 聚焦后光斑的大小Fig.10 The spot size after focusing

圖11 光纖光斑大小圖Fig.11 The spot size diagram of optical fiber

最終從芯徑105 μm、數(shù)值孔徑0.22 的光纖獲得144.7 W 的輸出功率，對應(yīng)的耦合效率 ηcou為

其中：Pfiber為光纖耦合輸出的功率，Pfoc為耦合透鏡聚焦到光纖端面的功率。該模塊總的光-光轉(zhuǎn)換效率ηopt-opt為

其中：Pfiber為光纖輸出的功率，Ptotal為48 只3.5 W 藍(lán)光LD 輸出的總功率。實(shí)際上，文獻(xiàn)[31-32]顯示，半導(dǎo)體激光器與光纖的總體耦合效率比理論計(jì)算值低，一般在70%～80%之間，究其原因，主要為光學(xué)鏡片的加工誤差、殘余球差、機(jī)械調(diào)整誤差所致。

光纖輸出藍(lán)光的亮度B 由式(3)可得：

其中：B 的單位為MW/(cm2?str)，D 為光纖芯徑，θ為光纖的接收角。

4 結(jié) 論

本文采用Zemax軟件設(shè)計(jì)了百微米光纖百瓦級輸出的高亮度藍(lán)光半導(dǎo)體激光器，給出已知光纖耦合參數(shù)計(jì)算藍(lán)光LD 快慢軸組合最大數(shù)量的方法，獲得不必完全滿足光纖耦合條件的藍(lán)光LD 快慢軸組合的最優(yōu)解，與滿足全部光纖耦合條件的一般情況比較，提高了合束光束聚焦進(jìn)入光纖時的角度填充系數(shù)。仿真結(jié)果顯示，在給定光纖(105 μm/0.22NA)條件下，8×3的LD 光束快慢軸最優(yōu)組合比6×3 的理想組合耦合損耗增加0.42%，輸出功率提高32.7%，最終獲得功率為144.7 W、亮度為11 MW/(cm2?str)的藍(lán)光輸出，對應(yīng)的耦合效率為93.78%，總光?光轉(zhuǎn)換效率為86.13%。本文方法可推廣到任意波長LD 的光纖耦合設(shè)計(jì)，與一般設(shè)計(jì)方法比較[33-35]，可在輕微增加耦合損耗的條件下進(jìn)一步提高輸出功率，為制作高亮度LD 光纖耦合模塊提供技術(shù)參考。