一種半導體激光器多模光纖耦合技術

金阿立 周斌 喬顯金 周樹陽 楊發倫

摘? ?要：用于激光夜視監控系統的半導體激光器發出的光束通常是橢圓高斯光束。為了克服其高階模的不均勻性、大垂直發散角等問題，需要利用光纖耦合技術對激光光束進行整形和光斑均勻化處理，以便于工程應用。在分析光纖耦合技術原理及耦合損耗的基礎上，對半導體激光器與多模光纖耦合問題進行討論，給出可行的耦合工藝方法，實現了光斑的均勻化輸出。

關鍵詞：半導體激光器? 光纖耦合? 整形? 光斑均勻化

中圖分類號：TN248;TN25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0099-03

半導體激光器可用于激光夜視監控系統等中遠距離照明場合，為了克服其高階模不均勻性、大垂直發散角等問題，需要進行光纖耦合。其目的是將激光光束低損耗地耦合到系統中，通過壓縮光束發散角或光束束腰半徑實現光束整形，以改善遠場對稱性和光斑形狀，便于工程應用。半導體激光器與光纖耦合技術一直是近年來的重要研究方向，產生了如單模光纖耦合、單管多模光纖耦合、列陣大功率光纖耦合等耦合系統。其中，國外多模光纖耦合可從芯徑100μm得到30W以上功率。國內半導體激光器芯片的制作工藝還存在一定差距，比如出光面尺寸較大，發散角內光功率占比比較低等。本文根據照明激光光源整形和均勻化要求，采用多模光纖耦合技術，對半導體激光器輸出光斑進行耦合處理，以實現中等輸出功率和中等距離的激光照明效果。

1? 半導體激光器光纖耦合原理

半導體激光器有源區截面的尺寸通常比較小，單模一般為0.15μm×（2～4）μm，多模為1μm×（100～200）μm，其遠場為橢圓高斯光束，存在較大的發散角，特別是在垂直于結平面上的光束，其發散角（）約為40°[3]。

在高斯近似條件下，可以將激光基模輸出的場分布寫為：

式中，Ψ0為場振幅Ψ0，ω0x為平行于結平面的光束束腰半徑，ω0v為垂直于結平面上光束束腰半徑。設在近軸條件下，耦合系統以ABCD傳輸矩陣表示，則經過光纖耦合系統變換后，在輸出端面上的場分布為：

式中，

式中，為新振幅;k為傳播常數;λ0為真空中的激光波長;Rx、Ry為等相位面曲;率半徑ωx，ωy為光斑半徑。

在近軸條件下得到的公式（2），需要針對大發散角高斯光束修正。對于單模光纖，當其歸一化頻率V大于0.75時，導波本征模為：

式中，r為極坐標，。

若已知單模光纖的ΨF和具體形式，可依據下式得到單模光纖耦合效率：

式中，Rj為系統第j個光學界面的總反射率。

對于多模光纖耦合問題，采用光線追跡法則更為簡便。考慮到多模光纖芯徑遠大于導波波長，采用光線追跡法討論該問題可保證足夠精度。將激光高斯光束分解為Nj根光線，經耦合系統后，若進入光纖芯內并形成穩定傳輸模式的光線數量為Ni（入射角小于多模光纖數值孔徑），則耦合效率為：

2? 半導體激光器與多模光纖耦合

對于以多模形式為主的中等功率以上半導體激光器，通常采用與大芯徑的多模光纖耦合，才可獲得大功率輸出（從幾瓦到幾百瓦）[4]，十分適用于激光也是監控系統的距離照明。

2.1 單管耦合原理及性能分析

要保證高效率光纖耦合，必須盡可能減小光束質量損失，因此在耦合工藝上應將光束整形為域光纖芯端面相似大小和形狀。但另一方面，激光光束特性在水平和垂直方向上并不對稱。在發散角較小的水平方向上，光束質量較差，光束特性介于高斯光束和幾何光束之間;在發散角較大的垂直方向上，光束質量接近衍射基線，呈高斯分布。為簡化討論，我們采用幾何光學近似，將激光束視為由水平和垂直兩個方向上的兩個點光源發射，于是得到端面尺寸為1μm×（100～200）μm，如圖1所示。其中，水平方向上的點光源在半導體窗口后約2mm處，垂直方向上點光源緊貼于半導體窗口后（不大于2μm）。

由圖1可知，半導體激光器光束形狀極不對稱，垂直方向上發散角一般為40°（數值孔徑約為0.34），而通常光纖的數值孔徑為0.22，因此需要在該方向上進行準直;水平方向上，對于中等功率以上半導體激光器，其發射窗口的條寬在200μm以上，而光纖芯徑一般小于200μm，因此需要在該方向上進行聚焦。

圖2給出了多模光纖耦合系統的結構原理圖。采用微型柱透鏡對垂直方向進行準直，其尺寸為Φ200μm×720μm，鍍808nm增透膜，采用球透鏡或自聚焦透鏡進行聚焦。

對于圓柱或球透鏡，焦距為：

式中，n為透鏡折射率，r為光學面曲率半徑。

由式（9）可知，為提高聚焦能力，應采用大折射率材料，如直徑為2mm的石英球透鏡，其焦距僅為1.1mm。

利用透鏡整形，針對不同光纖芯徑的激光照明實驗可得如圖3所示光斑圖樣。其中，400μm光纖芯徑經透鏡整形，照明光斑十分不均勻，100μm光纖芯徑的照明光斑亮暗對比過于明顯，相對而言200μm光纖芯徑的效果最好。

為了耦合系統更為簡單實用，我們采用一種光纖頭特殊處理技術，即將平面光纖研磨成特殊形狀，從而省略了自聚焦透鏡，如圖4所示。

我們以5W單管半導體激光器為例，對上述四種錐角尺寸光纖頭進行了試驗，其結果如表1所示。

由表1可知，不同光纖芯徑可選擇不同耦合技術，如對于400μm光纖芯徑，采用平頭直接耦合方法，可得到94%的耦合效率，且生產成本基數低;對于100μm光纖芯徑，選擇錐球面直接耦合或錐球面+圓柱透鏡耦合，都可較平頭直接耦合或平頭+圓柱透鏡耦合提高1倍耦合效率，不過成本增加了3～4成。本文將采用平頭+圓柱透鏡工藝方法。

2.2 平頭光纖+圓柱透鏡工藝

平頭光纖+圓柱透鏡的耦合工藝，主要是采用柱透鏡進行光束快軸預準直，如圖5所示，為柱透鏡光纖耦合示意圖。在實際應用中，通常采用一根100μm光纖代替圓柱透鏡。其工藝過程大體分為三步。首先，將光纖的涂覆層剝離;其次，利用六維調整架對裸露光纖進行調整，實現光束預準直;最后，粘貼到熱沉上。

通過預準直，激光光束質量可得到顯著提升，快軸發散角壓縮到3°～5°。預準直后，利用光纖夾具將制備好的光纖一同安裝到六維調整架上。

3? 封裝、測試及老化實驗分析

封裝，是利用激光焊接、注膠、機械定位等方法，將半導體激光器與光纖安裝到銅制盒體內，以便使用。盒體設計主要基于兩種考慮，散熱性和空間結構。良好的散熱可保證系統正常運行，從而避免因盒體過熱燒壞系統，散熱上應考慮激光管、光纖與熱沉之間的散熱性，一級熱沉與二級熱沉之間的散熱性，以及二級熱沉與盒體之間的散熱性;盒體空間設計上，應合理安排各元器件的相對位置，以便節省空間，節約成本。圖6為自行設計的盒體樣本的內部結構。

光纖耦合系統完成封裝后，應進行測試和老化試驗。實驗結果分別如圖7、圖8所示。其中圖7為光纖耦合后的輸出光斑圖樣，與圖3給出的三組光斑圖樣相比，該輸出光斑具有較好均勻化。圖8為光纖耦合前后的P-I特性曲線。

由P-I特性曲線可知，半導體激光器通過準直后，其準直效率為97%，耦合進入光纖的耦合效率達到87%以上。對于常用于紅外激光照明的單管半導體激光器，若其功率為1.5W～2W，經測算可實現150～300m距離上的照明。

上述單管半導體激光器利用單根光纖耦合，可得到中等輸出功率（1.5～2W）的激光照明，實現中等距離的夜間監視。若需大輸出功率激光照明，可采用多管疊加耦合的方法，以滿足數公里的遠距離需求，例如3個疊加可得到5～6W輸出功率，19個疊加可得到30～40W輸出功率。但這種疊加存在的主要問題是體積較大，功率密度較低，得到的光束質量一般。

4? 結語

為滿足激光夜視監控系統的照明需求，本文利用光纖耦合原理實現了激光器的整形處理。在給出光纖耦合原理基礎上，從原理、工藝、測試等方面對半導體激光器與多模光纖耦合問題進行了研究。單管半導體激光器通過單根光纖耦合后可得到圓光斑，再通過光學系統可以實現發散角壓縮，獲得中等輸出功率和中等距離照明。針對大功率輸出和遠距離照明，考慮采用列陣耦合得到多纖芯捆綁的大芯徑光纖輸出激光器，將另文討論。

參考文獻

[1] 黃德修，劉雪峰.半導體激光器及其應用[M].北京：國防工業出版社，1999.

[2] 黃德修.半導體光電子學[M].西安：電子科技大學出版社，1994.

[3] 趙發英，張全.平端光纖與錐形球透鏡光纖的耦合[J]. 光子學報，2003，32（2）：218-220.

[4] 于海鷹.半導體激光器與光纖高效耦合特性的研究[D]. 北京工業大學，2006.

[5] 許孝芳，李麗娜.高功率半導體激光器列陣光纖耦合模塊[J].紅外與激光工程，2006，35（1）：86-88.