一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊榮譽表彰

2016年12月7日，《一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊》獲得第十八屆中國專利優(yōu)秀獎。 2100433B

如圖1所示，《一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊》大功率半導體激光器光纖耦合模塊包括：同一波長相同偏振態(tài)的多個單管半導體激光器2、10，多個光束準直透鏡3，玻璃平板4，多個反射棱鏡（如第一反射棱鏡5、第二反射棱鏡6、第三反射棱鏡7等，這些反射棱鏡都是相同的棱鏡，只是位置排放不同），快軸聚焦柱面鏡8和慢軸聚焦柱面鏡9。就其中一組光路來說，單管半導體激光器2焊接在陶瓷熱沉1上，在單管半導體激光器2的出射端設(shè)置一光束準直透鏡3，單管半導體激光器2發(fā)出的光束通過光束準直透鏡3以減小其快慢軸發(fā)散角，然后，傳輸?shù)降诙瓷淅忡R6，光束的傳輸方向被改變了90°后傳輸至由快軸聚焦柱面鏡8和慢軸聚焦柱面鏡9組成的聚焦器件。多個與單管半導體激光器2相同的單管半導體激光器被放置在階梯狀的熱沉塊11（見圖2）上，其發(fā)出的光經(jīng)過反射傳輸至聚焦器件，其中，第二單管半導體激光器10安置在z軸方向，其發(fā)出的光束直接通過多個反射棱鏡中間的空隙12傳輸至聚焦器件，與其它光束合束成一束光，最后聚焦進入光纖。

上述的聚焦器件由沿耦合后光束傳輸方向依次設(shè)置的快軸聚焦柱面鏡8和慢軸聚焦柱面鏡9組成，快軸聚焦柱面鏡8和慢軸聚焦柱面鏡9也可以使用球面柱形聚焦鏡或者非球面圓形聚焦鏡或者消像差的透鏡組。對于半導體激光器，普遍規(guī)定垂直于P-n結(jié)平面方向為快軸方向，平行于P-n結(jié)平面方向為慢軸方向，如圖1所示z軸方向為單管半導體激光器2的慢軸方向，垂直于紙面的方向為其快軸方向；光束經(jīng)過反射合束后，x軸為單管半導體激光器2的慢軸方向，垂直于紙面的方向為其快軸方向。

上述的光束準直透鏡3采用球面透鏡或非球面透鏡對光束進行準直，或者采用兩個分離的非球面柱面鏡分別對快慢軸光束進行準直。

如圖2所示，每個單管半導體激光器2與其對面放置的單管激光器安放在同樣的水平高度，與其左右相鄰的單管激光器在水平高度間距相差為d，呈階梯狀排列。第二單管半導體激光器10沿z軸放置，其發(fā)出的光束沿z軸傳輸，經(jīng)過光束準直透鏡3后直接從多個反射棱鏡中間的空隙12穿過，與其它被反射的光束合束。這樣可以使聚焦光斑呈圓形分布，能提高耦合效率?？障?2可以通過加工反射棱鏡的固定底座時預(yù)先留出。

《一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊》的關(guān)鍵器件是固定在玻璃平板4上的多個反射棱鏡，每個反射棱鏡與沿x軸放置的單管半導體激光器一一對應(yīng)放置，例如，單管半導體激光器2發(fā)出的光經(jīng)過第二反射棱鏡6反射，其傳輸方向旋轉(zhuǎn)90°。每個反射棱鏡都為三角形棱鏡，在兩個通光面上鍍有增透膜。每個反射棱鏡與其上下兩層反射棱鏡在水平方向的高度相差為d，例如，第二反射棱鏡6和第一反射棱鏡5、第三反射棱鏡7在水平高度分別相差距離d，呈階梯狀排列；這樣就可以使每個反射棱鏡與其相對應(yīng)的安放在階梯狀熱沉上的單管半導體激光器在水平高度上保持一致。反射棱鏡高度的固定可以通過在反射棱鏡和玻璃平板中間加入不同厚度的玻璃墊塊來實現(xiàn)，玻璃墊塊在圖中沒有畫出。每個沿x軸方向放置的單管半導體激光器2發(fā)出的光束經(jīng)過反射棱鏡反射后都沿z軸方向傳輸。沿Z軸放置的第二單管半導體激光器10，其發(fā)出的光束也沿z軸傳輸，經(jīng)過光束準直透鏡3后直接從多個反射棱鏡中間的空隙12穿過，與其它被反射的光束合束。

如圖4所示，其為光束合束后的光斑形狀，圖中標號13為單管激光器2經(jīng)過光束準直透鏡、反射棱鏡后傳輸?shù)骄劢蛊骷?快軸聚焦柱面鏡8前面形成的光斑，圖中標號14為第二單管半導體激光器10經(jīng)過光束準直透鏡后，從多個反射棱鏡中間形成的空隙12直接傳輸?shù)骄劢蛊骷?快軸聚焦柱面鏡8前面形成的光斑。通過反射棱鏡對多路單管半導體激光器發(fā)出的光的反射傳輸，可以使反射過來的光束排列成近圓形，這樣聚焦后可以使聚焦光斑更符合光纖端面形狀的分布，可以提高其耦合效率。

1.《一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊》包括數(shù)個熱沉（1）、數(shù)個單管半導體激光器（2）、數(shù)個光束準直透鏡（3）和聚焦器件，熱沉（1）、單管半導體激光器（2）和光束準直透鏡（3）三者一一對應(yīng)放置，單管半導體激光器（2）焊接在熱沉（1）上，光束準直透鏡（3）設(shè)置在單管半導體激光器（2）的出射端，其特征在于，在該模塊的光路中放置有玻璃平板（4），其上面安放數(shù)個反射棱鏡，數(shù)個單管半導體激光器（2）除第二單管半導體激光器（10）之外呈階梯狀排列，每個單管半導體激光器（2）與其正對面的單管半導體激光器位于同一水平高度，與其左右相鄰的單管半導體激光器在水平高度上相差間距為d；反射棱鏡和單管半導體激光器（2）一一對應(yīng)放置，反射棱鏡和其對應(yīng)的單管半導體激光器（2）位于同一水平高度；第二單管半導體激光器（10）垂直于單管半導體激光器（2）放置，其出射的光束通過各反射棱鏡中間的間隙直接傳輸至聚焦器件；聚焦器件平行于單管半導體激光器（2）放置。

2.如權(quán)利要求1所述的大功率半導體激光器光纖耦合模塊，其特征在于，所述數(shù)個單管半導體激光器（2）發(fā)出的光束經(jīng)過不同位置排列的反射棱鏡后相互平行傳輸，使光束密集排列形成近圓形，經(jīng)過聚焦器件后形成的光斑呈圓形分布。

3.如權(quán)利要求1所述的大功率半導體激光器光纖耦合模塊，其特征在于，所述單管半導體激光器（2）和第二單管半導體激光器（10）為同一波長相同偏振態(tài)的單管半導體激光器。

4.如權(quán)利要求1所述的大功率半導體激光器光纖耦合模塊，其特征在于，所述光束準直透鏡（3）采用球面透鏡或非球面透鏡對光束進行準直，或者采用兩個分離的非球面柱面鏡分別對單管半導體激光器的快慢軸光束進行準直。

5.如權(quán)利要求1所述的大功率半導體激光器光纖耦合模塊，其特征在于，所述聚焦器件由沿耦合后光束傳輸方向依次設(shè)置的快軸聚焦柱面鏡（8）和慢軸聚焦柱面鏡（9）組成。

6.如權(quán)利要求5所述的大功率半導體激光器光纖耦合模塊，其特征在于，所述快軸聚焦柱面鏡（8）和慢軸聚焦柱面鏡（9）均采用球面柱面聚焦鏡或者非球面圓形聚焦鏡或者消像差透鏡組。

《一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊》涉及半導體激光器光纖耦合技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊。

圖1是2010年5月前技術(shù)以單管陣列及微透鏡陣列實現(xiàn)的耦合輸出的大功率半導體激光器的裝置示意圖。

圖2是《一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊》大功率半導體激光器光纖耦合模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圖2中所示的多路單管半導體激光器位置高度示意圖。

圖4是該發(fā)明多路單管半導體激光器發(fā)出的光束經(jīng)過反射合束后的光斑示意圖。

圖中：1、熱沉，2、單管半導體激光器，3、光束準直透鏡，4、玻璃平板，5、第一反射棱鏡，6、第二反射棱鏡，7、第三反射棱鏡，8、快軸聚焦柱面鏡，9、慢軸聚焦柱面鏡，10、第二單管半導體激光器，11、熱沉塊，12、空隙，13、單管半導體激光器的光斑，14、第二單管半導體激光器的光斑，15、單管激光器陣列，16、準直透鏡陣列，17、階梯狀熱沉。

一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊專利目的

《一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊》的目的是提供一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊，其焊接簡易，調(diào)試方便，散熱性好，壽命長，耦合效率高。

一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊技術(shù)方案

《一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊》包括數(shù)個熱沉、數(shù)個單管半導體激光器、數(shù)個光束準直透鏡和聚焦器件，熱沉、單管半導體激光器和光束準直透鏡三者一一對應(yīng)放置，單管半導體激光器焊接在熱沉上，光束準直透鏡設(shè)置在單管半導體激光器的出射端，其特征在于，在該模塊的光路中放置有玻璃平板，其上面安放數(shù)個反射棱鏡，數(shù)個單管半導體激光器除第二單管半導體激光器之外均呈階梯狀排列，每個單管半導體激光器與其正對面的單管半導體激光器位于同一水平高度，與其左右相鄰的單管半導體激光器在水平高度上相差間距為d；反射棱鏡和單管半導體激光器一一對應(yīng)放置，反射棱鏡和其對應(yīng)的單管半導體激光器位于同一水平高度；第二單管半導體激光器垂直于單管半導體激光器放置，其出射的光束通過各反射棱鏡中間的間隙直接傳輸至聚焦器件；聚焦器件平行于單管半導體激光器放置。

一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊有益效果

《一種大功率半導體激光器光纖耦合模塊》通過使用反射棱鏡對其相對應(yīng)的單管半導體激光器發(fā)出的光進行反射，反射后的光束相互平行傳輸，密集地排列在一起，無需再將單管半導體激光器焊接成陣列的形式，這樣可以使每個激光器有更充足的焊接位置和散熱空間，使焊接變?nèi)菀?，調(diào)試更方便，散熱性更好，壽命延長；通過反射棱鏡及單管半導體激光器的適當排列，可以使反射過來的光束排列成近圓形，這樣聚焦后可以使聚焦光斑呈圓形，更符合光纖端面形狀的分布，可以提高耦合效率。

由于半導體激光器（LD）具有體積小、重量輕、效率高，壽命長、光譜線寬窄等優(yōu)點，因此在醫(yī)療、泵浦、監(jiān)控、加工等方面有著廣泛的應(yīng)用。截至2010年5月，隨著半導體激光器技術(shù)的發(fā)展，在提高半導體激光器輸出功率和亮度要求的同時，也對其穩(wěn)定性及壽命有了更高的要求。國際上大多數(shù)應(yīng)用都采用LD線陣或者疊陣形式的光纖耦合模塊，由于bar條中的每個發(fā)光點中間產(chǎn)生的熱量不能完全散失，導致其壽命較低。在單管合束中，每個單管激光器是一個獨立的發(fā)光點，不受熱串聯(lián)的影響，具有良好的散熱，壽命穩(wěn)定。

圖1是2010年5月前技術(shù)采用單管陣列合束的光纖耦合模塊的示意圖，這是國際上2010年5月前的單管合束技術(shù)之一（High Brightness，F(xiàn)iber Coupled Single Emitter Arrays Stefan，Heinemann，Boris Regaard，Torsten Schmidt，BenLewis，Proc. of SPIE Vol.719871980Q-1）。如圖1所示，該裝置是將多個單管半導體激光器按圖中示意緊密焊接在一個階梯狀的熱沉17上形成單管激光器陣列15，每一層的激光器前面經(jīng)過一個準直透鏡陣列16進行準直，然后傳輸?shù)骄劢蛊骷?，進行聚焦進入光纖。這種方法要求激光器焊接的工藝復雜，焊接精度高，每個激光器要求嚴格平行，在焊接工藝上很難保證，而且由于每個單管激光器離得很近，會影響單管激光器的散熱，導致壽命降低。

光纖耦合器可分標準耦合器（雙分支，單位1×2，亦即將光訊號分成兩個功率）、星狀/樹狀耦合器、以及波長多工器（WDM，若波長屬高密度分出，即波長間距窄，則屬于DWDM），制作方式則有燒結(jié)（Fuse）、微光學式（Micro Optics）、光波導式（Wave Guide）三種，而以燒結(jié)式方法生產(chǎn)占多數(shù)（約有90%）。燒結(jié)方式的制作法，是將兩條光纖并在一起燒融拉伸，使核芯聚合一起，以達光耦合作用，而其中最重要的生產(chǎn)設(shè)備是融燒機，也是其中的重要步驟，雖然重要步驟部份可由機器代工，但燒結(jié)之后，仍須人工作檢測封裝，因此人工成本約占10～15%左右，再者采用人工檢測封裝須保品質(zhì)的一致性，這也是量產(chǎn)時所必須克服的，但技術(shù)困難度不若DWDM module及光主動元件高，因此初期想進入光纖產(chǎn)業(yè)的廠商，大部分會從光耦合器切入，毛利則在20～30%。

國外企業(yè)有JDS、E-Tek、Oplink、Gould等，目前都已直接在大陸設(shè)廠生產(chǎn)光纖耦合器。

光纖通信耦合器是光纖與光纖之間進行可拆卸(活動)連接的器件，它是把光纖的兩個端面精密對接起來，以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去，并使其介入光鏈路從而對系統(tǒng)造成的影響減到最小。對于波導式光纖耦合器，一般是一種具有Y型分支的元件，由一根光纖輸入的光信號可用它加以等分。當耦合器分支路的開角增大時，向包層中泄漏的光將增多以致增加了過剩損耗，所以開角一般在30°以內(nèi)，因此波導式光纖耦合器的長度不可能太短。