于Zemax半导体激光器与单模光纤耦合系统设计

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1、第４卷增刊０光　子　学　报ｏ．０Ｓｐ１Ｖｌ４ｕ．２１年１月０１２　　　　　　　　　　　　Ｃ　ＨＯＯＮＣ　ＩＩＡＡＴＡＰＴＩＡＳＮＣ０１　２１文章编号：０４４１（０１ｓ－０１４１０－２３２１）０８－１基于Ｚｍｘ半导体激光器与单模光纤耦合系统设计ｅａ王海林，张登印（南京理工大学理学院，南京２０９）１０４摘　要：基于光学设计软件Ｚｍｘ纯非序列，ｅａ设计了一种半导体激光器与单模光纤的高耦合效率系统．设计过程中考虑了激光器发光面的大小，在而不是将其看做点光源；现有的非球面镜透镜单模光纤耦合系统基础上进行了改进，通过百万次光线追迹，测得所设计系统的耦合效

2、率大于５４％．用Ｚｍｘ和Ｏｉｉ软件分析了单模光纤与耦合系统对接出现误差情况下对耦合效率的影响，ｅａｒｎｇ分别给出了各种对接误差情况下的耦合效率变化曲线，为耦合系统的工程安装提供理论分析和技术支持．关键词：半导体激光器；光纤耦合；ｅａ；ｒｉＺｍｘＯｉｎｇＴＮ４４　　　　文献标识码：中图分类号：２８．Ａ　　　　ｏ：０．７８ｇｘ２１４ｓ０８ｄｉ１３８／ｚｂ０１０１．０１０　引言１　耦合系统设计半导体激光器已经发展到一个比较成熟的阶只单模光纤纤芯半径很小，能传输一种模式的段，广泛应用于光纤通信、光纤传感等〔－〕１２．半导体激光（１）单模光纤纤芯旋转对

3、称的，斯分布的ＨＥ１．高光器（ａｅ　ｉｄ，Ｄ）单模光纤（ｉｇｅｏｅＬｓｒＤｏｅＬ与Ｓｎｌ－ＭｄＨＥ１也是旋转对称的，基模场（１）其表达式为ｉｅ，ＭＦ的耦合系统对现代大容量长距离光纤ＦｂｒＳ）ｒ２通信系统——密集波分复用系统（ｅｓ—Ｄｎｅ〔（）〕ψ（）Ａｘ－ｗ０ｒ＝ｅｐ（）１Ｗｖｌｎｔ　ｉｉｏ　ｕｔｌｘｒＤＷＤＭ）掺铒光ａｅｅｇｈＤｖｉｎＭｌｐｅｅ，ｓｉ、Ａ为场的振幅，为纤芯的径向长度，０单模ｒｗ纤放大器（ｒｉｍ－ＤｐｄＦｂｒＡｍｌｉｒＥＦ）Ｅｂｕｏｅ　ｉｅ　ｐｆ，ＤＡ、ｉｅ光纤的模场半径．光纤有线电视系统等十分重要〔〕３．目前，半导体激光半导

4、体激光器的输出光场可以分别用远场特性器与多模光纤耦合的研究已经发展到一个成熟阶和近场特性描述〔〕．模半导体激光器的有源层截３单段〔－６〕，４耦合方式有：倒锥透镜型光纤端头〔〕、７球透镜有面为狭长的矩形，源层截面的不对称决定了初射耦合〔〕、８铲形光纤〔－１〕、镜耦合〔１〕等，合效率达９０透１耦光束远场发散角的不对称．快轴方向（直于ｐｎ在垂－到８左右．０％由于多模光纤纤芯直径远大于半导体结方向）由于狭缝的作用，，初射光束发生较强衍射，在激光器有源层发光端面线度，设计耦合系统时假在远场形成较大的发散角；慢轴方向（平行于ｐｎ结－设半导体激光器为点光源

5、，是正确的．单模光纤纤芯方向）由于有源层截面在这方向上尺寸相对较大，，直径与半导体激光器有源层发光端面线度差不多，所以衍射作用比较小，出射光束的发散角也较小．由为微米量级，此时如果还将激光器发光面近似成点造于半导体激光器在快慢轴上的发散角不同，成远光源是不合适的．本文在Ｚｍｘ非序列中建立的半ｅａ场光强分布不对称，如图１．经过一段距离之后ＬＤ导体激光器模型考虑了激光器发光面的大小，在运Ｚｍｘ纯非序列中，用非球面镜透镜模拟设计半ｅａ耦导体激光器与单模光纤耦合系统，合效率大于５４％．借助Ｚｍｘ和Ｏｉｉ软件得出了单模光纤与ｅａｒｎｇ耦合系统对接出现误

6、差情况下的耦合效率变化曲线．图１　半导体光源ｉ．ｈ　ｅｍｏＬｆＦｇ１　Ｔｅｂａ　　Ｄ　　第一作者：王海林（９１??）男，１６，副教授，硕士生导师，主要研究方向为激光应用技术、光纤应用技术等．ｍｉ：ａｉ＠ｍｉ．ｕｔｅｕ．ｌｌｌｊＥａｈｉｎａｎｓ．ｃｄｎ通讯作者：张登印（９７－）男，１８，硕士研究生，主要研究方向为光学设计．ｍｉ：ａｇｅｇｉｌｈＥａｚｎｄｎｙｎ＠ｇａ．ｍｌｏｍｉｃ收稿日期：０１０－８修回日期：０１０－８２１－３１；２１－６０８２光　子　学　报４卷０的模场分布为：图３中第一块透镜和第四块透镜是非球面镜，Ａ１（０ｘｗ０ｙ）ｗ１２第二块

7、透镜和第三块透镜是互相垂直的柱面镜．设ψ（，，）＝ｘｙｚ１计思路是第一块透镜和第二块柱面镜对慢轴准直；〔ｘ（）ｙ（）２ｗｚｗｚ〕ｘ２ｙ２最第一块透镜和第三块透镜对快轴准直；后一块透ｘ〔（）（）〕ｅｐ－ｗｘ（）ｚ－ｗｙ（）ｚ镜将光束耦合进光纤．并四块透镜均为Ｋ材料，且９２２ｋｉｘ　ｋｉｙ　每块玻璃都镀上了增透膜．为得到精确的结果，设计ｘ〔２（）－２（）〕ｅｐ－ＲｚｘＲｚｙ在时默认光纤包层的属性为Ａｓｒ最后，光纤末ｂｏｂ．（）φ（）ｚ＋ｚｅｐ（ｉｚ）ｘφ端放置一个探测器，探测器的大小是１μｘｋｘ－　ｅｐ〔２〕ｙ（）２正方形，０ｍ０ｍ×１μ属性为Ａ

8、ｓｒ通过Ｚｍｘ非系列中光线ｂｏｂ．ｅａ式中：０和ｗ０分别为Ｌ在ｘ和ｙ方向出射端面ｗｘｙＤ追迹，在探测器上得到０．４Ｗ能量．５如图４．的模半径，ｘ和ｗｙ是波前在ｘ和ｙ