CN101728763A - 一种用于半导体激光器的光纤耦合模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于半导体激光器的光纤耦合模块，包括由发光芯片组、快轴准直镜和慢轴准直阵列组成的发光模块，快轴准直镜和慢轴准直阵列依次设于发光芯片组的激光发射方向上，所述慢轴准直阵列的激光出射侧设有第一聚焦镜；所述快轴准直镜为D型柱透镜或光纤透镜，所述第一聚焦镜为双凸非球面透镜。本发明不同于现有技术的光纤耦合模块产品，它是在微型巴条(Mini Bar)的基础上开发出来的产品，无需经过复杂的切割、旋转、重排的光学系统即可将光束耦合进光纤内。并且由于体积小巧，本发明可以根据不同客户需求，设计出各种结构形式的多模块、高亮度半导体激光光纤耦合模块来，因此本发明的应用更广泛。

Description

一种用于半导体激光器的光纤耦合模块

技术领域

本发明属于激光器制造领域，涉及一种光纤耦合模块，尤其是一种用于半导体激光器的光纤耦合模块。

背景技术

随着半导体激光器在工业、医疗、军事等领域越来越广泛的应用，高功率以及高亮度成为激光器发展的必然趋势。其中高亮度半导体激光器以其广阔的市场前景，正成为相关工作者研究的焦点。要想实现半导体激光器的高亮度输出，通常是在半导体激光器(LD)前端加相应的光束整形系统，将激光束压缩至需要的光斑输出。

目前国内外最常见的提高亮度的方法就是将LD光束通过光纤耦合输出，由于能量光纤芯径可以小到50μm，100μm，200μm等，那么对于同样功率输出的光纤耦合激光器，光纤芯径越小，就意味着较高的亮度或者是较高的能量密度。国内外相关产品很多，但多为两种芯片基础上开发出的产品，都存在一定的缺点：1.单管(SingleEmitter)产品，该产品只有一个发光点，可以做到808nm，50μm，5W的激光输出，尽管光纤芯径很小，但由于功率的限制，亮度并不是很高。2.单巴条(Single Bar)产品，该产品的发光点一般为19个或19个以上(如47个，62个)，针对这种Bar条，多使用切割、翻转、重排、聚焦的光束整形方式来实现光纤耦合输出，这类产品可以达到很高的功率，但由于加入了复杂的光学系统，成本较高，并且输出光纤芯径也不能做到很小，较难达到提高亮度的目的。3.多单管产品，相对于传统的单管产品，该型产品在功率上有一定的增加，但与基于Bar条类的产品相比，其功率还是偏低。4.多Bar条产品，这类产品在功率方面具有绝对的优势，但很难耦合进小芯径的光纤中去，这就决定了该类产品的亮度不会太高。

综上所述，传统的半导体激光器光纤耦合方案中，激光器芯片一般采用单管或者单Bar，而光学整形系统(主要是Bar条类)则往往需要进行复杂的光学切割、旋转、重排。经过对比分析，我们总结出了传统技术具有以下缺点。

1.基于Bar条的光纤耦合产品成本高，要求的驱动电流大。由于加入了复杂的光学系统，使得整个产品成本提高，降低了该类产品的市场竞争力；而且该类产品一般需要很高的驱动电流，这严重限制了此产品的应用。

2.功率和亮度偏低。对于单管光纤耦合产品，由于其功率的限制，很难做出大功率、高亮度的激光器产品。而对于Bar条光纤耦合产品，由于很难将光束耦合进小芯径的光纤中，所以亮度也不大。

3.工艺复杂。常见的Bar条光纤耦合产品通常引入复杂的光学系统，以达到光束整形、小芯径光纤耦合输出的目的，这种光学系统包含了复杂的光束整形透镜，而在实际生产中，每增加一个透镜，就意味着工艺难度的提高，同时也会增加功率的损耗。

4.功率选择范围小。传统技术中，无论是单管类产品还是Bar条类产品，其可选择的功率范围都很小。例如15W的光纤耦合产品，单管功率无法达到，只能使用多单管或Bar条产品进行耦合。其中多单管耦合产品的结构太过复杂，而Bar条产品的功率又偏大，造成浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于半导体激光器的光纤耦合模块，该光纤耦合模块以微型巴条(MiniBAR)为基础。微型巴条是一种介于单发光点芯片和标准10毫米长芯片(19个或19个以上发光点)之间的芯片。这种芯片每个发光点的功率也是介于单发光点芯片和标准10毫米长芯片每个发光点的功率之间，一般低于单发光点芯片的，但高于标准10毫米长芯片的功率。针对该型芯片具有两个或两个以上(最多可达10个)发光点的特点，该种光纤耦合模块无需经过复杂的切割、旋转、重排的光学系统即可将光束耦合进光纤内，不仅可以设计为单模块，也可设计为多模块组合的方式，具有制作工艺简单、体积小巧、亮度高的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种用于半导体激光器的光纤耦合模块，包括由发光芯片组、快轴准直镜和慢轴准直阵列组成的发光模块，所述快轴准直镜和慢轴准直阵列依次设于发光芯片组的激光发射方向上，所述慢轴准直阵列的激光出射侧设有第一聚焦镜；所述快轴准直镜为D型柱透镜或光纤透镜，所述第一聚焦镜为双凸非球面透镜，所述慢轴准直阵列为包含多个圆柱曲面的透镜。

上述发光芯片组包含有单个或多个发光芯片，所述多个发光芯片并列设置且各发光芯片激光发射方向相同。

上述发光芯片为微型巴条(Mini Bar)。

上述快轴准直镜和慢轴准直阵列的水平方向长度均小于10mm。

以上由发光芯片组、快轴准直镜和慢轴准直阵列组成的发光模块和聚焦镜均设于底板上。

进一步的，该光纤耦合模块包含有多个发光模块和一个阶梯底座，所述多个发光模块呈横向阶梯状排列分别固定在阶梯底座的各阶梯上，每个发光模块前部均放置有一个反射镜，所述反射镜相对于发光模块的发射光轴向呈45°放置；所述阶梯底座的前方依次设有柱面镜和第二聚焦镜；每个发光模块输出的光斑经反射镜反射后，由柱面镜和第二聚焦镜对光束进行二次准直和聚焦耦合，最终实现光纤耦合输出。

上述第二聚焦镜为双凸非球面透镜。

本发明具有以下几个优点：

1.成本低。本设计采用Mini Bar芯片，无论从半导体激光芯片价格，还是后面光学系统的价格，都比Bar条类光纤耦合产品更有竞争力；而相对于单管产品，本发明的一个芯片产生的功率需要多个单管产品才能达到，在光学系统成本增加不大的前提下，成本自然大大降低。

2.功率高。与传统单管产品相比，本产品的功率大大提高。同时，本产品也可以用多模块设计或者Mini-Bar垂直叠阵(Vertical Stack)的方法，使输出功率更高。

3.亮度高。这是本发明的主要特点之一。本发明采用比单管产品输出功率更高的Mini Bar芯片，同时又克服了传统Bar条类产品不能实现小芯径光纤输出的缺陷，因此亮度较高。

4.工艺简单。本发明省去了通常Bar条光束整体系统所需要的光束翻转、切割、重排过程，通过简单的准直和聚焦的方式即可实现小芯径光纤耦合的目的，工艺非常简单。

附图说明

图1是本发明单模块快轴方向光路图；

图2是本发明单模块慢轴方向光路图；

图3是本发明单模块立体示意图；

图4为本发明多模块立体示意图；

图5为本发明多模块替代方案立体示意图；

图6为基于Mini Bar的垂直叠阵示意图；

图7为圆柱曲面透镜示意图。

其中：1为发光芯片组；2为快轴准直镜；3为慢轴准直阵列；4为第一聚焦镜；5为玻璃块；6为第一底板；7为反射镜；8为柱面镜；9为第二聚焦镜；10为阶梯底座；11为第二底板；12为二次慢轴准直镜；13为第三聚焦镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例详细叙述本发明：

对于单模块方案，如图3，包括由发光芯片组1、快轴准直镜2和慢轴准直阵列3组成的发光模块。快轴准直镜2和慢轴准直阵列3依次设于发光芯片组1的激光发射方向上，慢轴准直阵列3的激光出射侧设有第一聚焦镜4。其中快轴准直镜2为D型柱透镜或光纤透镜，第一聚焦镜4为双凸非球面透镜，慢轴准直阵列3为包含多个圆柱曲面的透镜(如图7)。各个透镜之间的距离由透镜焦距，光参量乘积等参数确定。安装时，先将快轴准直镜2和慢轴准直阵列3通过玻璃块5连接在一起，再将发光芯片组1，玻璃块5，第一聚焦镜4都固定在事先加工好的第一底板6上，第一底板6经过精密的设计和加工，只需将各个部件固定在相应位置即可。

对于多模块方案，如图4，该光纤耦合模块包含有多个由发光芯片组1、快轴准直镜2和慢轴准直阵列3组成的发光模块和一个阶梯底座10，其中多个发光模块呈横向阶梯状排列分别固定在阶梯底座10的各阶梯上，每个发光模块前均放置有一个反射镜7，反射镜7相对于发光模块的发射光轴呈45°放置。阶梯底座10的前方依次设有柱面镜8和第二聚焦镜9；每个发光模块输出的光斑经反射镜7反射后，由柱面镜8和聚焦镜9对光束进行二次准直和聚焦耦合，最终实现光纤耦合输出。安装时，实施方法基本同单模块方案相同，重点是用于固定各个光学元件的阶梯底座10和第二底板11的加工误差要在容忍范围内，否则最终耦合效率会有很大的损失。

工作原理

一般半导体激光器的慢轴光参量乘积(BPP)约为435mm·mrad，快轴BPP约为0.3mm·mrad，快慢轴方向的BPP相差过大，光束无法直接耦合到光纤内，必须经过复杂的光束整形系统，使快慢轴方向BPP达到均衡并小于所要耦合进的光纤的BPP。而本发明则主要是利用了Mini Bar的快慢轴BPP本身就小于耦合光纤的BPP的原理，省去了传统方案中均衡快慢轴光参量乘积的过程。以3个发光单元，填充因子为20％填充因子的Mini Bar来说，其慢轴BPP约为43mm·mrad，快轴BPP约为0.3mm·mrad，而对于芯径400μm，NA＝0.22的光纤来说，其BPP约为44mm·mrad，只要经过简单的准直和聚焦就可以将光束耦合进光纤。与此同时，由于快轴方向BPP为0.3mm·mrad，远小于耦合光纤的BPP，在该方向上可以进行叠加，做成Mini Bar的垂直叠阵，如图6所示。经过计算，20个含有3个发光点的Mini Bar组成的垂直叠阵，其BPP仍小于44mm·mrad，无需光束切割、旋转、重排就可以耦合到小芯径光纤。

图3中展示了单模块的立体结构图，发光芯片组1发出的激光，在快轴方向呈70°左右发散(如图1)，而慢轴方向则呈10°左右发散(如图2)，这种光束在空间发散太快，要想耦合进光纤，必须加入必要的光束整形系统，所以本发明先通过快轴准直镜2对该光束快轴进行准直压缩，然后在慢轴方向通过慢轴准直阵列3对三个发光点发出激光一一对应的进行准直，经过快慢轴光束整形后，光线基本被准直，这样的近准直光线通过聚焦透镜4后无论从光斑还是入射角方面考虑都可以较容易的耦合进光纤。

图4为多模块立体结构示意图。该结构是将多个单模块呈横向阶梯型排开，每一个发光芯片组1发出的光束经快轴准直镜2和慢轴准直阵列3准直过后，通过对应的45°放置的反射镜7，实现多束光的垂直叠加，形成一个方形的光斑，该光斑再经过二次慢轴准直镜(柱面镜8)和第二聚焦镜9实现光纤耦合输出。

替换方案

1)本发明不仅适用于光纤耦合类产品，还可以作为小光斑输出光源。例如，去除光纤后，利用本产品可以实现3mm×3mm光斑或20mrad×20mrad的光束发散角输出。

2)多模块光纤耦合模块除采用图4的方案外，也可以采取图5的方案，即多个单一发光模块呈纵向阶梯状排列。发光芯片组1发出的激光分别经过快轴准直镜2和慢轴准直阵列3进行压缩准直后经二次慢轴准直镜12进一步准直，实现光参量乘积的进一步优化，最终通过第三聚焦镜13耦合入光纤输出。

3)本发明中的慢轴准直阵列3也可以用柱面镜来代替。

综上所述，本发明不同于现有技术的光纤耦合模块产品，它是在Mini Bar的基础上开发出来的产品，其无需经过复杂的切割、旋转、重排的光学系统即可将光束耦合进光纤。并且由于体积小巧，本发明可以根据不同客户需求，设计出各种结构形式的多模块、高亮度半导体激光光纤耦合模块来。因此本发明的应用更广泛。

本发明从输出功率、驱动电流、价格等方面均处于单管类和Bar条类产品之间，弥补了后两者的不足，同时对市场需求也是有效的补充，具有广阔的市场前景。

Claims (7)

1.一种用于半导体激光器的光纤耦合模块，包括由发光芯片组(1)、快轴准直镜(2)和慢轴准直阵列(3)组成的发光模块，其特征在于：所述快轴准直镜(2)和慢轴准直阵列(3)依次设于发光芯片组(1)的激光发射方向上，所述慢轴准直阵列(3)的激光出射侧设有第一聚焦镜(4)；所述快轴准直镜(2)为D型柱透镜或光纤透镜，所述第一聚焦镜(4)为双凸非球面透镜，所述慢轴准直阵列(3)为包含多个圆柱曲面的透镜。

2.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的光纤耦合模块，其特征在于：所述发光芯片组(1)包含有单个或多个发光芯片，所述多个发光芯片并列设置且各发光芯片激光发射方向相同。

3.根据权利要求2所述的用于半导体激光器的光纤耦合模块，其特征在于：所述发光芯片为微型巴条(Mini Bar)。

4.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的光纤耦合模块，其特征在于：所述快轴准直镜(2)和慢轴准直阵列(3)的水平方向长度均小于10mm。

5.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的光纤耦合模块，其特征在于：由发光芯片组(1)、快轴准直镜(2)和慢轴准直阵列(3)组成的发光模块和聚焦镜(4)均设于底板(6)上。

6.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的光纤耦合模块，其特征在于：该光纤耦合模块包含有多个发光模块和一个阶梯底座(10)，所述多个发光模块呈横向阶梯状排列分别固定在阶梯底座(10)的各阶梯上，每个发光模块前均放置有一个反射镜(7)，所述反射镜(7)相对于发光模块的发射光轴呈45°放置；所述阶梯底座(10)的前方依次设有柱面镜(8)和第二聚焦镜(9)；每个发光模块输出的光斑经反射镜(7)反射后，由柱面镜(8)和第二聚焦镜(9)对光束进行二次准直和聚焦耦合，最终实现光纤耦合输出。

7.根据权利要求6所述的半导体激光器的光纤耦合模块，其特征在于：所述第二聚焦镜(9)为双凸非球面透镜。

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