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1、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
2、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
3、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。
4、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
5、,。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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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。