LD光纤耦合模拟演示.docx

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LD光纤耦合模拟演示

LD耦合模拟演示

版本：

1.0

时间：

2015-5-9

作者：

徐白

第一章绪论3

第二章半导体激光与光纤耦合的理论4

2.1半导体激光器输出光束特性4

2.2光纤的基本理论5

2.3光纤耦合条件6

第三章10WLD耦合模拟7

3.1光路结构及器件参数7

3.2耦合模拟7

3.3光路优化9

第四章大功率LD耦合模拟10

4.1光路结构10

4.2耦合模拟11

第五章结论16

第一章绪论

10WLD

本文利用Zemax对10W与30W两种LD耦合方式进行了模拟，除对现有耦合工作进行验证之外，也为30WLD的光纤耦合工作提供了设计指导。

第二章半导体激光与光纤耦合的理论

2.1半导体激光器输出光束特性

温度对半导体输出功率的影响很大，温度越高，LD的输出功率越低。

这就使得LD的有源层非常薄，厚度大约只有1μm，宽度一般在几十到几百μm。

由于有源层非常狭窄，激光在传输的过程中就会发生衍射，光束会变得发散，如图1所示。

图表1半导体激光器出射光斑示意图

半导体激光器的桶中功率（PIB）定义为：

光强下降到最大光强的1/2处所对应的角度，即半亮全宽时的全角发散角。

垂直发散角用θ⊥表示，水平发散角用θ∥表示。

对于激光与光纤的耦合，发散角越小，调整的容忍度越大，越有利于高效率的耦合。

我们选择的LD芯片为Oclaro的SES12-915-02，其输出的中心波长为910nm，输出功率12W，θ⊥为58°，θ∥为10.5°。

2.2光纤的基本理论

图表2光纤的结构

光纤的一般结构如图2所示，纤芯与包层为其结构主体。

最外的涂覆层用于保护光纤，纤芯的折射率为n1，包层折射率为n2，n1>n2，因此光束在纤芯与包层的交界面可以发生全反射而实现低损传播。

为了满足全反射的实现条件，对照射到光纤端面的角度有要求，通过推算不难得到以下的公式：

1.1）

其中NA为光纤的数值孔径，n0为空气折射率，简单计算可以取1,φ0为入射光束与水平方向的夹角，大于此数值的光束由于不能发生全反射而无法耦合入光纤。

我们采用的耦合光纤，纤芯为105μm，包层为125μm，NA=0.22，属于多模光纤

2.3光纤耦合条件

对于光纤耦合的分析，通常有两种方式：

模式偶合法与光学追迹法。

前者多用于激光器与单模光纤的耦合，后者多用于激光器与多模光纤的耦合。

因为多模光纤可以容纳多个模式的激光在光纤中传播，故可以忽略模式匹配对耦合效率的影响，从而简化分析。

可以认为激光器与多模光纤的耦合需要满足的条件为：

半导体激光器的光斑尺寸和发散角与光纤的芯径和接收角匹配。

即激光器光束的光斑尺寸要小于光纤的芯径；光束发散角小于光纤的接收角。

第三章10WLD耦合模拟

3.1光路结构及器件参数

LD的快轴角度进行压缩后，直

10WLD光纤耦合采用简单的结构，用快轴光纤对接耦合入多模光纤中，结构如图3所示：

图中，LD为Oclaro提供的芯片，光学参数为：

输出激光功率12W，中心波长910nm，θ⊥为58°，θ∥为10.5°怎么实现，发光面积为1×94μm；之后的快轴光纤为前后面镀有增透膜的裸纤怎么实现，光学参数：

玻璃型号为F2，折射率为1.62，光纤直径为62μm怎么实现；耦合光纤为多模光纤，光学参数为：

纤芯105μm，包层

125μm，纤芯材质为纯石英，折射率，包层材质为掺杂石英，折射率，NA=0.22。

3.2耦合模拟

现有光路的数据为：

LD发光面距离快轴透镜前端60μm，透镜后端距离多模光纤150μm，LD功率10W，用Zemax09模拟出光路如下。

图表4模拟耦合光路

在此光路中，插入两只光功率计接受耦合的光强，其距离LD发光面分别为114μ

m和23mm。

前者在光束经快轴压缩后，未耦合入多模光纤的位置；后者在多模光纤内部，接收耦合功率，结果如下：

图表5耦合前后光功率和光强分布

可见激光光束经快轴压缩后，快轴方向的光几乎都耦合进了光纤，而慢轴方向，由于保持10.5°的发散角，在离出光面114μm处，光束扩散已达到105μm。

光束经快轴压缩后，光功率约为8.7W，耦合至光纤的功率约为7.4W，以此来计算耦合效率约为85%，如果计算LD原始功率10W，则耦合效率为74%。

以上数值与实际测试值符合较好。

3.3光路优化

通过2.2节的分析可知，导致该模块耦合效率不高的主要原因在于慢轴光束未经压缩，慢轴光束的光斑在到达耦合光纤现有位置时，光斑大小已接近140μm，因此部

分光线不能进入105μm纤芯。

因此优化有两种方案：

1、更改光路，对慢轴方向也进行压缩；2、缩短耦合光纤与发光面之间的距离。

从成本上考虑，第一种方案不可取，考虑第二种方案。

利用如图6中的优化函数，对光路进行优化。

图表6优化函数

当快轴光纤距离发光面41μm，耦合光纤距离发光面77μm时，耦合至光纤的功率为7.6W。

相比较而言，其耦合效率提升有限，同时由于离发光面太近会有较强的反射光，而烧毁LD芯片。

此外，现有耦合效率已经满足应用的需求，因此不建议进行类似修改。

第四章大功率LD耦合模拟

与10WLD耦合面临的问题不同，大功率LD的耦合要求大幅度提高，这是因为较低的耦合效率会带来巨大的发热，降低产品寿命甚至是烧毁产品。

本章以30W单管LD耦合为例，模拟我们现有产品。

4.1光路结构

如图7所示，上图为侧视，下图为俯视。

LD发出的激光在经过正交放置的两只准

直透镜后整形为平行光，通过反射镜转动方向，由耦合镜耦合至多模光纤中。

以上是单管LD耦合的光路图，功率为10W，当3只LD光路耦合进光纤后，功率即为30W，其俯视效果如图8所示。

图表830WLD耦合光路

需要指出的是，图8中3路光束在高度上都有330μm的高度差，这样保证了三路光束分离无干涉，同时只需要3面反射镜来改变光束方向，避免使用昂贵元件。

4.2耦合模拟

根据多模光纤耦合的要求，对到达光纤端面的激光光斑大小和角度进行预估，

并留有一定余量。

预计聚集光斑大小直径≤70μm，入射角度尽量减小，≤

12.7°（NA为0.22）

在zemax的序列模式下，用GBPD、GBPW和GBPS函数对已知镜片组的摆放位置进行优化，保证入射光斑大小和入射角度满足要求。

其结果如下：

将上述器件的参数及位置信息输入进非序列模式，然后用NSDD优化函数找出对

光纤端面的准确位置，并计算耦合效率，所得结果如下：

图表10优化后器件的摆放位置

此光路的结构和性能如下图所示：

图表11单路耦合示意图

a为快轴方向光路，b为慢轴方向光路，c为光束在到达耦合透镜之前的光强分布，d为光束在到达多模光纤端面之前的光强分布，e为多模光纤内的光强分布。

LD功率设为10W，追踪十万条光线，耦合到光纤中的功率为9.94W，耦合效率达到99.4%。

为了真实模拟我们实际中的情况，将LD和相应光学镜头增加至3套，按台阶分布，模拟整个系统的耦合效率。

3只芯片的高度差为330μm，模拟结果如下：

图表123只LD垂直分立后光路模拟

图12中a为快轴光路，b为慢轴光路，c为光束照射到耦合透镜前沿Y方向光强分布。

此图可用于指导设计反射镜的尺寸及安放位置，避免3条光路发生遮挡重叠而损失功率。

设反射镜的高度为0.25mm，垂直高度差为0.33mm可以满足要求。

最终模拟的结果如图13所示：

图表1330WLD耦合效果图

c计

图13中，a为快轴光路，b为慢轴光路，可以看到反射镜的设置很成功，既能完全改变本光路方向，又不会遮挡其他光路光束，实现了LD发光最大效率的耦合。

算出最终的耦合效率为98.9%，由于并未考虑各镜面的损耗，实际耦合效率达不到这一数值。

第五章结论

通过Zemax模拟，可以看到10WLD光纤耦合封装的最终结果与实际情况符合良好，此外，利用现有LD芯片和镜片组（反射镜尺寸可能需要调整），可以到达理想的耦合效果。