三波长合束单管激光器光纤耦合模块设计

刘翠翠，王 鑫，井红旗，吴 霞，王翠鸾，马骁宇*

(1.中国科学院 半导体研究所，北京 100083； 2.中国科学院大学，北京 100049)

1 引 言

随着科技的发展，光电子产业已融入到医疗美容、电子通讯、工业加工及国防安全等各个领域，成为当今社会必不可少的产业之一。同时，光纤激光器及全固态激光器产业的发展对其泵浦器件即半导体激光器光纤耦合模块的数量与性能的要求也在不断上升[1-4]。

近年来各国均不断取得单管半导体激光器(简称“单管”)光纤耦合工艺上的突破。德国Fraunhofer实验室2009年首先提出以阶梯反射镜法实现空间合束，经芯径105 μm的光纤可出射光功率60 W[5]。2016年，凯普林公司应用体布拉格光栅锁模技术制备的偏振合束模块经100 μm的光纤输出100 W光功率，耦合效率90%[6]。2013年，中国科学院长春光机所以半导体激光器阵列为研究对象开展了500 W三波长合束光纤耦合模块的设计工作[7]，其结果显示，波长合束技术可大大减小模块体积，并成倍增大光功率密度。

在半导体激光器世界中，相比于激光器bars条与激光器阵列，单管半导体激光器凭借其无“smile 效应”、电光转换效率高、寿命长、体积小等优点，具有良好应用前景，也逐渐成为高功率、高亮度、多波长光束输出的光纤激光器泵浦激光源模块的重要的基本单元。

但综合国内外的研究进展，对单管光纤耦合模块的研究仍以空间合束、偏振合束技术为主，对多单管波长合束模块的研究仍鲜有耳闻。因此本课题利用ZEMAX光学设计软件、Solidworks工程设计软件、ANSYS热分析软件等设计并分析了一种含3种波长、30支单管激光器的光纤耦合模块。通过分析光纤夹角对耦合效率的影响以及模块的散热特性可知，本模块在小倾角变化范围内耦合效率较稳定，且散热良好，可行性较高，因此本模拟设计对实际实验验证具有重要的指导意义。

2 单管激光器的特性

单管半导体激光器存在一定优势，但是也存在一定的缺点。其发光区快轴方向(即垂直于PN结方向)尺寸较小、慢轴方向(即平行于PN 结方向)尺寸较大的结构导致其快轴方向易达到衍射极限，一般快轴远场发散角达20°～60°，慢轴远场发散角仅6°～15°，因此光束空间分布不对称，光束呈高度发散状态[8]。为解决以上问题，可采用光束整形的方法，减小发散角和光斑尺寸进而提高耦合效率[9]。

为了评价光束质量，引入光参量积(BPP,beam parameter product)，其值为光束远场发散半角θ与束腰半径R的乘积，即KBPP=θ×R。KBPP越大，光束质量越差。光纤光参数积KBPPf为：

(1)

其中Dfiber为光纤芯径，θfiber为光纤端面最大接收半角。本模拟所用的光纤芯径为105 μm，数值孔径(NA)为0.22，光参数积为11.55 mm·mrad。

3 ZEMAX仿真模拟

如图1所示，光纤端面呈圆形，整形后的光束在光纤端面处呈近似矩形的光斑。实现高效率光纤耦合的条件如下：

(2)

(3)

θlaser<θfiber，

(4)

其中，KBPP1为整形后光参数积，Dlaser为聚焦后光斑尺寸，θlaser为聚焦后远场发散半角。公式(2)表示光束光参数积需小于光纤光参数积，公式(3)表示光斑尺寸需小于光纤端面最大内接正方形的边长，公式(4)表示聚焦后光束远场发散角需小于光纤端面最大接收角。满足以上条件才可得到高耦合效率。

图1 光纤耦合示意图。(a)光纤耦合模拟图；(b)光纤耦合入射端面的理论模型。满足该端面表现的理论模型所限制的光纤耦合条件才可得到高效率的光纤耦合。
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.

结合空间合束与波长合束，可在纤芯直径不变的情况下，提高光纤输出的光功率，增大光功率密度。图2为本设计的模拟光路图。本模型中单管波长分别为808 nm/915 nm/975 nm，功率为12 W，发光尺寸为 1.5 μm×100 μm，初始远场发散角为50°×12.2°。由于975 nm单管衍射极限大于808 nm、915 nm单管，且3种单管特性类似，以下计算以975 nm单管为标准，可同时满足其他单管的参数要求。

图2 ZEMAX设计软件所得三波长、多单管半导体激光器波长合束光纤耦合模块的光路图。
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).

光束整形前后的参数利用关系式(5)、(6)得到：

(5)

(6)

其中，f为光束整形透镜的焦距，R0、R1分别为光束整形前后的束腰半径，θ0、θ1分别为光束整形前后的远场发散半角。使用快轴光束整形透镜(FAC)、慢轴光束整形透镜(SAC)对光束快慢轴分别进行整形，整形前后的光功率密度及光发散角见图3，光参数积见表1。整形后快、慢轴发散半角分别降至0.21°和0.29°，光功率密度量级由102W/cm2-stras增至106W/cm2-stras。

图3 快慢轴方向光束整形前(a)、后(b)的光发散角及光功率密度示意图。
Fig.3 Divergence angle and power density of the chip before collimation(a) and after collimation(b) by FAC and SAC

表1光束整形前后的理论光参数积
Tab.1 Beam parameters of single semiconductor laser diode before and after collimation

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

依据式(2)、(3)、(4)，聚焦后的光参数积需小于8.167 mm·mrad，尺寸需小于74.2 μm，光束远场发散半角需要小于0.22 rad。式(7)、(8)限定了聚焦透镜有效焦距的范围：

(7)

(8)

其中，θfast为整形后快轴远场发散半角，θslow为整形后慢轴远场发散半角，Rfast为整形后快轴光束束腰半径，Rslow为整形后慢轴光束束腰半径，θlaser为聚焦后远场发散半角。经计算，该聚焦透镜的有效焦距需大于3.05 mm，小于6.78 mm。

图4 模块波长合束后聚焦前光斑(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

经ZEMAX模拟得到快轴整形透镜为有效焦距为200 μm、材料为S-TIH53的非球面平-凸柱透镜；慢轴整形透镜为有效焦距为12.5 mm、材料为BK7的平-凸柱透镜；聚焦透镜为有效焦距为5 mm、材料为K2的凹-凸透镜。结合图1及式(2)、(3)可知，在快轴方向最多可叠加10个光束，如图4(a)所示。聚焦后的光斑长轴长约70 μm，故芯径105 μm的光纤最合适。整形后同种波长的光通过阶梯反射镜形成一束空间合束光，其快轴光参数积为:

Kfast=2 mm×3.735 mrad=7.47 mm·mrad，

(9)

慢轴方向光参数积不变，满足公式 (2)、(3)、(4)要求的光纤耦合条件。

利用ZEMAX的Detector Rect功能测得光纤输出功率达357.91 W，光纤耦合效率为99.42%。由式(10)算得光纤输出光功率密度平均值B为27.24 MW/cm2-stras。

(10)

其中，P为光纤输出功率。经ZEMAX追迹探测，本模块在光束整形、激光合束、聚焦、耦合 4个步骤的能量损耗分别为0.56，0.02，0.28，1.23 W，占总功率的0.156%、0.006%、0.078%、0.333%。这是由于各透镜表面均镀有增透膜，反射镜表面镀有增反膜，各个环节能量损耗非常小。但考虑制作成本及技术难度，实际使用的透镜的透射率及反射镜的反射率一般不会达到最优，这也是实验与模拟中效率存在差异的主要原因。

4 光纤夹角对耦合效率的影响

在实际生产中，由于指向性误差的存在，难以实现光纤端面法线与光束之间的绝对平行，而是存在一定夹角(简称“夹角”)，耦合效率对此非常敏感。若本设计在一定倾角范围内能维持光纤耦合效率稳定，则说明该设计可行性较高。

图5 由ZEMAX软件测得在X方向(平行于光路方向)(a)及Y方向(垂直于光路方向)(b)光纤输出功率与光纤和光束之间的夹角的关系
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夹角为x夹角，垂直于光纤的平面上的夹角为y夹角，在光纤出光面设置Detector Rect，并与该端面平行。如图5所示，光纤输出功率随夹角的变大而逐渐减小，且该模块的光纤输出功率在夹角小角度变化范围内下降缓慢。分析认为虽然聚焦后不同波长的发散角不同，焦点无法完全重合，但在光纤芯茎及最大接收角选择合适的情况下，轻微的夹角对该模块的影响较小，故耦合效率得以保证；随着夹角变大，小于光纤端面最大接收角的光线变少，在光纤端面发生反射的光线增多，故光纤耦合效率降低。

5 模块散热能力分析

光纤耦合模块良好的散热能力可提高其可靠性，延长其使用寿命。结合SolidWorks工程制图软件以及ANSYS模拟软件对模块进行散热分析，可进一步确定其是否具备可行性。

设定单管激光器在13 A下发光功率为12 W，室内温度25 ℃，散热热沉温度20 ℃。使用ANSYS软件仿真得到模块的发热情况如图6所示。模块峰值温度约为32.777 ℃，可见模块温升非常小，这是由于模拟时忽略芯片焊接中空洞对于散热的影响，且阶梯式过渡热沉台阶的应用不仅利于装卸，也可形成良好的散热通道。在实际应用中，可通过改进焊料及焊接工艺、低温循环水保持散热热沉恒定低温等方法提高模块散热能力。

图6 ANSYS模拟分析所得模块散热情况的仿真结果Fig.6 Simulation result of heat-dissipation capability about this module by ANSYS

6 结 论

本文基于ZEMAX光学设计软件，设计了一种将808 nm/915 nm/975 nm 三种波长、输出功率为12 W的30支单管激光器，经过光束整形、空间合束、波长合束，最终耦合进数值孔径为0.22、芯径为105 μm的光纤的模块。模拟结果为光纤输出功率357.91 W，光功率密度27.24 MW/cm2-stras，光纤耦合效率99.42%。在耦合夹角小角度变化范围内，耦合效率下降较小。同时，模块有良好的散热通道，优异的散热性能保证了其较高的实用性。综上所述，本模块符合高功率、高亮度、多波长光纤耦合模块的设计及生产要求，且对实际生产具有一定指导意义。

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刘翠翠(1993-)，女，河北沧州人，硕士研究生，2015年于河北工业大学获得学士学位，主要从事大功率半导体激光器的研究。

E-mail:sissiliu@semi.ac.cn

马骁宇(1963-)，男，吉林延吉人，博士生导师，1987年于吉林大学获得硕士学位,主要从事材料生长、大功率激光二极管列阵及其组件的研究。

E-mail:maxy@semi.ac.cn