为了实现光纤激光器的全光纤化和高功率输出，要求泵浦源是带有光纤输出的高功率、高亮度、高可靠性耦合模块，因此，研究半导体激光器与光纤的高效耦合是发展高功率光纤激光器的一个重要环节。以往对激光二极管线阵进行耦合的报道很多，但线阵耦合模块也存在很多缺点，首先，用于线阵激光器光束整形的系统价格非常昂贵，尤其是高功率、小光纤芯径的情况，整形系统复杂性增加，光的利用效率也在降低 [4]；其次，线阵上个体发光单元的损耗可能导致整个线阵的失效。10mm半导体激光器线阵的典型寿命是10,000～20,000小时，这取决于工作模式和环境条件，与这些数字形成鲜明对比的是单管的寿命，一般都在50,000小时以上。图1.2为二极管线阵和单管存活概率对比。单管激光器在一定时间内的存活概率要远高于激光二极管线阵；另外，线阵耦合模块需要复杂的微通道水冷进行制冷，成本进一步增加。近年来，随着单管芯片结构和工艺的进步，输出功率不断提高，目前，单管芯激光器（LD）已经有超过20W的报道，Alfalight 976 nm 波段，条宽100 μm的LD可获得22 W 的连续输出，峰值电光转换效率达68%[5]。此外，单管芯激光器可以耦合进更小光纤芯径内，具有更高的功率密度，并且无需复杂水冷，利用简单、独立的风冷即可达到制冷要求，独立工作，利于维修更换，这些特性使得单管光纤耦合模块的效率更高，成本更低，即使泵浦几千瓦的光纤激光器，单管光纤耦合模块也可以成为具有竞争力的泵浦源[6]- [7]。
图1.2 二极管线阵和单管阵列存活概率对比
Fig. 1.2 Block diagramm and survival probability of diode bar and single emitter arrangement 随着研究的深入，光纤激光器在国外已经被广泛接受和使用[8]- [9]。国内，很多单位也已经开展了相关研究工作。目前，高功率光纤激光器大多采用掺Yb3+(或Er，Yb共掺)光纤，Yb3+具有相当宽的吸收带宽（800-1000nm）以及相当宽的激发带（970-1200nm），最佳吸收位于915nm和976nm的半导体激光器输出波长，而且没有受激态吸收。因此，对相应的泵浦源915nm或976nm高功率半导体激光器光纤耦合模块提出迫切需求，而国内对于单管耦合模块的研究距离国际水平还有一定的差距，尤其是输出芯径较小的高亮度单管耦合模块的研究几乎为空白，故本文以976nm单管激光器与芯径105μm光纤的耦合为例，介绍整个耦合模块的研发过程，实现模块高效率，高功率，高亮度输出具有重要研究意义。
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§1-2 国内外研究现状和发展趋势
光纤耦合模块的设计应遵循耦合效率高，稳定可靠，工艺简化实用的原则。从激光器和光纤的耦合方式按照它们之间是否存在光学原件这一点，可分为两种：直接耦合和间接耦合
[10]
。直接耦合是把端
面处理过的光纤直接对向激光器的发光区。间接耦合是指在半导体激光器和光纤之间利用独立光学系统进行耦合，这样的耦合方式需对光束进行整形后才能耦合进光纤，对准直光学设计要求较高，整体系统比较复杂，体积较大。
九十年代开始，陆续有大功率光纤耦合器件见诸报导。1993年美国SDL公司大功率光纤耦合器件，输出功率10W，采用400μm多模石英光纤，光纤数值孔径0.4，耦合效率50%。2001年美国Opto Power公司报导了他们的大功率光纤耦合器件，功率达到了30W，采用800μm多模石英光纤，光纤数值孔径NA=0.22，耦合效率75%
[11]
。随后越来越多的通信光电子制作商涉足大功率激光耦合产业，取得飞速发
[12]
展，诸如Eagleyard、OSRAM、FBH、Laser Jet、Bookham等，德国DILAS半导体激光器公司为了获
得更高的功率，降低成本和增加亮度，对二极管激光阵列进行优化，包括降低微光学系统的复杂性等使得单阵列的光纤耦合模块已经可以达到100W的输出功率，传导冷却多阵列光纤耦合模块耦合到200μm芯径光纤的输出功率可达500W；美国的APOLLO公司以高功率见长，是目前世界上光纤耦合模块功率密度最高的公司之一，功率密度达600KW/cm，最大耦合输出功率达到5KW，光纤芯径1.0mm，数值孔径0.22。德国JENOPTIK公司采用多阵列偏振耦合、波长耦合等技术实现了连续输出2KW的光纤耦合模块产品，芯径1.5mm，NA=0.32，可聚焦光斑为1mm，功率密度达250KW/cm。
单管光纤耦合模块作为光纤激光器的泵浦源向着高功率、高亮度、高耦合效率和高可靠性的方向发展。这与芯片自身的性能关系密切外，封装形式和封装工艺等因素也很重要。随着单管光纤耦合模块研究的深入,不同封装方式被采用，如图1.3所示。90年代中期到21世纪初工业应用激光器中一直保持L2/L3封装形式
[15]
2
2
如图1.3.1所示；2004年，JDSU采用L3平台设计的模块，耦合到NA=0.2光纤
耦合效率大于80%，连续输出功率为5W，热阻率为4℃/W；2008年在此基础上发展的L4封装，结构更紧凑，体积减小了25%，高度降低了35%，结合新一代多模芯片，耦合到105μm，NA= 0.15/0.22光纤，功率转换效率大于50%，耦合效率大于90%，可靠工作输出功率为10W，热阻2.2℃/W，在工作温度为15℃时，输出功率可高达18W
[16]
。图1.3.2为Bookham公司基于TO-258的封装，热阻3.5-4.5℃/W，
适用于更严格的环境，在8A工作电流，35℃热沉温度时的出纤功率为7W，最大输出功率可超过11.5W。此外还有IPG公司比较典型的2针封装，如图1.3.3所示；带有热敏电阻和制冷器的HHL封装，图1.3.4所示。
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图1.3.1L2/L3和L4泵浦模块对比 图1.3.2 TO-258封装
图1.3 光纤耦合模块的不同封装方式 Fig.1.3 The diffident package of fiber coupled module
图1.3.3 无制冷2针封装 图1.3.4 HHL封装
目前，德国的LIMO、JENOPTIK公司、美国的APOLLO、JDSU、OCLARO公司等，其单管光纤耦合模块的产品水平达到10w以上，JDSU公司的产品还实现了优秀的光反馈控制，极大提高了器件的性能和泵浦系统的可靠性。美国nLight公司采用的多单管级联耦合方式，实现了100W功率输出，光纤芯径105 μm，NA=0.22/0.15。国内，西安炬光公司在2010年初也推出国内首次自主研发生产的连续单管半导体激光器耦合模块，模块输出芯径为200/400um，NA=0.22，输出功率2~8W，耦合效率大于87%。表1.1为国内外一些典型单管光纤耦合模块产品的性能指标
[17]- [19]
。
表1.1 国内外典型大功率光纤耦合产品性能指标
Table 1.1The performance index of typical high power fiber coupled product
公司名称 型号 输出功率（w） 中心波长(nm) 光谱宽度(nm) 斜率效率（w/A） 纤芯直径（μm）
数值孔径 阈值电流（mA） 工作电压(V) 工作电流(A)
OCLARO BMU10-9xx-01/02 25 9xx 6 0.95 105 0.15/0.22 600 5.5 11.5
JENOPTIK JOLD7.8-BAFCM-11 7.8 808 4 1.5 100 0.22 1300 4 6.5
BWT K9xS02F-10
W-R 10 9xx 5 0.9 105 0.15 500 1.9 16
JDSU 6398-L4 10 976 6 0.9 105 0.15/0.22
850 2 14
工研激光 GLD-808BP-4 4 808 3 0.8 200 0.22 1500 2 6
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从发展趋势来看，国外光束整形模块、光纤耦合模块的发展已经不仅仅局限于光束整形技术和输出功率指标本身，他们正在更多地将光束整形技术与泵浦等实际应用相结合，更关注于高光束质量、高效率、高可靠性以及模块在工程化应用中的功能集成化方面，如：Coherent公司的光束整形模块、光纤耦合模块已经与固态激光器的泵浦结构紧密结合，形成了一种结构紧凑的功能性模块，从而使得大功率半导体激光器的应用更加灵活、普及。国内激光器以及光纤的参数指标相对于国外还较低，这极大的限制了国内光纤耦合激光器的发展。
§1-3 本文研究内容
1. 确定耦合所用半导体激光器芯片。为了使光纤耦合模块实现高效率、高功率、高亮度的输出，需要
半导体激光器在窄条宽上实现高的光输出功率并且具有较小的光束发散角。为了满足这些要求从芯片结构、芯片工艺等方面对高功率密度激光器芯片进行了研究。
2. 设计合适的耦合光路。对耦合所用光纤微透镜参数进行理论设计，并利用光学软件对设计的耦合光
路进行模拟和优化，根据优化结果建立具体的试验以验证所设计的光纤微透镜参数是否合理。 3. 耦合模块的结构设计。主要包括半导体激光器载体器件的设计和制作；夹具的设计和制作；耦合光
路基板的设计与制作等。
4. 耦合模块的封装工艺。包括激光器的封装工艺，光纤耦合的激光点焊工艺，以及将整个模块封装进
管壳的技术手段等。
本章小结
本章介绍了单管光纤耦合模块研究的目的和意义，总结了国内外单管光纤耦合模块的发展水平，并对本论文要完成的工作做了简要说明。
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第二章 半导体激光器芯片与光束特性分析
目前对于单管耦合来说，通常采用芯径为105μm的光纤，以与双包层光纤实现更好的匹配。为了提高光纤耦合模块的耦合效率，通常要求半导体激光器芯片在窄条宽（≤100μm）上实现高的光输出功率，从而芯片的电流注入密度、腔面功率密度会成倍增加，此外，采用窄发散角芯片也是提高耦合效率的有效手段，这些毫无疑问对芯片的结构、寿命、可靠性提出了更高的要求。本章从芯片的材料结构、芯片腔面工艺方面入手，对适合本课题的高功率密度激光器芯片做简要介绍，并对其光场特性进行分析。
§2-1 材料结构优化
首先，有源区采用应变量子阱结构以实现低阈值电流密度、高输出功率以及优异的温度特性和可靠性等。目前使用的高功率半导体激光器一般采用光子和载流子分别限制量子阱结构，如图2.1所示。
图2.1 半导体激光器基本结构 Fig. 2.1 The basic structure of LD
图2.2为不同材料的禁带和晶格常数图
[22]- [23]
，从图中可以看出为了匹配GaAs衬底的晶格常数，
同时满足976nm（Eg=1.26/0.976=1.29eV）波长需要，采用应变InGaAs量子阱有源区是最佳选择。另外和GaAs晶格常数匹配的有二元化合物GaAs和AlAs，三元化合物AlxGa1-xAs 、 In0.49Ga0.51P，以及In0.49GaxAl0.51-xP，InGaAsP 和InAlGaAsP。
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