400mW_980nm泵浦激光器设计_刘军.pdf

：光电器件研究与应用刘军，李伯中，陈芳，等 泵浦激光器设计 光通信研究，（）：，（）：泵浦激光器设计刘军，李伯中，陈芳，李子凡，田照宇，钱升起，武宇，屈雪阳，刘锐（国家电网有限公司信息通信分公司，北京 ；武汉光迅科技股份有限公司，武汉 ）摘要：由于当前国内 半导体泵浦激光器设计经验及生产工艺的缺乏，高功率 半导体泵浦激光器核心技术一直无法突破，文章采用国产化解决方案，包括芯片、光栅和耦合光纤等设计与实现，通过应用楔形光纤直接耦合的全金属化封装，选择双光栅结构进行波长锁定，实现了 工作温度范围内，输出光功率达 的 半导体泵浦激光器的研制，其波长稳定性可达 。并且通过了 以上、工作电流 和环境温度 的带电老炼测试，为满足高可靠性的国产化泵浦激光器奠定了基础。关键词：波长；泵浦激光器；功率输出；波长稳定性中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；引言单模 半导体泵浦激光器作为高精度光纤陀螺 和 掺 铒 光 纤 放 大 器（，）的核心器件，在光通信发展的几十年间，在国防安全领域（导弹制导）和民用光通信领域（中继放大）均得到重要应用，功率输出 半导体泵浦激光器几乎可以完全涵盖光纤陀螺的各 种 应用要求，而 在光 通信领 域，输出 半导体泵浦 激光 器 可 实现 的饱和功率输出，能满足 以上的 应用场景，因此 半导体泵浦激光器，特别是超 高功率输出 半导体泵浦激光器的应用十分广泛。然而，当前 半导体泵浦激光器的核心技术一直被国外所垄断掌握，特别是当输出功率在 以上时，半导体单模泵浦激光器芯片的光学灾变损伤（，）对芯片设计和工艺提出了更高的要求，功率越大，如果腔面处理不好，很容易出现模式失效，虽然国内对这方面技术也有研究，但国产器件芯片设计基础薄弱、工艺不够成 熟、核 心 技 术 没 有 完 全 掌 握，导 致 现 阶 段 半导体泵浦激光器仍然依赖国外，这严重制约和威胁了我国的信息网络建设和国防安全，因此实现完全自主可控的 半导体泵浦激光器具有非常重要的现实意义。本文采用自主可控的解决方案，设计研制出了 输出功率的国产化泵浦激光器，并对芯片设计、光纤光栅设计、耦合光路和封装设计等技术做了 详细说明。经测试，所研制的 半导体泵收稿日期：；修回日期：；纸质出版日期：基金项目：国家重点研发计划资助项目（）作者简介：刘军（），男，河北保定人。高级工程师，学士，主要研究方向为电力通信。通信作者：刘锐，工程师。：.年第期总第 期光 通 信 研 究 （）浦激光 器 峰 值 波 长 为 ，带 宽 为 ，边模抑制比为 ，全温功率变化率为左右，全温波长变化量小于 ，并通过了 带电老炼测试，这为国产化大功率泵浦激光器的研究奠定了基础。器件设计芯片设计对于 光栅外腔单模激光器的管芯，通常希望具有较高的输出光功率和较小的光发散角，这就希望管芯本身具有高功率增益特性和低光发散角特性。为了获取高功率增益特性，有源层需要采用应变量子阱结构。应变量子阱比双异质结具有更高的增益特性和更优异的温度特性，被广泛使用在半 导 体 激 光 器 的 外 延 结 构 中。为 了 匹 配 衬 底 材料的晶格系数，同时满足 波长输出，本研究中所涉及的大功率管芯采用非掺杂 三元化合物作为应变阱，采用非掺杂 作为垒，同时通过选择低 组分的 材料作为结构中的限制层和波导层。微量 元素的引入可以使得整个外延结构具有较低的体电阻和热阻。通过对材料微量组分的掺杂调节，实现限制层、波导层和有源区者之间的禁带和折射率依次递减或递增，最终获得载流子及光场在器件中的限制平衡。为了获取低光发散角特性，可以通过大光腔结构的设计或调节有源区的结构两种方式来实现。调节有源区的结构厚度实现对近场光斑尺寸的调节容易引起阈值电流的变化，并且需要对波导层、有源区和折射率者进行优化，才能获得高增益和低发散角的外延结构，这对外延技术提出了更高的要求，难度较大。而对于量子阱激光器，由于波导层也参与发光，因此可采用大光腔结构设计来调节出射光束的近场光斑尺寸，达到光束发散角降低的目的，这也是本文研制的 泵浦激光器采用的方案，大的近场光斑有利于光束发散角的压缩，同时也能降低光功率能流密度，从而提高大功率工作时腔面材料的稳定性。经过反复实验和模拟计算，本文采用的管芯外延结构参数如表所示。脊波导的宽度设计为 左右，刻蚀深度在 左右，此时具有最低的阈值电流，所对应的光场宽度在 左右，此时光束远场发散角控制在快轴发散角，慢轴发散角，芯片远场发散角曲线如图（）所示，远场曲线对称光滑，表现出良好的单模特性。将 腔长芯片两端镀膜，后腔面膜层反射率，前腔面膜层反射率左右，对芯片进行直流测试，得到典型的光电流电压曲线（，）如图（）所示。表管芯外延结构 结构材料浓度厚度上限制层 上限制层 上波导层 量子垒 应变量子阱 量子垒 下波导层 下限制层 衬底 图芯片特性 外光栅设计本文研制的 半导体泵浦激光器是采用法布里珀罗（，）谐振腔反馈实现的，由于 激光器是多纵模振荡激光器，存在多个纵模，并且带宽较宽，材料波长随环境温度变化较大，并不适合直接用来对有源光纤进行泵浦。因此往往需要使用光反馈技术进行锁模，提高单位波长内的能量密度，从而实现高效率的泵浦。对于有制冷系统的 外腔激光器，无论是采用单布拉光通信研究 年第期总第 期格光纤光栅（，）外腔锁模还是采用 锁模，都可以得到稳定的光谱输出，但是由于单 的反射谱带宽内谱线间隔太宽，仅仅只稍大于激光器腔内的纵模间隔，这将导致带宽内的模式太少，从而容易发生模式不稳定现象而引起模式跳变，并且采用单 的外腔激光器输出功率的线性度比采用 外腔的要差，因此本文选择 作为外腔锁模方式。的腔长对输出光谱有比较大的影响，的腔长越长，线宽越窄，谐振谱线数也就越多。而线宽越窄，激光器经 选模振荡后，输出光谱的线宽也会越窄；谐振谱线数越多，激光器的输出功率线性抖动也就越小，因此为了得到较窄的输出线宽与稳定的输出功率，要求两光栅之间的距离越长越好。但是，随着腔长的增大，边模抑制比又会变小，激光器的稳定性会变差，因此，两光栅之间的腔长需要选择合适的距离。同时，对于不同的 腔长设计，需考虑激光器管芯前端面与第一个 的距离匹配问题，当距离越短时，所形成的等效纵模间隔越宽，在全温度条件下，更容易产生腔内腔外的模式竞争，从而更容易导致跳模；相反，距离较长时，各个纵模之间的间隔较小，更多的纵模可以存在于光纤光栅的反射带宽内，各个纵模间隔较小，模式跳变不明显。实验室选取激光器管芯前端面与第一个 的距离在 范围内，每 选择一个点，同时选择 腔长在 之间取值测试，结果发现，当激光器前端面到第一个 的距离大于 ，同时 的腔长在 时，激光器都能够工作在多模相干失效模式，此时具有多模的稳定工作状态，且相干有效长度大大降低。并且当激光器管芯距离大于 、的腔长为 和反射率在左右时性能最佳。耦合光路设计采用本文研制的芯片与不同曲率半径的楔形透镜光纤进行耦合分析，经拟合离散数据得到耦合功率和光纤曲率半径的关系曲线，如图所示，耦合功率随光纤曲率半径的增大呈先增大后减小的趋势。当光纤曲率半径在 范围内时，耦合功率可达最大值。不同方向耦合容差如图所示，若耦合功率降低，允许的轴负向位错位.，轴正向位错位.，轴负向位错位.，轴正向位错位.，轴负向位错位.；若耦合功率降低，光纤允许的轴负向位错位.，轴正向位错位.，轴负向位错位.，轴正向位错位.，轴负向位错位。图不同曲率半径耦合功率 图不同方向耦合容差 刘军 等：泵浦激光器设计封装设计本文研制的 半导体泵浦激光器选用蝶形 针封装，如图所示，腔长芯片与热敏电阻通过 基板上表面的预置 焊料焊接，再通过 基板表面的预置 焊料与镀金镍热沉焊接，保证有良好的热接触，减少从芯片到制冷器工作面的热阻；同时选择合适的制冷器，即使在高温 情况下，半导体制冷器（，）和热敏电阻构成的温控回路依然能够将激光器温度控制在 工作。背光探测采用 大光敏面背面入射光电 二 级 管 探 测 器（，），斜 直接固定。耦合光纤固定采用双欧姆镍支架，通过四光束激光平衡焊接，提高耦合效率，经测试焊接后激光器的稳定性和一致性较好。图激光器内部结构 考虑到泵浦源实际安装过程中，拧钉安装对激光器光路位移及 受力有影响，因此管壳的底板尺寸需要特别设计。结构仿真了以下种底板结构支撑器件的中间位置，两端的螺孔下压，分析得到的结果如表所示。对比可知，减薄安装部位，有利于降低光纤耦合点相对半导体激光器（，）的错位，及 底板上的应力。因此管壳底板结构选择方案，内腔厚度，安装部位厚度。表不同结构仿真结果 方案厚度底板 内腔安装部位 所在部位光纤耦合点相对 的位移 底板上的最大应力 器件性能测试封装完成的半导体泵浦激光器特性如图所示，图（）所示为常温输出 特性，在输入电流为 时，出光功率达到 ，工作电压为；常温输出光谱如图（）所示，峰值波长在 ，带 宽 ，边 模 抑 制 比 。为了更好地评估该泵浦激光器的性能，将封装好的激光器和驱动电路放入温循箱内，温度设定在 范围内，图所示为泵浦激光器在 工作电流下的出纤功率、制冷电流、制冷电压和热敏电阻阻值随温度变化的曲线。由图可知，全温最大和最小出纤功率分别为 和 ，全 温 出 纤 功 率 变 化 率 为 ；全温最大制冷电流为；全温过程中热敏电阻阻值基本稳定控制在 附近；全温最长和最短波长分别为 和 ，波长变化量为 。可见，设计的双光栅起到了很好的锁模作用，该泵浦激光器在 温度范围内表现出了较好的温度特性。图封装完成后泵浦激光器特性 当工作电流为 ，环境温度为 时，分别在不带温控和带温控条件下，对芯片和器件进行带电老炼测试，结果如图（）和（）所示，经过 后，不带温控条件下，芯片输出功率变化率在以内；带温控条件下，器件输出功率变化率也在以内，这说明本文设计研制的芯片及器件光通信研究 年第期总第 期图泵浦激光器全温性能 性能十分稳定。图带电老炼曲线 结束语本文研制的国产化 半导体泵浦激光器芯片的实际出光功率可达 ，考虑到耦合效率和耦合容差，稳定工作的出纤功率可达 ，工 作 温 度 范 围 为 ，峰 值 波 长 为 ，带宽为 ，边模抑制比为 ，全温功率变化率为左右，全温最大制冷电流为，全温波长变化量小于 ，并对激光器芯片、光栅、耦合和封装等方面设计做出了详细的说明。实验采用 腔长的芯片，可以有较高的 阈值；采用双 波长锁模，在 工 作 温 度 范 围 内，波 长 稳 定 性 可 达 ；采用楔形光纤直接与芯片耦合，简单易操作；采用全金属化无胶封装方案，满足高可靠性要求，并且通过了对泵浦激光器的芯片和器件 电老炼测试。该技术实现了国内高功率 泵浦激光器从无到有的突破，为国产化大功率泵浦激光器的研究奠定了基础。参考文献：，刘军 等：泵浦激光器设计 ，：，：，：，：，：，：，（）：，（）：余金中半导体光电子技术北京：北京化学工业出版社，：，（）：，（）：（上接第 页）冯丽爽，焦洪臣，李慧，等空芯光子晶体光纤谐振式光学陀螺技术 年光学陀螺及系统技术发展与应用研讨会中国，九江：中国惯性技术学会，：，：，：，（）：，：，：，（），：，：，：，（）：，（）：，（），（）：，（）：，（）：李晓倩，高寿飞，汪滢莹，等空芯反谐振光纤与单模光纤的低损耗熔接研究 光学学报，（）：，（）：，（）：光通信研究 年第期总第 期