基于ZEMAX的多光束半导体激光器光纤耦合设计

刘畅，别光

（长春中国光学科学技术馆，长春　130117）

基于ZEMAX的多光束半导体激光器光纤耦合设计

刘畅，别光

（长春中国光学科学技术馆，长春130117）

基于ZEMAX模拟了一组多光束半导体激光器的光纤耦合模块，采用14支波长为808nm的输出功率为60W的线列阵激光二极管作为耦合光源，采用偏振技术实现多光路的合束，最终耦合进入芯径400μm，NA为0.22的光纤中，最终输出功率超800W，耦合效率达97%，实现了高效耦合，并对光纤对接过程中的耦合效率进行了分析。

ZEMAX；偏振合束；耦合效率；误差分析

随着“超晶格”概念的出现，低维物理理论以及MBE、MOCVD等外延新工艺技术的发展，量子阱结构半导体激光器由此产生，这使得大输出功率的半导体激光器开始了它的实用化之路，如在民用方面的光通信、激光存储、激光打印机、激光测量、激光光谱以及泵浦光源等；在军用方面的激光武器、激光制导、激光引信等［1-3］。

然而，半导体激光器本身存在着缺陷，由于其垂直于发射带的快轴发光面通常只有1μm左右，很薄，而发散角却可达到30°～60°；但是慢轴发光面却较宽，在100μm左右，而光束发散角却仅有8°～12°［4］。这就造成了它的输出光束的不对称化，影响光束质量，难以直接耦合进入具有理想芯径的光纤中，这时就需要光纤耦合系统来改善光束质量这一问题，使其符合耦合条件，耦合进入光纤中。

本文使用ZEMAX仿真模拟了14支波长为808nm的输出功率为60W的线列阵激光二极管（Laser Diode Bar）作为光源的光纤耦合系统，每个Bar的发散角为10°（慢轴方向）×36°（快轴方向），单个发光点的发光尺寸为100μm（慢轴方向）×1.4 μm（快轴方向），并最终得到了一个较高的耦合效率，并对光纤耦合系统进行了误差分析，为实际的器件封装过程提供了基础。

1　合束技术

实现输出高功率、高亮度、高光束质量的激光光束对于半导体激光器的应用十分重要，而提高功率及亮度最直接有效的方法就是对多束激光进行合束。对于半导体激光器的合束技术主要有以下三种方法：空间合束、偏振合束、波长合束，这些合束技术都是非相干的合束方法［5］。

空间合束就是将半导体激光巴条在空间排列时产生的一些不发光区域通过某些方法填充上［6］。这种技术在提高输出功率的同时会在一定程度上改变光束质量，但是该技术是相对简单的提高半导体激光器功率的方法，其工作原理如图1所示。

图1　空间合束示意图

由于半导体激光器出射光束具有偏振态，故可以通过偏振耦合镜将两束激光合成一束。偏振合束就是将偏振态互相垂直的两束光合成为一束的过程，通过偏振合束器时一束激光发生全反射，一束激光发生全透射，这个过程如同偏振分束棱镜的逆运用［7］。偏振合束可以在不改变光束质量的前提下增加输出功率，其过程如图2所示。

当要将两个或两个以上具有不同波长的半导体激光器射出的光束合成一束时，需要通过波长合束器来实现，这就是波长合束技术，其过程如图3所示［8］。该方法也能在基本维持光束质量的同时增加输出功率。一般情况下，用各种色散元件作为波长合束器，可将具有N种波长的激光光束的亮度提高近N倍。波长合束技术的关键就在于合束膜的容纳能力。

图2　偏振合束示意图

图3　波长合束示意图

本文使用的LD为单一波长，故选择的合束方式为偏振合束，使一组光束发生全透射，另一组光束发生全反射，以此来提高总体的光束亮度。

2　光纤耦合系统的仿真模拟

LD的大发散角使光束准直成为光纤耦合必须进行的第一步。首先，由于快轴发散角很大，达到36°，若不先对其进行准直，将会造成极大的像散，本文采用D型柱面镜对快轴进行准直。慢轴方向发散角虽然相对较小，但是由于慢轴方向发光尺寸较大，所以该方向上的BPP值较大，就必须对其进行准直，提高慢轴方向的光束质量。慢轴准直结果将影响能耦合进入的光纤芯径值，本文将采用微透镜阵列分别对每一LD Bar进行慢轴准直。准直后的参数如表1所示。

表1　准直前后光束参数

图4　偏振合束后的光斑图

为达到高功率高亮度的目的，故不仅仅使用一组叠阵，需要将多路光束合成一束，利用半导体激光器本身的偏振性，采用了偏振合束技术来实现了多光路的合束，同时获得大的功率输出。偏振合束后的光斑如图4所示。

偏振合束后的输出功率达837.63W，达到了在增加功率的同时几乎不改变光束质量的目的。

图5　聚焦示意图

经过合束的激光光束的尺寸仍然是大于光纤芯径的，这时就需要聚焦模块来进行对光束的汇聚，使光束最终能耦合进入目标光纤中。聚焦过程示意图如图5所示，聚焦前后光束半高为h、h′，发散半角为θ、θ′，若要耦合进入芯径为400μm，则需要满足如下条件：

可得出聚焦镜的焦距范围：

根据上述式子，可以算出聚焦镜在快、慢轴方向上的焦距范围不重合，这就不能直接使用具有同一焦距的聚焦镜进行耦合。故先对慢轴光束的发散角进行调整，使其焦距有重合范围，这就是聚焦过程，整个光纤耦合系统的光路示意图如图6所示。

图6　光纤耦合系统示意图

图7为光纤端面处的激光束的光斑形状，从图中可以得出，整个光纤耦合系统的输出功率为821.78W，光纤耦合效率达97.83%。

图7　光纤端面光斑图

3　耦合效率分析

在实际的装调过程中，半导体激光器和光纤进行对接时会产生垂轴误差、轴向误差和角向误差，这些误差都将造成耦合效率不同程度的降低。应用ZEMAX软件对这三个误差进行分析，分别得出垂轴误差、轴向误差和角向误差对耦合效率的影响情况。

首先分析垂轴误差，垂轴误差就是对接时，由于两光轴在垂直方向上为在同一水平线上造成的，其造成的影响如图8所示；其次是轴向误差，轴向误差就是光纤未放置在最佳的耦合位置上，造成了耦合效率的下降，其耦合效率和偏移距离关系曲线图如图9所示；最后是角向误差，角向误差就是由于对接过程中，两光轴之间出现了一定的夹角而造成的误差。其耦合效率随偏移量的下降情况如图10所示。

从图中可看出，要把耦合效率下降情况控制在3%以内，就需要在半导体激光器和光纤进行对接的过程中，把垂轴误差控制在10μm以内；轴向误差控制在100μm以内；轴向误差在X方向上影响较大，应控制在52mrad以内。在光纤对接的装调过程中，只有控制好装调精度，那么对整个系统的影响将不会很大，但是装调精度若是控制的不好，将影响整个光纤耦合系统的最终效果。

图9　轴向误差曲线图

图10　角向误差曲线图

4　总结

设计并模拟了基于ZEMAX的多光束光纤耦合系统，该系统有效的避免了复杂的光束整形过程，获得了较高的光纤耦合效率，实现了超八百瓦的功率输出，耦合进入了d=400μm，NA=0.22的光纤中，并且耦合效率超过97%。并分析了光纤对接误差对耦合效率的影响，为实现极高亮度半导体激光器的多光束光纤耦合系统提供理论依据以及技术支持。

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Fiber Coupling Design of Multiple Beam Semiconductor Laser Based on ZEMAX

LIU Chang，BIE Guang
（Changchun China Optical Science and Technology Museum，Changchun 130117）

The paper simulate the actual situation of fiber coupling of multiple beam semiconductor based on ZEMAX，using fourteen pieces of mini-bar that its output power is 60W are arranged in two stack arrays as laser source by polarization multiplexing.The beam could be coupled into the fiber of 400μmcore diameter with 0.22 numerical aperture. The output power is more than 800W and the coupling efficiency is about 97%.It is analysed that the system coupling efficiency can be affected by alignment error of fiber and optical elements.

ZEMAX；polarization beam；coupling efficiency；error analysis

TN248

A

1672-9870（2015）05-0022-04

2015-07-10

刘畅（1986-），女，硕士，E-mail：liuchang306532@163.com