綠光半導體激光器單管合束及光纖耦合技術研究

趙霞焱

摘 要：近年來，隨著我國經濟的高速發展和科技的進步，光電器件與材料相關領域的研發不斷取得新進展，性能得到明顯強化，在各大領域得到廣泛應用。為進一步提高半導體激光功率，可以采用激光器單管合束及光纖耦合技術。基于此，分析研究綠光半導體激光器單管合束及光纖耦合技術，對提高儀器總功率以及將其應用于更多領域有重要的現實意義。

關鍵詞：綠光半導體激光器;單管合束;光纖耦合

中圖分類號：TN248 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）04--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.04.076

利用合束技術可以使多個半導體激光器在光纖中進行耦合，由此形成半導體激光器的光學器件，保證激光的輸出功率，提高激光束的質量。目前，國內外已廣泛使用多種紅外波段的半導體激光器，廣泛用于彩色顯示、激光印刷、高密度光盤存儲等領域，但目前對于可見光波段激光耦合模塊尤其是綠光波段的研究還很少，因此，對綠光高功率半導體激光器光纖耦合模塊進行深入研究，是當前光電器件與材料相關領域研發重點之一。

1 半導體激光器光纖耦合模塊研究

半導體激光器技術已經相對成熟，由于其具有光束不均勻性、單元功率低等特點，在一定程度上限制其應用領域。為保證半導體激光器的功率輸出，需要對激光器進行多層疊加，這會一定程度上限制光束質量。隨著半導體耦合技術的不斷發展和進步，通過使用半導體激光器進行合束，可以有效提升光束的質量，實現激光遠距離柔性傳輸。

最早的光纖是20世紀50年代研制出來的，后來被人們逐漸推廣使用[1]。在20世紀70年代，就有國外公司利用化學氣相沉積法得到了損耗較低的光纖，隨著半導體激光器的迅速發展和光纖耦合技術的發展，人們對不同類型的半導體激光器進行了大量的研究，并取得了大量的成果。

2 半導體激光器的工作原理

2.1 工作原理

半導體激光器的工作原理和其他激光器一樣，都是借助半導體中的電子躍遷而產生的光子受激，這是激光輻射的基礎原理。

在實際應用中，激光器利用半導體作為電流源，將電流注入到材料中，會引起電子的躍遷，并在半導體中形成兩個晶體的天然解理表面，即法布里—共振腔。光子受到激光輻射作用后，會在腔體中產生振動，最后達到臨界點，從而達到激光輸出的目的。為了適應各種應用的需要，半導體激光器的種類繁多，其中最基礎的是雙異質激光器和量子阱激光器。與此同時，在基礎結構應用基礎上選擇性能更佳的激光器，可以滿足更高層次的應用需求。

半導體激光器結構如圖1所示。

2.2 表面發射激光器的種類及結構

表面發射半導體激光器有很多種，其中最常用的就是垂直腔面發射激光。分布式拉格發射機主要由交替高折射率介質材料與低折射率介質材料兩種材料交替組成的周期結構，它是由多個在 DBR之間的有源區構成的。通過在反射層上增加 DBR光反饋，可以使基板的輸出部分從頂面直接輸出。

表面發射激光器價格相對便宜，集成化程度高，電流閾值低，圓形輸出光斑容易耦合，在通信領域中的應用相對較多。與邊發射激光器相比，表面發射激光器由于采用了圓對稱結構，導致橫向模式不夠穩定，極低的光子單程會在一定程度上限制輸出功率，這些都在一定程度上影響了該技術的發展。

表面發射激光器結構如圖2所示。

2.3 半導體激光束的光束特性

半導體光場的分布特征主要有近場和遠場兩種。在光束出射面距離比較近的情況下，其呈現出波長數量級的光束特性，被稱為近場分布特性。電磁波傳播到遠處之后的場（分布）則被稱為遠場分布特性。

目前所用的大功率半導體激光器均為量子阱。半導體激光器的源層結構很細，可以在一定程度上改善光束模式，并將閾值電流密度降低到合理的區間范圍。由于半導體源層本身的性質，其最直觀的特征是：光束在慢軸方向上有變化，快軸具有更大的發射角，通常集中在32°，慢軸的發射角相對較小，通常集中在8°，直接導致光束光斑呈現為橢圓形狀。

在實際應用中，半導體激光器的遠場分布特點是其主要的實現方式。一般來說，由于快軸方向的光束質量與衍射極限相近，所以在理論上，它的模型是以高斯光束為標準的。慢軸方向的發射角小且光束大，理論模型也定義為高斯光束，在描述光場分布方面一般解釋為厄米—高斯光束模式[2]。

3 半導體激光器非相干合束技術

目前，半導體激光器的合束技術方法有兩種：相干合束和非相干合束。半導體激光器利用光束準直技術和聚焦耦合技術，使多個光束單元的耦合成為可能。

在相干合束技術的應用中，采用了相位控制方法，使激光陣列各發光元件產生同一波長的光束，從而達到相干合束。相干合束技術比較煩瑣，對環境溫度較為敏感，在各種大功率激光器應用推廣難度相對較大。一般來說，非相干合束是采用空間合束、波長合束、偏振合束三種方式，在大功率激光器合束中都會使用這些技術，可以用合束方法提高光束的功率而使光束質量保持不變。與相干的合束比較，非相干合束的參數設置相對較低，操作更加簡單，應用范圍非常廣泛。

在光譜合束技術和相干合束中，使用了激光陣列合束技術。在實際使用中，許多半導體激光器都是利用光束的遠場特性來完成的。該方法的理論模型是以基膜高斯光束為基礎，在快軸方向上的光束質量與衍射極限相符合。在慢軸上，它的入射角很小，但是它的光束很大，所以它的理論模型是定義為高斯光束。

一般來說，半導體激光束的光場分布可以利用厄米—高斯光束模型來描述。因為半導體激光器的波導結構較為復雜，其快慢軸除了光點尺寸和發散角度不同外，還出現了較為嚴重的像散現象。由于像散的影響，在遠場下，半導體激光光束的快慢軸束腰分布不一致，使快慢軸的光束同心度很難得到保證。在實際的光學設計中，可以采用單透鏡，使快慢軸束腰位置一致。所以，在進行光學系統設計時，應采用多個鏡頭的組合來減小光像差，以提高耦合效率和輸出功率。

半導體激光器光束遠場特性如圖3所示。

4 光纖耦合理論

4.1 光纖耦合器

光纖耦合器是在光纖之間能靈活拆卸（活動）的器件，它將光纖兩端緊緊地貼合在一起，以最大程度地將發出的光能與接收纖維相連，并接入光纖鏈路，由此減少了對系統的影響。波導光纖耦合器通常采用Y形分支結構，其輸出的光信號可以用Y形支路進行等分。由于耦合器支路的開角越大，漏入薄層的光就越多，過剩損耗也就越大，因此，波導耦合器的開角通常在30°以下，長度也不能過短。

4.2 光導纖維

光導纖維也叫光纖，它是一種以玻璃和塑料為材料的纖維，傳輸主要依靠內部的全反射原理。光導纖維的核心是一種高折射率的玻璃，它的表面是一層薄的、低折射率的玻璃或塑料。

根據光纖折射率變化，可以分為漸變光纖和突變光纖。根據傳輸模式的不同，可以分為單模光纖和多模光纖。單模光纖和多模光纖的光纖傳播模式差別較大，單模光纖的光芯直徑比多模光纖要小，因此在光纖激光器中得到了廣泛的應用。由于高功率半導體激光器的光束品質較差，因此在光斑較大時，通常采用多模式光纖。

4.3 光纖的芯徑和數值孔徑

在光纖耦合試驗中，光纖芯徑和數值孔徑一直是研究的重點。為了使光纖能達到耦合輸出，光束通過聚焦后的最小光斑應當比光纖的中心直徑要小。不同的數值孔徑光纖，其可接受的光束角度也不盡相同，要保證光束耦合進入光纖的入射角比光纖的接收角要小，可以有效地實現光束耦合的輸出。

4.4 幾何光學耦合理論與波動光學耦合理論

從本質上講，幾何光學耦合是一種典型的光學理論。為了達到光束耦合的目的，必須使光束的反射角達到完全反射的相關要求，而光纖的芯徑必須比光斑的最大直徑大。光斑的發散角度要小于光纖的最大接收角度，為使光斑和光纖的參量相匹配，光斑的參量乘積BPP要小于光纖的參量乘積。

波光耦合論是研究光束傳輸的模式匹配問題，一般應用于單模光纖的傳輸。波光耦合和幾何光耦合均有其自身的特性，若將波動光學傳輸理論應用于單模光纖，從理論上來看會具有較高的計算難度，所以一般是采用光學理論展開研究。在光纖耦合實驗中，為提高耦合輸出效率，必須盡可能地使激光光束與光纖模場保持一致[3]。

5 綠光單管半導體激光器光纖耦合模塊光機設計

隨著半導體激光器技術的發展，單管激光器的功率不斷提高，采用光纖耦合技術來提高激光器的輸出功率已成為目前普遍采用的技術手段。

為了光纖耦合輸出達到高功率標準，必須保證半導體激光器的數目合理，使其輸出光纖的直徑不斷增大，直至數倍，但這樣可能會降低半導體激光輸出光束質量。為了使半導體激光器的光耦合效率得到一定的改善，可以采用直接使用綠光單管作為光源，采用Zimax的光學軟件直接設計實現了綠光半導體激光纖耦合模塊。利用Solidworks的機械設計軟件，根據已有的技術條件，對光纖耦合組件進行結構設計。

綠光單管的光纖耦合半導體激光器模塊光機設計采用Zemax光學設計軟件，光源直接用了40個輸出功率為1瓦的綠光TO單管，以快慢軸準直、光束分隔重排、空間合束、偏振合束以及光纖耦合技術為技術基礎，調整為200微米的光束耦合進入直徑、0.22孔徑的光纖，理論模擬具備36.5瓦的輸出功率，提高耦合效率到98%。利用Zemax光學設計軟件實現了對光纖耦合組件的跟蹤，獲得了聚焦點的光斑。

6 結語

隨著我國經濟的快速發展和科學技術的飛速進步，在光電器件及材料方面的研究工作也在不斷地取得新的發展。為了解決傳統激光技術在實際應用中所遇到的問題，需要加大綠光半導體激光器的單管合束和光纖耦合技術研究，以提高其整體功率，推動技術發展并廣泛應用于更多領域。

參考文獻

[1] 劉力寧，高欣，張曉磊，等.高亮度大功率半導體激光器光纖耦合模塊[J].發光學報，2018（2）：196-201.

[2] 張金勝，劉曉莉，崔錦江，等.高峰值功率808nm垂直腔面發射激光器列陣[J].發光學報，2014（9）：1098-1103.

[3] 胡黎明，朱洪波，王立軍.高亮度半導體激光器泵浦光纖耦合模塊[J].紅外與激光工程，2013（2）：361-365.