基于Zemax半导体激光器与单模光纤耦合系统设计.pdf

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1、第 卷 增刊 年 月光子学报 第一作者：王海林（），男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为激光应用技术、光纤应用技术等 ：通讯作者：张登印（），男，硕士研究生，主要研究方向为光学设计 ：收稿日期：；修回日期：文章编号：（）基于 半导体激光器与单模光纤耦合系统设计王海林，张登印（南京理工大学 理学院，南京 ）摘要：基于光学设计软件 纯非序列，设计了一种半导体激光器与单模光纤的高耦合效率系统 设计过程中考虑了激光器发光面的大小，而不是将其看做点光源；在现有的非球面镜透镜单模光纤耦合系统基础上进行了改进，通过百万次光线追迹，测得所设计系统的耦合效率大于 用 和 软件分析了单模光纤与耦合系统对接出现误

2、差情况下对耦合效率的影响，分别给出了各种对接误差情况下的耦合效率变化曲线，为耦合系统的工程安装提供理论分析和技术支持关键词：半导体激光器；光纤耦合；中图分类号：文献标识码：引言半导体激光器已经发展到一个比较成熟的阶段，广泛应用于光纤通信、光纤传感等半导体激光器（，）与单模光纤（，）的耦合系统对现代大容量长距离光纤通 信 系 统 密 集 波 分 复 用 系 统（，）、掺铒光纤放大器（，）、光纤有线电视系统等十分重要 目前，半导体激光器与多模光纤耦合的研究已经发展到一个成熟阶段，耦合方式有：倒锥透镜型光纤端头、球透镜耦合、铲形光纤、透镜耦合 等，耦合效率达到 左右 由于多模光纤纤芯直径远大于半导体

3、激光器有源层发光端面线度，在设计耦合系统时假设半导体激光器为点光源，是正确的 单模光纤纤芯直径与半导体激光器有源层发光端面线度差不多，为微米量级，此时如果还将激光器发光面近似成点光源是不合适的本文在 非序列中建立的半导体激光器模型考虑了激光器发光面的大小，在 纯非序列中，运用非球面镜透镜模拟设计半导体激光器与单模光纤耦合系统，耦合效率大于 借助 和 软件得出了单模光纤与耦合系统对接出现误差情况下的耦合效率变化曲线耦合系统设计单模光纤纤芯半径很小，只能传输一种模式的光（）单模光纤纤芯旋转对称的，高斯分布的基模场（）也是旋转对称的，其表达式为（）（）（）为场的振幅，为纤芯的径向长度，单模光纤的模场

4、半径半导体激光器的输出光场可以分别用远场特性和近场特性描述单模半导体激光器的有源层截面为狭长的矩形，有源层截面的不对称决定了初射光束远场发散角的不对称在快轴方向（垂直于结方向），由于狭缝的作用，初射光束发生较强衍射，在远场形成较大的发散角；慢轴方向（平行于结方向），由于有源层截面在这方向上尺寸相对较大，所以衍射作用比较小，出射光束的发散角也较小 由于半导体激光器在快慢轴上的发散角不同，造成远场光强分布不对称，如图 经过一段距离之后 图半导体光源 光子学报 卷的模场分布为：，（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：和分别为 在和方向出射端面的模半径，和是波前在和方向的模半径，（）和

5、（）是波前在和方向的曲率半径半导体激光器到单模光纤的耦合实质是它们的模场之间的模式耦合耦合效率为，（，）（）（，）（）（）式中为耦合进光纤的功率，为光源发射的功率（）和（，）分别是 和 在任一参考面上的模场分布，且（）和（，）分别由公式（）和（）给出设计时用的半导体激光器是美国 公司生产的 单模半导体激光器（中心波长 ，功率，快轴发散角（）小于 ，慢轴发散角（）小于 ）设计过程中假设快轴和慢轴发散角分别达到它们的最大值光纤是中国长飞光纤光缆有限公司生产的 光纤（处模场直径 ，有效群折射率 ）耦合系统是在两片非球面镜的耦合系统 基础上进行改进在 软件中设计半导体激光器与光纤耦合原理图和装置见图和

6、图图光纤耦合系统原理图 图耦合系统设计图 图中第一块透镜和第四块透镜是非球面镜，第二块透镜和第三块透镜是互相垂直的柱面镜 设计思路是第一块透镜和第二块柱面镜对慢轴准直；第一块透镜和第三块透镜对快轴准直；最后一块透镜将光束耦合进光纤四块透镜均为 材料，并且每块玻璃都镀上了增透膜 为得到精确的结果，设计时默认光纤包层的属性为 最后，在光纤末端放置一个探测器，探测器的大小是 正方形，属性为 通过 非系列中光线追迹，在探测器上得到 能量 如图图探测器光斑图 由此，可以用光纤耦合公式（）得耦合效率为 由于发散角的实际值小于设计值，所以系统的耦合效率应大于 光纤与耦合系统的对接损耗在生产加工过程中，光纤的

7、安装可能存在垂轴、轴向和角向误差 软件可以计算不同误差情况下的耦合效率，通过 软件将采集的数据模拟成曲线，我们得到了不同情况下耦合效率的变化，如图图（）、（）、（）是耦合效率分别随、轴轴向偏差变化曲线，（）、（）是耦合效率分别随、轴角向偏差变化曲线图（）、（）曲线分别关于和对称，且在 内，耦合效率变化曲线近似为直线，耦合效率与轴向偏差近似成线性关系；但是图（）耦合效率变化速率比图（）中耦合效率变化速率快 图（）是耦合效率随轴偏差曲线，曲线大致关于对称；但是部分耦合效率曲线变化速率比部分要平缓一些 图（）、（）是耦合效率分别随、轴角向偏差变化曲线，（）、（）中曲线分别关于和对称，且在 内，耦合效

8、率曲线近似不变 从五条曲线得到，系统的耦合效率下降不超过，则轴轴向偏差 要 小 于 ，轴 轴 向 偏 差 要 小 于 ，轴轴向偏差要小于 ，轴和轴角向偏差要分别小于 综合五条曲线，轴向偏差对耦合效率的影响要比角向偏差严重增刊王海林，等：基于 半导体激光器与单模光纤耦合系统设计图耦合效率随误差变化曲线 结论本文对半导体激光器与单模光纤高耦合效率系统进行了设计以及光纤与耦合系统对接出现误差对耦合效率的影响进行了分析 借助 软件在非序列下进行光线追迹，得到耦合效率大于，用 和 软件定量分析了单模光纤与耦合系统对接出现误差情况下对耦合效率的影响 为绘制零件图和装配图提供指导 相关资料中，南京邮电大学用

9、两片非球面镜作为耦合系统，测得其耦合效率只有 左右；恒宝通公司的非球面透镜单模光纤的耦合效率达到 ，从单模光纤输出的光功率超过，并且通过鉴定 参考文献张月清，王立军半导体激光器进展北京：科学出版社 ，（）：王乐，曹玉莲，等 高功率激光二极管阵列及其应用 吉林大学学报，（）：迟泽英，陈建文纤维光学与光纤应用技术北京：北京理工大学出版社，（）：，（）：王侠 半导体激光二极管的光纤耦合技术 光电技术应用 ，（）：，（）：宁长春，陈天禄大功率半导体激光器光纤耦合技术研究激光与红外 ，（）：，光子学报 卷 ，（）：王春燕，陈明霞等微结构空心 与单模石英光纤的耦合光纤与光缆及其应用技术 ，（）：，：，（）：，（）：赵曾伟，宋海飞 铲形光纤与半导体激光器耦合特性的研究 激光技术 ，（）：，（）：，（）：，（）：温扬敬，陈建等 半导体激光器与单模光纤的耦合研究 南京邮电学院学报 ，（）：，（）：，（）：，（）：柴广跃，研 究 项 目 ：？，（，）：，；，：；