基于TO单管的10W绿光LD光纤耦合模块

王智宁，于海娟，周闯 ，赵鹏飞 ，孙艳军

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.中国科学院半导体研究所 全固态光源实验室，北京 100083；3.北京市全固态激光先进制造工程技术研究中心，北京 100083）

半导体激光器（LD）具有效率高、体积小、寿命长、可靠性好等优点，广泛应用于材料加工、显示、成像、通讯、信息存储、医学、生物学、检测与计量以及军用激光技术等多个学科领域，且极大地促进了这些领域的快速发展［1］。近年来，在直接半导体激光工业加工应用以及大功率光纤激光器泵浦需求的推动下，近红外波段的LD获得飞速发展，单发光点的输出功率已经提高到几十瓦，组束集成系统的输出功率已经达到几十千瓦［2-5］。相比近红外波段LD，可见光波段LD的输出功率仍处于较低水平，尤其是绿光LD实现高功率输出仍是当前面临的一个挑战［6，7］。早在上世纪九十年代人们就开始研究蓝绿光LD，并在1996年研制出第一支基于InGaN量子阱结构的405nm LD［8］，但在此之后，由于InGaN量子阱的物理和材料特性，波段移向绿光时效率大幅度降低，形成了“绿光缺口”。直到2009年欧司朗、日亚和住友推出了真正意义上的515nm～530nm的绿光LD［9］，绿光LD才逐渐进入实用阶段。虽然采用倍频技术可获得绿光固体激光器，但相比之下绿光LD体积更小、更稳定、更廉价，也更适合商业应用，例如，绿光指示笔中绿光LD逐渐替代了固体绿光激光器。2013年，日亚公司采用AlInGaN材料成功研制出TO封装的1W、525nm的绿光LD单管，电光效率14.1%，寿命约15000h［10］，该产品的出现使得红绿蓝LD都达到了瓦级水准，激光显示的三原色变得完整，在微型投影仪中获得广泛应用。2017年，Dilas推出了世界首款基于TO单管的绿光LD光纤耦合模块，传输光纤芯径200μm，输出功率2W，电光转换效率10%［11］，是钛宝石激光振荡器较为理想的泵浦源，但对更高功率的绿光LD光纤合耦模块的需求，市场尚不能满足。

为此，本文设计了高功率光纤耦合输出绿光LD模块。选用20支波长520nm、输出功率1W的TO封装的绿光LD单管进行实验，依次通过光束准直、空间合束、扩束整形与光纤耦合技术实现了400μm光纤耦合输出10W的绿光LD光纤耦合模块，并对其光电特性进行了测试。

1 实验原理

为了获得高功率的绿光输出，实验采取多单管快慢轴空间合束的方式，其结构如图1所示，所采用的单管是日亚公司生产的TO封装的1W绿光单管。将经过快慢轴准直的20支单管分为两组，每组10支对单管进行快轴组束（x方向），然后两组单管进行慢轴组束（y方向），最终形成10×2的光斑分布。然后根据光纤参数积和组束光束参数积的匹配关系进行光束缩束，最终经过聚焦透镜组耦合进一条芯径400μm、数值孔径0.2的光纤内。

图1 绿光光纤耦合模块结构图

在半导体激光器光纤耦合中，通常使用光参数积（BPP）这个概念来评价光束质量，其定义为：［12，13］

式中，d0表示光斑束腰半径，θ0表示光斑远场发散半角，BPP表示其光束质量。即单管的光束质量可以表示为其光束束腰的半宽度乘以所对应的发散半角。

1.1 单管的快慢轴准直

实验中，采用日亚公司生产的中心波长为520nm的绿光TO单管，详细参数如表1所示。

表1 绿光单管半导体激光器的主要参数

绿光单管为TO封装形式，TO单管的发光点与外表面有1mm的距离，如图2所示。由表1可知，绿光单管快轴方向的发散角大于慢轴方向的发散角，但发光面在快轴方向的宽度远小于慢轴方向的宽度，因此其快轴方向的光束质量要远好于慢轴方向的光束质量。

图2 绿光TO单管

根据绿光单管的基本参数，可由（1）式计算其初始的光束质量：

式中，BPPf1是裸单管快轴方向的光束质量，BPPs1是裸单管慢轴方向的光束质量。在实验时，首先要对单管进行快慢轴准直。由于单管的输出光束在快轴方向发散角极大，为减小准直后产生的像差，通过Zemax软件设计了非球面的柱透镜作为其快轴准直镜（FAC）。根据TO封装单管的特点，将FAC的后焦距设计为1.9mm，准直后快轴方向的光斑宽度为3.5mm。慢轴发散角虽相对较小，但为了更好的消除准直后产生的像差，设计了两片式结构的慢轴准直透镜（SAC），其后焦距为37.2mm，准直后慢轴方向的光斑宽度为7mm，图3（a）和（b）分别为绿光LD单管快慢轴的准直示意图。准直后的光斑近似为矩形，光强呈平顶分布，其大小为（3.5×7）mm。考虑到镜片的加工误差、装调误差等因素，准直后的光束质量会大于裸管的光束质量，在后续的设计中应该以准直后实际测量的光束质量作为输入参数去进行光束的整形与光纤耦合等设计。表2为实际测量的单管半导体激光器准直后快慢轴方向的光束质量。

图3 快慢轴准直原理图

表2 单管半导体激光器准直后快慢轴方向的光束质量

1.2 空间合束及缩束

为了获得高功率绿光输出，实验采用快慢轴两个方向空间合束的方式进行功率扩展，这种方法有效的利用了空间位置。采用20支绿光单管，将绿光单管的快轴方向垂直放置，慢轴方向水平放置，10支单管为一组，用反射镜使其在快轴方向叠加，两组单管通过设置高度差在慢轴方向进行叠加，如图4所示。

图4 空间合束原理图

空间合束后即形成10×2的光斑组束。由于光斑之间不能做到完全消除暗区，假设在快轴方向的光斑间隔为0.5mm，慢轴方向的光斑间隔为1mm，最终形成的光斑大小为：

式中，Dfast表示空间合束后快轴方向的光束长度，Dslow表示空间合束后慢轴方向的光束长度。空闲合束后的光斑的光束质量为：

式中，BPPf2表示空间合束后快轴方向的光束质量，BPPS2表示空间合束后慢轴方向的光束质量。空间合束后，组束光束的光斑为离散的矩形状光斑，大小约为35mm×15mm，光斑较大。因组束光束在快慢轴的光束质量比较接近，为提高光纤的耦合效率，组束光斑在聚焦前应该进行放缩使得两个正交方向的宽度大致相同。由于通常使用的聚焦镜的直径为25mm，因此选择缩束比为2.3∶1的伽利略望远镜结构的柱透镜组将快轴方向的光斑由35mm压缩到15mm，最终组束光斑的尺寸为15mm×15mm。

1.3 光束的聚焦及光纤耦合

光纤耦合时最小的光斑尺寸等于光束的BPP与光纤的最大接收角之比。对于矩形光斑，快轴和慢轴方向的最小光斑计算公式相同［14，15］：

式（8）、（9）、（10）中DfFA和DfSA分别表示快慢轴光纤耦合的最小光斑直径，Df表示光纤耦合时的光斑直径。NFA和NSA分别表示快慢轴的单管个数。ωFA和ωSA分别表示快慢轴的半宽度，θFA和θSA分别表示快慢轴的发散角。理论上，聚焦后快慢轴的光斑需小于光纤芯径的1/2倍，发散角需小于光纤数值孔径的1/2倍。

通过（8）、（9）、（10）可以推算出光纤耦合前的最小光斑尺寸约为280μm，因此选用一个标准的芯径400μm、数值孔径0.2的光纤来进行光纤耦合，为使合束后的光束高效耦合进光纤，需满足以下条件［16-18］：

式（11）、（13）中Dlaser表示聚焦后的光斑大小，Df表示光纤芯径。θlaser表示光斑聚焦后的远场发散角，θf表示光纤的最大接收半角。ω′FA和ω′SA分别表示快慢轴缩束后的宽度，θ′max表示快慢轴准直后的发散角的最大值，flaser表示聚焦镜的焦距。将组束光束参数与光纤参数代入式（11）-（14），可获得满足条件的耦合透镜焦距：

根据（15）式设计焦距为55mm消像差透镜组作为耦合透镜，光束通过耦合透镜聚焦后的光斑如图5所示。模拟结果显示光斑的最大直径小于400μm，并且耦合效率在98%以上。如图5所示为光斑聚焦后的示意图。

图5 模拟中的光斑聚焦图

2 实验与结果分析

TO绿光半导体单管的电光转换效率为14%，有86%的热量需通过热沉导出，否则会引起有源区温度升高，导致波长红移、阈值电流增大、输出功率和电光转换效率降低、寿命缩短甚至失效等一系列问题。实验采用铜热层、水冷方式进行散热处理，整个实验装置如图6所示。

图6 实验装置图

实验发现，快慢轴的准直透镜粘贴精度对后期的光纤耦合效率影响极大，少许误差就会使得耦合效率大幅度降低。实验通过CCD进行调试并观察近场与远场的光斑大小，与模拟光斑进行比较，找到最佳位置并通过紫外胶固定。由于镜片加工的精度及紫外胶固化时的形变，使单管准直后的光束质量大于理论值。将20支准直后的单管分为两组按图1所示进行进行快慢轴合束，然后对组束光斑进行缩束，最终获得一束15mm×15mm的矩形光束，经测试该处的光功率为12W。光束通过耦合透镜聚焦后，可获得如图7所示的聚焦光斑。该光斑近似为一圆形，由于15mm×15mm的方形光斑在正交的两个方向光束质量存在差异，且在空间合束的过程中上下两排光束没有做到完全一致，使得聚焦后快轴方向的光斑略大于慢轴方向的光斑。在室温下通过测试不同工作电流下的光纤耦合前后的输出功率，获得该组束模块的功率-电流特性曲线，如图8所示。当模块在1.5A电流激励下连续输出功率达到10.1W，光纤的耦合效率约为84.2%。实验中所使用的高能光纤端面没有镀膜，产生菲涅尔反射，两个端面各损失了大约4%的能量，其余为耦合透镜的透射损耗和光纤端面的衍射损耗。

图7 聚焦后的光斑图

图8 耦合前后功率-电流特性曲线

3 结论

采用Zemax设计了光纤输出的绿光半导体激光模块，实验上将20支520nm的TO封装绿光单管通过快慢轴空间合束、光束缩束、聚焦，耦合进芯径400μm、数值孔径为0.22的光纤中，光纤输出功率10.1W，光纤耦合效率84.2%。下一步改进，可通过改善快轴准直、光纤端面镀膜等方法提高光纤的输出功率。在此模块基础上进行偏振合束，可使输出功率翻倍，为激光显示和泵浦钛宝石激光器提供高功率绿光半导体光源。

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