基于TO單管的10W綠光LD光纖耦合模塊

王智寧，于海娟，周闖 ，趙鵬飛 ，孫艷軍

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.中國科學院半導體研究所 全固態光源實驗室，北京 100083；3.北京市全固態激光先進制造工程技術研究中心，北京 100083）

半導體激光器（LD）具有效率高、體積小、壽命長、可靠性好等優點，廣泛應用于材料加工、顯示、成像、通訊、信息存儲、醫學、生物學、檢測與計量以及軍用激光技術等多個學科領域，且極大地促進了這些領域的快速發展［1］。近年來，在直接半導體激光工業加工應用以及大功率光纖激光器泵浦需求的推動下，近紅外波段的LD獲得飛速發展，單發光點的輸出功率已經提高到幾十瓦，組束集成系統的輸出功率已經達到幾十千瓦［2-5］。相比近紅外波段LD，可見光波段LD的輸出功率仍處于較低水平，尤其是綠光LD實現高功率輸出仍是當前面臨的一個挑戰［6，7］。早在上世紀九十年代人們就開始研究藍綠光LD，并在1996年研制出第一支基于InGaN量子阱結構的405nm LD［8］，但在此之后，由于InGaN量子阱的物理和材料特性，波段移向綠光時效率大幅度降低，形成了“綠光缺口”。直到2009年歐司朗、日亞和住友推出了真正意義上的515nm～530nm的綠光LD［9］，綠光LD才逐漸進入實用階段。雖然采用倍頻技術可獲得綠光固體激光器，但相比之下綠光LD體積更小、更穩定、更廉價，也更適合商業應用，例如，綠光指示筆中綠光LD逐漸替代了固體綠光激光器。2013年，日亞公司采用AlInGaN材料成功研制出TO封裝的1W、525nm的綠光LD單管，電光效率14.1%，壽命約15000h［10］，該產品的出現使得紅綠藍LD都達到了瓦級水準，激光顯示的三原色變得完整，在微型投影儀中獲得廣泛應用。2017年，Dilas推出了世界首款基于TO單管的綠光LD光纖耦合模塊，傳輸光纖芯徑200μm，輸出功率2W，電光轉換效率10%［11］，是鈦寶石激光振蕩器較為理想的泵浦源，但對更高功率的綠光LD光纖合耦模塊的需求，市場尚不能滿足。

為此，本文設計了高功率光纖耦合輸出綠光LD模塊。選用20支波長520nm、輸出功率1W的TO封裝的綠光LD單管進行實驗，依次通過光束準直、空間合束、擴束整形與光纖耦合技術實現了400μm光纖耦合輸出10W的綠光LD光纖耦合模塊，并對其光電特性進行了測試。

1 實驗原理

為了獲得高功率的綠光輸出，實驗采取多單管快慢軸空間合束的方式，其結構如圖1所示，所采用的單管是日亞公司生產的TO封裝的1W綠光單管。將經過快慢軸準直的20支單管分為兩組，每組10支對單管進行快軸組束（x方向），然后兩組單管進行慢軸組束（y方向），最終形成10×2的光斑分布。然后根據光纖參數積和組束光束參數積的匹配關系進行光束縮束，最終經過聚焦透鏡組耦合進一條芯徑400μm、數值孔徑0.2的光纖內。

圖1 綠光光纖耦合模塊結構圖

在半導體激光器光纖耦合中，通常使用光參數積（BPP）這個概念來評價光束質量，其定義為：［12，13］

式中，d0表示光斑束腰半徑，θ0表示光斑遠場發散半角，BPP表示其光束質量。即單管的光束質量可以表示為其光束束腰的半寬度乘以所對應的發散半角。

1.1 單管的快慢軸準直

實驗中，采用日亞公司生產的中心波長為520nm的綠光TO單管，詳細參數如表1所示。

表1 綠光單管半導體激光器的主要參數

綠光單管為TO封裝形式，TO單管的發光點與外表面有1mm的距離，如圖2所示。由表1可知，綠光單管快軸方向的發散角大于慢軸方向的發散角，但發光面在快軸方向的寬度遠小于慢軸方向的寬度，因此其快軸方向的光束質量要遠好于慢軸方向的光束質量。

圖2 綠光TO單管

根據綠光單管的基本參數，可由（1）式計算其初始的光束質量：

式中，BPPf1是裸單管快軸方向的光束質量，BPPs1是裸單管慢軸方向的光束質量。在實驗時，首先要對單管進行快慢軸準直。由于單管的輸出光束在快軸方向發散角極大，為減小準直后產生的像差，通過Zemax軟件設計了非球面的柱透鏡作為其快軸準直鏡（FAC）。根據TO封裝單管的特點，將FAC的后焦距設計為1.9mm，準直后快軸方向的光斑寬度為3.5mm。慢軸發散角雖相對較小，但為了更好的消除準直后產生的像差，設計了兩片式結構的慢軸準直透鏡（SAC），其后焦距為37.2mm，準直后慢軸方向的光斑寬度為7mm，圖3（a）和（b）分別為綠光LD單管快慢軸的準直示意圖。準直后的光斑近似為矩形，光強呈平頂分布，其大小為（3.5×7）mm?？紤]到鏡片的加工誤差、裝調誤差等因素，準直后的光束質量會大于裸管的光束質量，在后續的設計中應該以準直后實際測量的光束質量作為輸入參數去進行光束的整形與光纖耦合等設計。表2為實際測量的單管半導體激光器準直后快慢軸方向的光束質量。

圖3 快慢軸準直原理圖

表2 單管半導體激光器準直后快慢軸方向的光束質量

1.2 空間合束及縮束

為了獲得高功率綠光輸出，實驗采用快慢軸兩個方向空間合束的方式進行功率擴展，這種方法有效的利用了空間位置。采用20支綠光單管，將綠光單管的快軸方向垂直放置，慢軸方向水平放置，10支單管為一組，用反射鏡使其在快軸方向疊加，兩組單管通過設置高度差在慢軸方向進行疊加，如圖4所示。

圖4 空間合束原理圖

空間合束后即形成10×2的光斑組束。由于光斑之間不能做到完全消除暗區，假設在快軸方向的光斑間隔為0.5mm，慢軸方向的光斑間隔為1mm，最終形成的光斑大小為：

式中，Dfast表示空間合束后快軸方向的光束長度，Dslow表示空間合束后慢軸方向的光束長度?？臻e合束后的光斑的光束質量為：

式中，BPPf2表示空間合束后快軸方向的光束質量，BPPS2表示空間合束后慢軸方向的光束質量?？臻g合束后，組束光束的光斑為離散的矩形狀光斑，大小約為35mm×15mm，光斑較大。因組束光束在快慢軸的光束質量比較接近，為提高光纖的耦合效率，組束光斑在聚焦前應該進行放縮使得兩個正交方向的寬度大致相同。由于通常使用的聚焦鏡的直徑為25mm，因此選擇縮束比為2.3∶1的伽利略望遠鏡結構的柱透鏡組將快軸方向的光斑由35mm壓縮到15mm，最終組束光斑的尺寸為15mm×15mm。

1.3 光束的聚焦及光纖耦合

光纖耦合時最小的光斑尺寸等于光束的BPP與光纖的最大接收角之比。對于矩形光斑，快軸和慢軸方向的最小光斑計算公式相同［14，15］：

式（8）、（9）、（10）中DfFA和DfSA分別表示快慢軸光纖耦合的最小光斑直徑，Df表示光纖耦合時的光斑直徑。NFA和NSA分別表示快慢軸的單管個數。ωFA和ωSA分別表示快慢軸的半寬度，θFA和θSA分別表示快慢軸的發散角。理論上，聚焦后快慢軸的光斑需小于光纖芯徑的1/2倍，發散角需小于光纖數值孔徑的1/2倍。

通過（8）、（9）、（10）可以推算出光纖耦合前的最小光斑尺寸約為280μm，因此選用一個標準的芯徑400μm、數值孔徑0.2的光纖來進行光纖耦合，為使合束后的光束高效耦合進光纖，需滿足以下條件［16-18］：

式（11）、（13）中Dlaser表示聚焦后的光斑大小，Df表示光纖芯徑。θlaser表示光斑聚焦后的遠場發散角，θf表示光纖的最大接收半角。ω′FA和ω′SA分別表示快慢軸縮束后的寬度，θ′max表示快慢軸準直后的發散角的最大值，flaser表示聚焦鏡的焦距。將組束光束參數與光纖參數代入式（11）-（14），可獲得滿足條件的耦合透鏡焦距：

根據（15）式設計焦距為55mm消像差透鏡組作為耦合透鏡，光束通過耦合透鏡聚焦后的光斑如圖5所示。模擬結果顯示光斑的最大直徑小于400μm，并且耦合效率在98%以上。如圖5所示為光斑聚焦后的示意圖。

圖5 模擬中的光斑聚焦圖

2 實驗與結果分析

TO綠光半導體單管的電光轉換效率為14%，有86%的熱量需通過熱沉導出，否則會引起有源區溫度升高，導致波長紅移、閾值電流增大、輸出功率和電光轉換效率降低、壽命縮短甚至失效等一系列問題。實驗采用銅熱層、水冷方式進行散熱處理，整個實驗裝置如圖6所示。

圖6 實驗裝置圖

實驗發現，快慢軸的準直透鏡粘貼精度對后期的光纖耦合效率影響極大，少許誤差就會使得耦合效率大幅度降低。實驗通過CCD進行調試并觀察近場與遠場的光斑大小，與模擬光斑進行比較，找到最佳位置并通過紫外膠固定。由于鏡片加工的精度及紫外膠固化時的形變，使單管準直后的光束質量大于理論值。將20支準直后的單管分為兩組按圖1所示進行進行快慢軸合束，然后對組束光斑進行縮束，最終獲得一束15mm×15mm的矩形光束，經測試該處的光功率為12W。光束通過耦合透鏡聚焦后，可獲得如圖7所示的聚焦光斑。該光斑近似為一圓形，由于15mm×15mm的方形光斑在正交的兩個方向光束質量存在差異，且在空間合束的過程中上下兩排光束沒有做到完全一致，使得聚焦后快軸方向的光斑略大于慢軸方向的光斑。在室溫下通過測試不同工作電流下的光纖耦合前后的輸出功率，獲得該組束模塊的功率-電流特性曲線，如圖8所示。當模塊在1.5A電流激勵下連續輸出功率達到10.1W，光纖的耦合效率約為84.2%。實驗中所使用的高能光纖端面沒有鍍膜，產生菲涅爾反射，兩個端面各損失了大約4%的能量，其余為耦合透鏡的透射損耗和光纖端面的衍射損耗。

圖7 聚焦后的光斑圖

圖8 耦合前后功率-電流特性曲線

3 結論

采用Zemax設計了光纖輸出的綠光半導體激光模塊，實驗上將20支520nm的TO封裝綠光單管通過快慢軸空間合束、光束縮束、聚焦，耦合進芯徑400μm、數值孔徑為0.22的光纖中，光纖輸出功率10.1W，光纖耦合效率84.2%。下一步改進，可通過改善快軸準直、光纖端面鍍膜等方法提高光纖的輸出功率。在此模塊基礎上進行偏振合束，可使輸出功率翻倍，為激光顯示和泵浦鈦寶石激光器提供高功率綠光半導體光源。

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