多模光纤耦合半导体激光管有哪些分类？

4 个多模光纤耦合半导体激光管系列

多模光纤耦合半导体激光管基于广域的一侧，它发射的半导体激光管芯片最初是由半导体晶圆设计和制造的。

多模光纤耦合半导体激光管有 4 种类型（见图 2 和图 3）：

• 单发射器：当半导体激光管芯片被隔离时，组装在子底座上，并单独封装在半导体激光管模块中。 我们在这里讨论的是 15W 的功率耦合到一个 105（纤芯）/125µm（包层）半导体激光管中。

• 多发射器：当多个发射器分离并与多模光纤中的其他隔离发射器光耦合在一起时（图 3-右）。 因此，输出功率水平可扩展到数百瓦，并且光纤的尺寸可以保持较小，如 100 或 200 µm 纤芯。

• 单巴条：当多个发射器作为一个单巴条（图 1）并组装在一个半导体激光管模块中。 我们在这里讨论的是约 50 W 的功率耦合到 200 µm（纤芯）/240 µm（包层）半导体激光管中。

• 多巴条：当多个巴条组装在一个大型水冷封装中并耦合在大直径多模光纤中时。 我们在这里讨论的是耦合到例如 600 或 800 µm 纤芯多模光纤中的 100 W甚至 KW。

图 1：半导体激光管元件示例——单个元件组装在底座（左）或由 19 个发射器制成的单巴条上。 （由 Innolume 和 Seminex 提供）

所有这些半导体激光管均有不同的封装：

图 2：多模光纤耦合半导体激光管模块示例：（左：多发射器 35W 半导体激光管；中：来自 AeroDIODE 的915nm 10W单发射器；右：来自 DILAS 的各种半导体激光管单巴条和多巴条光源（由AeroDIODE 和 Dilas提供 - 现在由Coherent公司提供）

值得注意的是，当考虑到各种系列时，典型的电压和电流水平如何变化：

• 典型的单一发射器的电压电平为1.5V，电流为15A。

• 对于多发射器半导体激光管，发射器是串联组装的。 这意味着电流水平不会改变（通常最大 15 A），但是电压会随着发射器数量增加而增加。 （例如， 4.5V/15A的60 W半导体激光管）

• 一个半导体激光管巴条将所有发射器并联组装在一起。 因此，电压水平不变，但电流水平可以轻松达到 45 或 50 A。

• 同样，当将多个巴条组装在一起时，它们是串联组装的，因此电流水平（例如 45 A）不会改变，但电压会随着巴条数的增加而有规律地增加。

b) 结构和尺寸

图3 显示了一些单元件和多元件半导体激光管的结构示例。 可以看出，分离几个半导体激光管元件并将它们的激光整合到一根光纤可以增加光纤的功率/表面。 另一方面，半导体激光管巴条非常不对称，使得将光注入圆形光纤变得更加困难。 这使得激光巴条技术的最小光纤直径通常比多元件技术的更大。

图 3：单元件半导体激光管（左）和多 (3) 元件半导体激光管（右）的结构示例

图 4：半导体激光管巴条光纤注入设置示例。 （由Fraunhofer IOF 提供）

c) 光谱特性

请注意，许多应用（例如在 976 nm 处泵浦 Yb3+ 等稀土离子）需要稳定而且窄的半导体激光管发射光谱。 这种波长稳定性需要控制半导体激光管的温度，还需要半导体激光管配备一个额外的波长稳定元件。 该元件通常是用于多模半导体激光管的 VBG（体布拉格光栅）。 VBG 是集成在半导体激光管封装中的专用玻璃片。

图 5：930 nm 输出半导体激光管的 940 nm VBG 锁定光谱（Y.Li 等人）

d) 驱动多模半导体激光管

驱动多模半导体激光管是一项艰巨的任务，需要专门的产品。 尤其是对于>10W输出功率半导体激光管，热冷却是一个很大的问题。 这是一款专为光纤半导体激光管驱动而设计的的半导体激光管驱动器，与研发和全光纤激光器产品集成兼容。

AeroDIODE 的 CCM（冷却和控制多模）针对驱动一个或多个多模泵浦半导体激光管（单元件或多元件器件）进行了全面优化。 它配备了一个TE冷却器，可以调节半导体激光管的温度。 它是一种风冷设备，与高达 200 W 光功率的半导体激光管兼容。

图 6：AeroDIODE 高功率半导体激光管驱动器。 适用于多元件半导体激光管，如 II-VI、Lumentum、IPG 等。