CN1710453A - 一种半导体激光器阵列的光纤耦合器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用离子交换工艺在玻璃基片上制作的半导体激光器阵列的光纤耦合器件，特征在于横截面上沿平行于玻璃基片平面的方向形成周期性的若干个高折射率区域；以一个高折射率区域为中心的一个周期构成一个耦合单元，在每个耦合单元内部折射率分布具有相同的分布特征：耦合单元内沿垂直于玻璃基片方向的折射率差值较大，而沿平行于玻璃基片方向的折射率差值较小。耦合器与半导体激光器耦合时，每一个半导体激光器阵列的发光中心与一个耦合器横截面上的高折射率区域中心对准。这种耦合器用于光学系统中可以同时实现半导体激光的快、慢轴准直，因此与半导体激光器有较高的耦合效率。本耦合器件可以降低制作成本和装调难度，提高系统性能。

Description

一种半导体激光器阵列的光纤耦合器及制作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器阵列的光纤耦合器件及制作方法，更具体地说，涉及一种采用离子交换技术在玻璃基片上制作的半导体激光器阵列的光纤耦合器件，属于光电子学领域。

背景技术

半导体激光器具有体积小、光电转换效率高、高功率和宽频带的可能性、以及性能稳定、可靠、使用寿命长等显著特性，是一种最有前途的激光装置。这种激光器可以应用在几乎所有现有的激光应用领域：可以作为准直光源、泵浦光源、光谱学和光通信器件，也可用于医疗、材料处理和加工，以及娱乐等领域。近年来，半导体激光器的研究和应用呈现出加快发展的趋势。

光纤是一类重要的光传输介质，光纤的发明和大规模应用是人类科技史上的又一个卓越成就。光纤具有可绕性好、孔径小和传输损耗低等优点。将半导体激光器(单管或阵列)中发出的光耦合进入光纤，不仅可以实现激光的长距离柔性传输，增加使用的灵活性，而且可以直接应用于本身就需要光纤的场合，如可以进入人体内管腔，进行方便的操作。另一个成功的例子是作为双包层光纤激光器的泵浦光源。因此半导体激光器的光纤耦合技术被广泛地应用在军用和民用的各个领域：比如医学、美容、材料处理、激光测距、激光制导等，尤其是作为激光器的泵浦源，可以实现端面泵浦，泵浦效率高，而且散热问题容易解决，稳定性好。

如何能使半导体激光器或半导体激光器阵列与光纤连接起来，是一项极有应用前景的课题，也因此成为研究者们关注的焦点之一。由于半导体激光器发光单元的结构特点是发光单元的有源区宽度(约100微米)远大于其厚度(约1微米)，因此半导体激光器发光单元的辐射远场光强的分布极不对称，光波呈狭长的椭圆形，光束在垂直于PN结平面方向(快轴方向)的发散角θ_⊥通常等于30°～40°，远远大于其在平行于PN结平面方向(慢轴方向)的发散角θ_∥，θ_∥(通常仅为6°～12°)。对于半导体激光器阵列或堆栈等高功率器件，其光场结构更为复杂，要实现半导体激光器与光纤的高效耦合，对半导体激光器光束的形状进行整形是十分必要的。

光纤束耦合法是一种半导体激光器阵列常用的耦合方法。如图3所示：在光纤耦合法中，一般采用微型柱透镜(5)压缩快轴发散角至1°～5°，使之远小于光纤的孔径角，而后将平端光纤(6)与压缩后的激光束对准，此后多根光纤经光纤合束器(7)合并成光纤束(8)。或者，如图4所示：为减小慢轴方向的光斑尺寸，进一步提高耦合效率，从半导体激光器(1)发出的光经微型柱透镜(5)进行快轴准直后，采用一个耦合透镜(9)将快轴准直后的半导体激光束进行透镜变换，使变换后的半导体激光的束腰宽度和发散角分别与所用光纤的芯径和数值孔径相对应，然后和光纤(6)进行耦合。上述第一种方法只对光束进行了快轴准直，慢轴方向的光依然是发散的，耦合效率依然较低；第二种方法中由于增加了一个透镜，使光学系统更加复杂，增大了光学系统的装调难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于半导体激光器阵列的光纤耦合技术的一种耦合器件，以进一步提高现有耦合器的性能，并降低其制作成本。

本发明所提供的半导体激光器阵列耦合器件是一种玻璃基片上的梯度折射率光学器件。这种耦合器件中的折射率梯度通过离子交换工艺获得。离子交换过程以含有高极化率阳离子组分的玻璃作基片，由熔盐中的低极化率阳离子与玻璃基片内高极化率阳离子发生离子交换，低极化率阳离子扩散进入玻璃基片，降低扩散区的折射率。在低极化率阳离子浓度较低的区域，折射率较高；低极化率阳离子浓度较高的区域，折射率较低。从而在横截面上形成一个中心折射率高，边缘折射率低的区域，构成一个耦合单元。

这种玻璃波导制备工艺的原理与梯度折射率棒的原理类似，但梯度折射率棒的横截面具有旋转对称性，因此离子交换在无掩膜的条件下进行；本发明所述方法所采用的玻璃基片的横截面不具有旋转对称性，因此在玻璃基片上制作条形波导的离子交换工艺须在有掩膜辅助的条件下进行。

这种器件具有如下特征：

(1)制作该器件所用基片为平板光学玻璃薄片，薄片厚度可以是均匀的，也可以按照一定的规律变化，薄片厚度在150～1000μm；

(2)这种器件由玻璃基片经过一步或多步熔盐离子交换工艺制成；

(3)玻璃基片所含的高极化率离子可以是下述离子中的一种或多种：Tl⁺、Ag⁺、K⁺、Li⁺、Cs⁺、Rb⁺或Cu⁺。离子交换用的熔盐含有任何一种或数种极化率低于玻璃基片中相应的高极化率离子的阳离子。

(4)器件横截面上沿平行于玻璃基片平面的方向形成周期性的若干个高折射率区域，这种区域的数目和周期分别相应于半导体激光器阵列中发光单元的数目和周期。

(5)在器件的横截面上，以一个高折射率区域为中心的一个周期构成一个耦合单元，在每个耦合单元内部折射率分布具有相同的特征：沿垂直于玻璃基片方向的折射率差值(中心折射率与边缘折射率之差)较大，而沿平行于玻璃基片方向的折射率差值(中心折射率与边缘折射率之差)较小。

(6)每一个耦合单元横截面的折射率分部具有光波导的特征，这种光波导可以是单模或多模。

上述器件制作的具体方法为：以含有高极化率阳离子组分的玻璃为基片，根据不同的要求，将玻璃基片平板的两面经研磨和抛光得到表面光滑的厚度为150～1000μm的平板；而后采用掩膜、光刻和腐蚀等微细加工工艺在玻璃基片两表面制作关于玻璃基片对称的条形掩膜(11)，掩膜之间的区域形成离子交换窗口(12)；将带有掩膜的玻璃片放入含有低极化率阳离子的熔盐中进行离子交换。低极化率阳离子通过离子交换窗口与玻璃基片中的高极化率阳离子进行离子交换，并扩散进入玻璃基片，降低扩散区的折射率，形成所需的折射率分布。

根据不同的设计要求，将离子交换后的耦合器的两个端面(与半导体激光器相耦合的端面和与光纤相耦合的端面)加工成所需的形状，如平面、柱面或其它任意形状的面形。

耦合器与半导体激光器耦合时，每一个半导体激光器阵列的发光中心与一个耦合器横截面上的高折射率区域中心对准。在耦合器的另一端，耦合器与半导体激光器耦合时，每一根光纤的芯部的中心与一个耦合器横截面上的高折射率区域中心对准。

与通常使用的光纤耦合法相比，采用这种耦合器的光纤耦合具有如下显著特点：

(1)半导体激光器发出的激光在快、慢轴方向发散角差异较大的特性，通过合理设计耦合器的折射率分布，使这种器件在与激光器相耦合时在与激光束的快轴和慢轴方向上具有与激光的发散角相对应的孔径角，因此这种耦合器与激光器具有更高的耦合效率；

(2)半导体激光进入耦合器后，由于耦合器的波导效应，经过一段距离的传播，光场被限制在高折射率中心附近的一个较小的区域，通过合理设计耦合器的折射率分布，可以使这个区域的有效尺寸和有效数值孔径分别与光纤的芯径和数值孔径相对应，因此，这种耦合器与光纤也具有更高的耦合效率；

(3)这种耦合器具有简单的几何形状，不仅降低了加工成本，而且便于光学系统的装调，并有利于提高系统稳定性；

(4)这种耦合器用一个光学元件实现了常用的光纤耦合法中柱透镜和耦合透镜的功能，在提高系统性能的同时，减少了系统中光学元件的数量；

(5)这种耦合器的制作工艺简单，成本低。

附图说明

图1是半导体激光器阵列的示意图。

图2是单管半导体激光器激光的光场分布。

图3是半导体激光器阵列光纤束耦合示意图。

图4是带有耦合透镜的半导体激光器光纤耦合系统示意图。

图5是采用一次离子交换工艺制作光波导的横截面离子浓度分布示意图，无掩膜的玻璃表面形成离子扩散窗口，图中501、502、503、504为不同浓度的扩散离子的等浓度曲线，高极化率离子的浓度按照501＜502＜503＜504的顺序递增。

图6是采用一次离子交换工艺制作光波导的横截面离子浓度分布示意图，无掩膜的玻璃表面形成离子扩散窗口，图中601、602、603、604为不同浓度的扩散离子的等浓度曲线，高极化率离子的浓度按照601＜602＜603＜604的顺序递增。

图7是采用两次离子交换工艺制作光波导时第一次离子交换后光波导的横截面离子浓度分布示意图，无掩膜的玻璃表面形成离子扩散窗口，图中701、702、703、704为不同浓度的扩散离子的等浓度曲线，高极化率离子的浓度按照701＜702＜703＜704的顺序递增。

图8是采用两次离子交换工艺制作光波导时第二次离子交换后光波导的横截面离子浓度分布示意图，第二次离子交换再无掩膜的条件下进行，图中801、802、803、804为不同浓度的扩散离子的等浓度曲线，高极化率离子的浓度按照801＜802＜803＜804的顺序递增。

图9是采用本发明所述的耦合器的半导体激光器光纤束耦合系统的示意图。

图中：1是或半导体激光器阵列，2是激光器阵列发光单元，3是快轴发散角，4是慢轴发散角，5是柱透镜，6是光纤，7是光纤合束器，8是光纤束，9是耦合透镜，10是玻璃基片，11是条形掩膜，12是条形掩膜形成的离子扩散窗口，13是本发明所述的耦合器。

具体实施方式

所述的耦合器的制作步骤如下：

(1)根据半导体激光器激光的性质，快、慢轴发散角等，确定与之相应的耦合器在相应方向的数值孔径，并进而确定耦合器中单个耦合单元中相应方向的折射率差。

(2)设计离子交换工艺，包括玻璃基片成分、熔盐成分、交换温度、交换时间、玻璃基片形状、掩膜形状、耦合器端面形状等工艺参数。

离子交换过程方案有两种：一次离子交换和两次离子交换

A一次离子交换工艺

这种方案的工艺步骤：

a根据对所制作波导器件的使用要求，选择成分和性能合理的玻璃基片，玻璃基片所含的高极化率离子可以是后面列出的离子的一种或多种：Tl⁺、Ag⁺、K⁺、Li⁺、Cs⁺、Rb⁺、Cu⁺，并对玻璃基片的厚度和掩膜的形状进行优化设计(参照图5和图6，掩膜的形状可以在较大范围内变化)，玻璃基片厚度的典型值为150～1000μm，并设计合理的离子交换工艺；

b采用掩膜、光刻和腐蚀等微细加工工艺在玻璃基片两表面制作关于玻璃基片(10)对称的条形掩膜(图5和图6中的11)，掩膜之间的区域形成离子交换窗口(图5和图6中12)；

c将带有掩膜的玻璃片放入含有低极化率阳离子的熔盐中进行离子交换(离子交换后形成的扩散离子等浓度曲线如501、502、503、504和601、602、603、604所示)，所用熔盐含有一种或数种极化率低于基体玻璃中所含离子极化率的阳离子；

d去除掩膜。

B两次离子交换工艺

这种方案的工艺步骤：

a根据对所制作波导器件的使用要求，选择成分和性能合理的玻璃基片，玻璃基片所含的高极化率离子可以是后面列出的离子的一种或多种：Tl⁺、Ag⁺、K⁺、Li⁺、Cs⁺、Rb⁺、Cu⁺，并对玻璃基片的厚度和掩膜的形状进行优化设计，玻璃基片厚度的典型值为150～1000μm，并设计合理的离子交换工艺；

b采用掩膜、光刻和腐蚀等微细加工工艺在玻璃基片两表面制作关于玻璃基片(10)对称的条形掩膜(图7中的11)，掩膜之间的区域形成离子交换窗口(图7中12)；

c将带有掩膜的玻璃片放入含有低极化率阳离子的熔盐中进行第一次离子交换(离子交换后形成的扩散离子等浓度曲线如701、702、703、704所示)，所用熔盐含有一种或数种极化率低于基体玻璃中所含离子极化率的阳离子；

d去除掩膜；

e将去除掩膜的玻璃片放入含有低极化率阳离子的熔盐中进行第二次离子交换(离子交换后形成的扩散离子等浓度曲线如801、802、803、804所示)，所用熔盐含有一种或数种极化率低于基体玻璃中所含离子极化率的阳离子。

(3)耦合器端面的光学加工。

(4)半导体激光器阵列与光纤束耦合系统的装调。按照图9所示的方法，将本发明所述的耦合器13与半导体激光器阵列1、光纤6、光纤合束器7、光纤束8组装成光纤束耦合系统，耦合器位于半导体激光器阵列1和光纤6之间，与半导体激光器阵列相连接一端，半导体激光器阵列的每个发光中心是与耦合器横截面上的高折射率区域中心对准；耦合器的另一端是每一根光纤的芯部的中心与耦合器横截面上的高折射率区域中心对准。

Claims (9)

1.一种半导体激光器阵列的光纤耦合器，其特征在于耦合器横截面上沿平行于玻璃基片平面的方向形成周期性的若干个高折射率区域；以一个高折射率区域为中心的一个周期构成一个耦合单元，在每个耦合单元内部折射率分布具有相同的分布特征。

2.按权利要求1所述的半导体激光器阵列的光纤耦合器，其特征在于在每个耦合单元内部沿垂直于玻璃基片方向的折射率差值较大，而沿平行于玻璃基片方向的折射率差值较小。

3.按权利要求1所述的半导体激光器阵列的光纤耦合器，其特征在于所述的光纤耦合器的两端面可加成平面、柱面或其他任意的面形。

4.按权利要求1所述的半导体激光器阵列的光纤耦合器，其特征在于所用的玻璃基片为厚度150～1000μm的平板。

5.按权利要求1所述的半导体激光器阵列的光纤耦合器，其特征在于每一个耦合单元横截面的折射率分布具有光波导的特性，且所述的光波导为单模或多模。

6.制作如权利要求1-5中任意一项所述的半导体激光器阵列的光纤耦合器的方法，其特征在于：

(a)根据所制作光纤耦合器的使用要求，选择玻璃基片；所述玻璃基片厚度为150～1000μm，所含高极化率离子为Tl⁺、Ag⁺、K⁺、Li⁺、Cs⁺、Rb⁺或Cu⁺中一种或几种，并进行掩膜的形状优化设计；

(b)采用掩膜、光刻和腐蚀常用的微细加工工艺，在玻璃基片两表面制作对应的条形掩膜，在掩膜之间形成离子交换窗口；

(c)将步骤(b)制作的带有掩膜的玻璃片放入含有低极化率阳离子的熔盐中进行离子交换，所述的熔盐含有一种或数种极化率低于基体玻璃中所含极化率的阳离子；使低极化率阳离子扩散进入玻璃基片，降低扩散区的折射率，形成所需的折射率分布；

(d)除去掩膜；

(e)耦合器表面端面光学加工成所需的平面、柱面或其他形状的面形。

7.制作如权利要求1-5中任意一项所述的半导体激光器阵列的光纤耦合器的方法，其特征在于：

(a)根据所制作光纤耦合器的使用要求，选择玻璃基片；所述玻璃基片厚度为150～1000μm，所含高极化率离子为Tl⁺、Ag⁺、K⁺、Li⁺、Cs⁺、Rb⁺或Cu⁺中一种或几种，并进行掩膜的形状优化设计；

(b)采用掩膜、光刻和腐蚀常用的微细加工工艺，在玻璃基片两表面制作对应的条形掩膜，在掩膜之间形成离子交换窗口；

(c)将步骤(b)制作的带有掩膜的玻璃片放入含有低极化率阳离子的熔盐中进行离子交换，所述的熔盐含有一种或数种极化率低于基体玻璃中所含极化率的阳离子；使低极化率阳离子扩散进入玻璃基片，降低扩散区的折射率，形成所需的折射率分布；

(d)除去掩膜；

(e)将步骤(d)去除掩膜后的玻璃片再次放入含有低极化率阳离子的熔盐中进行离子交换，所述的熔盐含有一种或数种极化率低于基体玻璃中所含极化率的阳离子；使低极化率阳离子扩散进入玻璃基片，降低扩散区的折射率，形成所需的折射率分布；

(f)耦合器的端面光学加工成所需的平面、柱面或其他形状的面形。

8.按权利要求6或7所述的半导体激光器阵列的光纤耦合器的制作方法，其特征在于所述的条形掩膜形状或是直条形，或是任意形状的平滑曲线或多种形状的组合，且同一条形掩膜的宽度沿长度方向或是恒定的，或是按规律变化。

9.按权利要求6或7所述的半导体激光器阵列的光纤耦合器的制作方法，其特征在于离子交换为无电场辅助下的熔盐离子交换。

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