1550纳米的高功率小芯径半导体激光器：实现低损耗长距离能量传输的新方案

《Optics & Laser Technology》：High-power small-core-diameter semiconductor laser at 1550 nm: A novel solution for low-loss long-distance energy transmission

本研究基于空间光束合成技术研制了一款1550nm高功率小芯径半导体激光器，在26℃、9A注入电流下实现11.46W连续波输出功率，光纤耦合效率72.1%±2.8%，波长温度稳定性系数0.1266nm/°C，经15.8km多模光纤传输后功率损失5.526dB，最终输出功率3.21W。该激光器在长距离光能传输、激光雷达、光纤传感等领域具有应用潜力。

　　本研究成功开发了一种基于空间光束合成技术的1550纳米高功率、小芯径半导体激光器。该激光器在连续波（CW）工作模式下，工作温度为26摄氏度，注入电流为9安培时，实现了11.46瓦的输出功率，其斜率效率达到1.43瓦/安培，光纤耦合效率为72.1% ± 2.8%。该器件表现出优异的温度稳定性，其波长漂移系数为0.1266纳米/摄氏度。长距离传输测试显示，经过15.8公里多模光纤（62.5/125微米）传输后，总损耗为5.526分贝，最终输出功率为3.21瓦。这些成果表明，该激光器非常适合用于高功率、长距离的光能传输应用，如激光雷达、光纤传感和通信系统，同时解决了传输损耗和光束质量等问题。

在光纤信号能量传输系统中，由于光纤具有紧凑的尺寸、电磁隔离和耐极端温度等物理特性，它们可以用于危险或易燃易爆环境中，以传输能量并增强光伏能量转换器，为传感器提供电力支持。目前，光纤信号能量传输技术的主要应用场景包括高压电网的远程监测和长距离通信系统。在光纤传输过程中，低波长的光信号（例如808纳米激光）会经历较高的传输损耗（在62.5/125微米多模光纤中，传输损耗为3.5分贝/公里），而长波长（红外）光信号则表现出较低的传输损耗（在同种光纤中，传输损耗为0.35分贝/公里，显著低于808纳米激光）。此外，红外波长在大气中的吸收率较低，使得相同能量的激光在光纤中传播的距离更远。由于大多数应用涉及长距离通信，因此1550纳米半导体激光器的关键市场需求是，如何在保持低成本的同时，最大化输出功率并最小化传输损耗。

半导体激光器根据其结构和工作原理，主要分为几种类型，如FP（Fabry–Perot）激光器、DFB（Distributed Feedback）激光器、VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers）和QCL（Quantum Cascade Lasers）。FP激光器使用FP腔作为谐振腔，能够发射具有多个纵模的相干光。DFB激光器在FP激光器的基础上，引入了光栅滤波器，仅允许单一纵模输出，从而实现稳定的单模运行和窄线宽，使其在电信和传感领域占据主导地位。相比之下，VCSEL具有垂直于晶圆表面的腔体，具有较低的阈值电流、圆形输出光束和高效的二维阵列集成能力，这些优势使其适用于短距离数据通信和光学互连。QCL基于量子阱中的亚带间跃迁，是一种单极器件，能够在中红外至太赫兹波段实现广泛的调谐能力，主要用于高分辨率光谱分析和气体传感。尽管DFB激光器在单模功率和相干性方面表现优异，VCSEL在成本较低的情况下提供更优的集成和功率效率，而QCL则在更长的波长下具有独特优势，但在长距离光纤信号能量传输系统中，FP激光器更为适用，因其具有较高的输出光功率、较小的发散角、相对较窄的光谱和较高的调制速率，更适合长距离通信。

然而，FP激光器的光束质量较差，包括较大的发散角和像差等问题，限制了其直接应用。光纤耦合技术可以有效改善FP激光器的光束质量，通过将激光高效耦合进光纤进行传输，从而扩展其应用范围。高效的光纤耦合技术能够充分利用半导体激光器的优势，推动其在光纤通信、激光加工和生物医学领域的应用，同时应对国家经济和社会发展中的关键科学和技术挑战。

目前，关于高功率半导体激光器的研究主要集中在减少芯片的发散角、实现高功率和小芯径输出的同时提升光束质量。此外，还致力于开发小型化和集成化的耦合装置，以减少系统体积和成本，同时提高设备的可靠性。2022年，Cheng等人提出了一种基于阶梯棱镜内部全反射与偏振组合的光束整形技术，该技术适用于980纳米波长，光纤芯径为200微米，激光输出功率达到1099瓦。2023年，Liu等人开发了一种基于空间复用和偏振组合技术的高功率792纳米光纤耦合半导体激光器模块，将24个芯片耦合进单根光纤，输出功率为232瓦，耦合光纤芯径为200微米。2024年，Ma等人设计了一种结合直角棱镜和梯形棱镜的新型透镜，实现了两排半导体激光器阵列中光斑图案的均匀对齐。结果表明，976纳米光纤激光器实现了620.9瓦的输出功率，耦合效率达到86.24%。上述研究主要集中在低波长、高功率和大芯径的半导体激光器器件上。此外，低波长和大芯径会增加光信号的传输损耗，使其不适合在数十至数百公里的长距离传输中使用。

在长波长领域，2011年，William Loh等人报告了在1550纳米波长下工作的InGaAlAs/InP量子阱高功率、低噪声封装半导体外腔激光器（ECL）的演示。研究结果表明，在FBG被动腔中，光纤耦合输出功率为370毫瓦。2015年，Helene Duprez等人报告了在1550纳米和1310纳米波长下工作的混合III-V材料在硅基上的DFB激光器。III-V材料通过键合方式与图案化的硅绝缘体（SOI）晶圆结合。激光腔通过在硅中蚀刻光栅获得，而硅渐变锥被用于将光从III-V波导耦合到被动硅电路，以最大化激光的可用增益和输出功率。在1310纳米波长下，实现了高于1.5毫瓦的单模光纤耦合功率。2019年，Yu.K. Bobretsova等人开发了一种基于高功率半导体激光器的脉冲激光模块，其光谱范围为1500-1600纳米。在25摄氏度下，自由空间模块和光纤耦合模块的输出功率分别为15瓦和12瓦，耦合光纤芯径为200微米。然而，在光纤信号能量传输通信系统中，与脉冲激光器相比，连续波激光器能够提供恒定功率的光束，这意味着单位时间内传输的能量高度稳定和可预测。因此，有必要开发一种基于1550纳米波长的高功率、小芯径、连续波半导体激光器。

本研究基于空间光束合成原理，设计并制造了一种1550纳米高功率、小芯径的半导体激光器。五块激光芯片（每块输出功率为3瓦）经过快轴准直、慢轴准直、镜面光束合成和透镜聚焦处理，最终耦合进多模光纤（MMF）中，光纤芯径为62.5微米，数值孔径（NA）为0.22。该激光器在连续波（CW）工作模式下，输出功率达到11.46瓦，计算得出的光纤耦合效率为72.1% ± 2.8%。长距离传输损耗测试表明，经过15.8公里62.5/125微米多模光纤传输后，总损耗为5.526分贝，最终输出功率为3.21瓦。较低的传输损耗确认了该激光器适合用于长距离光纤通信、能量传输、雷达探测等高功率光学应用。

在1550纳米半导体激光器的光束整形和耦合过程中，直接发射的光束质量较差，不适合进行光纤耦合，因此需要进行光束整形。光束整形包括对快轴和慢轴光束的压缩，其中快轴压缩主要目的是填充快轴方向上的暗区。此外，光纤作为光纤耦合半导体激光器的核心组件，其参数直接影响设备性能。光纤芯径决定了光束的数量，较小的芯径能够更有效地限制光束，从而提高耦合效率。同时，光纤的数值孔径（NA）也对光束的耦合性能产生影响，较高的数值孔径能够更宽地接受光束，从而提高耦合效率。然而，较高的数值孔径可能导致光束的发散角增大，影响光束的传输质量。因此，在设计光纤耦合半导体激光器时，需要在芯径和数值孔径之间进行平衡，以实现最佳的光束耦合效果。

在本研究中，为了实现高效的光纤耦合，五块FP激光芯片被选用。激光芯片的选择主要基于两个关键参数：快轴和慢轴的发散角以及发射宽度。这些参数对于将激光高效耦合进小芯径光纤至关重要。较小的发散角和较小的发射宽度有助于更容易、更有效地耦合进光纤。发射宽度与激光器的输出功率之间存在正相关关系，因此在选择激光芯片时，需要兼顾输出功率和耦合效率。此外，发射宽度的分布对光束的对齐和耦合效果也具有重要影响，均匀的发射宽度能够提高光束的对齐精度，从而提高耦合效率。

在激光模块的设计和制造过程中，需要考虑多个因素，包括激光芯片的布局、光束合成方式、透镜设计以及光纤耦合结构。为了实现高功率输出，需要将多个激光芯片的光束进行合成，以提高整体输出功率。同时，为了提高光束的耦合效率，需要对激光芯片进行准直处理，使其输出光束尽可能接近理想状态。快轴准直和慢轴准直是实现这一目标的关键步骤。快轴准直主要针对快轴方向上的光束进行压缩，以减少发散角，提高光束的集中度。慢轴准直则针对慢轴方向上的光束进行处理，以优化光束的对齐和耦合效果。

在本研究中，五块激光芯片经过快轴准直、慢轴准直、镜面光束合成和透镜聚焦处理后，最终实现了将光束耦合进多模光纤（MMF）的目标。通过镜面光束合成技术，可以将多个激光芯片的光束进行合成，以提高整体输出功率。透镜聚焦技术则用于优化光束的对齐和耦合效果，使其能够更有效地进入光纤。在光纤耦合过程中，需要考虑光纤的参数，如芯径、数值孔径（NA）和模式特性，以确保光束能够被有效传输。芯径较小的光纤能够更有效地限制光束，提高耦合效率，而较高的数值孔径能够更宽地接受光束，提高耦合效率。然而，较高的数值孔径可能导致光束的发散角增大，影响光束的传输质量。因此，在设计光纤耦合结构时，需要在芯径和数值孔径之间进行平衡，以实现最佳的耦合效果。

此外，光纤的模式特性也对光束的耦合效果产生影响。多模光纤具有多个传输模式，能够支持较大的光束发散角，而单模光纤则具有单一的传输模式，能够更有效地限制光束，提高耦合效率。因此，在本研究中，选择多模光纤作为耦合介质，以适应较高功率的光束传输需求。同时，为了提高耦合效率，还需要优化光纤的参数，如芯径和数值孔径（NA），以确保光束能够被有效传输。

在本研究中，通过快轴准直、慢轴准直、镜面光束合成和透镜聚焦技术，成功实现了五块激光芯片的光束合成，并将其耦合进多模光纤（MMF）中。最终输出功率达到11.46瓦，光纤耦合效率为72.1% ± 2.8%。长距离传输测试显示，经过15.8公里62.5/125微米多模光纤传输后，总损耗为5.526分贝，最终输出功率为3.21瓦。较低的传输损耗表明，该激光器在长距离光纤通信和能量传输方面具有良好的性能。

在实际应用中，该激光器表现出优异的温度稳定性，其波长漂移系数为0.1266纳米/摄氏度，表明其在温度变化下的性能保持良好。此外，该激光器的光纤耦合效率较高，能够有效地将激光传输到光纤中，提高传输效率。这些特性使得该激光器在复杂环境中表现出出色的性能，能够维持稳定的输出功率和光束质量，从而满足高功率光学应用的需求。

综上所述，本研究开发了一种基于空间光束合成技术的1550纳米高功率、小芯径半导体激光器，实现了高输出功率和低传输损耗。该激光器在温度稳定性、光纤耦合效率和光束质量方面表现出色，适用于多种高功率光学应用，如光纤通信、能量传输和雷达探测。通过优化激光芯片的布局、光束合成方式和透镜设计，成功实现了光束的高效耦合，提高了整体性能。这些研究成果为未来高功率、长距离光纤信号能量传输技术的发展提供了重要的参考和方向。