大功率半导体激光器光纤耦合技术调研报告

大功率半导体激光器光纤耦合技术调研报告

1．前言

近年来，高功率光纤激光器因其优良的性能日益受到人们的重视和青睐，被广泛地应用于工业加工、空间光通信、医疗和军事等各个方面，其迅速发展在很大程度上得益于大功率高亮度半导体激光器技术的进步，大功率半导体激光光纤耦合技术一直是高功率光纤激光器技术的一项关键核心技术。相反地，半导体激光器泵浦的高功率光纤激光器（DPFL）的发展也带动了大功率半导体激光器技术，尤其是大功率半导体激光光纤耦合技术的进步。

由于单管半导体激光器（LD）的输出功率受限于数瓦量级，远不能满足高功率光纤激光器泵浦源的要求，要获得更大输出功率须采用具有多个发光单元的激光二极管阵列（LD Array）。按照结构形式的不同，激光二极管阵列分为线阵列（LD Bar）和面阵列（LD Stack），分别如图1(a)和(b)所示，其中LD Bar的输出功率一般在数十瓦至百瓦量级，而LD Stack的输出功率一般在数百瓦乃至上千瓦。无论是单管LD还是LD Array，由其固有结构特点决定了半导体激光器具有光束发散角较大，输出光束光斑不对称，亮度不高等问题，给作为高功率光纤激光器泵浦源的实际应用带来很大困难和不便。一个较好的解决方法是将半导体激光耦合进光纤输出，这样既可以利用光纤的柔性传输，增加使用的灵活性，又可以从根本上改善半导体激光器的输出光束质量。

Fig.1 （a）LD Bar 和（b）LD Stack

大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术作为一项高新技术，具有很高的技术含量，涉及半导体材料、纤维光学技术、微光学技术、微精细加工技术和耦合封装技术等关键单元技术。目前为止，大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术主要采用两条技术路线：光纤束耦合法和微光学系统耦合法。下面将主要以LD Bar光纤耦合技术为例，就该两种方法进行详细阐述。

2．大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术

2．1光纤束耦合法

光纤束耦合法（又称光纤阵列耦合法）是早期使用的一种光纤耦合技术，具有结构简单明了、耦合效率高、各发光元的间隙不影响整体光束质量和成本低等优点。该方法通过微光学系统将LD Bar各个发光单元发出的光束在快轴方向进行准直和压缩后，与相同数目的光纤阵列一一对应耦合，

然后通过光纤合束在

光纤束出射端进行集束输出，示意图如图2所示。

Fig.2 光纤束耦合法示意图

由于大功率半导体激光器阵列在平行于PN结平面方向（慢轴方向）的发散角较小（一般为～，相应的数值孔径为0.05～0.11），没有超出输出光纤的数值孔径（通常为0.11或0.22），因此不用对慢轴方向的发散角进行压缩，只需对激光器在垂直于PN结平面方向（快轴方向，发散角一般为～，相应的数值孔径为0.26～0.34）的输出光束进行压缩即可。圆柱形微透镜对光束具有一定的会聚作用，能够把半导体激光器发出的光束进行单方向会聚，利用圆柱形微透镜可以实现快轴方向发散角的压缩，尽管具有较大的光学象差，但是并不影响它在耦合中的应用。大功率LD Bar各个发光单元发出的光束经过圆柱形微透镜实现快轴方向的准直和压缩后，一对一的耦合到光纤阵列中，然后将光纤阵列用特殊的工艺进行合束处理，并装配到SMA905的标准接头中。图3为LD Bar光纤阵列耦合系统示意图。实用化产品中采用此方法的有中科院半导体所，美国Coherent公司和SDL公司等，其中Coherent和SDL的产品的光纤束输出端有时会对接一根单芯光纤，这就要求有很好的对接光学系统。在这种光纤阵列耦合方法中，光纤阵列需要精密排列固定，且排列周期应和LD Bar的单元周期严格匹配。因此需要加工特殊设计的精密V型槽或U型槽阵列，用以固定光纤阵列。

Fig.3 光纤阵列耦合系统示意图

光纤束耦合法虽然因具有结构简单，成本低等优点被广泛应用于对亮度和功率密度要求不高的实用化系统中，但是由于光纤束（包括对接光纤）直径较大，导致输出激光的亮度和功率密度较低，并且也难以通过对该光束进行进一步整形来提高光亮度。因此，该耦合技术不能很好的满足半导体激光器泵浦源对高光能量密度的要求，正逐渐被采用微光学透镜阵列的光束整形耦合技术所取代。

2．2微光学系统整形耦合法

微光学系统整形耦合法是通过微光学系统（微透镜阵列、微棱镜阵列、微柱透镜等）对LD Bar输出的光束进行准直、整形、变换和聚焦耦合进入单根光纤中。图4所示为微光学系统整形耦合法的原理方框图。

Fig.4 微光学系统整形耦合法原理方框图

如前所述，LD Bar由于其结构的特殊性决定了快、慢轴方向光束的非对称性，因此输出光束的准直需要在快、慢轴方向上分别进行。因为发散角比较大且为高斯光束，快轴的准直通常需利用具有大数值孔径（一般NA>0.85）的非球面微柱透镜，既可以校正球差而又不至于增加过多的透镜片数，如图5所示。设计和制作该非球面微柱透镜所需的参数主要有透镜尺寸、数值孔径（快轴方向）、焦距、材料和波长等。慢轴方向是由N个具有一定宽度和一定间隔的的线发光元构成的，故通常采用球面微柱透镜阵列将一个发光区与一个微柱透镜一一对应准直。慢轴方向光束的理想准直度取决于LD Bar的结构，尤其是发光区的周期和发光区尺寸之比，即空间占空比的倒数，并且占空比越小，理想准直精度越高。图6(a)所示为用于慢轴准直的球面微柱透镜。设计和制作该球面微柱透镜阵列所依据的参数主要有单个发光区尺寸、发光单元的周期、数值孔径（慢轴方向）、发光单元的数目和波长等。在半导体激光微光学系统耦合技术领域一直处于领先地位的德国LIMO公司，针对LD Bar的慢轴准直应用，专门设计了一种更先进的微透镜阵列（Telescope-Arrays）。该微透镜阵列由两个非球面微柱透镜阵列组成，可以更有效地压缩慢轴发散角，优化获得更高的激光亮度，并且可以将发光单元线阵列转化为一条均匀的线发光区，如图6(b)所示。

Fig.5 非球面微柱透镜 Fig.6(a) 球面微柱透镜阵列

Fig.6(b) Telescope-Arrays的两种结构

另一方面，LD Bar的输出光束在快轴和慢轴方向的不对称造成了光束质量的不均衡，具体表现为两个方向上的光参数积差别很大。快轴方向的光束质量接近衍射极限，光参数积只有零点几个mm.mrad；而慢轴方向的光束质量较差，光参数积高达几百mm.mrad。这样的光束是不可能通过传统的成像光学系统聚焦成对称小光斑的，必须采用特殊的光学器件对光束进行整形，以减小慢轴方向的光参数积，实现两个方向光束质量的均衡。

目前，国内外有文献报导的光束整形方法主要有双平面反射镜法、阶梯反射镜法、多棱镜阵列法、棱镜组折反射法、微片棱镜堆整形法和二维透射式闪耀光栅阵列法等，但是这些整形方法或由于器件加工困难，或由于装调复杂等问题导致耦合效率不高，还处于实验室研究阶段，离实用化和商业化还有一定距离。作为技术成熟度比较高的典型代表，德国LIMO公司的光纤耦合输出型大功率半导体激光器采用设计独特的光束整形系统可以实现快慢轴光参数积的均衡，并将准直后的非对称半导体激光光束无损耗地变换成对称的圆形光束，以便于光纤耦合。图(7)所示即为该光束整形变换微光学系统的结构图。

Fig.7 光束整形微光学系统结构图

该光束整形微光学系统包括三部分，分别是光参数积均衡器、二次准直柱透镜和聚焦柱透镜对，依次如图8(a)和(b)所示。

Fig.8(a) 光参数积均衡器（包含准直柱透镜） (b) 准直和聚焦柱透镜组

光参数积均衡器由倾斜的柱透镜阵列组成，LD Bar输出光经快慢轴准直后，每个发光单元一一对应通过光参数积均衡器中的柱透镜，形成与发光单元数目相等且呈矩形分布的光斑，实现了快轴和慢轴方向光参数积的均衡。但是经过光参数积后的光束不再是准直光，而是在垂直方向上发散的矩形分布，需要利用微柱透镜进行二次准直，最后用一对柱透镜分别在快轴和慢轴方向上进行聚焦，形成对称的便于光纤耦合的圆形光斑。

为了能达到最优的耦合效果，设计制造这种应用于大功率LD Bar光纤耦合的光束整形变换微光学系统，所依据的参数主要有：发光单元尺寸、发光单元周期、发光单元数目、快慢轴的发散角、LD Bar的微笑效应(smile-effect)和耦合光

纤的纤芯直径与数值孔径等。特别需要说明的是，LIMO通过将快慢轴准直微柱透镜、光束整形变换系统和聚焦微柱透镜进行片上集成，构成一个整体，即所谓的HOC (Hybrid Optical Chip)。利用这种HOC，不仅可以对LD Bar输出光进行光纤耦合，也可以对单管LD和LD Stack输出光进行光纤耦合。图9所示为利用HOC对不同类型的半导体激光器进行光束整形变换聚焦的示意图。

Fig.9 HOC光束整形变换聚焦示意图

利用微光学系统整形耦合法进行大功率半导体激光器的光纤耦合，可以将大功率半导体激光耦合进芯径相对较小的单根光纤，容易实现高亮度和高功率密度的激光输出，非常适合于泵浦高功率光纤激光器。但是，由于对所用微透镜及其阵列的光学质量要求很高，制作和加工难度较大，导致成本较高。

3．大功率半导体激光器光纤耦合产品概况

目前，在商业化的大功率半导体激光器光纤耦合产品市场上，一直由国外的一些大公司占据着优势地位，如美国的Coherent、SDL、Spectra-Pysics公司以及德国的LIMO公司等。与国外同类产品相比，国内大功率半导体激光光纤耦合产品的性能参数和技术指标还有较大差距，所以尚无大批量应用。这主要是由于大功率半导体激光器光纤耦合技术涉及的基础单元技术层面较广，如半导体材料的生长和加工工艺，微光学透镜及其阵列的设计与制造技术和工艺等，而国内在这些方面与国外相比还有较大的技术差距。因此，要想在高端的激光光纤耦合技术领域脱颖而出，首先必须缩小各个基础单元技术方面的差距。