基于多波长合束技术的光纤耦合模块设计

刘力宁，高欣，张晓磊，徐雨萌，薄报学

（长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022）

单芯片半导体激光器有着体积小、使用寿命长、稳定性高等优点，但有着输出功率小且光束质量较差等缺点，所以在工业生产上直接应用受到限制。通过光束整形可以改善激光器光束质量，应用合束手段可以有效提高耦合模块的输出功率[1］。通常的合束方法有空间合束、偏振合束、波长合束。中国工程物理研究院于2016年实验室内获得16支功率16W的双管半导体激光器耦合进入105μm/NA0.15的光纤，获得154W功率输出，亮度为25MW/cm2-str，耦合效率约60.16%[2］。美国2015年Tera Diode公司成实现50μm小心径光纤输出功率达到2030W耦合模块[3］。北京工业大学激光工程研究院2015年实现国内第一台5000W输出功率光纤耦合系统[4］。本文应用多波长半导体激光器，通过空间合束和波长合束方法设计出高功率半导体激光器光纤耦合模块。通过机械软件和热分析软件优化分析热沉结构，最终得到大功率、高亮度输出且具有良好散热性能的耦合模块结构。

1 光学设计

光束参数乘积[5］Beam Parameter Product（BPP）是一种被广泛应用的评估光束品质好坏的办法。定义BPP为光斑半径（ω）与发散半角（θ）的乘积：

本文选用100μm/0.22的光纤进行设计即2ω=100μm，2θ=12.7°，所以 BPPFiber=11.11mm·mrad。经过光斑空间排布后光斑组合成矩形，并且保持远场输出不变形。由图1所示，光纤其内径和NA都为轴对称型，所以合束后输出光斑在经过聚焦系统后聚焦光斑的直径和发散角需要满足：

综上所述，聚焦前后快轴的BPPf和慢轴的BPPs需满足：

BPPf，s分别为激光二极管快慢轴的光参数积。

图1 光束参数积示意图

单芯片半导体激光器发光区域纵向（快轴）接近衍射极限，横向（慢轴）在90μm～200μm之间，腔长在1mm至4mm不等。激光器横向发光角度能够达到15°～35°，纵向的光束发散一般为6°～15°，光束质量较差。通常使用微光学透镜对其进行整形提高光束质量。本文选用3组输出功率为12W，波长分别为915nm、940nm、976nm的半导体激光器，其发散角为30°（快轴）×8°（慢轴），有源区面积为1μm（快轴）×90μm（慢轴），腔长4000μm。选用LIMO公司的FAC-300型快轴准直透镜[6，7］，其焦距EFLFAC=0.3mm，非球面系数-0.503，面型为椭圆，选用柱面镜作为慢轴准直镜，焦距EFLSAC=20mm。因为快轴准直镜装调会产生±0.5mrad的指向误差，所以设计时要计算在内。虽然使用不同波长的激光器，但由于不同波长光在透镜中折射率相近，所以以976nm激光器为例进行光束整形设计。表1为准直前后光束质量对比，图2（a）为光束准直结构图，（b）（c）分别为准直后输出远场光斑图。

表1 准直前后的半导体激光器的光束参数对比

图2 激光准直及光斑

空间合束通过阶梯结构实现，考虑准直后光斑尺寸和实际机械加工误差，确定台阶高度差为0.4mm，相邻两单边发射激光器距离为7mm。波长合束技术即利用波长耦合器将不同波长激光器发出的光合束在一条光路中，从而有效的增大光束输出功率。实现波长合束通常使用滤波镜法或者镀膜镜片法。本文使用镀膜镜片法，在镜片A镀多层膜使976nm波长光束以45°入射到镜片时实现高透射，940nm波长光束实现高反射。同理在镜片B上镀膜以实现976nm波长和940nm波长光束以45°入射时实现高透射，915nm波长光束45°入射实现高反射，最终实现多波长光束合束成一束光，获得大功率输出光束。表2为空间合束前后光参数，图3（a）为通过ZEMAX软件设计的光路结构，图3（b）叠加后光斑图。

表2 叠加前后的半导体激光器的光束参数对比

图3 光学设计光路图及叠加光斑

光束准直后依旧有很小的光发散角，所以光在传播过程中会发散，慢轴方向存在5mard发散角，所以光路中第1支激光器相比第8支激光器会有光束扩散0.2mm，导致慢轴BPP达到3.8mm·mrad，依旧满足耦合要求。光束聚焦时容易产生像差，导致聚焦光斑会远远大于理想聚焦光斑，从而不能全部进入光纤。所以本文选用具有良好消像差能力的非球面聚焦透镜。合束后光斑形状近似为矩形，聚焦系统不改变光斑形状，只缩小光斑尺寸。通过聚焦系统后光斑尺寸小于光纤的直径，聚焦光斑最大发散角要小于光纤的接收入射光的入射角度。光通过光纤后，光纤对其有均化作用[8］。图4（a）为聚焦后光斑，图4（b）为光纤输出后200mm光斑。

图4 聚焦光斑及光纤输出光斑

聚焦透镜焦距应满足公式（4）：

其中，F为聚焦透镜组焦距；ω为光斑半尺寸；θ为光束发散角；D为光纤芯径；NA为光纤数值孔径。所以由此可知聚焦焦距为6.84mm≤F≤18.77mm。光在光纤中进行全反射，设计聚焦系统时尽可能减小入射角度有利于光束能量集中，所以本文应用焦距为18mm，CC=-0.546的长焦距聚集透镜。聚焦后光束NA=0.12，输出功率达284.5W，光纤耦合效率达到98.7%。本文采用多波长合束技术进行光纤耦合设计，模块光谱亮度小于单波长光束耦合模块，但通过多波长合束方法有效地增加了模块输出功率，从而提高输出光斑光功率密度。由光功率密度公式：

计算得到耦合模块光功率密度达115.3MW/cm2-str。

2 热沉结构优化

温度过高直接导致半导体激光器使用效果不佳，会出现红移、功率降低等问题[9］。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[10］。所以有效的保证散热是耦合模块设计的要求之一。Cu的导热性能良好且成本不高，是做热沉的优先选择。本文应用Cu做热沉，用AlN做过度热沉。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过度热沉结构，使耦合模块在散热效果更好。优化设计热沉AlN距离Cu热沉边缘0.5mm，在热沉温度298k和每支单管连续输出12W条件下，结构优化前模块最高结温329.73K。优化后模块最高结温降低为328.71K，相比优化前温度降低1°，达到优化效果。模块最高温度与最低温度差为1.2K。优化后模块热阻为1.46K/W。图5（a）、图5（b）为优化前后散热结构模型，（c）、（d）为优化前后热分析结果。图6为耦合模块3D图。

图5 优化热沉结构及热分析结构

图6 耦合模块3D图

3 结论

本文应用ZEMAX、Solidworks、ANSYS软件仿真模拟设计了多波长合束光纤耦合模块。将3组波长分别为915nm、940nm、976nm的3组激光器耦合进直径100μm、数值孔径0.2的光纤中，最终实现模块耦合输出功率为284.5W，耦合效率达到98.7%，光功率密度达到115.3MW/cm2-str。通过机械软件优化得到新热沉结构，比较优化前后热沉结果热分析结果，表明模块优化后比优化前结温降低1℃以上，得到良好散热结构模型。

[1]曹曦文，高欣，许留洋，等.高亮度小芯径半导体激光器光纤耦合设计[J］.长春理工大学学报：自然科学版，2017，40（1）：7-9.

[2]王立军，宁永强，秦莉，等.大功率半导体激光器研究进展[J］.发光学报，2015，36（1）：1-19.

[3]朱洪波，刘云，郝明明，等.高效率半导体激光器光纤耦合模块[J］.发光学报，2001，32（11）：1147-1151.

[4]牛奔，王宝华，郭渭荣，等.基于光参数积的单管发射半导体激光器光束质量描述与评价[J］.中国激光，2015，42（2）：202004-1-7.

[5]余俊宏，郭林辉，高松信，等.高功率半导体激光器光纤耦合实验研究[J］.强激光与粒子束，2014，26（5）：051005-1-051005-4.

[6]刘友强，曹银花，李景等.激光加工用5kW光纤耦合半导体激光器[J］.光学精密工程，2015，23（5）：1279-1287.

[7]高欣，薄报学，乔忠良，等.多线阵半导体激光器的单光纤输出[J］.光子学报，2010，39（7）：1229-1234.

[8]夏晓宇，高欣，许留洋，等.基于单发光区芯片的大功率光纤耦合激光器的输出远场特征分析[J］.发光学报，2017，38（2）：170-176.

[9]王志源，孙海东，许留洋，等.976nm 10W半导体激光器封装与耦合[J］.长春理工大学学报：自然科学版，2014，37（1）：1-5.

[10]陈赫男，邹永刚，徐莉，等.高功率单管半导体激光器光纤耦合技术[J］.长春理工大学学报：自然科学版，2014，37（1）：6-9.