高亮度大功率半导体激光器光纤耦合模块

刘力宁， 高 欣， 张晓磊， 张哲铭， 顾华欣， 徐雨萌， 乔忠良， 薄报学

(长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室， 吉林 长春 130022)

1 引 言

近年来，光纤激光器在信息传输、金属焊接、汽车制造等方面发展迅速。要获得输出功率较高的光纤激光器，需要保证其泵浦源出射亮度高，同时泵浦源模块的输出功率很大[1]。半导体激光器大功率、高亮度的特点在应用时有着突出优势，所以对于提高耦合模块的功率和亮度是十分重要的。半导体激光器本身也有很多优点，如光电转换效率高、散热性好、体积小、工作时间长、性能稳定等，所以在工业加工方面的直接应用也越来越广泛。LD芯片可以分为3种：单边发射型、bar条型、叠阵型。相比于bar条型和叠阵型，单边发射型半导体激光器有着单发光点输出功率和亮度更高、结构散热更好、更紧凑等优点。输出时为了获得更大的能量和更高的亮度，通常使用多个半导体激光器进行空间合束和偏振合束[2-4]。中国工程物理研究院于2016年使用16支每支功率16W的双管半导体激光器成功耦合进入105μm/NA0.15的光纤中，输出功率达154W，亮度达25MW/cm2-str，耦合效率约为60.16%[5]。中物院利用阶梯状合束方法将5个激光器的出射光耦合进105μm/NA0.2的光纤，输出功率为21.8W，亮度为1.83MW/cm2-str[6]。2015年国内第一台输出功率达5kW的高功率半导体激光系统由北京工业大学研制成功[7]。

鉴于单边发射半导体激光器的优良性能，本文应用多支单偏振态单边发射半导体激光器，通过空间阶梯式叠加组合光束和偏振式合束的手段，设计满足产品化规格的光纤耦合模块。通过机械软件设计对应光学系统的模块结构，优化模块中的热沉结构，使用热分析软件分析整个耦合模块温度情况。获得优化后的新型热沉结构，使模块温度有效降低。从而为大功率、高亮度光纤耦合模块产品提供结构模型和数据支持。

2 光学设计

单边发射型LD的整个外延层厚度约为4～5μm，P型电极位于外延层的上方，外延层下为N型电极。发光条宽一般在90～200μm之间，腔长为1～4mm[8]。有源区比较薄，垂直有源区方向容易产生衍射效应，通常将与p-n结互相垂直的方向定义为快轴，快轴方向光束发散严重，通常角度能够达到15°～35°；定义慢轴为与p-n结方向一致，慢轴方向的光发散角度一般为6°～15°。图1(a)为单边发射激光器的模型，图1(b)为单边发射LD光束的长距离输出图形，可以看出输出光形为椭圆。

评价光束品质好坏有很多种方法，光参数积(KBPP)是其中一种[9]。定义KBPP为光斑半径与发散半角的乘积:

(1)

图1 (a)单边发射LD示意图； (b) 远距离输出光斑。

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

ω为光斑发散直径，θ为光斑发散角。

(2)

KBPPf,s分别为激光二极管快慢轴的光参数积。

本文应用16支单偏振模式、波长为980nm、功率为12W的单边发射半导体激光器进行设计，单边发射LD发散角为30°(快轴)×8°(慢轴)，有源区面积为1μm(快轴)×90μm(慢轴)，腔长为4000μm。由光参数积的定义得：

KBPPf=0.0005mm×263mrad=0.13mm·mrad,

(3)

KBPPs=0.045mm×70mrad =3.15mm·mrad,

(4)

由式(2)、(3)、(4)可知,所采用的激光模块满足耦合条件。可以看出快轴相比慢轴光束质量为好，但快轴发出光有较大发散角，不利于光纤耦合，所以需要通过光学设计准直光束。压缩快轴发散角时使用的快轴准直透镜(FAC)规格参数比较严格，且加工工艺难度大。快轴准直透镜(FAC)有球面镜、柱面镜、非球面镜等多种，为了减小准直时产生的像差，本文使用的是非球面椭圆柱面镜，选用LIMO公司的FAC-300型快轴准直透镜，其焦距为0.3mm，非球面系数为-0.503。光束经过准直透镜后光发散角为1.67mrad。由于快轴准直镜装调时会产生±0.5mrad的指向误差[10-12]，所以快轴发散角为2.67mrad。慢轴光束发散角较为理想，使用椭圆柱面镜作为慢轴准直镜(SAC)既可以减少工艺成本，同时也可以达到设计要求，其焦距为20mm，经优化后光束在慢轴方向的发散角为2.5mrad。通过准直后，每个激光器快慢轴的光束质量对比如表1所示。图2(a)为ZEMAX模拟快慢轴准直系统，图2(b)为准直后输出远场光斑图，图3为准直半导体激光器发散角。

表1 准直前后的单边发射LD的光束参数对比

图2 (a)ZEMAX模拟快慢轴准直系统；(b)准直后输出远场光斑图。

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

图3 (a)准直后快轴发散角； (b)准直后慢轴发散角。

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

光束准直后慢轴方向KBPPs为3.5 mm·mrad，远远大于快轴方向KBPPf的0.4 mm·mrad，所以需要通过合束方式增大快轴KBPPf值。由于光纤KBPP值限制和耦合输出功率尽量大的要求，所以在快轴方向排列8支单偏振态半导体激光器，在慢轴方向只能排列1支。在快轴空间叠加合束时本文使用阶梯结构，并添加多片反射镜来完成，由于快轴准直后光斑直径为0.3 mm，考虑实际机械加工误差，确定台阶高度差为0.4 mm，相邻激光器距离为7 mm。由于准直后慢轴光束有5 mrad发散角，所以空间合束后第8支激光器和第1支激光器存在的光程差将导致最顶端光束沿慢轴方向增扩0.2 mm，慢轴方向光斑尺寸最大为3 mm，慢轴KBPP值最大为3.75 mm·mrad，由公式(3)可知耦合条件依然可以得到满足。通过偏振合束可以将两束不同偏振态的光束进行合束。将其中一组出射光通过1/2波片，光束偏振角度将转变π/2。两组光通过偏振棱镜实现P光可以透射，S光能够反射，最终实现偏振合束。光束经过偏振合束后光束质量不变，但功率能够增加一倍，实现了输出大功率的目标。表2是合束后光束参数对比。图4(a)为光路合束结构示意图,图4(b)为合束光斑及尺寸。

设计光纤耦合模块时对光学聚焦系统要求严格，良好的聚焦系统是获得模块大功率的保证。由于光纤芯径很小，所以聚焦时对光斑尺寸要求很高。合束后光斑形状近似为矩形，通过聚焦系统后要求聚焦光斑最大距离(光斑对角线距离)小于光纤的直径。同时聚焦光斑最大发散角要小于光纤接收入射光的入射角度。聚焦透镜焦距应满足公式(5)：

表2 空间合束前后的光束参数对比

图4 (a)合束后光路结构图；(b)合束后光斑图。

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为聚焦透镜组焦距；ω为光斑半尺寸；θ为光束发散角；D为芯径；KNA为数值孔径。

由几何光学可知聚焦时如果产生像差，聚焦光斑会远远大于理想聚焦光斑。 这样则很难保证聚焦后光斑满足耦合要求，会降低耦合效率。所以光束聚焦时必须进行消像差，通常使用的聚焦系统包括垂直柱透镜聚焦镜组、三片式聚焦镜组、非球面聚焦透镜。本文模拟设计了非球面型聚焦镜和三片式消像差聚焦镜组，对比发现非球面聚焦镜聚焦效果更为理想，所以选择非球面聚焦透镜进行模拟设计。图5(a)为非球面聚焦镜聚焦光斑，图5(b)为三片式聚焦镜组聚焦光斑，图5(c)为光纤输出100 mm后的光斑图。

图5 (a)非球面聚焦镜聚焦光斑；(b) 三片式聚焦镜组聚焦光斑；(c)光纤输出100 mm后的光斑图。

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.

作为光纤激光器的泵浦源，半导体激光器光纤耦合模块的亮度也应尽量提高。由公式(5)可知聚焦系统的焦距范围为6.84 mm≤F≤18.77 mm。光纤具有均匀光效应[13]，且聚焦后的光在光纤中进行全反射，根据几何光学可知全反射时出射角等于入射角，所以设计聚焦系统时应使进入光纤时光束的入射角尽量小。本文选择非球面聚集透镜焦距为18 mm、非球面系数为-0.546的长焦距聚集透镜，可以尽量压缩入射角。聚焦后，光斑数值孔径为0.08。聚焦后的耦合模块输出功率达到189.4 W，耦合模块输出功率效率值达到98.6%。由亮度公式:

(6)

计算得到耦合模块亮度达到94.66 MW/cm2-str。

3 模块热分析

半导体激光器光纤耦合模块的散热性能是否良好决定着模块的使用寿命[14]。温度升高会引起红移、输出功率效率降低等问题。因此对大功率半导体激光器耦合模块封装时要求尽量低热阻封装。本文应用导热性良好的Cu、AlN做热沉，结合机械软件设计阶梯式热沉模型。在不影响光路前提下优化热沉结构，使耦合模块散热效果更好。优化设计热沉AlN距离Cu热沉边缘0.5 mm，优化后在25 ℃恒温环境下，单排模块最高结温为42.4 ℃，温度比优化前结构降低1 ℃以上。模块最高温度与最低温度差为1.2 ℃。图7(a)为单排模块热沉结构和热分析结果，图7(b)是整个耦合模块的热沉结构和热分析结果。

图7 (a)单排模块结构热分析结果；(b)整个模块结构热分析结果。

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

4 结 论

本文结合实际生产要求及可行性参数，设计大功率、高亮度LD光纤耦合模块。用ZEMAX仿真优化模块光学系统，设计合理的准直、合束以及聚焦系统。以16支单偏振态、波长980 nm、功率12 W的激光器为基础，通过阶梯结构结合多反射镜设计出半导体激光器光纤耦合模块。耦合进直径100 μm、数值孔径NA为0.2的光纤中。最终实现模块耦合输出功率值达到189.4 W，耦合输出功率效率值达到98.6%，输出光源亮度值达到94.66 MW/cm2-str。通过机械软件优化得到新热沉结构，使用ANSYS软件对整体结构进行温度仿真，结果表明模块结温42.4 ℃，相比优化前结构温度降低1 ℃以上，得到良好的散热结构模型。

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