LD光纖耦合模擬演示

1、LD耦合模擬演示2019.6.12目錄第一章緒論 3第二章半導體激光與光纖耦合的理論 42.1半導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16第一章緒論本文利用Zemax對10W與30W兩種LD耦合方式進行了模擬，除對現(xiàn)有 10WLD 耦合工作進行驗證之外，也為 30WLD的光纖耦合工作提供了設(shè)計指導。第二章半導體激光與光纖耦合的理論2.1半導體激光器輸出光束特性溫度對半導體輸出功率的影響很大，溫度

2、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 1如，寬度一般在幾十到幾百 如。由于有源層非常狹窄，激光在傳輸?shù)倪^程中就會發(fā)生衍射，光束會變得發(fā)散，如圖1所示。E n圖表i半導體激光器出射光斑示意圖半導體激光器的桶中功率（P舊）定義為：光強下降到最大光強的1/2處所對應(yīng)的角度，即半亮全寬時的全角發(fā)散角。垂直發(fā)散角用。上表示，水平發(fā)散角用 弗表示。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 ,旺為 58° ,。為 10.5

3、 ° 。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 光纖，纖芯的折射率為 ni,包層折射率為n2, ni >n2,因此光束在纖芯與包層的交界 面可以發(fā)生全反射而實現(xiàn)低損傳播。為了滿足全反射的實現(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：(1.1)其中NA為光纖的數(shù)值孔徑，n0為空氣折射率，簡單計算可以取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 105叩，包層為125叩，NA=0.22 ,屬于多模光纖2.3光纖耦合條件

4、對于光纖耦合的分析，通常有兩種方式：模式偶合法與光學追跡法。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。因為多模光纖可以 容納多個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。可以認為激光器與多模光纖的耦合需要滿足的條件為：半導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)，光纖透鏡對LD的快軸角度進行壓縮后，直接耦合入多模光纖中，結(jié)構(gòu)如圖 3所示：MM Fiber圖中，LD光學參數(shù)

5、為：輸出激光功率 12W，中心波長910nm ,旺為58 ° 為 10.5。，發(fā)光面積為1 x94 m；鍍有增透膜的fiber lens光學參數(shù)：玻璃型號為 F2, 折射率為1.62，光纖直徑為62(im ;耦合光纖為多模光纖，光學參數(shù)為:纖芯 105 m ,包層125叩，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)光面距離光纖透鏡前端 60叩，透鏡后端距離多模光纖 150叩，LD功率10W,用Zemax09模擬出光路如下。彳：Noni-Sequential Compone it EditorEditSvlErroi

6、iOerfeLtor Dldbd9trFqu lb Vi ew HtrlpI1.1LI.JIJU.Object TypeComweritI PcsiI ionZ PositionTilt Abcnit Y# i4yout Rsts1Source Di .ZD0. DCOc ooo0.00010032Cylinder .Fiber Lens-C.SCOt 340V90.000F20.0313Cyl 二 ruder .in0, DOOC .20V0,000I： 5Qb 0S34CylinderoutL ocu0.25Upu .oouFE3u 063&Deteetox .0 . DOO23.

7、0C0poTooo0.(1536DetectorQ . DCO(.1340 .0000.060偵：Non-eqLential Componerrt Edi*QEdit SsIMcu *Ejtcf5 Dctc-rtors Dortabaist Tocb View Help圖表4模擬耦合光路在此光路中，插入兩只光功率計接受耦合的光強，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了光纖，而慢軸方向，由于保持10.5°的發(fā)

8、散角，在離出光面114如 處，光束擴散已達到105叩。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,以此來計算耦合效率約 為85%，如果計算LD原始功率10W,則耦合效率為74%。以上數(shù)值與實際測試值符 合較好。3.3光路優(yōu)化通過2.2節(jié)的分析可知，導致該模塊耦合效率不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耦合光纖現(xiàn)有位置時，光斑大小已接近140 pm,因此部分光線不能進入105(im纖芯。因此優(yōu)化有兩種方案：1、更改光路，對慢軸方向也進 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

9、函數(shù), 對光路進行優(yōu)化。戮 MeHt Funrti on Ed iton 磯 1167 54E -OtlW_ |口 XEdil Tad& Vlevt Help1 K5DD1Dn2 FGTHNSTE10003 H5DDJJSDD1s4 ECDDHGDD1G005 ELHKBLHKG DIVIDIVIN_l圖表6優(yōu)化函數(shù)當快軸光纖距離發(fā)光面 41叩，耦合光纖距離發(fā)光面 77 m時，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，同時由于離發(fā)光面太近會有較強的反 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，因此不建議進行類 似修改。第四章大功率LD耦合模擬與10

10、WLD耦合面臨的問題不同，大功率 LD的耦合要求大幅度提高，這是因為較 低的耦合效率會帶來巨大的發(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)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直透鏡后整形為平行光，通過反射鏡轉(zhuǎn)動方向，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3只LD光路耦合進光纖后，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 330卬m的高度差，這樣保證了三路光束分 離無干涉，同時只需要 3面反射鏡來改變光束方向

11、，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，對到達光纖端面的激光光斑大小和角度進行預估，并留有一定余量。預計聚集光斑大小直徑v70 11 m ,入射角度盡量減小，12.7 0 (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：Lj! Lwf. Data edit-*-" Ldit Solves:nri.iiiLArid ,陽Thiokfiffi0 003Seni-DiCcai-GInf ini tyo, ooaD .0000 ODO1Inf . ti 1

12、 t0.051d non0 ODO2*1XN5-U1J.n£ j.n_x t-1C . 270M-L&立 2D 17DL(J .ODDEvert Jhsph1 nJ ihi4購事V 17ftf11 iu1*LENS-0 /2 onoHQZ ODQUn oooGtaridaTcs-4 9 0i0* . 7382 nonIF11 ODD5 tauid-ard4 5 901 . SOOBK-Z ODOUCl ODO7*S taiid-aiJInf itil Ijr1?.7712 Cgif0 ooo弱 m&Td.iniihlly0 2S4V .'UFJ圖表9光纖耦合的

13、初始結(jié)構(gòu)將上述器件的參數(shù)及位置信息輸入進非序列模式，然后用NSDD優(yōu)化函數(shù)找出對光纖端面的準確位置，并計算耦合效率，所得結(jié)果如下：粉NtooAQUFSspow* Edi 1stEdit So如肝 Error,QMJbaiw looit HelpOtoivct TvjeZ FxliisTilt Abjui XTxlt About yTilt AiiDUl Z* La四u&族牌1SofiLTce DiO.ODDOCiQi .ODOo ono-toononoo2Tcxoi-d#!-C.053n. noo .ODDD.nODH-Lim0.170in. i?oiJBicanLG 1E.220oo

14、oo'1.0 DOM.ncn泌2 0002 ftOft4Erefi Jkiph."煩dooO.DDD('CUD日-虱7W DSD1 9003>1l函做.tl.69470如n m.C.QOOFkFQ463項加6Cylindtr-41 .694FD DOQil.ODO0 OOQKE0頓15 000Detectcr -.寫.gFD. DOOIJ.ODOD.DCiQ2.EDOZ.iJOQ8Dt5 694?0 000'"DO0 J)O00.OS20 052De tec tea,41 .LJ4Poood.onD0 ODD2001 200圖表10優(yōu)化后器件的

15、擺放位置此光路的結(jié)構(gòu)和性能如下圖所示:TL,梆- n xMm WiMcfw Tfjrt ZwmLTFiWLMipitLtMOLIM#fWftlVE«牝»*!*r*e»I V7,-lr£«d W 3M iriEE r KLtt hjtHe ii- fH i!> t« h E> :*r h rUMWS411 v i ?Jt 叫 »m *»itE 1*FW y«F .MPIV1O- 1EA. PUX b *.ant-«ll kAlfX圖表11單路耦合示意圖a為快軸方向光路，b為慢軸方向光路

16、，c為光束在到達耦合透鏡之前的光強分布，d為光束在到達多模光纖端面之前的光強分布，e為多模光纖內(nèi)的光強分布。 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，耦合效率達到99.4% ,為了真實模擬我們實際中的情況，將LD和相應(yīng)光學鏡頭增加至 3套，按臺階分布,模擬整個系統(tǒng)的耦合效率3只芯片的高度差為330叩，模擬結(jié)果如下: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 分布。此圖可用于指導設(shè)計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:+:fvncton idEtor(,.二口| X |Voight；S Caniib1 rearfj at)LOf QgD O00O-tltlCJ'0 . DMa mU PUDIL MU5 ICDE1 .ODC3 00 3» WBQ. 300*4 皿&#