高亮度小芯徑半導體激光器光纖耦合設計

唐文靜

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

關鍵詞：半導體激光器;高亮度;光纖;耦合

微波激光器在世界上的應用已經有數十年的歷史，在長期的歷史發展過程中，其應用范圍不斷廣泛，對其精度要求也不斷提升，其產品整體發展逐漸朝向體積小、功率大、亮度高的方向發展。在相關研究水平不斷提升的情況下，目前已經研究出垂直腔面的激光器，其能夠在改變發光區結構的同時，使輸出光束的發散角趨于集中，并且與多模光纖進行耦合，從而盡量提高耦合效率，以提升信號傳輸的實際效果。

1、亮度的含義及其影響因素

在一般科學原理中，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，光源所發射的功率。激光的應用是基于光線在發射方向的高度集中而實現的。半導體激光器的亮度與兩個方面的因素具有函數上的關系，一是光束質量M2，另一個則是光參數乘積BPP。在光束質量M2的值趨向于1的情況下，光參數乘積也會逐漸變小，這時候半導體激光器所輸出的光質量也就不斷提高[1]。光波在空間的傳播過程中，會依照一定的角度進行展開，其遠場發散角θ的值越小，光參數乘積也會隨之變小，在激光的光參數乘積小于光纖的光參數積時，才能滿足激光與光纖耦合的需要。在大功率的半導體激光器的研發過程中，會存在一定的固有影響，例如發光區的光是呈近線性分布的，還不可避免的呈現彎曲的狀況;激光的慢軸發散角（平行于結平面方向）小于快軸發散角（垂直于結平面方向）;在芯片進行電流輸入的過程中，會造成慢軸方向的發散角也逐漸增大。目前國內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，進而提高其整體功率;另一方面則可以根據實際工作的需求，進行不同方式和不同規格的耦合設計，從而在滿足不同應用領域需求的同時，達到更加便捷和高效的應用目的。

2.2 光纖耦合的方式

在現行的技術應用過程中，半導體激光器進行光纖耦合時，根據其作用方式的不同，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整形的情況下，直接把半導體激光器發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，生產成本低，總體積小等各方面的特點，但是其技術要求比較高，一般應用于通信等高速光纖領域，具有較為廣泛的應用范圍。間接耦合的作用方式則是完全相反，其不對半導體激光器進行作用，而是在對激光進行光束整形之后，使其發散角能夠壓縮到要求的范圍之內，從而將聚焦光斑耦合到光纖之內。在實際應用過程中，需要對光路系統進行設計，從而使其滿足半導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，需要對光學系統進行必須的光束整形，才能把聚光斑耦合到光纖內，其過程一般情形下包括準直、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 準直

對激光光束進行準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生的損耗作用，與此同時，其還能夠通過對快、慢軸發散角進行最大程度的壓縮，從而提高整體耦合效率。常用的準直方法由于其應用材料、物理原理和誤差大小等方面的因素的不同，而具有不同的準直效果。一般情況下基于K9、BK7材料為基礎的球面透鏡是應用范圍最為廣泛的準直透鏡，但是由于像散現象的存在，在單獨采用球面鏡準直的情況下，無法確保快、慢軸兩個方向同時達到要求的目標，這時候就需要借助于柱透鏡準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生漸變，這一系統由于其操作方式比較簡單，并且調試難度比較低，常被稱為是自聚焦準直系統，但是其相對于其他系統而言，整體效果比較差。

3.2 合束

光的合束根據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，其是在利用對應光學元件的基礎上，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。空間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。但是由于其中準直作用產生后不能使光束達到完全平行的狀態，所以會對整體聚焦效果產生一定的影響。波長合束的方式需要經過光柵、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象帶來的負面影響。而偏振合束對器械要求比較復雜，但是其產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體激光器光纖耦合設計中應用較為廣泛。

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直、合束等作用之后所產生的差異，以便更好的將光斑尺寸進行統一，從而能夠達到軸對稱的結構。在進行擴束時需要注意的技術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直環節完成之后與最終耦合進入光纖模塊的中間環節，其作用主要是確保耦合光斑的直徑要小于光纖的芯徑，從而確保耦合作業的完成。在實際應用過程中，會聚過程的光學系統也有不同組合方法，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，其一是光學系統作用過程中存在的影響，包括準直發散角、光程和階梯高度等方面的影響;其二是光纖誤差所產生的影響，包括位置偏差、角度偏差以及兩方面同時作用下產生的影響。這些方面對最終的耦合率都會產生一定的影響，在進行設計過程中，要能夠對其負面作用盡量予以避免，從而提高整體設計效果，為我國相關行業的發展做出貢獻。

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.單通道光纖旋轉連接器內部耦合損耗的分配優化設計研究[J].西安航空學院學報，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尾纖輸出光源設計及實驗研究[J].激光與紅外，2017，47（02）：174-178.