高亮度小芯徑半導(dǎo)體激光器光纖耦合設(shè)計

唐文靜

摘 要：半導(dǎo)體激光器在工業(yè)、醫(yī)療、通訊等各種領(lǐng)域的應(yīng)用范圍愈加廣泛，為人類科研水平的提高和社會經(jīng)濟的發(fā)展做出了巨大的貢獻，同時對半導(dǎo)體激光器光纖耦合的精度度要求也不斷提高。世界各國的相關(guān)科研機構(gòu)在此方面的研究中投入了較大的精力，為了其設(shè)計水平的提高而不斷努力，本文從半導(dǎo)體激光器的基本原理和光纖的耦合方法出發(fā)，簡略分析了小芯徑的光纖耦合設(shè)計的要點。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器;高亮度;光纖;耦合

微波激光器在世界上的應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)十年的歷史，在長期的歷史發(fā)展過程中，其應(yīng)用范圍不斷廣泛，對其精度要求也不斷提升，其產(chǎn)品整體發(fā)展逐漸朝向體積小、功率大、亮度高的方向發(fā)展。在相關(guān)研究水平不斷提升的情況下，目前已經(jīng)研究出垂直腔面的激光器，其能夠在改變發(fā)光區(qū)結(jié)構(gòu)的同時，使輸出光束的發(fā)散角趨于集中，并且與多模光纖進行耦合，從而盡量提高耦合效率，以提升信號傳輸?shù)膶嶋H效果。

1、亮度的含義及其影響因素

在一般科學(xué)原理中，脫離光源的指向方向來討論亮度是沒有意義的，亮度是作用于單位面積上某一個方面的單位立體角內(nèi)，光源所發(fā)射的功率。激光的應(yīng)用是基于光線在發(fā)射方向的高度集中而實現(xiàn)的。半導(dǎo)體激光器的亮度與兩個方面的因素具有函數(shù)上的關(guān)系，一是光束質(zhì)量M2，另一個則是光參數(shù)乘積BPP。在光束質(zhì)量M2的值趨向于1的情況下，光參數(shù)乘積也會逐漸變小，這時候半導(dǎo)體激光器所輸出的光質(zhì)量也就不斷提高[1]。光波在空間的傳播過程中，會依照一定的角度進行展開，其遠場發(fā)散角θ的值越小，光參數(shù)乘積也會隨之變小，在激光的光參數(shù)乘積小于光纖的光參數(shù)積時，才能滿足激光與光纖耦合的需要。在大功率的半導(dǎo)體激光器的研發(fā)過程中，會存在一定的固有影響，例如發(fā)光區(qū)的光是呈近線性分布的，還不可避免的呈現(xiàn)彎曲的狀況;激光的慢軸發(fā)散角（平行于結(jié)平面方向）小于快軸發(fā)散角（垂直于結(jié)平面方向）;在芯片進行電流輸入的過程中，會造成慢軸方向的發(fā)散角也逐漸增大。目前國內(nèi)在這方面的研究中與國際先進水平之間的差距主要集中在三個方面：芯徑、功率和耦合率。

2、光纖耦合的必要性及其方法

2.1 光纖耦合研究的意義

將半導(dǎo)體激光器與光纖進行耦合，其過程就是把激光進行整形之后，射入一根光纖中，通過光纖將激光的特性更加完美的發(fā)揮出來，這樣一方面可以把多芯片陣列同時耦合到同一光纖之內(nèi)，進而提高其整體功率;另一方面則可以根據(jù)實際工作的需求，進行不同方式和不同規(guī)格的耦合設(shè)計，從而在滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域需求的同時，達到更加便捷和高效的應(yīng)用目的。

2.2 光纖耦合的方式

在現(xiàn)行的技術(shù)應(yīng)用過程中，半導(dǎo)體激光器進行光纖耦合時，根據(jù)其作用方式的不同，有直接耦合和見解耦合兩種方式[2]。直接耦合就是在不對激光進行光學(xué)整形的情況下，直接把半導(dǎo)體激光器發(fā)射出來的光束與光纖進行對接。采用這種方式的情況下，為了達到更好的耦合目的，需要對半導(dǎo)體激光器本身進行改進，或者將光纖的端頭部分進行研磨處理。直接耦合的方式具有操作簡單，生產(chǎn)成本低，總體積小等各方面的特點，但是其技術(shù)要求比較高，一般應(yīng)用于通信等高速光纖領(lǐng)域，具有較為廣泛的應(yīng)用范圍。間接耦合的作用方式則是完全相反，其不對半導(dǎo)體激光器進行作用，而是在對激光進行光束整形之后，使其發(fā)散角能夠壓縮到要求的范圍之內(nèi)，從而將聚焦光斑耦合到光纖之內(nèi)。在實際應(yīng)用過程中，需要對光路系統(tǒng)進行設(shè)計，從而使其滿足半導(dǎo)體激光器陣列的需要。

3、間接耦合方式的要點

在進行間接耦合時，需要對光學(xué)系統(tǒng)進行必須的光束整形，才能把聚光斑耦合到光纖內(nèi)，其過程一般情形下包括準(zhǔn)直、合束、擴束和會聚等幾個部分，本文簡略對這幾部分予以說明。

3.1 準(zhǔn)直

對激光光束進行準(zhǔn)直的目的是為了減少由于彌散損失的存在而對光纖耦合產(chǎn)生的損耗作用，與此同時，其還能夠通過對快、慢軸發(fā)散角進行最大程度的壓縮，從而提高整體耦合效率。常用的準(zhǔn)直方法由于其應(yīng)用材料、物理原理和誤差大小等方面的因素的不同，而具有不同的準(zhǔn)直效果。一般情況下基于K9、BK7材料為基礎(chǔ)的球面透鏡是應(yīng)用范圍最為廣泛的準(zhǔn)直透鏡，但是由于像散現(xiàn)象的存在，在單獨采用球面鏡準(zhǔn)直的情況下，無法確?？?、慢軸兩個方向同時達到要求的目標(biāo)，這時候就需要借助于柱透鏡準(zhǔn)直的方式對這一缺陷進行完善[3]。而在采用非球面透鏡的情況下，能借助于其凹陷現(xiàn)象的存在，消除光束中的像差，減少光能損失，能夠盡量提高半導(dǎo)體激光器的耦合效率。此外還有梯度折射率透鏡，其折射率會在半徑方向上產(chǎn)生漸變，這一系統(tǒng)由于其操作方式比較簡單，并且調(diào)試難度比較低，常被稱為是自聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)，但是其相對于其他系統(tǒng)而言，整體效果比較差。

3.2 合束

光的合束根據(jù)其作用位置和方式的不同，可以分為相干合束和非相干合束，兩種方式作用的目的都是為了提高光束峰值和激光功率，本文所說明的是非相干光束，其是在利用對應(yīng)光學(xué)元件的基礎(chǔ)上，對輸出光束進行整形，在只改變能量而不改變激光相位的基礎(chǔ)上，來提高激光的功率。其作用方式包括空間合束、波長合束和偏振合束三種方式?？臻g合束可以直接利用芯片輸出光束疊加的方式，使單獨的芯片進行準(zhǔn)直，然后再將需要的芯片在快軸方向上進行疊加排列。這種方式具有簡單、快捷的特點，并且各個子光源是獨立進行工作的。但是由于其中準(zhǔn)直作用產(chǎn)生后不能使光束達到完全平行的狀態(tài)，所以會對整體聚焦效果產(chǎn)生一定的影響。波長合束的方式需要經(jīng)過光柵、棱鏡和波長選擇器等各種元件的共同作用，才能將激光光束合并在一起，達到增加功率、提高亮度的目的，波長合束的方式在實際應(yīng)用過程中能夠達到較高的效率，但是要注意避免波長漂移現(xiàn)象帶來的負面影響。而偏振合束對器械要求比較復(fù)雜，但是其產(chǎn)生的光斑尺寸較之前兩種方式更小、分布均勻，亮度也更高，在高亮度小芯徑半導(dǎo)體激光器光纖耦合設(shè)計中應(yīng)用較為廣泛。

3.3 擴束

擴束的作用相對比較簡單，就是要改變光源由于準(zhǔn)直、合束等作用之后所產(chǎn)生的差異，以便更好的將光斑尺寸進行統(tǒng)一，從而能夠達到軸對稱的結(jié)構(gòu)。在進行擴束時需要注意的技術(shù)要點是要能避免擴束透鏡組對亮度的損耗作用過大，從而對亮度造成影響。

3.4 會聚

會聚是指輸出光束在準(zhǔn)直環(huán)節(jié)完成之后與最終耦合進入光纖模塊的中間環(huán)節(jié)，其作用主要是確保耦合光斑的直徑要小于光纖的芯徑，從而確保耦合作業(yè)的完成。在實際應(yīng)用過程中，會聚過程的光學(xué)系統(tǒng)也有不同組合方法，常見的有單透鏡、三片式透鏡組和多透鏡組等。

4、小芯徑光纖耦合效率的影響因素

小芯徑光纖耦合的效率受到兩個方面的影響，其一是光學(xué)系統(tǒng)作用過程中存在的影響，包括準(zhǔn)直發(fā)散角、光程和階梯高度等方面的影響;其二是光纖誤差所產(chǎn)生的影響，包括位置偏差、角度偏差以及兩方面同時作用下產(chǎn)生的影響。這些方面對最終的耦合率都會產(chǎn)生一定的影響，在進行設(shè)計過程中，要能夠?qū)ζ湄撁孀饔帽M量予以避免，從而提高整體設(shè)計效果，為我國相關(guān)行業(yè)的發(fā)展做出貢獻。

參考文獻：

[1]毛久兵，楊偉，馮曉娟，吳圣陶，楊平，劉恒，楊劍.光電互聯(lián)電路中激光器與光纖間接耦合仿真分析[J].電子機械工程，2019，35（01）：50-54.

[2]鄔華春，姚志，任俊鵬，薛紅杰.單通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器內(nèi)部耦合損耗的分配優(yōu)化設(shè)計研究[J].西安航空學(xué)院學(xué)報，2018，36（05）：82-86.

[3]吳華玲，郭林輝，余俊宏，高松信，武德勇.150W級小芯徑DL尾纖輸出光源設(shè)計及實驗研究[J].激光與紅外，2017，47（02）：174-178.