LD光纤耦合模拟演示Word文档下载推荐.docx

1、2.3光纤耦合条件 6第三章 10WLD 耦合模拟 73.1光路结构及器件参数 73.2耦合模拟 73.3光路优化 9第四章 大功率 LD 耦合模拟 104.1 光路结构 104.2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 1m ，宽度一般在几十到几百

2、m 。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 表示，水平发散角用 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 ，为 58，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

3、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， n1n2，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 1,0 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 105 m，包层为 125m，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

4、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 ，为 5

5、8 怎么实现，发光面积为 1 94 m ；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 62m 怎么实现；耦合光纤为多模光纤，光学参数为：纤芯 105 m，包层125 m ，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 60m，透镜后端距离多模光纤 150 m ，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 114m和 23mm

6、 。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 114m 处，光束扩散已达到 105 m 。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

7、束的光斑在到达耦合光纤现有位置时，光斑大小已接近 140 m，因此部分光线不能进入 105 m 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 41m，耦合光纤距离发光面 77m 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 1

8、0WLD 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 8 30WLD 耦合光路需要指出的是， 图 8 中 3 路光束在高度上都有 330 m 的高度差，这样保证了三

9、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 70 m，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

10、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 330m，模拟结果如下：图表 12 3 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

11、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 13 30WLD 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。