高亮度小芯径半导体激光器光纤耦合设计

摘 要：半导体激光器在工业、医疗、通讯等各种领域的应用范围愈加广泛，为人类科研水平的提高和社会经济的发展做出了巨大的贡献，同时对半导体激光器光纤耦合的精度度要求也不断提高。世界各国的相关科研机构在此方面的研究中投入了较大的精力，为了其设计水平的提高而不断努力，本文从半导体激光器的基本原理和光纤的耦合方法出发，简略分析了小芯径的光纤耦合设计的要点。

关键词：半导体激光器;高亮度;光纤;耦合

微波激光器在世界上的应用已经有数十年的历史，在长期的历史发展过程中，其应用范围不断广泛，对其精度要求也不断提升，其产品整体发展逐渐朝向体积小、功率大、亮度高的方向发展。在相关研究水平不断提升的情况下，目前已经研究出垂直腔面的激光器，其能够在改变发光区结构的同时，使输出光束的发散角趋于集中，并且与多模光纤进行耦合，从而尽量提高耦合效率，以提升信号传输的实际效果。

1、亮度的含义及其影响因素

在一般科学原理中，脱离光源的指向方向来讨论亮度是没有意义的，亮度是作用于单位面积上某一个方面的单位立体角内，光源所发射的功率。激光的应用是基于光线在发射方向的高度集中而实现的。半导体激光器的亮度与两个方面的因素具有函数上的关系，一是光束质量M2，另一个则是光参数乘积BPP。在光束质量M2的值趋向于1的情况下，光参数乘积也会逐渐变小，这时候半导体激光器所输出的光质量也就不断提高[1]。光波在空间的传播过程中，会依照一定的角度进行展开，其远场发散角θ的值越小，光参数乘积也会随之变小，在激光的光参数乘积小于光纤的光参数积时，才能满足激光与光纤耦合的需要。在大功率的半导体激光器的研发过程中，会存在一定的固有影响，例如发光区的光是呈近线性分布的，还不可避免的呈现弯曲的状况;激光的慢轴发散角（平行于结平面方向）小于快轴发散角（垂直于结平面方向）;在芯片进行电流输入的过程中，会造成慢轴方向的发散角也逐渐增大。目前国内在这方面的研究中与国际先进水平之间的差距主要集中在三个方面：芯径、功率和耦合率。

2、光纖耦合的必要性及其方法

2.1 光纤耦合研究的意义

将半导体激光器与光纤进行耦合，其过程就是把激光进行整形之后，射入一根光纤中，通过光纤将激光的特性更加完美的发挥出来，这样一方面可以把多芯片阵列同时耦合到同一光纤之内，进而提高其整体功率;另一方面则可以根据实际工作的需求，进行不同方式和不同规格的耦合设计，从而在满足不同应用领域需求的同时，达到更加便捷和高效的应用目的。

2.2 光纤耦合的方式

在现行的技术应用过程中，半导体激光器进行光纤耦合时，根据其作用方式的不同，有直接耦合和见解耦合两种方式[2]。直接耦合就是在不对激光进行光学整形的情况下，直接把半导体激光器发射出来的光束与光纤进行对接。采用这种方式的情况下，为了达到更好的耦合目的，需要对半导体激光器本身进行改进，或者将光纤的端头部分进行研磨处理。直接耦合的方式具有操作简单，生产成本低，总体积小等各方面的特点，但是其技术要求比较高，一般应用于通信等高速光纤领域，具有较为广泛的应用范围。间接耦合的作用方式则是完全相反，其不对半导体激光器进行作用，而是在对激光进行光束整形之后，使其发散角能够压缩到要求的范围之内，从而将聚焦光斑耦合到光纤之内。在实际应用过程中，需要对光路系统进行设计，从而使其满足半导体激光器阵列的需要。

3、间接耦合方式的要点

在进行间接耦合时，需要对光学系统进行必须的光束整形，才能把聚光斑耦合到光纤内，其过程一般情形下包括准直、合束、扩束和会聚等几个部分，本文简略对这几部分予以说明。

3.1 准直

对激光光束进行准直的目的是为了减少由于弥散损失的存在而对光纤耦合产生的损耗作用，与此同时，其还能够通过对快、慢轴发散角进行最大程度的压缩，从而提高整体耦合效率。常用的准直方法由于其应用材料、物理原理和误差大小等方面的因素的不同，而具有不同的准直效果。一般情况下基于K9、BK7材料为基础的球面透镜是应用范围最为广泛的准直透镜，但是由于像散现象的存在，在单独采用球面镜准直的情况下，无法确保快、慢轴两个方向同时达到要求的目标，这时候就需要借助于柱透镜准直的方式对这一缺陷进行完善[3]。而在采用非球面透镜的情况下，能借助于其凹陷现象的存在，消除光束中的像差，减少光能损失，能够尽量提高半导体激光器的耦合效率。此外还有梯度折射率透镜，其折射率会在半径方向上产生渐变，这一系统由于其操作方式比较简单，并且调试难度比较低，常被称为是自聚焦准直系统，但是其相对于其他系统而言，整体效果比较差。

3.2 合束

光的合束根据其作用位置和方式的不同，可以分为相干合束和非相干合束，两种方式作用的目的都是为了提高光束峰值和激光功率，本文所说明的是非相干光束，其是在利用对应光学元件的基础上，对输出光束进行整形，在只改变能量而不改变激光相位的基础上，来提高激光的功率。其作用方式包括空间合束、波长合束和偏振合束三种方式。空间合束可以直接利用芯片输出光束叠加的方式，使单独的芯片进行准直，然后再将需要的芯片在快轴方向上进行叠加排列。这种方式具有简单、快捷的特点，并且各个子光源是独立进行工作的。但是由于其中准直作用产生后不能使光束达到完全平行的状态，所以会对整体聚焦效果产生一定的影响。波长合束的方式需要经过光栅、棱镜和波长选择器等各种元件的共同作用，才能将激光光束合并在一起，达到增加功率、提高亮度的目的，波长合束的方式在实际应用过程中能够达到较高的效率，但是要注意避免波长漂移现象带来的负面影响。而偏振合束对器械要求比较复杂，但是其产生的光斑尺寸较之前两种方式更小、分布均匀，亮度也更高，在高亮度小芯径半导体激光器光纤耦合设计中应用较为广泛。

3.3 扩束

扩束的作用相对比较简单，就是要改变光源由于准直、合束等作用之后所产生的差异，以便更好的将光斑尺寸进行统一，从而能够达到轴对称的结构。在进行扩束时需要注意的技术要点是要能避免扩束透镜组对亮度的损耗作用过大，从而对亮度造成影响。

3.4 会聚

会聚是指输出光束在准直环节完成之后与最终耦合进入光纤模块的中间环节，其作用主要是确保耦合光斑的直径要小于光纤的芯径，从而确保耦合作业的完成。在实际应用过程中，会聚过程的光学系统也有不同组合方法，常见的有单透镜、三片式透镜组和多透镜组等。

4、小芯径光纤耦合效率的影响因素

小芯径光纤耦合的效率受到两个方面的影响，其一是光学系统作用过程中存在的影响，包括准直发散角、光程和阶梯高度等方面的影响;其二是光纤误差所产生的影响，包括位置偏差、角度偏差以及两方面同时作用下产生的影响。这些方面对最终的耦合率都会产生一定的影响，在进行设计过程中，要能够对其负面作用尽量予以避免，从而提高整体设计效果，为我国相关行业的发展做出贡献。

参考文献：

[1]毛久兵，杨伟，冯晓娟，吴圣陶，杨平，刘恒，杨剑.光电互联电路中激光器与光纤间接耦合仿真分析[J].电子机械工程，2019，35（01）：50-54.

[2]邬华春，姚志，任俊鹏，薛红杰.单通道光纤旋转连接器内部耦合损耗的分配优化设计研究[J].西安航空学院学报，2018，36（05）：82-86.

[3]吴华玲，郭林辉，余俊宏，高松信，武德勇.150W级小芯径DL尾纤输出光源设计及实验研究[J].激光与红外，2017，47（02）：174-178.

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