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Hao Yu^a, Shaoyang Tan^a, Huadong Pan^a,b, Shujuan Sun^a, Pengyuan Lin^a, Huan Hu^a, and Jun?Wang^a,b

^aSuzhou Everbright Photonics Co., Ltd, Suzhou 215163, P.R. China

^bSichuan University, Chengdu 610065, P.R.China

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俞浩^a，譚少陽^a，潘華東^a,b，孫舒娟^a，林朋遠^a，胡歡^a，王俊^a,b

^a蘇州j9國際站備用光電技術股份有限公司，蘇州

^b四川大學，成都

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Hao Yu, Shaoyang Tan, Huadong Pan, Shujuan Sun, Pengyuan Lin, Huan Hu, Jun Wang, "High-brightness fiber-coupled diode module using dense wavelength beam combining technology based on single emitter for material processing and fiber amplifier pumping," Proc. SPIE 11983, High-Power Diode Laser Technology XX, 119830A (4 March 2022); doi: 10.1117/12.2608686

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摘要

光纖耦合模塊具有高效率和高可靠性的優點，被廣泛應用于材料加工和光纖激光器泵浦。常規光纖耦合模塊基于空間合束和偏振合束，亮度無法滿足許多應用的需求，例如金屬材料切割需要光功率超過1kW、光束質量優于幾個mm*mrad。密集光譜合束技術能夠在保持輸出光束質量的同時大幅增加輸出功率，使得光纖耦合模塊的高亮度應用成為可能。通過在密集光譜合束技術中使用半導體激光二極管單管芯片代替半導體激光二極管巴條芯片，光纖耦合模塊的效率、可靠性和亮度能夠得到提升。我們為材料加工和光纖放大器泵浦應用開發了2種基于單管芯片密集光譜合束技術的高亮度100μm/0.22 NA 2kW光纖耦合模塊。這2種高亮度模塊分別具有953-991nm的光譜、50%的電光轉換效率和更窄的光譜、48%的電光轉換效率。我們還通過光纖合束的方式將15臺100μm/0.22 NA 1.4kW高亮度模塊進行合束，成功實現600μm/0.22 NA光纖超22kW輸出。

1.背景介紹

直接半導體（Direct Diode Laser，DDL）激光器具有非常多的優點，例如高效率、高可靠性、高緊湊性和輕量化，被廣泛應用于材料加工領域。傳統的DDL激光器采用空間合束、偏振合束和寬波長合束等手段來提升輸出功率。雖然功率得到了提升，但是在亮度方面的提升十分有限，不足以應用于厚金屬切割，更不可能應用于對亮度要求超過160MW/cm²-sr的拉曼光纖放大泵浦[1]。密集光譜合束（Dense Wavelength Beam Combining，DWBC）和相干合束（Coherent Beam Combining，CBC）都可用于大幅提升DDL激光器的輸出亮度。但是高功率半導體激光器CBC的復雜性和難度限制了最大輸出功率，目前最大輸出功率低于50W[2-3]。而DWBC以犧牲光譜寬度為代價，無需對激光相位進行控制，降低了整個系統的復雜性和難度。

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半導體激光巴條芯片由于其集成度高，能夠實現光學器件高效組裝，是DWBC中最常見的光源。但是巴條芯片的“smile”效應和低偏振度降低了高亮度DDL激光器的輸出亮度和電光效率。除此之外，巴條芯片的緊湊性不可避免地帶來了巴條芯片上各發光點間的熱串擾，進而限制了輸出功率和輸出亮度的提升。為了獲得更高的亮度、更高的可靠性和更高的電光轉化效率，j9國際站備用開發了一種基于半導體激光單管芯片的DWBC技術。雖然單管芯片的光學器件組裝時間高于巴條芯片，因為每一個單管芯片都需要單獨進行光學整形，但是單獨的光學整形反而提供了5個自由度用于修正光束之間的位置和指向性，進一步提升了高亮度DDL激光器的性能。

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j9國際站備用以模塊化設計為核心，開發基于單管芯片DWBC技術的1.5kW空間輸出引擎，再將這些引擎進行組合，實現高功率光纖耦合輸出。由1.5kW空間輸出引擎組成的高功率高亮度光纖耦合模塊不但簡化了裝配難度，得益于模塊化設計，還大大提升了產品的可維護性。

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2. 1.5kW空間輸出引擎

1.5kW引擎采用j9國際站備用自主研制的9xx nm系列 120μm發光區寬度單管芯片作為光源，這些單管芯片都封裝在氮化鋁陶瓷熱沉上以獲得良好的散熱效果。之前開發的350W/50μm[5]和600W/100μm[6]光纖耦合模塊使用去除輸出光纖的常規M12模塊作為封裝好的單管芯片載體。在1.5kW空間輸出引擎中，開發了一款全新的M12F模塊作為封裝好的單管芯片載體，以降低系統的尺寸和體積。這款全新的M12F模塊已經應用于激光無線能量傳輸系統中[7]。M12F模塊中的快軸準直透鏡（Fast Axis Collimator，FAC）、慢軸準直透鏡（Slow Axis Collimator，SAC）和45°反射鏡的組裝都基于j9國際站備用自主研制的主動對位（Active Alignment，AA）制程自動化設備，M12F模塊的近場（Near Field，NF）和遠場（Far Field，FF）優化全部實現自動化。

理論上來說，芯片的自由運轉中心波長應該盡可能地靠近設計的鎖定中心波長，以實現高效率和高邊模抑制比。通過設計特殊的外延結構和優化芯片前腔面鍍膜，新型9xx nm系列 120μm發光區寬度單管芯片波長鎖定范圍在14A工作電流、25℃工作溫度條件下超過20nm，如圖 1所示。在不同鎖定中心波長時，模塊仍然輸出相同功率。值得一提的是，所有用于DWBC的單管芯片都來自于j9國際站備用的6英寸芯片產線。

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圖 1. 中心波長為969nm的M12F模塊波長鎖定結果。

1.5kW引擎的示意圖如圖 2所示，引擎由16個M12F模塊組成，模塊的設計鎖定波長從953至991nm。16個模塊的光束在快軸和慢軸方向通過焦距為750mm和1000mm的柱透鏡進行再準直。為了在接近40nm的帶寬內容納盡可能多的通道，即盡可能提升激光器輸出亮度，一個1851線/mm的透射光柵被用作合束器件。從3%至15%不同反射率的腔鏡被用于評估波長鎖定效果，最后得出的結論是3%的反饋能夠實現從閾值電流至工作電流完全波長鎖定。因此，最終選擇僅有單面鍍膜的腔鏡以提供3%左右的Fresnel反射。在光柵和腔鏡之間有一個濾波系統，確保芯片之間無串擾。同時以防萬一，濾除未被波長鎖定的光束。最后所有光束通過一個放置在腔鏡之后的3倍放大伽利略式望遠系統，以平衡快慢軸發散角。

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圖 2. 1.5kW空間輸出引擎示意圖。

??圖 3展示了基于單管DWBC技術的1.5kW引擎輸出功率、電光轉化效率（Power Conversion Efficiency，PCE）和光譜。引擎在9A時峰值PCE達到52.1%，在14A時最高輸出功率達到2.1kW。在這臺引擎中有5個芯片發生失效，若扣除失效芯片，最大PCE將超過53%。與此同時，在引擎中使用的光學器件鍍膜并未專門針對953至991nm進行優化，在這一波段范圍內鍍膜透過率/反射率約為99.5%，鍍膜導致了百分之幾的額外功率損耗。設計的第一個和最后一個M12F模塊鎖定中心波長分別為953.4nm和991.2nm，實際測得第一個和最后一個M12F模塊鎖定中心波長分別為953.7nm和991.5nm。通過設計和實驗對比，可以看出理論設計的正確性，與此同時，證明在整個制造過程中光學裝配達到了極高的精度。

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圖 3. 左圖：1.5kW引擎LI和PCE曲線。右圖：1.5kW引擎14A工作電流輸出光譜。

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3. 2kW光纖耦合模塊

1.5kW引擎輸出為偏振度超過20dB的s偏振，因此可以以及其微小的功率損耗代價，通過偏振合束的方式，進一步提升輸出亮度。2kW光纖耦合模塊由2臺1.5kW引擎組成。一臺引擎之前加入了一塊半波片將s偏振光轉換為p偏振，再通過一個偏振合束器將兩束不同偏振態的激光在NF和FF方向上疊加。圖 4展示了用于材料加工的光纖耦合模塊輸出結果，在8A工作電流下輸出功率超過2.1kW、PCE超過50.5%。在引擎單獨開機測試中，每一臺引擎都能通過100μm/0.22 NA QBH光纖輸出超過1.8kW功率。然而2臺引擎同時加電測試時在電流增加到9A后，光纖輸出端光纖和端帽熔接點燒毀，因此未進行更高工作電流測試。2 臺引擎中心波長偏差為0.5nm，因此在光譜圖中可以看到尖峰數目超過16個。

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圖 4. 左圖：2kW/100μm光纖耦合模塊LI和PCE曲線。 右圖：8A工作電流輸出光譜。

而在光纖放大器泵浦應用中，通過精密裝調，可以看出2臺引擎光譜完全重合，如圖 5所示。為了壓縮光譜寬度，12臺M12F模塊被從2kW/100μm光纖耦合模塊中移除。模塊在13A工作電流下輸出功率超過2kW、PCE為48.2%，如圖 6所示。值得注意的是，這個測試結果為裸纖輸出，輸出端未進行任何鍍膜處理。另外整臺模塊還進行了壽命測試，在25℃水冷、70%濕度條件下，400小時功率衰減小于2%。

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圖 5. 用于光纖放大器泵浦應用的2kW/100μm光纖耦合模塊13A電流輸出光譜。

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圖 6. 左圖：用于光纖放大器泵浦應用的2kW/100μm光纖耦合模塊LI和PCE曲線。右圖：滿功率400小時測試結果。

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光纖合束器常被用于實現輸出功率提升，并且可用于實現無需光學裝調的全光纖DDL系統。光纖合束器輸入光纖的光束質量和包層光中的光都需要控制，因為兩者共同影響合束器的效率[8]。對于使用空間合束和偏振合束技術的常規單管光纖耦合模塊[9]來說，單管芯片的FF對光纖輸出的光束質量起決定性作用。然而對于2kW模塊，剛好和常規光纖耦合模塊相反，單管芯片的NF對光纖輸出的光束質量起決定性作用，并且單管芯片的NF寬度在高電流下開始收縮[10]，因此在高電流下光纖輸出光束質量反而會更好。在2kW/100μm光纖耦合模塊光學設計中，超過0.17 NA的光都被孔徑光闌所切割，因此理論上100%的光都在0.17 NA內。100μm/0.17 NA光纖輸出超過2.1kW，其輸出亮度超過300MW/cm²-sr。這一亮度已經使得DDL可用于厚金屬切割和光纖放大器泵浦應用。除此之外，2kW光纖耦合模塊還使用包層光剝除器（Cladding Power Stripper，CPS）進行了包層光測試。通過在100μm/0.22 NA傳能光纖中部熔接一個CPS，觀察CPS的溫度變化。可以看到在在2kW功率輸入、無水冷的條件下CPS的溫度僅為40.5℃，如圖 7所示。

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圖 7. 2kW輸入、無水冷條件下100μm/0.22 NA光纖CPS穩定后溫度。

4. 21kW DDL

整個項目最終目標是通過600μm/0.22 NA QD接口光纖輸出21kW功率。2種設計思想迥異的光學設計都可以達成這一目標，分別是空間合束設計和光纖合束設計，兩者具有各自的優缺點。空間合束設計可以輸出更高的亮度，但是整個DDL系統的設計和組裝難度大大提升。與其相比，光纖合束設計能夠大幅提升整個系統的可靠性，但是隨之而來的是20%光束質量惡化。舉個例子，1.5kW空間輸出引擎的光束質量為7mm*mrad，通過光束模型[11]可知，600μm/0.22 NA光纖最大能夠允許29臺引擎進行光纖耦合。通過100μm/0.22 NA光纖合成為600μm/0.22 NA光纖輸出的方式，最大引擎數目僅為19臺。然而15臺通過100μm/0.22 NA光纖耦合的1.5kW引擎足夠提供21kW輸出。因此，項目最終選擇光纖合束方案。部分1.5kW引擎的短波和長波M12F模塊被移除，15臺1.5kW光纖耦合模塊在12A時輸出平均功率為1.4kW。圖 8展示了21kW光纖輸出DDL激光器結構，15臺光纖耦合模塊通過1個19X1合束器實現600μm/0.22 NA光纖輸出。

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圖 8. 21kW光纖輸出DDL激光器結構示意圖。

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圖 9和圖 10展示了21kW光纖輸出DDL激光器的輸出功率和輸出光譜。21kW激光器在13A電流時輸出超過22.9kW。當電流超過10A后出現了熱翻轉，這是由于水冷不足造成的。非常明顯，15臺激光器的光譜完全重合，因此光譜圖中尖峰的數目正好為16。合束器造成的每一臺激光器功率損失也進行了分析。激光器從600μm/0.22 NA光纖輸出的功率與100μm/0.22 NA裸纖輸出功率相比，變化為-60W至+30W，變化率為-4%至2%。通過分析可知，合束器不同輸入端口的合束效率和輸出端的增透膜共同導致了功率的增加和降低。

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圖 9. 左圖：21kW光纖輸出DDL激光器LI曲線。右圖：13A輸出光譜。

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圖 10. 左圖：21kW光纖輸出DDL激光器樣機。右圖：13A輸出功率。

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5. 總結和展望

基于半導體激光單管芯片的DWBC技術展現了其在亮度提升的同時，帶來的高電光轉化效率和高可靠性的優點。j9國際站備用通過優化外延結構和對芯片出光腔面進行處理，單管芯片在高工作電流下波長鎖定范圍超過20nm。將這一技術應用于1.5kW空間輸出引擎，實現了52.1%的PCE和2.1kW輸出。基于1.5kW引擎開發了2種用于不同領域的2kW光纖耦合模塊，PCE和亮度分別超過50.5%和300MW/cm²-sr。如果能夠解決100μm/0.22 NA QBH光纖輸出端損傷的問題，2kW光纖耦合模塊的輸出功率將超過3.6kW、輸出亮度達到500MW/cm²-sr。最終將15臺平均功率為1.4kW的光纖耦合模塊通過一個19X1的合束器合成輸出，實現600μm/0.22 NA QD光纖輸出接近23kW。如果將2kW光纖耦合模塊接入19X1合束器，預計600μm/0.22 NA光纖輸出將超過60kW、PCE達到50%。可以預見，將基于半導體激光單管芯片的DWBC技術應用在其他波段，能夠大幅提升相關波段的DDL激光器輸出亮度和降低相應的成本。

致謝

本項研究受到科技部重點研發資助（項目號2018YFB1107300）。

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參考文獻

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