单管光纤耦合 - 图文

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

1

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。

2

§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。

3

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

4

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。

5

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。

6

图2.2 不同材料禁带宽度和晶格常数图

Fig. 2.2 Energy band-gap versus lattice constant for common semiconductors

其次，通过优化材料组分，尽可能降低内损耗。

一般情况组分元素越多，电和热参数越差，并且生长也越难控制。故激光器材料常选用二元和三元化合物。为了限制载流子，盖层禁带宽度要大于波导层禁带宽度，波导层禁带宽度要大于有源区禁带宽度。

为了限制光场，盖层折射率要大于波导层折射率，目前盖层折射率有渐变和突变两种，这主要由组分和掺杂决定，而每种材料不同的组分和掺杂都有特定的电阻（表现为压降），光损耗和热阻。故材料优化还需考虑电阻和光损耗的优化问题。例如，p型盖层中提高掺杂可以降低电阻，但是光损耗会随掺杂增多线性增加（热阻也会有轻微增大），若降低掺杂虽能降低光损耗，但器件的压降必然提高，最终导致器件的效率下降。此外，盖层折射率渐变的实现在工艺上也存在很多难点，工艺实现的问题也需要考虑。

结合相关文献，我们选择低Al组分的AlGaAs材料作为p型和n型盖层的最佳选择

[24]- [26]

，因为它

具有低的电阻、热阻和光损耗。目前采用这种材料设计的100μm条宽单管激光器已经有输出功率19W的报道

[21]

。

第三，除了优化激光器芯片的材料组分外，波导结构的设计也很关键。

为了使激光器获得高的功率输出密度，大光腔结构逐渐被采用，这是由于大光腔结构可以有效拓宽激光器内部光场，从而降低光功率密度分布，提高激光器大功率工作时材料的稳定性，是大功率激光器发展的优化结果。例如，COD阈值同为25MW/cm的材料，对发光尺寸为100μm的单管芯激光器，普通光腔的近场光斑尺寸只有0.25μm，其输出光功率约为5W；如果采用近场光斑尺寸为1.5μm的大光腔材料，输出光功率理论上可以达到30W。

从另一方面考虑，对于同样的工作光功率，大光腔材料的腔面光功率密度更低，热吸收会导致的腔面材料的退化率慢，从而改善激光器腔面烧毁问题，提高激光器大功率工作时的可靠性。

基于上述分析并结合现有经验技术，确定适用于本课题的激光器芯片材料结构如表2.1所示。

7

2

表2.1 量子阱激光器结构 Tab 2.1 The structure of quantum well LD

p+接触层 p型盖层 p型波导层

材料 GaAs Al0.35GaAs Al0.15GaAs GaAs

量子阱

GaInAs GaAs

n型波导层 n型盖层 n型衬底

Al0.15GaAs Al0.35GaAs GaAs

厚度（nm）

250 800 500 5 7.5 5 500 1000

浓度 >2E19（Zn） 5E17（Zn） 不掺杂 不掺杂 不掺杂 不掺杂 不掺杂 1E18（Si）

§2-2 腔面工艺优化

大功率连续激光器腔面的热吸收会导致腔面温升，加速腔面材料的退化，退化同时使热吸收加剧，如此最终导致激光器腔面烧毁（COD烧毁）。通常腔面处理技术包括电流非注入腔面工艺、真空解理工艺和离子铣腔面钝化工艺等以降低腔面的损耗，提高功率转换效率；增加腔面烧毁阈值和腔面稳定性，改善激光器腔面烧毁问题，提高激光器工作点和大功率工作可靠性。

2-2-1 电流非注入腔面工艺

采用局部腐蚀掉P型扩散层和介质钝化的方法在芯片出光端面制作电流阻挡层，如图2.3所示，限制腔面载流子注入。从而减少腔面载流子密度，抑制载流子在腔面附近的非辐射复合，同时降低腔面自由载流子吸收以及非辐射复合，从而改善了腔面的温升问题，使腔面烧毁功率密度升高。

图2.3 电流非注入腔面结构

Fig. 2.3 Current is non-injected into the cavity surface structure

针对976nm高功率单管芯片我们开展了相关实验研究，初步实验数据表明：使用电流非注入腔面工艺，不会对功率产生太大影响，但是能够显著减缓器件的退化速度，如图2.4所示，为非注入腔面对烧

8

毁失效形貌与普通腔面的对比情况。

图2.4非注入腔面对烧毁失效形貌的影响

Fig. 2.4 The burnout failure morphology of non-injected cavity surface

2-2-2 真空解理工艺

在大气环境下解理后，芯片解理面将马上氧化，使得腔面含氧过多，导致腔面质量变差，严重影响器件的可靠性。而在高真空条件下进行真空解理，然后加镀一层钝化层，则可有效避免腔面氧化问题，使半导体激光器端面可承受光功率密度提高2个数量级

[33]- [34]

。

针对976nm高功率单管芯片，我们进行了初步的研究，试验表明，真空解理技术能够明显提高老化中COD阈值的稳定性，并对抑制功率退化有一定作用，有利于激光器腔面可靠性的提高。图2.5.1和图2.5.2分别为真空解理和常规解理情况下样品老化情况对比。

图2.5.1 真空裂片样品老化后COD对比图

图2.5.2常规样品老化后COD对比图

图2.5 样品老化情况对比

Fig. 2.5 The comparison of sample aging test

2-2-3离子铣腔面钝化工艺

尽管在高真空解理可以避免腔面被氧化，但操作极为不便，不易提高工效和成品率。人们更关注于

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在大气环境下解理后如何祛除氧化污染，提出了用离子束清洗腔面获得无污染腔面的方法。方法是解理后，用Ar离子或其他离子进行清洗，祛除氧化层等杂质污染。

离子铣技术能够清洁激光二极管腔面，但过大的离子能量会对激光二极管材料造成损伤，在腔面引入缺陷。为了减小损伤，必须对离子铣条件进行优化，包括离子能量、剂量的优化。

经过离子清洗的腔面如果直接蒸镀氧化物薄膜，腔面容易再度污染和氧化，因此离子洗之后需要紧接着蒸镀一层钝化层，一方面保护清洁的腔面，另一方面阻止进一步氧化。可以用作钝化层的材料有Si3N4、Si、Al、ZnSe、ZnS等。这些钝化层要足够薄，以免对增透膜的光学性质有过多的影响，还要防止出现光吸收、腔面漏电等问题。主要技术原理示意图如图2.6。

图2.6 激光二极管腔面钝化镀膜示意图 Fig. 2.6 Laser diode facet passivation coating diagram

初步实验数据表明：使用现有离子铣及腔面钝化技术，虽然没有提高腔面抗烧毁功率阈值，但是能够显著减缓器件的退化速度，器件工作寿命可望获得提高。

§2-3半导体激光器光束特性分析

众所周知，半导体激光器的光场在快慢轴方向很不一致，其空间光场为一个椭圆形，为了能更好的实现高功率单管与光纤的耦合，有必要对半导体激光器的空间光场进行系统的分析，并建立其模型。

通常，半导体激光器输出光场分别用近场和远场特性来描述。近场特性指光强在解理面上的分布，远场特性是指距输出腔面一定距离（d???）的光束在空间的分布，它常与光束发散角的大小相联系

[36]

。

图2.7给出了单管高功率激光器芯片的一些典型尺寸和输出光束特点。快轴（垂直于p-n结）方

向发光区尺寸很小，约1μm，与辐射的波长相比拟。慢轴（平行p-n结）方向，典型的发光尺寸为50μm-200μm。这样腔面就类似于一个狭缝，光束通过如此狭窄的缝隙时发生衍射并发散。

半导体激光器的发散角通常定义为光强下降到最大光强的1/2处所对应的角度，即半高全宽时的全角发散角，可用LD综合测试仪测得，垂直发散角用??表示，水平发散角用?//表示。对于激光器和

10

光纤耦合，发散角越小，调整的容忍度越大，越有利于高效耦合。

图2.7脊形波导激光器光束远场图

Fig. 2.7 The beam far field distribution of ridge waveguide LD

2-3-1 半导体激光器光束远场特性

根据半导体激光器的模式理论，光束远场分布可以通过对近场分布做傅立叶变换得到

[37]

：

I(?)?cos(?)?Ey(u)exp(ik0xsin?)du （2-1）

式中，k0为激光在真空中的波数，?为远场发散角，u?x,y分别为激光器出射端面坐标。

22

图2.8激光器远场垂直发散角和水平发散角

Fig. 2.8 Laser far field vertical divergence angle and horizontal divergence angle

如图2.8为三层平板介质波导，根据Casey等对垂直发散角??的测量结果与数值计算给出的近似表达式

[39]

[38]

和Dumke

。

220.41?2(n2?n1)d/???? （2-2） 22221?[0.41?(n2?n1)/1.2](d/?)式中，n2为激光器折射率，d为有源层厚度，n1为限制层的折射率，?为激射波长。以有源区为AlxGa1-xAs/GaAs为例，得到垂直发散角??与有源层厚度d的关系如图2.9所示。

11

图2.9垂直发散角与有源区厚度关系图

Fig. 2.9The vertical divergence angle and the active layer thickness diagram

从图中可以看出垂直发散角??随有源区的厚度增加先增大后减小。通常有源层厚度很薄，典型值一般为0.1μm左右，则上式可表示为

???4.05(n2?n1)d22? （2.3）

则??与有源区的厚度d成正比关系，即垂直发散角??随有源区的厚度d减小而减小，与图中曲线的前半段是一致的。这似乎不能用衍射理论来解释，但与试验结果是基本符合的。实际原因是随着有源区厚度d的减小或折射率?n的减小，电磁场渗入无源区的成份增加了，相当于加厚了有源层，因而??减小

[36]

。

当有源层厚度增大到能与波长相比拟时，2.3式可近似表示为

???1.2? （2.4） d符合光的狭缝衍射理论，垂直发散角??随有源区的厚度d增大而减小。

半导体激光器的条宽S远大于工作波长，可以套用有源层较厚的??的表达式，则水平发散角?//近似表达式如下：

?//?

2-3-2 影响光场特性的主要因素

?S （2.5）

根据上面的讨论，可以看出，对于垂直方向来说，其发散角与有源区的厚度及波导结构密切相关。对于量子阱激光器，波导层也参与发光，减小半导体激光器的垂直发散角的方法从原理上讲有两类，即减少有源区厚度和增大光腔尺寸。图2.10是不同波导结构对应得到的近场光斑，可以看出，采用宽波导、小折射率差材料是实现小发散角的最佳方案。

12

图2.10不同波导结构的二极管近场光斑分布 Fig. 2.10 The near field distribution of different waveguide LD

另据报道采用渐变折射率波导结构，垂直发散角可减小到27.5°，但渐变折射率在工艺实现过程中也存在很多困难。

因此，我们设计采用分别限制量子阱技术，通过优化波导层厚度、折射率差等，在有源层两侧生长厚度达0.6μm 的波导层，研制出了976nm高功率单管激光器，100μm 条宽，输出功率3W时，垂直发散角为32°，如图2.11所示。

图2.11大光腔激光器的折射率分布及结构

Fig. 2.11 Refractive index profiles and material structures of LOC LD

对于水平方向，条宽较宽的激光器芯片在水平方向为多模工作状态，存在多光丝发射现象，使远场分布出现不平滑和不对称，其本质上为增益导引型激光器。由于存在电流扩展效应，它的导波效应与工作电流，即激励水平的变化有关，电流增大会造成辐射模发生畸变，带来一系列缺点：近场辐射图向有源区一侧偏移，P-I曲线上出现扭折。图2.12给出了不同电流注入下，水平发散角与垂直发散角的变化，从图中可以看出随着电流注入增加，水平发散角有逐步增大的趋势，此外，模场特性也更加不稳定。

13

图2.12不同电流注入下，水平发散角与垂直发散角变化 Fig. 2.12 Beam divergence at various injection current

为了尽量减小这些因素对耦合的影响，我们设计采用适当深度的光限制隔离槽以及量子阱混合工艺改变横向折射率分布来增强光限制，从而实现水平方向发散角为8。

综上所述，根据所设计的波导结构进行理论仿真得到垂直方向上波导折射率及近场光强分布如图2.13.1所示，图2.13.2为相应垂直方向上的远场光强分布。

0

图2.13.1波导折射率及近场光强分布 图2.13.2垂直方向远场光强分布

图 2.13激光器理论波导折射率分布及相应的近场远场光强分布

Fig. 2.13 Refractive index profiles, near field distribution and far field distribution of LD 通过对激光器的光强远场分布进行测试，得到典型的光强远场分布如图2.14所示，从图中可以看出垂直发射半角约为40°，水平发射半角约为10°，???36?，?//?10?。

图2.14典型激光器的远场光强分布图 Fig. 2.14 Far field distribution of typical LD

14

本章小结

本章确定了耦合所用激光器芯片及光束特性。为了使芯片具有高的功率密度，高的可靠性，从芯

片材料、芯片工艺、芯片结构等方面进行了相关研究，结合现有经验技术确定了自主研制芯片的材料及结构。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。

15

第三章 光纤耦合理论与实验研究

为了实现激光器与光纤的高效耦合，本章从光纤的理论知识出发，分析了光线在光纤中的传输特性，设计了理论上满足耦合条件的光路系统，并通过仿真和实验进行验证。

§3-1光纤理论知识

3-1-1 光纤结构与分类

图3.1为典型光纤结构。纤芯和包层为光纤结构的主体，纤芯的折射率n1比包层的折射率n2稍大，当满足一定的入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播；涂覆层用于隔离杂光和保护光纤免受环境污染和机械损伤；实际的一些应用中，在光纤涂覆层外面还加一层护套，用于提高光纤的强度，保护光纤。

图3.1 光纤结构示意图

Fig. 3.1 The structure of optical fiber

光纤的分类方法有很多种。按传输的模式数量可以分为单模光纤和多模光纤：只能传输一种模式的光纤为单模光纤；能同时传输多种模式的光纤为多模光纤。两者主要差别为纤芯的尺寸和纤芯/包层相对折射率不同，单模光纤芯径小（2~12μm），芯-皮折射率差小（??(n1?n2)/n1?0.0005~0.01）；多模光纤芯径大（50~500μm），芯-皮折射率差大（??(n1?n2)/n1?0.01~0.02）。

按照光纤的不同用途，可分为通信/测量用光纤和传能光纤。前者芯径小，一般在数十微米量级以下；后者芯径大，在数十~百微米量级以上。

16

按纤芯折射率分布可分为阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤。前者芯径折射率是均匀的，在纤芯和包层的分界面折射率发生突变；后者折射率是按一定函数关系随光纤中心径向距离变化

3-1-2 光纤中光线传输特性

分析光波在光纤中的传播特性有两种基本方法：光线光学和波动光学。本文中所用光纤芯径远大于半导体激光器的辐射波长，故可以采用光线光学的方法进行分析。 3-1-2-1 子午光线的传播

通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面，位于子午面内的光线称为子午光线。图3.2为均匀折射率光纤中子午光线传播示意图。子午光线的传播特点是：入射光线、反射光线和分界面的法线三者均在子午面内。

[41]

。

图3.2 子午光线的全反射 Fig. 3.2 Total reflection of meridional ray

其中，n1和n2分别为纤芯和包层的折射率，n0为光纤周围介质的折射率。要使光能完全限制在光纤内传输，则光线在纤芯-包层分界面上的入射角?大于等于临界角?0，即

sin?0?n2 （3.1） n1n2) （3.2） n1???0?arcsin(式中: ?0??/2??0 （3.3）

sin?0?1?(根据菲涅耳定理可得

n22) （3.4） n1??n1sin? （3.5） n0sin

n0sin?0?n1sin?0?n1?n2 （3.6）

22相应于临界角?0的发射角?0，通称为孔径角，反应了光纤集光能力的大小。于此类似，n0sin?017

定义为光纤的数值孔径，一般用NA表示，即

NA子?n0sin?0?n1?n2 （3.7）

3-1-2-2 斜光线的传播

光纤中不在子午面内的光线都是斜光线，它和光纤的轴线既不平行也不相交，其空间轨迹是空间螺旋线。同理，由图3.3中的几何关系可以求出斜光线的全反射条件。图中QK为入射在光纤中的斜光线，它与光纤轴OO’不共面；H为K在光纤横截面的投影，HT⊥QT，OM⊥QH，ψ为光线在纤芯-包层分界面上的入射角

[41]

22。

图3.3 斜光线的全反射光路

Fig. 3.3 total reflection light transmission of oblique light

由图中几何关系得斜光线的全反射条件为

cos?0?cos?sin??1?(已知

n22) （3.8） n1?0??/2??0 （3.9）

由折射定律n0sin??n1sin?，可得斜光线在光纤传播中满足全反射的条件为

sin?cos??n1?n2 （3.10）

则斜光线的数值孔径为

22NA斜?n0sin?0?n1?n2cos?22 （3.11）

通过上述计算可以得到斜光线的数值孔径大于子午光线的数值孔径，也就是说只要子午光线能在光纤中传播，那么斜光线也一定满足在光纤中传播的条件。因此，接下来的理论计算中只需考虑子午光线的传播。

18

§3-2 耦合系统的光路设计

3-2-1 激光器光纤耦合条件

对于光纤耦合的分析通常有两种方法：模式耦合法和光线追迹法。前者多用于激光器与单模光纤的耦合，后者可以应用于激光器与多模光纤的耦合；多模光纤中能够传播的模式数目与其数值孔径有关，当数值孔径变大时，能够在其中传播的模式数目会急剧增加耦合效率的影响。

基于以上假设和多模光纤的传播理论，可以认为激光器与多模光纤的耦合需要满足的条件为：半导体激光器的光斑尺寸和发散角与光纤的芯径和接收角匹配。即激光器光束的光斑尺寸要小于光纤的芯径；光束发散角小于光纤的接收角。

在第二章中已经对半导体激光器的光束特性进行了介绍，接下来的计算和模拟中假设激光器垂直方向发射半角为40°，水平方向发射半角为10°，以确保可以包含激光器发出的所有光，使模拟结果更接近实际。

3-2-2 激光器光纤耦合光路设计

对于单管芯激光器，光源发光面积较小，一般用直接耦合的办法即可实现较高的耦合效率，目前常用光纤微透镜的方法进行耦合，光纤端面微透镜是在光纤的端面上制作一个微透镜以增大光纤的数值孔径，从而扩大接收光的范围。光纤微透镜的形状一般有斜面形、球形、锥形、楔形、双曲面形等，就目前文献看双曲面形柱状楔形的耦合效率最高

[13]- [14]

[42]

。为了简化处理，本文忽略模式匹配对

，但其制作难度很大，耦合容差也比较小。因此，本

文采用柱状楔形微透镜光纤进行耦合，光纤芯径为105μm，折射率n1?1.457，包层芯径为125μm，折射率n2?1.44，数值孔径NA=0.22。光纤耦合光路的设计主要是确定光纤的楔角和前端圆柱半径的大小。

3-2-2-1 柱状楔形微透镜参数设计

由于激光器垂直方向和水平方向的光束存在较大差异，我们对其在光纤中的传播进行分别讨论。另外，从3.1节中已经得到结论，斜光线的数值孔径大于子午光线的数值孔径，下文分析中均为子午光线的传播。

图3.4为垂直方向光线在光纤中传播示意图，φ为激光器的发射角，γ为光纤楔角的一半，θ为光线射到光纤芯径和包层临界线的夹角，n0?1为空气折射率，n1?1.457为光纤芯径的折射率，

19

n2?1.44为包层的折射率。

图3.4 垂直方向光线传播 Fig. 3.4 Ray tracing of fast-axis

光线在光纤中传播需满足全反射的条件:

n1sin(?/2??c)?n2 （3.12）

?由式3.12得?c?8.7，即???c时，射到光纤上的光发生全反射被耦合进光纤芯内。

根据折射定律得：

n0sin(?/2????)?n1sin(?/2????) （3.13） 由式3.13得：

??arcsin(n0sin(?/2????)/n1)???? （3.14）

那么确定了γ，就可以得到满足??8.7?的发射角度φ，图3.5.1和3.5.2分别为??50和

???60?时φ与θ的关系图。

θ/°6300-3-6-9φ/°1020304050θ/°6300-3-6-91020304050

φ/°

图3.5.1 ??50? 图3.5.2 ??60?

图3.5不同γ时φ与θ的关系图

Fig. 3.5 φ and θ relationship diagram when different γ

从图3.5中可以看出，随着γ增大，满足全反射的大角度φ在减小，小角度φ在增加。同时，为了使光线在光纤端面的反射光尽可能小，我们希望γ越大越好，最终确定γ=56°（即楔角为112°）此时φ与θ的关系如图3.6所示， 即5????40?时满足全反射条件，在??5?的小角度不能满足全反射条件，故考虑在楔角的顶端设计一个柱状微透镜来耦合这些小角度的出射光。

20

图3.6 ??60?时φ与θ的关系图 图3.7 柱状楔形光纤中的光线传播 Fig. 3.6 φ and θ relationship diagram when??60? Fig. 3.7 Ray tracing of wedge-fiber

柱状微透镜半径r的确定，令ψ=40°（±40°可包含激光器垂直方向的几乎所有光）刚好打到图3.7所示的A点，那么此时光源距原点0的长度L可以确定，如式3-15，其中a为光纤芯径的一半。

L?a/tan??a/tan? （3.15）

若发射角φc刚好打到圆弧和楔形相切处B（x’，y’），则B点位置可通过式3.16和式3.17确定。

y?xtan? （3.16）

y?tan?c(x?L) （3.17）

根据对称性圆弧的圆心在X轴上，设为（x0，0），半径为r，则圆弧的方程可以表示如下： (x?x0)2?y2?r2 （3.18）

?r/sin? （3.19）

由几何关系可得： x0将所求B（x’，y’）和式3.19带入式3.18即可得到圆弧的方程。经过计算和比较，当φc=15°时，r=16μm ，B点为（6，8.88）。激光器出射角φ均可使θ满足条件，如图3.8所示，光可在光纤中全反射传播。

图3.8 γ=56°，r=16μm时φ与θ的关系图

21

Fig. 3.8 φ and θ relationship diagram when??56?and r=16μm

确定所用光纤微透镜的楔角为112°（γ=56°），半径r=16μm，此时由垂直方向光线确定的光源到光纤距离

lf?L?x1 （3.20）

其中，x1为圆柱透镜前端到原点的距离

x1?x0?r （3.21）

经过计算Lf?30?m，可以使垂直方向±40°范围的光线满足全反射条件，在光纤中传播。 再对水平方向光线传播进行讨论，如图3.9所示，由于对称性，取激光器和光纤的一半进行分析。水平方向的发射角约为10°，满足数值孔径NA=0.22接收角（arcsin（0.22）=12.7°）范围，则只要光线照射到光纤芯径上即满足光纤中传播条件。从图3.9中可以看出激光器和光纤的距离Ls越小，光纤可接收的角度范围越大。

图3.9 水平方向光线传播

Fig. 3.9 Ray tracing of horizontal direction light

以100μm条宽激光器为例，激光器到光纤的距离

Ls?(105/2?100/2)/tan? （3.22）

将满足垂直方向的耦合距离Lf＝30μm代入Ls，得

??arctan(2.5/30)?4.7? （3.23）

即水平方向发射角??4.7?范围的光可以耦合进光纤内，?>4.7°范围的光在耦合距离大于30μm时不能耦合进光纤。为使水平方向光线（发射角±10°内）可以全部被光纤接收，需减小激光器与光纤的距离，将??10?带入式3-22得Ls?14μm。此时，垂直方向光线射到图3.7中A点的角度要大于40°，这样可以使垂直方向接收角的范围更大。

通过计算，光纤微透镜圆弧半径越小，可以使激光器距离光纤的距离越近。当Lf?14?m时，半径约为10μm，但半径越小加工艺越困难，耦合的容差也越小，通过优化比较，我们选用的光纤微透镜圆弧半径为16μm，可以实现耦合效率和容差的最优值。

22

此外，为了提高耦合调试过程的误差容忍度和耦合效率，应尽量减小激光器的垂直发散角和水平发散角，或者是选用条宽较窄的激光器。若选用90μm条宽激光器，在耦合距离为30μm时，可接收的发射半角

??arctan（52.5-45）?14? （3.24） 30即只要满足数值孔径角条件的光都可以被耦合进光纤，本试验中所用激光器水平方向发射角一般都小于数值孔径角，故可认为是完全耦合进光纤中。

§3-3 激光器光纤耦合系统仿真

3-3-1 光纤模型建立

根据上述光纤参数建立激光器与相应柱状楔形光纤耦合模型，如图3.10所示。实际光纤长度为1.5m左右，为使模拟结果更接近实际，模型中光纤的长度应尽量长，通过模拟试验得到光纤长度大于25mm时，仿真结果几乎没有变化，因此模型中光纤的长度取25mm。光纤的传输损耗很小，在模拟中忽略不计。

图3.10激光器与柱状楔形光纤耦合模型 Fig. 3.10 The model of wedge –fiber coupling LD

3-3-2 光源模型建立

上文中对所用激光器的远场光束进行了测试，得到100μm条宽激光器垂直方向发散角一般为36°

左右，水平方向发散角为6°左右。另外，我们采购了国外90μm条宽激光器作对比实验，其垂直方向发散角一般为30°左右，水平方向发散角为4°左右。

基于测试结果，对100μm和90μm条宽激光器的光源进行模拟，模拟过程中，假设垂直和水平方

23

向的光束分布均为高斯分布，并忽略光的偏振影响，得到如图3.11所示的远场光强分布图，图中蓝色线为垂直方向光强密度分布，绿色线为水平方向光强密度分布。

图3.11 激光器远场光强分布模拟 Fig. 3.11 The simulation of LD far field distribution

3-3-3 仿真结果及分析

图3.11.1 100μm条宽激光器 图3.11.2 90μm条宽激光器

按照上文给出的光纤和光源模型， 耦合光路如图3.13所示，光线传播过程中部分光在光纤耦合端面和输出端面被反射损耗，其余满足全反射条件的光都被耦合进光纤。经过光纤耦合后，输出光束的对称性得到明显改善，图3.12分别为耦合前和耦合后输出光束的极坐标分布。

图3.12.1耦合前光束分布 图3.12.2 耦合后光束分布

图3.12 耦合前后输出光束的极坐标分布 Fig. 3.12 The output beam distribution of LD and coupled

通过对仿真得到耦合效率与耦合距离的关系如图3.14所示，从图中可以看出调整到最佳耦合位置时，90μm条宽激光器和100μm条宽激光器的耦合效率都大于90%，在获得较高耦合效率时，90μm条宽激光器的耦合距离范围要大于100μm条宽激光器。

24

图3.13 激光器与光纤耦合模拟 图3.14 耦合效率与距离关系图

Fig. 3.13 Simulation of fiber coupling LD Fig. 3.14 couple efficiency and distant relationship 实际应用中，激光器和光纤端面的相对位移也会造成耦合效率的降低。图3.15.1和图3.15.2分别为上下、左右位移对耦合效率影响的仿真结果。耦合调试过程中采用五维微调架，在绕Z轴方向需要手动调节，因此我们研究了绕Z轴方向相对旋转角度对耦合效率的影响。图3.16.1为光纤端面与激光器相对旋转角度示意图，图3.16.2为角度旋转大小对耦合效率影响的仿真结果。由于对称性，只考虑了一侧变化。从图中可以看出上下相对位移对耦合效率影响较大，相对位移超过6μm后耦合效率急速下降，左右位移及角度旋转也会引起耦合效率的下降，其中旋转角度小于5°时对耦合效率影响不大。

100μm90μm80η/%η/0μm100908010090μm6040200024L/μm68107060504001020L/μm304050

图3.15.1 上下位移对耦合效率影响 图3-15.2 左右位移对耦合效率影响

图3.15 位移对耦合效率的影响

Fig. 3.15 The influence of displacement for coupling efficiency

1009080η/0μm90μm70605040051015202530

图3.16.1相对旋转角度示意图 图3.16.2角度旋转大小对耦合效率影响

图 3.16 光纤与激光器端面相对旋转示意图及角度旋转大小对耦合效率的影响 Fig. 3.16 Relative rotation and angle size influence on the coupling efficiency of LD and fiber 激光器与光纤的耦合仿真，对实际耦合调试具有指导意义。首先，要选择合适精度的微调架；其次，需控制激光器芯片的发散角，尤其是激光器水平方向的光束发散角，随电流增大有增大趋势；另外，选用条宽更窄的激光器在耦合调试中误差容忍度会更大一些，耦合效率也要更高更稳定。

旋转角度/°

§3-4 耦合试验分析

根据上文设计的耦合光路，验证所设计的光纤微透镜参数是否合适，我们采用C-mount封装的90μm和100μm条宽激光器进行耦合试验，测试得到耦合前后的功率输出结果如表3.2所示：

25

表3.2 C-mount封装激光器耦合实验结果

Tab. 3.2 Coupling experiment result of LD with C-mount packaged

电流（A）

1.0

90μm

1.5 2.0 0.5

100μm

1.0 1.8

耦合前功率（mW）

142.5 636.1 1094.1 171.2 707.4 1526.7

耦合后功率（mW）

132.3 585.2 966.9 140.1 526.7 1154.1

耦合效率 92.8% 92% 88.4% 82.8% 77.1% 75.6%

通过对比，90μm条宽激光器实验结果和模拟结果很接近，100μm条宽激光器实验结果和模拟结果有较大差距，造成差距的主要原因是激光器的条宽和光纤芯径相差太小，理论计算虽然可以满足要求，但若光纤在加工时存在误差，芯径偏小，或激光器的光斑增大，激光器和光纤端面耦合调试引入相对位移都可能造成耦合效率下降。另外，以上测试是在没有制冷条件下进行的，在大电流时所得的耦合效率应该要比有制冷测试时的效率低。后文中将对封装好的整个模块做制冷条件下的测试，并具体分析影响耦合效率的原因。

本章小结

本章介绍了光纤的基础知识和光线在光纤中的传播原理。在此基础上，依据半导体激光器和光纤

耦合的基本原理，设计了耦合所用光纤参数，并对耦合系统进行仿真，得到理论的耦合效率，以及激光器和光纤相对位移对耦合效率的影响，得到激光器发散角越小、条宽越窄在耦合时容许的调节范围越大，越有利用耦合效率的提高，并通过相关试验验证了这一结论的正确性。

26

第四章 光纤耦合模块的封装技术

光纤耦合模块的封装主要包括三部分：半导体激光器的封装，光纤耦合工艺的研究，以及模块整体的结构设计。在整个模块的封装过程中需要对半导体激光器的载体器件、耦合光路的基板进行设计，模块的整体结构设计需合理，一方面满足激光器散热的要求，另一方面也要考虑耦合调试的可操作性。

§4-1半导体激光器的封装

单管芯半导体激光器体积小，封装类型多样化。目前基于管芯的封装主要有：B-mount，C-mount，D-mount和TO-mount以及蝶式封装、准平面封装等。目前，我们主要采用C-mount形式的封装，采用In焊料烧结，其封装工艺和技术都比较成熟，典型结构如图4.1所示。这种封装可支持1-8W的大功率半导体激光器，但输出功率增大就会造成器件退化。这是由于In焊料在高电流下易产生电迁移和电热迁移问题，影响半导体激光器的稳定性。只有将芯片结温维持在一个较低的温度，用In焊料烧结激光器芯片到一个热膨胀系数（CTE）不匹配的Cu载体才可获得高功率输出。

图4.1 C-mount典型封装结构

Fig. 4.1 The typical package structure of C-mount

目前，为了使光纤耦合模块输出功率更高、可靠性更好、体积更小，COS（Chip On Submount）的封装形式被广泛采用。高可靠性封装对工作温度与固熔点的比值要求是0.4-0.6

[43]

，从图4.2可以看出

AuSn焊料在高温工作时仍符合这个要求。研究预计，AuSn焊料封装的器件寿命是In封装器件寿命的6.5倍，图4.3为不同焊料激光器加速寿命测试对比曲线。

27

图4.2 工作温度/固熔点与工作温度关系 图4.3不同焊料激光器加速寿命测试对比 Fig.4.2 Temp vs. Temp/ solder melt point Fig. 4.3 Accelerated life test of different solder LD 高可靠性的封装，目标就是减小应力和热阻。由于焊料与激光器管芯直接接触, 焊料的质量直接影响到激光器的热传导和寿命。AuSn烧焊是获得大功率输出耦合模块的必备工艺，但AuSn的延展性较差，需要选取合适的热沉并优化烧焊工艺过程，以提高烧焊质量。

4-1-1热沉的优化

AuSn合金的延展性较差，可以将焊料蔓延的问题降到最小，但也面临新的挑战。首先是不同CTE（线性热膨胀系数）材料匹配带来的应力。两种各向同质材料结合产生的应力可用公式4-1表示

[44]

。

??E1E2(?1??2)(Tf?Ts) （4.1）

E1?E2其中，E为弹性模量，α为热膨胀系数，Tf为焊料的固熔点，Ts为工作温度。当焊料无限薄时，可以看出应力与芯片及热沉的热膨胀系数关系密切。如果应力大于激光器材料的屈服应力，激光器会断裂。许多材料的CTE接近芯片衬底的CTE，但它们的热导率都很低，CTE匹配并且高热导率的材料很难制造。目前，COS封装一般采用AlN做过渡热沉，再将AlN烧焊到无氧铜热沉上。AlN材料的CTE与管芯匹配较好，且有利于电极与管壳的隔离。目前，使用的AlN厚度一般为0.3mm，0.5mm，1mm，为了更好散热取AlN厚度为0.3mm。接下来主要优化无氧铜热沉的尺寸，使载体器件的设计更加合理化。

首先，建立Ansys有限元分析模型示意图4.4。芯片的最大输出功率为5W，光电转换效率约为50%，则热输出功率为5W。芯片尺寸：腔长2mm，发光区宽度100μm，芯片的生热率为2.5310W/m。铜和AlN的导热系数分别为400W/（m2℃）和180 W/（m2℃），将底面控温在25℃。

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图4.4 Ansys有限元模拟分析模型及网格划分 Fig. 4.4 The model and meshing of Ansys simulation

将无氧铜热沉的长度和宽度设置足够大，分析不同热沉厚度与热阻的关系。热沉的厚度分别取

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0.5mm、1 mm、2 mm、3 mm，进行热稳态分析后得到芯片结温分布图4.5，最高结温分别为41.99℃，42.976℃，44.077℃，44.773℃。

图4.5.1 热沉厚度= 0.5 mm 图4.5.2 热沉厚度=1 mm

图4.5.3 热沉厚度= 2mm 图4.5.4 热沉厚度=3mm

图4.5 不同热沉厚度的芯片结温分布图

Fig. 4.5 Chip junction temperature of different thickness of heat sink

从图4.5中可以看出随着无氧铜热沉厚度的增加，芯片结温的最大值逐渐增大。热阻反应介质间的传热能力，可定义为1w热量所引起的温升大小，即

Rth??T (4.2) ?P根据模拟的结果进行计算可以得到热阻与无氧铜热沉厚度的关系曲线图4.6

图4.6 热阻与热沉厚度关系

Fig. 4.6 Relationship of thermal resistance and heat-sink thickness

从图4.6中可以看出随着无氧铜热沉厚度的增加热阻呈增大趋势，为了减小热阻我们希望无氧铜的厚度要尽量小。

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在上一章的仿真模拟中得到上下位移对耦合效率影响较大，因此重点观察芯片Y方向的位移。将得到的温度场分布作为载荷进行热应力分析，表4.1为芯片和热沉的材料参数。

表4.1 材料参数

Table 4.1 The material parameters

材料名称 无氧铜 AlN瓷片 GaAs

弹性模量（GPa）

110 45 8.5

泊松比 0.3 0.3 0.31

热膨胀系数（10-6/℃）

17 4.5 5.8

不同热沉厚度时，芯片腔面Y方向最大位移如图4.7所示，从图中可以看出随着热沉厚度增加，芯片腔面Y方向最大位移有增大趋势，但即使在无氧铜热沉厚度为3mm时，最大位移也小于1μm，理论上这个位移对耦合的影响很小，可以忽略不计。

图4.7热沉厚度与芯片腔面Y方向的位移关系图

Fig. 4.7 Relationship of heat-sink thickness and chip cavity surface displacement

根据无氧铜热沉厚度与热阻及芯片腔面Y方向位移的关系可以得出热沉厚度越小越好，但对于耦合来讲，还要考虑马鞍架的高度和焊接基板的厚度，为了使焊接的可靠性更好，焊接基板和底座的厚度应尽可能厚一些，我们使用焊接基板加底座厚度为1.5mm，马鞍架高度为0.8mm，最终确定无氧铜热沉的厚度为2mm。另外，从图4.5可以看出无氧铜热沉的长度为4mm可以满足传热的要求，确定长度和厚度后，采用类似模拟计算可以得到无氧铜热沉宽度与热阻的关系如图4.8所示，从图中可以看出无氧铜热沉宽度大于3mm即可满足热阻要求。

图4.8无氧铜热沉宽度与热阻的关系

Fig. 4.8 Relationship of Cu heat-sink width and thermal resistance

对于芯片前腔面结温较高，可以考虑将热沉的形状改为台阶式，图4.9为台阶式热沉温度和Y方向

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位移分布图，最高结温为43.183℃，计算得到此时的热阻Rth?3.64℃/W，所以采用台阶式热沉可以降低热阻，此时Y方向的最大位移也只有0.7μm，可以忽略不计。

图4.9.1台阶式热沉温度分布 图4.9.2台阶式热沉Y方向位移

图4.9 台阶式热沉温度分布及芯片Y方向位移

Fig. 4.9 Temperature distribution and chip Y direction displacement of step heat-sink

综合上述分析确定载体的尺寸，无氧铜热沉尺寸：4mm33.5mm32mm，AlN瓷片的尺寸：4mm33mm30.3mm。

4-1-2 烧焊工艺优化

烧焊工艺是将管芯用焊料烧焊在热沉上。烧焊方法有真空烧结和成型气体保护烧结两种，根据焊料的性质和工艺选择。本文采用AuSn焊料氮气保护烧结，将管芯烧结到镀金的AlN过渡热沉上。烧焊过程主要涉及烧焊参数，烧焊参数主要有时间、压力、升降温速率等。按金相理论，加速冷却有利于获得精细致密的晶粒组织结构，也有利于形成平滑的接触界面和良好的粘结特性，从而达到良好的欧姆接触；而降温过程如果太快，载体热沉具有一定的热容量，内部温度不能和烧焊系统温度同步下降，因而会造成内部温度梯度应力的形成，所以降温又不能太快；烧焊过程中需要一定的压力来辅助得到良好的浸润状态，但压力过大容易造成焊料溢出，同时也容易损伤芯片，因此所有的烧焊参数需要综合考虑，并通过试验得到最佳优化。图4.10为优化得到的AuSn烧焊过程曲线。

图4.10 烧焊过程的温度与时间关系曲线

Fig. 4.10 Relationship curve of welding process temperature and time

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