LD光纤耦合模拟演示

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1、LD耦合模拟演示2019.6.12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15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，除对现有10WLD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

2、低。这就使得LD的有源层非常薄，厚度大约只有1μm，宽度一般在几十到几百μm。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θ⊥表示，水平发散角用θ∥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，θ⊥为58°，θ∥为10.5°。2.2光纤的基本理论图表2光纤的结构光纤的

3、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，n1＞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：NA=n0sinφ0=n12-n22（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,φ0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105μm，包层为125μm，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

4、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。第三章10WLD耦合模拟3.1光路结构及器件参数10WLD光纤耦合采用简单的结构，光纤透镜对LD的快轴角度进行压缩后，直接耦合入多模光纤中，结构如图3所示：图表310WLD与光纤耦合光路图中，LD光学参数为：输出激光功率12W，中心波长

5、910nm，θ⊥为58°，θ∥为10.5°，发光面积为1×94μm；镀有增透膜的fiberlens光学参数：玻璃型号为F2，折射率为1.62，光纤直径为62μm；耦合光纤为多模光纤，光学参数为：纤芯105μm，包层125μm，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发光面距离光纤透镜前端60μm，透镜后端距离多模光纤150μm，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114μm和23mm。前者在光束经快轴压缩后，未耦合入多模光纤的位置

6、；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114μm处，光束扩散已达到105μm。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140μm，因此部分光线不能进入105μm纤芯。因

7、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41μm，耦合光纤距离发光面77μm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