976nm单管高功率光纤耦合模块
摘 要
随着光纤激光器在工业领域的快速发展，对高功率，高亮度泵浦模块提出迫切要求。单管光纤耦合模块作为泵浦源在光纤激光器系统中具有独一无二的优势，因为它们具有高的功率转换效率和已经被证明的高可靠性，并且无需复杂水冷设备，使得整个系统的使用和维护成本大大降低。
本文首先确定了耦合所用激光器芯片及光束特性。为使芯片具有高功率密度、高可靠性，从芯片材料结构、芯片腔面工艺方面进行了相关研究。在对激光器光束特性进行分析的基础上，提出减小激光器发散角的一些措施。
根据光纤中光线传播理论，设计了耦合所用光纤微透镜参数，通过光学软件对耦合光路进行仿真，得到单管耦合到芯径105μm，数值孔径NA=0.22光纤的理论耦合效率达93%以上（未镀增透膜）。根据仿真结果，对C-mount封装的976nm激光器和所设计的光纤进行耦合试验，得到90μm条宽激光器与光纤的耦合效率大于90%，100μm条宽激光器与光纤的耦合效率接近80%，证明所设计的光纤微透镜能够使激光器实现高的耦合效率，有较好的实用性。
为使耦合模块封装更可靠，尺寸更小，采用COS（Chip on Sub mount）的封装形式。封装过程中，采用Ansys仿真软件对热沉材料和尺寸进行模拟优化；通过反复实验对芯片烧焊工艺参数进行优；为了使实际的耦合效率更接近理论值，对激光点焊耦合工艺进行了模拟优化和反复实验。
关键字：单管激光器，光纤耦合模块，光纤微透镜，耦合效率，COS封装
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High Power Fiber Coupling 976 nm Single Emitter LD
ABSTRACT
With rapid growth in fiber lasers for industrial applications there is higher demand for higher power and higher brightness laser diode pump modules. Single emitter fiber coupled modules offers unique advantage for use in fiber laser systems due to their higher power-conversion efficiency (PCE) and proven reliability. The higher PCE of the laser diode pump directly translates to higher PCE of the fiber laser, which leads to lower system cost via reduced cooling requirements.
In this paper, in order to improving LD optical output power, we do much research on materials optimization, structure optimization and cavity surface technology optimization. Then the laser diode chip use in coupling was confirmed. The beam characteristic of LD was also analyzed briefly to get smaller beam divergence.
Under guidance of theory of beam transmission in fiber，the wedge-fiber applied in coupling was designed by ray tracing theory ,then the optical circuit was simulated by Tracepro. The coupled efficiency of laser diodes with wedge-fiber 105/125μm ,NA=0.22 achieved to more than 93%. The corresponding experiment of LD with C-mount packaged was done according to the designed optic-circuit, and the coupled efficiency of 90μm emitting laser diodes is 90%, 100μm emitting laser diodes nearly 80%. Testing result and simulation result was compared and discussed, and the modules were proven practicality.
Chip on sub mount structure was adopted, which improves the packaging reliability and reduces the size of module. The materials and size of the mounts were designed by Ansys simulation, and the techniques of semiconductor lasers bonded to their sub mount were researched. Besides the coupling technology of laser welding were simulated and tested for higher coupling efficiency.
KEY WORDS: single emitter LD, fiber coupled module, fiber micro-lens, couple efficiency,
COS package
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目 录
第一章 绪论 ....................................................................... 1
§1-1 高功率光纤耦合模块的研究意义 ................................................ 1 §1-2 国内外研究现状和发展趋势 .................................................... 3 §1-3 本文研究内容 ............................................................... 5 本章小结 .......................................................................... 5
第二章半导体激光器芯片与光束特性分析 ...................................... 6
§2-1 材料结构优化 ................................................................ 6 §2-2 腔面工艺优化 ................................................................ 8
2-2-1 电流非注入腔面工艺 .............................................................................................................. 8 2-2-2 真空解理工艺 .......................................................................................................................... 9 2-2-3离子铣腔面钝化工艺 ....................................................... 9 §2-3半导体激光器光束特性分析 .................................................... 10
2-3-1 半导体激光器光束远场特性 ............................................... 11 2-3-2 影响光场特性的主要因素 ................................................. 12 本章小结 ......................................................................... 15
第三章光纤耦合理论与实验研究 ................................................ 16
§3-1光纤理论知识 ................................................................ 16
3-1-1 光纤结构与分类 ......................................................... 16 3-1-2 光纤中光线传输特性 ............................................................................................................ 17 §3-2 耦合系统的光路设计 ......................................................... 19
3-2-1 激光器光纤耦合条件 ..................................................... 19 3-2-2 激光器光纤耦合光路设计 ................................................. 19 §3-3 激光器光纤耦合系统仿真 ..................................................... 23
3-3-1 光纤模型建立 ........................................................... 23 3-3-2 光源模型建立 ........................................................... 23 3-3-3 仿真结果及分析 ......................................................... 24 §3-4 耦合试验分析 ............................................................... 25 本章小结 ......................................................................... 26
第四章光纤耦合模块的封装技术 ................................................ 27
§4-1半导体激光器的封装 .......................................................... 27
4-1-1热沉的优化 .............................................................. 28 4-1-2 烧焊工艺优化 ........................................................... 31 §4-2光纤耦合工艺研究 ............................................................ 32
4-2-1耦合调试 ................................................................ 32
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4-2-2激光点焊工艺优化 ........................................................ 32 §4-3模块整体结构 ................................................................ 35
4-3-1模块内部结构 ............................................................ 35 4-3-2模块封帽 ................................................................ 36 本章小结 ......................................................................... 37
第五章 光纤耦合模块的测试与分析 ............................................ 38
§5-1耦合模块测试 ................................................................ 38
5-1-1 电-光特性 .............................................................. 38 5-1-2 温度特性 ............................................................... 38 5-1-3 光场特性 ............................................................... 39 5-1-4 热阻测试 ............................................................... 39 §5-2 耦合模块试验分析 ........................................................... 40
5-2-1 耦合效率误差分析 ....................................................... 40
第六章 总结 ...................................................................... 42 参考文献 .......................................................................... 43 致 谢 .............................................................................. 45
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第一章 绪论
§1-1 高功率光纤耦合模块的研究意义
半导体激光器的光波导存在较强的非对称性，其输出光束在垂直结方向和平行结方向发散角差别较大，使半导体激光器的直接应用受到限制。光纤耦合模块可以很好的解决这一问题，因为光纤输出是一种标准接口，光束传输非常容易几乎没有限制；除此之外，光纤还具有均化光斑的作用，从光纤中输出的激光光斑是对称的。
目前，光纤耦合模块主要用于泵浦固体激光器、光纤激光器和光纤放大器。其中高功率光纤激光器，无论在效率、体积、冷却和光束质量等方面，均比同等功率水平的气体激光器和二极管泵浦固体激光器有显著改善，可广泛应用于通讯、军事、医疗、材料加工等领域，作为第三代激光技术的代表，光纤激光器被称为21世纪初最伟大的发明之一[1]。光纤激光器采用优异的双波导限制机制，使得其输出功率可以达到很大，目前采用主振荡功率放大结构的光纤激光器，已经实现了千瓦级功率输出[2]；光纤激光器采用光纤做增益介质，具有很大的表面积/体积比，这使其具有非常好的散热性能；光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成，由于原料易得，在技术、产品和市场成熟之后，可大幅度降低成本，除光路部分外，半导体激光器泵浦是构成光纤激光器成本的主要部分。
激光泵浦技术作为高功率光纤激光器的核心技术之一，最终目的是要把数百瓦甚至数千瓦的泵浦激光耦合到直径只有数百微米的双包层光纤内包层中，目前所采用的泵浦技术主要有端面泵浦和侧面泵浦两种[3]。端面泵浦是一种传统泵浦方式，在耦合效率要求不太高的情况下是一种较理想的方式，具有结构简单，便于操作的优点，但是泵浦光是从光纤一端进入的，在整个光纤内是非均匀分布，为了解决这一问题，人们发明了各种侧面泵浦技术，包括V型槽侧向泵浦，棱镜侧向泵浦，光纤侧面泵浦，光栅侧面泵浦等方式。侧向泵浦能够实现多点泵浦，提高泵浦光的耦合效率，但也存在加工工艺复杂，成本高等缺点。目前，商用光纤激光器中多采用侧向树杈泵浦方式，如图1.1所示，将激光器光纤耦合模块输出的泵浦光通过光纤合束器耦合到双包层光纤中，从而提高泵浦功率。
图1.1 侧向树杈泵浦方式 Fig. 1.1 Lateral branch pump
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