LD光纖耦合模擬演示

1、LD耦合模擬演示版本：1.0 作者：徐白時(shí)間：2015-5-9目錄第一章緒論3第二章 半導(dǎo)體激光與光纖耦合的理論42.1 半導(dǎo)體激光器輸出光束特性42.2 光纖的基本理論52.3 光纖耦合條件6第三章 10WLD耦合模擬73.1 光路結(jié)構(gòu)及器件參數(shù)73.2 耦合模擬73.3 光路優(yōu)化9第四章 大功率LD耦合模擬104.1 光路結(jié)構(gòu)104.2 耦合模擬11第五章 結(jié)論15第一章 緒論本文利用Zemax對10W與30W兩種LD耦合方式進(jìn)行了模擬，除對現(xiàn)有10WLD耦合工作進(jìn)行驗(yàn)證之外，也為30WLD的光纖耦合工作提供了設(shè)計(jì)指導(dǎo)。第二章 半導(dǎo)體激光與光纖耦合的理論2.1 半導(dǎo)體激光器輸出光束特性溫度

2、對半導(dǎo)體輸出功率的影響很大，溫度越高，LD的輸出功率越低。這就使得LD的有源層非常薄，厚度大約只有1m，寬度一般在幾十到幾百m。由于有源層非常狹窄，激光在傳輸?shù)倪^程中就會(huì)發(fā)生衍射，光束會(huì)變得發(fā)散，如圖1所示。圖表 1 半導(dǎo)體激光器出射光斑示意圖半導(dǎo)體激光器的桶中功率（PIB）定義為：光強(qiáng)下降到最大光強(qiáng)的1/2處所對應(yīng)的角度，即半亮全寬時(shí)的全角發(fā)散角。垂直發(fā)散角用表示，水平發(fā)散角用表示。對于激光與光纖的耦合，發(fā)散角越小，調(diào)整的容忍度越大，越有利于高效率的耦合。我們選擇的LD芯片為Oclaro的SES12-915-02，其輸出的中心波長為910nm，輸出功率12W，為58°，為10.5&

3、#176;。2.2 光纖的基本理論圖表 2 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示，纖芯與包層為其結(jié)構(gòu)主體。最外的涂覆層用于保護(hù)光纖，纖芯的折射率為n1，包層折射率為n2，n1n2，因此光束在纖芯與包層的交界面可以發(fā)生全反射而實(shí)現(xiàn)低損傳播。為了滿足全反射的實(shí)現(xiàn)條件，對照射到光纖端面的角度有要求，通過推算不難得到以下的公式：NA=n0sin0=n12-n22 （1.1）其中NA為光纖的數(shù)值孔徑，n0為空氣折射率，簡單計(jì)算可以取1,0為入射光束與水平方向的夾角，大于此數(shù)值的光束由于不能發(fā)生全反射而無法耦合入光纖。我們采用的耦合光纖，纖芯為105m，包層為125m，NA=0.22，屬于多模光纖。2.3

4、光纖耦合條件對于光纖耦合的分析，通常有兩種方式：模式偶合法與光學(xué)追跡法。前者多用于激光器與單模光纖的耦合，后者多用于激光器與多模光纖的耦合。因?yàn)槎嗄９饫w可以容納多個(gè)模式的激光在光纖中傳播，故可以忽略模式匹配對耦合效率的影響，從而簡化分析?？梢哉J(rèn)為激光器與多模光纖的耦合需要滿足的條件為：半導(dǎo)體激光器的光斑尺寸和發(fā)散角與光纖的芯徑和接收角匹配。即激光器光束的光斑尺寸要小于光纖的芯徑；光束發(fā)散角小于光纖的接收角。第三章 10WLD耦合模擬3.1 光路結(jié)構(gòu)及器件參數(shù)10WLD光纖耦合采用簡單的結(jié)構(gòu)，用快軸光纖對LD的快軸角度進(jìn)行壓縮后，直接耦合入多模光纖中，結(jié)構(gòu)如圖3所示：圖表 3 10WLD與光纖耦

5、合光路圖中，LD為Oclaro提供的芯片，光學(xué)參數(shù)為：輸出激光功率12W，中心波長910nm，為58°，為10.5°怎么實(shí)現(xiàn)，發(fā)光面積為1×94m；之后的快軸光纖為前后面鍍有增透膜的裸纖怎么實(shí)現(xiàn)，光學(xué)參數(shù)：玻璃型號為F2，折射率為1.62，光纖直徑為62m怎么實(shí)現(xiàn)；耦合光纖為多模光纖，光學(xué)參數(shù)為：纖芯105m，包層125m，纖芯材質(zhì)為純石英，折射率，包層材質(zhì)為摻雜石英，折射率，NA=0.22。3.2 耦合模擬 現(xiàn)有光路的數(shù)據(jù)為：LD發(fā)光面距離快軸透鏡前端60m，透鏡后端距離多模光纖150m，LD功率10W，用Zemax09模擬出光路如下。圖表 4 模擬耦合光路在此

6、光路中，插入兩只光功率計(jì)接受耦合的光強(qiáng)，其距離LD發(fā)光面分別為114m和23mm。前者在光束經(jīng)快軸壓縮后，未耦合入多模光纖的位置；后者在多模光纖內(nèi)部，接收耦合功率，結(jié)果如下： 圖表 5 耦合前后光功率和光強(qiáng)分布可見激光光束經(jīng)快軸壓縮后，快軸方向的光幾乎都耦合進(jìn)了光纖，而慢軸方向，由于保持10.5°的發(fā)散角，在離出光面114m處，光束擴(kuò)散已達(dá)到105m。光束經(jīng)快軸壓縮后，光功率約為8.7W，耦合至光纖的功率約為7.4W，以此來計(jì)算耦合效率約為85%，如果計(jì)算LD原始功率10W，則耦合效率為74%。以上數(shù)值與實(shí)際測試值符合較好。3.3 光路優(yōu)化通過2.2節(jié)的分析可知，導(dǎo)致該模塊耦合效率不

7、高的主要原因在于慢軸光束未經(jīng)壓縮，慢軸光束的光斑在到達(dá)耦合光纖現(xiàn)有位置時(shí)，光斑大小已接近140m，因此部分光線不能進(jìn)入105m纖芯。因此優(yōu)化有兩種方案：1、更改光路，對慢軸方向也進(jìn)行壓縮；2、縮短耦合光纖與發(fā)光面之間的距離。從成本上考慮，第一種方案不可取，考慮第二種方案。利用如圖6中的優(yōu)化函數(shù)，對光路進(jìn)行優(yōu)化。圖表 6 優(yōu)化函數(shù)當(dāng)快軸光纖距離發(fā)光面41m，耦合光纖距離發(fā)光面77m時(shí)，耦合至光纖的功率為7.6W。相比較而言，其耦合效率提升有限，同時(shí)由于離發(fā)光面太近會(huì)有較強(qiáng)的反射光，而燒毀LD芯片。此外，現(xiàn)有耦合效率已經(jīng)滿足應(yīng)用的需求，因此不建議進(jìn)行類似修改。第四章 大功率LD耦合模擬與10WLD

8、耦合面臨的問題不同，大功率LD的耦合要求大幅度提高，這是因?yàn)檩^低的耦合效率會(huì)帶來巨大的發(fā)熱，降低產(chǎn)品壽命甚至是燒毀產(chǎn)品。本章以30W單管LD耦合為例，模擬我們現(xiàn)有產(chǎn)品。4.1 光路結(jié)構(gòu)圖表 7 單管耦合光路結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，上圖為側(cè)視，下圖為俯視。LD發(fā)出的激光在經(jīng)過正交放置的兩只準(zhǔn)直透鏡后整形為平行光，通過反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)方向，由耦合鏡耦合至多模光纖中。以上是單管LD耦合的光路圖，功率為10W，當(dāng)3只LD光路耦合進(jìn)光纖后，功率即為30W，其俯視效果如圖8所示。圖表 8 30WLD耦合光路需要指出的是，圖8中3路光束在高度上都有330m的高度差，這樣保證了三路光束分離無干涉，同時(shí)只需要3面反射鏡來改

9、變光束方向，避免使用昂貴元件。4.2 耦合模擬 根據(jù)多模光纖耦合的要求，對到達(dá)光纖端面的激光光斑大小和角度進(jìn)行預(yù)估，并留有一定余量。預(yù)計(jì)聚集光斑大小直徑70m，入射角度盡量減小，12.7°（NA為0.22）。在zemax的序列模式下，用GBPD、GBPW和GBPS函數(shù)對已知鏡片組的擺放位置進(jìn)行優(yōu)化，保證入射光斑大小和入射角度滿足要求。其結(jié)果如下： 圖表 9 光纖耦合的初始結(jié)構(gòu)將上述器件的參數(shù)及位置信息輸入進(jìn)非序列模式，然后用NSDD優(yōu)化函數(shù)找出對光纖端面的準(zhǔn)確位置，并計(jì)算耦合效率，所得結(jié)果如下：圖表 10 優(yōu)化后器件的擺放位置此光路的結(jié)構(gòu)和性能如下圖所示：圖表 11 單路耦合示意圖a

10、為快軸方向光路，b為慢軸方向光路，c為光束在到達(dá)耦合透鏡之前的光強(qiáng)分布，d為光束在到達(dá)多模光纖端面之前的光強(qiáng)分布，e為多模光纖內(nèi)的光強(qiáng)分布。LD功率設(shè)為10W，追蹤十萬條光線，耦合到光纖中的功率為9.94W，耦合效率達(dá)到99.4%。為了真實(shí)模擬我們實(shí)際中的情況，將LD和相應(yīng)光學(xué)鏡頭增加至3套，按臺階分布，模擬整個(gè)系統(tǒng)的耦合效率。3只芯片的高度差為330m，模擬結(jié)果如下： 圖表 12 3只LD垂直分立后光路模擬圖12中a為快軸光路，b為慢軸光路，c為光束照射到耦合透鏡前沿Y方向光強(qiáng)分布。此圖可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)反射鏡的尺寸及安放位置，避免3條光路發(fā)生遮擋重疊而損失功率。設(shè)反射鏡的高度為0.25mm，垂直高度差為0.33mm可以滿足要求。最終模擬的結(jié)果如圖13所示：圖表 13 30WLD耦合效果圖圖13中，a為快軸光路，b為慢軸光路，可以看到反射鏡的設(shè)置很成功，既能完全改變本光路