LD光纤耦合模拟演示.docx

LD耦合模拟演示版本： 1.0作者：徐白时间： 20155-9目录第一章 绪论 3第二章 半导体激光与光纤耦合的理论 42.1半导体激光器输出光束特性 42.2光纤的基本理论 52.3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 绪论本文利用Zemax对10W与30W两种LD耦合方式进行了模拟，除10WLD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1um，宽度一般在几十到几百卩 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e丄表示，水平 发散角用e 〃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 ,9±为58°,9#为10.5 °2.2光纤的基本理论图表 2 光纤的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，纤芯的折射率为珥，包层折射率为n2, nx>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，n°为空气折射率，简单计算可以取1,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 mm,包层为125mm, 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：LI) Fiber lens MN： i;iber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 ， 丄为58 °，e〃为10・5怎么实现，发光面积为1 X94 um ；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 62um怎么实现；耦合光纤为多模光纤，光学参数为：纤芯105 u m,包层125 um ，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60um,透镜后端距离多模光纤150 um ,LD功率10W,用Zemax09模拟出光路如下图表 4 模拟耦合在此光路中，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114卩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：I 口 回 SS I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114um处，光束扩散已达到105 um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140 um,因此部 分光线不能进入 105 um 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1 usnnrsnnJ0u讣2 FGTR1JSTB1001 J FSDDNSDD1Ig1 0o[||( 4 FCDD'旧DD1£00| 5 BLHKELffkc diviEKI_ Ji4Jj -J 2J图表6优化函数当快轴光纤距离发光面41um，耦合光纤距离发光面77um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LD3Z11Retl图表7单管耦合光路结构图如图 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 耦合光需要指出的是，图8中3路光束在高度上都有330 Um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W 70 U m,入射角度尽量减小，W12.7 °（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：图表 9 光纤耦合的初始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330 um,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c计 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。