915 nm 半导体激光器的光纤耦合优化研究

岳鹏远 ，高 欣,2

（1.长春理工大学 ，吉林 长春 130022；2.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）

半导体激光器（LD）发展至今，在技术手段方面有较为成熟的理论支撑。伴随着工业化进程的逐步迈进，也逐渐朝着高质量、高亮度和高功率方向发展。本文主要是优化光纤耦合装置的内部透镜参数，提高耦合效率。目前国内学者在这领域研究挺多，其中谈金川等[1]基于隧道探索深度和精度，采用905 nm 波长光源对不同增益区种类和结构从而影响激光器光束质量和工作效率；何林安等[2]利用AlGaInP 材料，选择780 nm 波长设计并制备了半导体激光器，并进行了外腔反馈锁模研究；术玲等[3]设计了波长为940 nm 的半导体激光器，线宽0.52 nm，工作功率达到了890 MW。

综上，本文研究主要目标是改进高亮度915 nm 半导体激光器光纤耦合结构，使其能够在规定条件下，能够在芯径为105 μm、数值孔径（NA）为0.22 的多模光纤中进行高亮度、高功率光能传输，在传输过程中能够保证出射光束的中心波长维持在915 nm。相较于国外研究，国内的相关研究较为落后，因此本文致力于通过激光光束快慢轴准直部分的改进，提高耦合效率，使总的转换效率提高到86.3%。

1 高亮度半导体激光器设计

首先设计并确定半导体激光器光源参数和实际安装部件尺寸参数，确定优化后快慢轴准直透镜元件组的详细参数；然后，将三支半导体激光器安装在设计好的阶梯热沉上，选用空间合束方法在半导体激光器慢轴方向上进行叠加合束；最后将得到的光束通过非球面聚焦透镜耦合进光纤中，半导体激光器光纤耦合装置设计路线如图1 所示。

图1 半导体激光器光纤耦合装置设计流程图

选定波长为915 nm 的单管半导体激光器作为光束能量来源，发光面尺寸为1μm×100 μm，快轴发散角为38°，慢轴发散角为7.5°根据公式可以计算半导体激光器光参数积（BPP）的值为：

多模光纤参数芯径为105μm，数值孔径为0.22，联合公式（1）和公式（2）可以计算光纤的光参数积（ ）为：

将表1、表2 参数带入公式（3）中，就可以求得合束光斑对角线方向上的光参数积：

表1 快慢轴准之后参数表

表2 合束后快慢轴方向参数表

2 Zemax 仿真模拟优化

2.1 半导体激光器LD 输出特性

根据实验设计要求，半导体激光器选用上海筱晓研制的半导体激光器芯片[4]，半导体激光器内部结构主要包括正负电极、材料衬底、N 型和P 型限制层以及有源层，输出功率为1.0 W，发光区尺寸为1μm×100μm。通过实际操作，测量得到该半导体激光器芯片快轴方向发散角为38°，慢轴方向发散角为7.5°。快轴方向上的发散角远大于慢轴方向，介于在快轴和慢轴两个方向存在较大的特性差异，所以在模拟仿真时，应该分别讨论两种情况，针对不同方向光束的独特性，进行参数选择和优化。

2.2 快轴准直优化

利用ZEMAX 光学模拟仿真软件对快轴准直柱透镜进行仿真模拟。在序列模式下，设置光源、透镜和探测器，确定相对位置，将准直系统近似成聚焦系统，查看仿真结果，然后通过软件自带的优化算法，进行优化操作，得到尺寸得当的“D”型非球面柱透镜凸面形状参数，拟采用曲率半径为0.493 mm 的快轴准直透镜进行准直，然后依据ZEMAX非序列模式下探测器光斑显示效果，进行调整，最后分别采用5 组不同阶次拟合曲面（见表3），设置快轴方向的准直柱透镜参数，建立模型后进行实验。

表3 各阶次系数

在经过设置相同的基本参数后，针对每一组阶次的曲面进行拟合、仿真和求解，得到图2 中组1～组5 的准直效果图。通过对比各阶次曲面的非球面柱透镜对半导体激光器快轴方向出射光束的准直效果可以看出，阶次越高的曲面，准直效果越好。但是当到达十阶时，随着阶次越高，准直效果没有明显变化。

图2 快轴方向准直效果图

2.3 激光慢轴准直优化

慢轴方向准直与快轴方向准直的基本原理是一样的，不一样的是慢轴发散角要远小于快轴发散角，因此在选择非球面柱透镜进行准直时，易于实现。其像散示意图见图3。

图3 半导体激光器的像散示意图

在Zemax 非序列模式中进行设计仿真，采用曲率半径为1.55 mm，厚度为0.75 mm，添加的圆锥度为0.4 的慢轴准直透镜，可以看到添加圆锥度系数之后的慢轴方向准直透镜具有更好的准直效果，如图4 所示。

图4 慢轴方向准直效果图

2.4 激光合束及光纤耦合

合束方法分为波长合束、偏振合束和空间合束。由于本文是利用三支波长均为915 nm 的半导体激光器进行合束（如图5 所示），而前两种方法主要适用于不同波长的激光进行合束，并且空间合束所需要的设备简单，无论是在模拟仿真过程中，还是实际实验中，都是具有简单易操作性和可调性。因此，本研究选用第三种合束方法进行试验，通过快慢轴准直之后，采用反射镜排列在热沉上进行空间合束。

图5 阶梯镜空间合束示意图

通过Zemax 光学仿真模拟软件模拟合束后的激光，得到光斑尺寸远大于所要耦合进光纤的尺寸，如图6 空间匹配示意图，所以合束后的激光不能直接与光纤耦合，必须先把得到的光束利用聚焦元件，减少光斑大小，增大光能密度，达到能够导入光纤的要求，具体要求有以下两点：

图6 光纤内部空间匹配示意图

本文采用非球面聚焦透镜结构，将准直合束后的光束进行聚焦，耦合进多模光纤中，也通过Zemax 光学仿真设计软件的优化算法找到非球面聚焦透镜最合适的表面形态，将像差的影响减小到最少，增大耦合效率，图7 为光纤传输示意图。

图7 光纤传输示意图

2.5 聚焦光纤耦合设计

三支半导体激光器出射光束经准直、合束后不能直接与多模光纤耦合，还需要经过透镜进行聚焦，才能耦合。但是由于光纤具有芯径小的特点，对于聚焦系统有很严格的要求，所以通过分析透镜原理、工作方式和加工难易程度等因素。本文选用非球面聚焦透镜对所得光束进行聚焦。通过非球面聚焦透镜聚焦后，聚焦光斑的对角线尺寸需要满足小于光纤芯径尺寸的要求，此外还要求在聚焦后对角线方向上的发散全角小于光纤数值孔径（NA）值。最后，多模光纤芯径105μm，数值孔径0.22 应该满足式（5）和式（6）两个不等式。

同时选用的非球面聚焦透镜的焦距应该满足公式：

将合束后的快慢轴方向上的参数代入公式（7），可得非球面聚焦透镜的聚焦范围，并根据实际要求得到实际设计焦距范围：3mm ≤ ≤6mm。

根据实际加工条件，在加工非球面聚焦透镜时，需要考虑零部件的装配要求。因此，非球面聚焦透镜的尺寸会被相应地限制住，于是最终选择具有特殊的表面形态，材料为ZK4 的非球面聚焦透镜进行聚焦设计, 仿真得到图8 的光纤入射光斑图，亮斑为合束后的光斑，圆圈为光纤最大芯径。

图8 光纤入射光斑图

经过对半导体激光器出射光束进行快慢轴准直、合束并聚焦的各部分透镜进行设计后，最终完成了高亮度915 nm 半导体激光器光纤耦合装置结构的设计。图8 为高亮度915 nm 半导体激光器光纤耦合结构光路图。模拟的输出功率为2.85 W，计算的耦合的输出功率为95%，光能密度为19.6×102W/cm2，将所得参数带入亮度公式（8）中。

在式（8）中，D为光纤芯径，NA为光纤数值孔径，P为总功率。

根据公式（8）计算得到高亮度915 nm 半导体激光器光纤耦合结构的输出亮度为278 kW/cm2·str。

3 实验结果分析

笔者使用功率计对光纤耦合的输出光功率进行测试，从而进一步得到光纤耦合的效率。

将光纤末端连接激光功率计后，对光纤耦合装置进行测试，得到输出功率的输出特性，从（图9）可以看出，在温度为14 ℃、外加电流为1.387 A 时，光纤耦合装置的光纤末端输出功率为2.139 W，耦合输出效率约为71.3%。

图9 半导体激光器装置图

利用MATLAB 数学分析软件对CCD 相机拍摄的光纤末端出射光斑图片进行光场分析，进而研究光纤耦合部件出射光斑的光强分布情况，经过软件分析得到光场分布数据，利用MATLAB 软件自带的3D 绘图功能进行绘制。由图10 中信息可以得到输出的光斑能量均匀分布，具有较好的应用性能，可以直接用于高亮度高功率场所，在照明、激光显示等方面进行适配应用。

图10 体光栅外腔锁模光纤耦合结构P-1 特性图

4 结论

通过Zemax 光学仿真软件对半导体激光器光纤耦合装置的整体结构进行仿真模拟，进一步采用高阶次拟合曲面优化快轴准直透镜，将慢轴准直透镜的曲面中添加圆锥度，提高准直效果。在芯径为105 μm，NA 为0.22 的多模光纤中，该装置耦合输出功率为2.59 W，总体转换效率为86.3%，相较于现有耦合装置提高了0.27%，透镜结构尺寸大幅度减小，可以适用于空间较小的工作环境设计出符合要求的高功率、高亮度的半导体激光器光纤耦合装置。