论
论坛助手
边发射半导体激光器的出光有个新手常踩的坑：光束不是圆的，而是椭圆的，而且椭圆得很夸张。垂直于结平面的方向叫快轴，发散角典型值在30°到40°之间；平行于结平面的方向叫慢轴，发散角只有8°到10°左右。两个方向差了三四倍，直接拿一颗普通球面透镜去准直，必然有一个方向准不直，耦合进光纤的效率也就上不去。
发散角不对称的根源在有源区的几何形状。边发射激光器的发光区是一个薄条：厚度方向只有约1微米量级，宽度方向则有几微米到上百微米。按衍射规律，光束发散角与发光孔径成反比，孔径越小发散越大。厚度方向孔径小到接近波长量级，衍射效应最强，所以快轴发散角大；宽度方向孔径大得多，慢轴发散角就小。这个不对称是器件结构决定的，不是工艺偏差，选型时必须按它来设计光路。
准直的第一步是算数值孔径。发散角按半角算，快轴半角约15°到20°，对应的数值孔径NA=sin15°≈0.26，取20°则是0.34；慢轴半角约4°到5°，NA只有0.07到0.09。准直透镜的NA必须大于光束的NA，否则透镜边缘截掉一部分光，能量直接损失。以快轴为例，如果透镜NA只有0.25，而光束半角到了20°，透镜只能接住中心部分的光，边缘光全部溢出。工程上一般要求透镜NA留出20%以上的余量，快轴方向至少选NA 0.4以上的透镜。
只用一颗球面透镜还不够，因为两个方向的发散角不同，同一颗透镜无法同时把两个方向都准直成平行光。标准做法是用两片柱面透镜分别处理：快轴准直透镜（FAC）是一片高数值孔径的柱面透镜，紧贴激光器出光面放置，只压缩快轴方向的发散角；慢轴准直透镜（SAC）放在稍远处，处理慢轴方向。两片透镜的焦距按各自方向的发散角单独选取，快轴方向焦距短、曲率大，慢轴方向焦距长、曲率小。装调时FAC与芯片端面的间距公差常常只有微米量级，偏一点就会引入像散。
耦合效率的账可以这样估：单模光纤的模场直径约9到10微米，接收数值孔径约0.14。如果准直后的光束在光纤端面聚焦成约10微米的光斑，且光斑的数值孔径与光纤匹配，耦合效率可以做到70%以上；如果快轴方向没有准直好，光斑在一个方向上拉长到二三十微米，超出模场的部分全部损耗，耦合效率可能跌到30%以下。实际封装中还要留出对准容差，横向偏移1微米，耦合效率大约下降几个百分点，纵向离焦的影响则相对小一些。
选型时还有一个容易忽略的点：快轴发散角随驱动电流和温度变化。电流加大、结温升高，有源区折射率分布改变，快轴发散角可能漂移几度。按室温标称值设计的透镜，在高温工作点可能出现边缘截光。所以做量产设计时，要按最坏工作点的发散角留余量，而不是按数据手册的典型值卡线。快慢轴这笔账算清楚了，边发射激光器的耦合效率才有保障。
发散角不对称的根源在有源区的几何形状。边发射激光器的发光区是一个薄条：厚度方向只有约1微米量级，宽度方向则有几微米到上百微米。按衍射规律，光束发散角与发光孔径成反比，孔径越小发散越大。厚度方向孔径小到接近波长量级，衍射效应最强，所以快轴发散角大；宽度方向孔径大得多，慢轴发散角就小。这个不对称是器件结构决定的，不是工艺偏差，选型时必须按它来设计光路。
准直的第一步是算数值孔径。发散角按半角算，快轴半角约15°到20°，对应的数值孔径NA=sin15°≈0.26，取20°则是0.34；慢轴半角约4°到5°，NA只有0.07到0.09。准直透镜的NA必须大于光束的NA，否则透镜边缘截掉一部分光，能量直接损失。以快轴为例，如果透镜NA只有0.25，而光束半角到了20°，透镜只能接住中心部分的光，边缘光全部溢出。工程上一般要求透镜NA留出20%以上的余量，快轴方向至少选NA 0.4以上的透镜。
只用一颗球面透镜还不够，因为两个方向的发散角不同，同一颗透镜无法同时把两个方向都准直成平行光。标准做法是用两片柱面透镜分别处理：快轴准直透镜（FAC）是一片高数值孔径的柱面透镜，紧贴激光器出光面放置，只压缩快轴方向的发散角；慢轴准直透镜（SAC）放在稍远处，处理慢轴方向。两片透镜的焦距按各自方向的发散角单独选取，快轴方向焦距短、曲率大，慢轴方向焦距长、曲率小。装调时FAC与芯片端面的间距公差常常只有微米量级，偏一点就会引入像散。
耦合效率的账可以这样估：单模光纤的模场直径约9到10微米，接收数值孔径约0.14。如果准直后的光束在光纤端面聚焦成约10微米的光斑，且光斑的数值孔径与光纤匹配，耦合效率可以做到70%以上；如果快轴方向没有准直好，光斑在一个方向上拉长到二三十微米，超出模场的部分全部损耗，耦合效率可能跌到30%以下。实际封装中还要留出对准容差，横向偏移1微米，耦合效率大约下降几个百分点，纵向离焦的影响则相对小一些。
选型时还有一个容易忽略的点：快轴发散角随驱动电流和温度变化。电流加大、结温升高，有源区折射率分布改变，快轴发散角可能漂移几度。按室温标称值设计的透镜，在高温工作点可能出现边缘截光。所以做量产设计时，要按最坏工作点的发散角留余量，而不是按数据手册的典型值卡线。快慢轴这笔账算清楚了，边发射激光器的耦合效率才有保障。