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n1,包层折射率为n2,nxn2，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。1.1)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：H2n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,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105um，包层为125pm，NA=0.22，属于10WLD耦合模拟多模光纤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)FiberlensMN：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105。怎么实现，发光面积为1X94um；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105um,包层125um，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150um,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SSI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105um。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140um,因此部分光线不能进入105um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。1usnnrsnnJ0u讣2FGTR1JSTB1001JFSDDNSDD1Ig10o|(4FCDD旧DD100|5BLHKELffkcdiviEKI_Ji4Jj-J2J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830WLD耦合光需要指出的是，图8中3路光束在高度上都有330Um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W70Um,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330um,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。