GaAs基高功率半導體激光器單管耦合研究

王 鑫,王翠鸞,吳 霞,朱凌妮,馬驍宇,劉素平

(中國科學院半導體研究所,北京 100083)

GaAs基高功率半導體激光器單管耦合研究

王 鑫*,王翠鸞,吳 霞,朱凌妮,馬驍宇,劉素平

(中國科學院半導體研究所,北京 100083)

設計了一種高亮度、高功率半導體激光器單管耦合輸出模塊,采用波長為975 nm的10W的GaAs基半導體激光器,將半導體激光器輸出光束耦合進數值孔徑0.18、纖芯直徑105μm的光纖中,獲得10 A電流下的輸出功率為9.37W,耦合效率為94.3%,亮度為1.64 MW/(cm2·str)。

半導體激光器;光纖耦合;亮度

1 引 言

半導體激光器歷經五十余年發展,受益于各類關聯技術、材料與工藝等的突破性進步,已發展到一個比較成熟的階段,廣泛應用于光纖通信、光纖傳感,光盤存儲、激光顯示、固體激光器泵浦等方面,已經成為光電子技術的核心器件之一[1-2]。半導體激光器具有體積小、重量輕、效率高等眾多優點,但是由于其光束質量不好,光束發散角較大,且在水平和垂直方向上存在較明顯的差異,所以需要對其進行技術改進[3]。半導體激光器的關鍵改進技術包括芯片外延生長技術、芯片封裝、激光光束整形及激光器集成技術等。在實際應用中常采取光纖耦合的方式來改善光束質量,提高亮度[4-5]。

半導體激光器的缺點是腔面束腰小,快慢軸發散角差別很大,出射光束在空間分布不對稱,激光光束高度發散,這些固有結構上的特點對耦合效率影響很大。為了得到高耦合效率,壓縮快軸發散角并經過自聚焦將光耦合進光纖是一種有效方法。在目前所報道的文獻中,關于975 nm半導體激光器單管光纖耦合模塊的研究尚未見報道。半導體激光器光纖耦合技術對器件有嚴格的要求,一般選取快慢軸發散角分別為20°～40°和8°～12°的芯片。

本文在研制大功率半導體激光器單管的基礎上,設計了一種單管耦合模塊,在半導體激光器遠場發散角較大的基礎上實現了高功率、高效率輸出。所用裝置大部分來源于國產且并無特殊加工,大大降低了成本和工藝難度,易于實現半導體激光器單管耦合技術的市場化。

2 實 驗

以自主設計研發的GaAs基975 nm半導體激光器為實驗對象,所測快軸慢軸發散角分別為60°和16.8°,10 A時的輸出功率為9.93 W。所用光纖為數值孔徑(NA)為0.18、纖芯直徑為105 μm的勻化光纖。首先利用ZEMAX軟件對單管耦合模塊進行仿真模擬,然后按模擬結果進行實驗,得出單管耦合效率為94.3%。

由于半導體激光器的光束質量較差,快慢軸發散角過大,所以在進行光纖耦合工藝前需要分別對快慢軸發散角進行整形。本實驗所用的快軸準直透鏡焦距f=200μm,折射率為1.84,透鏡厚度為0.27 mm,材料型號為S-TIH53透鏡;慢軸透鏡焦距f=4.8,折射率為1.51,透鏡厚度為2 mm,材料類型為BK7。利用如下公式可以得到光斑尺寸和發散角等參數[6]：

其中,f為透鏡焦距,ω′為經過準直透鏡之后光斑發光半尺寸,θ為快慢軸發散半角,r為準直透鏡曲率半徑,t為準直透鏡第一個面距發光面距離, d為透鏡厚度,n為透鏡折射率。計算可知ω′fast= 0.115 mm,rfast=0.168,tfast=53μm,ω′slow= 0.589 mm,rslow=2.488,tslow=3.47 mm。

為了準確地描述和評價半導體激光器光束的輸出特性,引入了光參數積(Beam parameter product,BPP)[7-8]的概念。光參數積的定義是半導體激光器出射光束的發光半尺寸(ω)與出射光束發散半角(θ)的乘積：

表1為975 nm半導體激光器在準直前后的光束參數。由表1可知,BPPslow＜BPPfast＜BPPfiber滿足光纖耦合條件,可以進行實驗操作。利用ZEM AX軟件對半導體激光器快慢軸分別進行模擬壓縮。所用的快軸透鏡材料為S-TIH53。慢軸透鏡為前曲率為2、中心厚度為3 mm的BK7透鏡。自聚焦透鏡的長為2.1 mm,直徑為1.8 mm,中心折射率為1.6。通過模擬優化,得出慢軸透鏡與自聚焦透鏡的距離為2.27 nm,單管耦合效率為96.9%。圖1為模擬的975 nm半導體激光器單管耦合光路圖,圖2為模擬的光纖端面光斑。

表1 975 nm半導體激光器在準直前后光束參數Table 1 Beam parameters of 975 nm single semiconductor laser diode before and after collimation

圖1 975 nm半導體激光器單管耦合光路圖Fig.1 Diagram of 975 nm semiconductor laser single coupling

圖2 光纖端面光斑Fig.2 Light spot of fiber

3 結果與討論

實驗所用的975 nm半導體激光器,其外延結構是以AlGaInAs為有源層、550 nm的Al0.24Ga0.76As結構為波導層、1.3μm的Al0.18Ga0.82As結構為限制層、240 nm的GaAs為緩沖層、150 nm的GaAs為接觸層,襯底為GaAs材料,如圖3所示。

經過解理、鍍膜、封裝等工藝過程,得到本次實驗所需的腔長3 500 nm、條寬90μm的975 nm半導體激光器。其輸出功率與電壓的關系曲線如圖4所示。

圖3 975 nm半導體激光器外延結構Fig.3 Epitaxial structure of semiconductor laser

圖4 975 nm半導體激光器的輸出功率與電壓曲線Fig.4 Out power-voltage characteristics of975 nm semiconductor laser

實驗中,在連續電流下利用六維調整架對半導體激光器的快軸方向進行壓縮,然后將壓縮完成后的半導體激光器放置到管殼中壓縮慢軸。測量輸出功率為9.93 W。圖5為快慢軸壓縮完成后的半導體激光器照片。

圖5 快慢軸壓縮后的半導體激光器照片Fig.5 Photo of the semiconductor laser after beam shaping

將自聚焦透鏡裝到套管中,利用六維調整架將其與半導體激光器對接,調整到功率最大,測試其輸出功率為9.37 W,計算出耦合效率為94.3%。

對于大功率半導體激光器來說,亮度是一個非常重要的參數：

式中,B是亮度,P是光纖端面處的輸出功率,KBPP是光纖光參數積。經過計算可知,單管耦合后的亮度為1.64 MW/(cm2·str)。

4 結 論

基于對半導體激光器單管光纖耦合的理論計算和ZEMAX仿真模擬,將975 nm波長的GaAs基半導體激光器單管耦合進纖芯直徑105μm、數值孔徑0.22的光纖中,耦合效率為94.3%,亮度達到1.64 MW/(cm2·str)。所用裝置大部分來源于國產且并無特殊加工,大大降低了成本和工藝難度,易于實現半導體激光器單管耦合技術的市場化。

[1]Wang L J,NingY Q,Qin L,et al.Develop of high power diode laser[J].Chin.J.Lumin.(發光學報),2015,36 (1)：1-16(in Chinese).

[2]Zhou Z P,Bo B X,Gao X,etal.Fiber coupling design of high power semiconductor laser based on ZEMAX[J].Chin. J.Lumin.(發光學報),2013,34(9)：1208-1212(in Chinese).

[3]Bo B X,Gao X,Wang L,et al.808 nm wavelength high-power fibre coupling LD[J].Chin.J.Lasers(中國激光), 1999,26(3)：193-196(in Chinese).

[4]Faircloth B.High-brightness high-power fiber coupled diode laser system formaterial processing and laser pumping[J]. SPIE,2003,4973：34-41.

[5]Chen H N,Zou YG,Xu L,etal.Fiber coupling technology ofhigh power semiconductor laser[J].J.Changchun Univ. Sci.Technol.(長春理工大學學報),2014,37(1)：6-9(in Chinese).

[6]Zhou Z P.Fiber Coupling Design of Hundred-watt High Brightness Semiconductor Lasers[D].Changchun：Changchun University Science and Technology,2014(in Chinese).

[7]Gao X,Bo B X,Zhang J,et al.High brightness operation of fiber couplingmultiplex diode lasers[J].Chin.J.Lasers (中國激光),2007,34(11)：1472-1475(in Chinese).

[8]Zhu H B,Hao M M,Peng H Y,et al.Module of fiber coupled diode laser based on 808 nm single emitters combination [J].Chin.J.Lasers(中國激光),2012,39(5)：0502001-1-5(in Chinese).

王鑫(1988-),男,吉林樺甸人,博士研究生,2014年于長春理工大學獲得碩士學位,主要從事大功率半導體激光器方面的研究。

E-mail：472098207@qq.com

Coupling Research of High Power Single GaAs Based Sem iconductor Laser

WANG Xin*,WANG Cui-luan,WU Xia,ZHU Ling-ni,MA Xiao-yu,LIU Su-ping

(Institute ofSemiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China) *Corresponding Author,E-mail：472098207@qq.com

A high brightness and high power fiber coupling laser module with single diode laser (LD)was designed and fabricated.The wavelength of GaAs semiconductor laser is 975 nm and power is 10W.The numerical aperture of the fiber is0.18 and the core diameter is105μm.When the drive current is10 A,9.37W output power is obtained from the fiber,the coupling efficiency is 94.3%,and the brightness is 1.64 MW/(cm2·str).

semiconductor laser;fiber coupling;brightness

TN248.4

A

10.3788/fgxb20153609.1018

1000-7032(2015)09-1018-04

2015-05-19;

2015-07-29