高功率光纤耦合半导体激光器失效分析

光纤耦合半导体激光器失效模式分析

摘要：高功率半导体激光器在商用领域的应用越来越广泛，许多半导体激光厂家越来越重视商用激光市场，因此多年来以IPG为主要供应商的市场格局正逐步被打破，国内从2010年开始就有供应商开始生产光纤耦合激光器。经过几年的经验积累，光纤耦合的单芯片封装技术已趋于成熟。本文主要结合实际工作分析光纤耦合半导体激光器出现的各种失效模式和原因，仅供同行参考。作者认为，在中国仍未掌握芯片生产技术的前提下，激光厂家唯有选择优质的光纤和透镜组件，不断优化制造工艺和提高产品的可靠性，才能从国人所诟病的山寨大军中脱胎换骨，成为终端用户信赖的激光器件提供商，才能成为成为行业的领先者。

关键字:光纤镀膜，激光器，耦合效率，芯片COD，光纤燃烧，裸光纤端面研磨清洗, 增透膜，高透高反膜

（一）半导体激光器尾纤耦合工艺

光纤耦合半导体激光器的工艺是先使用一个柱面透镜准直快轴发散角（慢轴角度较小，短光程不需准直），再把准直后的激光耦合入一根多模尾纤(图1.)。这种看似非常简单的原理应用在大批量生产上并不容易，因为其中光纤移动的几何空间是微米级别，照射在柱面透镜或者光纤端面的激光功率密度达到兆瓦/平方厘米，十分容易出现失之毫厘，差之千里的结果。影响激光耦合效率有多方面的因素，例如芯片出光孔径大小，快慢轴角度，模块散热效果，柱面透镜加工精度和光纤端面镀膜质量等。

图 1.单芯片半导体激光器光纤耦合示意图

（二）常见光纤耦合半导体激光器失效模式

高功率光纤耦合半导体激光器器件最常见的失效模式如图2，其中芯片端面光学损伤（COD: catastrophic optical damage）超过60% ，耦合效率偏低次之。下文将针对各种失效模式进行逐一分析。

图 2.单芯半导体激光器失效模式（光纤耦合模块）

失效模式一：芯片端面光学损伤（COD）表现为产品突然无光，或者只有微弱的激光。主要原因是芯片端面受到强烈反射造成的，这种反射主要来自于准直透镜和尾纤端面(图3)。因此一般高功率产品都需要在这些端面镀上增透膜，以此最大限度的降低界面反射。一般认为理想光滑玻璃表面的反射率为4%，而高精度的增透膜可以把端面反射率降低至0.2%，这是最有效的减少COD的方法。此外，对于光纤激光器泵浦源，光纤端面需要镀高透高反膜，具体解释为芯片出来的激光波长（900~980nm）需要高透射率，但是系统掺杂双包层光纤反馈回来的波长(1040~1100nm)需要高反射率，因为芯片前端的镀膜是比较脆弱，系统反射到芯片端面的激光同样可能把芯片打坏。在同一芯片质量水平上，柱面准直透镜和尾纤端面的镀膜非常重要，增透膜的透射率和承受激光能量密度的能力将直接决定反射率的大小。如果目前我们没有能力改变芯片的性能，就必须通过改善准直透镜和尾纤端面的镀膜质量来提高成品的存活率，这对没有自己芯片工厂的国人来说是唯一的途径 。

图 3.激光器芯片端面光学损伤

一般来说芯片的光学损伤主要发生在较高的输出功率时。当电流逐步增加，谐振腔发射的功率也就越大，芯片的温度也迅速提高，随之各个界面的反射光功率也在加强，当反射光能量密度达到一定的程度，芯片前端的镀膜层无法承受过高电磁场力和热能作用，COD 就发生了(图4)。至于如何才能提高芯片端面镀膜的质量，这个估计也是中国芯片无法量产的难题了。

图 4.激光器芯片端面光学损伤

失效模式二：耦合效率偏低主要跟光学设计和耦合工艺有关。光学设计主要是考虑准直透镜尺寸以及光纤耦合端面形状。透镜的尺寸主要与芯片出光孔径的大小，快轴发散角和空间距离有关，光纤端面的抛光形状主要为了尽可能多的耦合激光，光纤芯径和数值孔径也很关键，总之越大的光纤芯径和数值孔径越容易耦合更多的激光，但是光纤的参数要跟最终应用系统匹配，例如光纤激光器中的合束器输入端对光源尾纤是有要求的。有的工程师认为设计光纤端面磨成斜8°角可减少光纤端面反射，我们认为这是没有必要的，因为光纤端面最终需要镀增透膜已经实现减反射了。而且斜8°角对慢轴耦合有影响，慢轴没有准直，斜8°角会导致准直透镜到光纤端面的距离不等，对于那些距离较远端，有部分激光可能会耦合入包层，最后从包层后逸出（如图5.），这可能导致光纤温度升高。

图 5. 激光器芯片慢轴耦合示意图

耦合工艺主要与夹具设计精度有关。夹具加工要能保证调节精密和足够移动空间，只有方便员工操作才可能确保产品的合格率。夹具的防盲设计业很重要，“确保傻子都不会犯错误”是工艺设计的第一准则。另外大家常遇到的麻烦是光纤夹持与芯片不在同一平行线上（两者有一定的角度），然后只靠三维调节，激光耦合效率无论如何都难以达到标准。正常情况下要考虑到六维（径向三维X,Y,Z；旋转三维Roll,Yaw,Pitch ），单芯片耦合效率90%为合格。

失效模式三：功率降级是指激光器在使用一段时间后，功率慢慢变弱或者突然变弱。这主要跟胶水粘结技术有关。选怎么样的胶水，如何固化，固化以后能否承受恶劣环境的考验，这些都必须在产品设计阶段就做好验证。如果你想做好的产品，就必须认真考虑可靠性测试方案。

失效模式四：热效应跟芯片焊接有关，此处不详解。

失效模式五：ESD损坏主要是静电保护做的不够充分，从操作环境和包装材料都需要考虑ESD要求，那些觉得静电是无关紧要的人迟早会尝到静电破坏的恶果。

失效模式六：烧光纤的后果很严重，搞不好整个系统都遭殃，所以大家都很担心。假设你的光学设计没有问题，准直后的光斑尺寸小于纤芯尺寸，正常情况烧光纤的几率比较低。但是由于光纤端面可能有污染物残留，这些黑点或有机质容易吸收激光而产生高温。比如有的公司使用辅助胶水或者石蜡研磨光纤，研磨后光纤端面或者侧面未清洗干净，这都是潜在的风险（图5）。总之，准直透镜和光纤耦合端需高度清洁，特别是纤芯和透镜中心部分，因为这区域激光能力密度是最高。有些问题可能不是立马显现出来，但是这些瑕疵点会逐渐扩大，少光纤可能经过一段时间才发生。高功率激光耦合对光纤镀膜端面清洗技术有很高的要求，裸光纤端面清洁度标准请参考福津光电的《镀膜裸光纤目检标准》，这个标准目前已经被多家公司广泛接受。此外胶水要尽量远离光纤端面，远离激光辐射区域，胶水的老化或者固化不充分有可能导致光纤位移，也会发生光纤燃烧或者功率降级。

图5.光纤耦合端燃烧现象