LD光纤耦合模拟演示

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

2、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 1如，宽度一般在几十到几百 如。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。E n图表i半导体激光器出射光斑示意图半导体激光器的桶中功率（P旧）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。上表示，水平发散角用 弗表示。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 ,旺为 58° ,。为 10.5

3、 ° 。2.2光纤的基本理论图表2光纤的结构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 ni,包层折射率为n2, ni >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：(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,()0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 105叩，包层为125叩，NA=0.22 ,属于多模光纤2.3光纤耦合条件

4、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。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：MM Fiber图中，LD光学参数

5、为：输出激光功率 12W，中心波长910nm ,旺为58 ° 为 10.5。，发光面积为1 x94 m；镀有增透膜的fiber lens光学参数：玻璃型号为 F2, 折射率为1.62，光纤直径为62(im ;耦合光纤为多模光纤，光学参数为:纤芯 105 m ,包层125叩，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 60叩，透镜后端距离多模光纤 150叩，LD功率10W,用Zemax09模拟出光路如下。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侦：Non-eqLential Componerrt Edi*QEdit SsIMcu *Ejtcf5 Dctc-rtors Dortabaist Tocb View Help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114m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：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

8、散角，在离出光面114如 处，光束扩散已达到105叩。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140 pm,因此部分光线不能进入105(im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

9、函数, 对光路进行优化。戮 MeHt Funrti on Ed iton 矶 1167 54E -OtlW_ |口 XEdil Tad& Vlevt Help1 K5DD1Dn2 FGTHNSTE10003 H5DDJJSDD1s4 ECDDHGDD1G005 ELHKBLHKG DIVIDIVIN_l图表6优化函数当快轴光纤距离发光面 41叩，耦合光纤距离发光面 77 m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10

10、WLD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8 30WLD耦合光路需要指出的是，图8中3路光束在高度上都有 330卬m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

11、，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v70 11 m ,入射角度尽量减小，12.7 0 (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：Lj! Lwf. Data edit-*-" Ldit Solves:nri.iiiLArid ,阳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购事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图表9光纤耦合的

13、初始结构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：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."烦dooO.DDD('CUD日-虱7W DSD1 9003>1l函做.tl.69470如n m.C.QOOFkFQ463项加6Cylindtr-41 .694FD DOQil.ODO0 OOQKE0顿15 000Detectcr -.写.gFD. DOOIJ.ODOD.DCiQ2.EDOZ.iJOQ8Dt5 694?0 000'"DO0 J)O00.OS20 052De tec tea,41 .LJ4Poood.onD0 ODD2001 200图表10优化后器件的

15、摆放位置此光路的结构和性能如下图所示: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

16、，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330叩，模拟结果如下: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:+: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&#