一种半导体激光器多模光纤耦合技术

金阿立　周斌　乔显金　周树阳　杨发伦

摘 要：用于激光夜视监控系统的半导体激光器发出的光束通常是椭圆高斯光束。为了克服其高阶模的不均匀性、大垂直发散角等问题，需要利用光纤耦合技术对激光光束进行整形和光斑均匀化处理，以便于工程应用。在分析光纤耦合技术原理及耦合损耗的基础上，对半导体激光器与多模光纤耦合问题进行讨论，给出可行的耦合工艺方法，实现了光斑的均匀化输出。

关键词：半导体激光器 光纤耦合 整形 光斑均匀化

中图分类号：TN248；TN25 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0099-03

半导体激光器可用于激光夜视监控系统等中远距离照明场合，为了克服其高阶模不均匀性、大垂直发散角等问题，需要进行光纤耦合。其目的是将激光光束低损耗地耦合到系统中，通过压缩光束发散角或光束束腰半径实现光束整形，以改善远场对称性和光斑形状，便于工程应用。半导体激光器与光纤耦合技术一直是近年来的重要研究方向，产生了如单模光纤耦合、单管多模光纤耦合、列阵大功率光纤耦合等耦合系统。其中，国外多模光纤耦合可从芯径100μm得到30W以上功率。国内半导体激光器芯片的制作工艺还存在一定差距，比如出光面尺寸较大，发散角内光功率占比比较低等。本文根据照明激光光源整形和均匀化要求，采用多模光纤耦合技术，对半导体激光器输出光斑进行耦合处理，以实现中等输出功率和中等距离的激光照明效果。

1 半导体激光器光纤耦合原理

半导体激光器有源区截面的尺寸通常比较小，单模一般为0.15μm×（2～4）μm，多模为1μm×（100～200）μm，其远场为椭圆高斯光束，存在较大的发散角，特别是在垂直于结平面上的光束，其发散角（）约为40°[3]。

2 半导体激光器与多模光纤耦合

对于以多模形式为主的中等功率以上半导体激光器，通常采用与大芯径的多模光纤耦合，才可获得大功率输出（从几瓦到几百瓦）[4]，十分适用于激光也是监控系统的距离照明。

2.1 单管耦合原理及性能分析

要保證高效率光纤耦合，必须尽可能减小光束质量损失，因此在耦合工艺上应将光束整形为域光纤芯端面相似大小和形状。但另一方面，激光光束特性在水平和垂直方向上并不对称。在发散角较小的水平方向上，光束质量较差，光束特性介于高斯光束和几何光束之间；在发散角较大的垂直方向上，光束质量接近衍射基线，呈高斯分布。为简化讨论，我们采用几何光学近似，将激光束视为由水平和垂直两个方向上的两个点光源发射，于是得到端面尺寸为1μm×（100～200）μm，如图1所示。其中，水平方向上的点光源在半导体窗口后约2mm处，垂直方向上点光源紧贴于半导体窗口后（不大于2μm）。

由图1可知，半导体激光器光束形状极不对称，垂直方向上发散角一般为40°（数值孔径约为0.34），而通常光纤的数值孔径为0.22，因此需要在该方向上进行准直；水平方向上，对于中等功率以上半导体激光器，其发射窗口的条宽在200μm以上，而光纤芯径一般小于200μm，因此需要在该方向上进行聚焦。

图2给出了多模光纤耦合系统的结构原理图。采用微型柱透镜对垂直方向进行准直，其尺寸为Φ200μm×720μm，镀808nm增透膜，采用球透镜或自聚焦透镜进行聚焦。

由式（9）可知，为提高聚焦能力，应采用大折射率材料，如直径为2mm的石英球透镜，其焦距仅为1.1mm。

利用透镜整形，针对不同光纤芯径的激光照明实验可得如图3所示光斑图样。其中，400μm光纤芯径经透镜整形，照明光斑十分不均匀，100μm光纤芯径的照明光斑亮暗对比过于明显，相对而言200μm光纤芯径的效果最好。

为了耦合系统更为简单实用，我们采用一种光纤头特殊处理技术，即将平面光纤研磨成特殊形状，从而省略了自聚焦透镜，如图4所示。

我们以5W单管半导体激光器为例，对上述四种锥角尺寸光纤头进行了试验，其结果如表1所示。

由表1可知，不同光纤芯径可选择不同耦合技术，如对于400μm光纤芯径，采用平头直接耦合方法，可得到94%的耦合效率，且生产成本基数低；对于100μm光纤芯径，选择锥球面直接耦合或锥球面+圆柱透镜耦合，都可较平头直接耦合或平头+圆柱透镜耦合提高1倍耦合效率，不过成本增加了3～4成。本文将采用平头+圆柱透镜工艺方法。

2.2 平头光纤+圆柱透镜工艺

平头光纤+圆柱透镜的耦合工艺，主要是采用柱透镜进行光束快轴预准直，如图5所示，为柱透镜光纤耦合示意图。在实际应用中，通常采用一根100μm光纤代替圆柱透镜。其工艺过程大体分为三步。首先，将光纤的涂覆层剥离；其次，利用六维调整架对裸露光纤进行调整，实现光束预准直；最后，粘贴到热沉上。

通过预准直，激光光束质量可得到显著提升，快轴发散角压缩到3°～5°。预准直后，利用光纤夹具将制备好的光纤一同安装到六维调整架上。

3 封装、测试及老化实验分析

封装，是利用激光焊接、注胶、机械定位等方法，将半导体激光器与光纤安装到铜制盒体内，以便使用。盒体设计主要基于两种考虑，散热性和空间结构。良好的散热可保证系统正常运行，从而避免因盒体过热烧坏系统，散热上应考虑激光管、光纤与热沉之间的散热性，一级热沉与二级热沉之间的散热性，以及二级热沉与盒体之间的散热性；盒体空间设计上，应合理安排各元器件的相对位置，以便节省空间，节约成本。图6为自行设计的盒体样本的内部结构。

光纤耦合系统完成封装后，应进行测试和老化试验。实验结果分别如图7、图8所示。其中图7为光纤耦合后的输出光斑图样，与图3给出的三组光斑图样相比，该输出光斑具有较好均匀化。图8为光纤耦合前后的P-I特性曲线。

由P-I特性曲线可知，半导体激光器通过准直后，其准直效率为97%，耦合进入光纤的耦合效率达到87%以上。对于常用于红外激光照明的单管半导体激光器，若其功率为1.5W～2W，经测算可实现150～300m距离上的照明。

上述单管半导体激光器利用单根光纤耦合，可得到中等输出功率（1.5～2W）的激光照明，实现中等距离的夜间监视。若需大输出功率激光照明，可采用多管叠加耦合的方法，以满足数公里的远距离需求，例如3个叠加可得到5～6W输出功率，19个叠加可得到30～40W输出功率。但这种叠加存在的主要问题是体积较大，功率密度较低，得到的光束质量一般。

4 结语

为满足激光夜视监控系统的照明需求，本文利用光纤耦合原理实现了激光器的整形处理。在给出光纤耦合原理基础上，从原理、工艺、测试等方面对半导体激光器与多模光纤耦合问题进行了研究。单管半导体激光器通过单根光纤耦合后可得到圆光斑，再通过光学系统可以实现发散角压缩，获得中等输出功率和中等距离照明。针对大功率输出和远距离照明，考虑采用列阵耦合得到多纤芯捆绑的大芯径光纤输出激光器，将另文讨论。

参考文献

[1] 黄德修，刘雪峰.半导体激光器及其应用[M].北京：国防工业出版社，1999.

[2] 黄德修.半导体光电子学[M].西安：电子科技大学出版社，1994.

[3] 赵发英，张全.平端光纤与锥形球透镜光纤的耦合[J]. 光子学报，2003，32（2）：218-220.

[4] 于海鹰.半导体激光器与光纤高效耦合特性的研究[D]. 北京工业大学，2006.

[5] 许孝芳，李丽娜.高功率半导体激光器列阵光纤耦合模块[J].红外与激光工程，2006，35（1）：86-88.