微透镜光纤在半导体激光器中的应用研究_图文

1、收稿日期:2004-12-06.光电器件微透镜光纤在半导体激光器中的应用研究于海鹰,邹德恕,崔碧峰,沈光地(北京工业大学北京市光电子技术实验室,北京100022摘要:对几种典型的半导体激光器与光纤的耦合特性进行分析,提出提高耦合效率所采用的微透镜光纤的结构。介绍熔拉型、化学蚀刻型、研磨抛光型、切削型、自聚焦光纤型和铸模型等微透镜光纤的制作原理和工艺以及目前达到的指标,并对各种形式的透镜光纤进行了评价。提出了提高耦合效率和失调容差、降低插损的新思路。关键词:微透镜;透镜光纤;光耦合模式中图分类号:TN253文献标识码:A 文章编号:1001-5868(200505-0400-06Micro 2l

2、ensed Fibers for Semiconductor Laser CouplingYU Hai 2ying ,ZOU De 2shu ,CU I Bi 2feng ,SH EN Guang 2di(Optoelectronic T echnology Laboratory of B eijing ,B eijing T echnology U niversity ,B eijing 100022,CHN Abstract :Through analyzing t he different typical co upling properties of semiconductor las

3、er to optical fiber ,t he st ruct ures of lensed fiber is presented to enhance t he coupling efficiency largely.The p rinciples and p rocesses to fabricate lensed fibers ,such as f used 2drawn taper ,chemical etched taper ,grinding and polishing ,micromachining ,GRIN fiber lens and molding lens ,and

4、 t he characteristics of t hese lensed fibers are int roduced.Furt hermore ,t hese lensed fibers are app reciated.A new scheme to enhance t he coupling efficiency and alignment tolerance and reduce t he insert lo ss for LD and fiber is reported.K ey w ords :microlens ;lensed fiber ;optical coupling

5、model1引言半导体激光器(LD 因其体积小、功耗低、重量轻、效率高、可靠性好、价格便宜等特点,已被广泛应用于光纤通信、光纤传感、激光加工、信息存储/读取、生物医学等众多领域。对于不同的应用场合,对LD 的光输出耦合方式有不同的要求,许多情况下需要与光纤耦合,把光能量输送出去。因此,在LD 和光纤之间实现有效的光功率耦合是十分必要的。在现代光纤通信系统中,LD 获得了普遍应用,既被用作光源,也被用作泵浦源。对于中长距离的光通信系统,对应于1300nm 和1550nm 两个单模光纤(SM F 的低损耗窗口,要求作为光源的LD 的输出波长要与之相对应,一般采用分布反馈(DFB 激光器,输出功率要

6、求不高,但光束质量要求高。作为泵浦源的LD ,要求其工作波长在980nm 和1480nm 附近,一般采用宽发射面大功率半导体激光器,要求输出功率足够大。由于应用场合的不同,LD 特性各异,输出光束形式也就不一样,因此带来耦合系统形式的不同。微透镜光纤耦合系统是目前应用日益广泛的光耦合系统,相对于分离式的微透镜耦合系统,具有体积小、结构简单、便于集成、易于制作和成本低廉等特点。本文第二节将分别对用作通信光源和泵浦光源的几种LD 的输出光束特性及光纤耦合特性进行分析,提出最佳耦合微透镜光纤的结构和形式。第三节将介绍当前微透镜光纤几种主要制作原理和工艺,不同工艺下所能达到的技术指标。综合各项因004

7、素,在第四节提出进一步提高耦合效率,增大耦合失调容差,降低插入损耗的新思路。2LD 与光纤耦合特性分析LD 作为光源与光纤连接时,为了获得最大光能量的输出,两者的特征参量要尽可能相互匹配。对于LD ,要考虑其发光面积(腰斑半径、发散角、输出功率以及偏振态等特性,对于光纤,则要考虑纤径、数值孔径、截止波长和偏振等特性。对于边发射型的半导体激光器,由于要降低阈值电流密度和改善模式特性,LD 的有源层必须很薄,一般仅有0.1m 左右,而有源层的宽度与LD 的输出功率大小成正比,一般在微米数量级。激射光束通过如此狭小的孔势必要产生散射,而且光强的分布也不对称。一般地,为15°20°

8、,为30° 40°(如图1所示。在高斯近似条件下,归一化的LD 基模输出场的近场分布可表示为LD (x ,y =exp -xl x2+yl y2(1 式中,l x 和l y 为LD 出光端面上x (垂直于结平面方向和y (平行于结平面方向的光场半径(也被称为光束束腰半径,典型值为0.6m ×4m 。 垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL 因具有对称的谐振腔,因而可以发射圆对称且无像散的高斯光束。VCSEL 的横模数量随驱动电流的增大而增加。在小电流驱动时(略高于阈值,其输出光束的模式可以是基横模,近场图为圆形光斑,远场发散角为8°左右1。当增大正向电流时

9、,模式数量逐渐增加,见图2所示。中小功率VCSEL 的激射窗口孔径(或有源区直径一般为850m 2。 图1条形半导体激光器的近场和远场模式对于光纤,同样地,在高斯近似条件下,基模模场分布可表示为f (x ,y =exp -12x 2+y2f (2式中,f 为光纤的模场半径。单模光纤的纤芯直径一般在510m ,典型值为8m ,其模场直径(M FD 比纤芯直径略大,典型值为9m 。多模光纤的纤芯直径一般在50100m ,典型值为50m 和62.5m 。除此之外,光纤的数值孔径(NA 也是一个耦合中的重要参数,它决定了光纤对入射光线的最大入射角度。对于弱导光纤,如硅光纤,由于n 1和n 2差值很小,

10、数值孔径的表达式为N A =sin a =n 12-n 22=n2(3式中,为光纤的相对折射率。对于SM F ,典型N A 值在0.10.17,即接收全角为10°18°。MM F 的N A 值在0.20.3,具有更大的接收角。图2VCSEL 不同输出功率时远场测量与计算结果比较通过对LD 和光纤模场特性的上述分析可知,当LD 作光源时,光束直径可以在数十分之一微米到数十微米之间变动,往往与SM F 的模场直径不相匹配,但是与MM F 的模场接近;用作泵浦源的LD 一般采用的是边发射型LD ,其光场是椭圆形的(见图1,与光纤的圆形模场的失配更严重,而且LD 的光束发散角大于光

11、纤的接收角度。根据计算,将LD 与SM F 直接耦合时,耦合效率的理论极限只有约20%3。有人对边发射LD 与SM F 的直接耦合进行实验,测试得到的结果是耦合效率只有8%4。即使是光束接近圆形的LD ,耦合损耗仍高达8dB 5。这使得LD 与单模光纤的直接耦合变得不切实际,能量损耗太大。解决办法是在LD 与光104纤之间设置一套光耦合系统,实现模场形式和大小的匹配。为了达到提高光源的耦合效率的目的,耦合系统要满足以下要求:(1尽可能高的耦合效率或者是最低的耦合损耗。当LD的输出光功率一定时,高耦合效率意味着较长的无中继传输距离;(2低反射。反射光十分有害,会引起LD输出光功率的抖动和激射波长

12、漂移等问题,严重影响激光器的正常工作;(3大失调容差。意味着耦合系统封装时允许较大的位置失调,因而可以采用结构简单、定位精度相对不高的低成本封装技术;(4制作简便。耦合技术是一项实用技术,从商业角度考虑,制造工艺要简单,产品一致性要好,成本要低。此外,还要小型化,高可靠性。微透镜光纤可以将LD的光束有效地耦合进光纤。为了将不同模场的光束高效耦合到光纤中,光纤透镜采用了不同的形式,常用的有锥形、楔形、斜面、球面、椭球面等;在组成形式上,又有单透镜和组合透镜之分。2.1锥形微透镜光纤特性锥形微透镜光纤是最常见的透镜光纤形式。将光纤的前端采用腐蚀或熔融拉伸工艺做成如图3所示的圆锥形,前端的半径为a1

13、,未形变光纤的半径为a n。当光从前端以入射进光纤,经折射以后,以角1射向界面。有圆锥时的接收角c和平端光纤的接收角c之间有下列关系:sinc sinc =sin1sinn=sin1sin2sin2sin3(in-1sinn= a2a1a3a2a na n-1=a na1(4上式说明,有圆锥透镜的光纤的数值孔径比平端光纤增加了a n/a1倍,即光纤的接收孔径角比原来增大了a n/a1倍,意味着光耦合的效率得到了相应的提高。图3圆锥透镜耦合原理图锥形微透镜光纤适用于与光束截面为圆形或近似圆形的LD,如VCSEL等的耦合,效果极佳,耦合效率可做到90%以上。2.2楔形微透镜光纤特性由于大多数LD的

14、输出光束的光斑是椭圆形的,而且椭圆的长短轴之比值与输出功率成正比,一般该比值为35,大功率LD可大于10,最高可达50以上。显然,这样的光束耦合到光纤中是很困难的。为了校正LD的椭圆光束,可采用楔形微透镜光纤6,7。LD与楔形微透镜光纤耦合的原理图见图4所示。透镜光纤的两个楔形面对应着LD光束发散角较大的方向。楔形透镜光纤相当于一个圆柱透镜与锥形光纤的组合。将柱透镜与LD的p2n结平行放置,LD的光束穿过柱透镜时,垂直于p2n结方向的光将被压缩,而平行于p2n结方向的光不变,使得整个光斑接近圆形。柱透镜楔形的前端被做成弧面,以便提高耦合效率 。图4楔形微透镜光纤2.3球面微透镜光纤特性最早提出

15、,也是最简单的透镜光纤就是球面微透镜光纤。它的实现方法相对多样和简单。将光纤的端面做成一个半球形,使它起到短焦距透镜的作用,见图5所示。其提高耦合效率的原理与锥形端面类似,增大光纤的孔径角。带有球透镜的光纤的等效接收角c可表示为c=sin-1n1sin sin-1ab+cos-1n2n1-sin-1ab(5式中,a为纤芯半径,b为外包层半径,也即球面镜的24最大半径r ,n 1和n 2分别为纤芯和包层的折射率。这种半球形透镜由于曲率半径较大,对大发散角的高斯光束的汇聚能力较弱,像差影响比较严重,而且存在较强的光反射,因此耦合损耗比较大。减小曲率半径可以有效改善耦合特性8,9,但此时的透镜形式已

16、不再是球面镜,而是非球面镜了。 图5球形微透镜光纤耦合原理3微透镜光纤的制作工艺 根据端面的不同形式,微透镜光纤的制作工艺主要有熔融拉锥、研磨、抛光、扩芯、GRIN 光纤熔接、化学腐蚀和激光切削等。3.1锥形微透镜光纤制作锥形透镜光纤最简单和常用的工艺是熔融拉锥。用电弧对光纤的包层和纤芯加热,使之熔化,然后对其牵拉,形成对称的锥体,在最细处切断光纤,再用火焰对断面抛光。锥体的长度通过控制加热温度和拉伸速度得到保证。对光纤的加热可以用光纤熔接机实现。若加工过程控制得当,耦合损耗可做到3dB 以下10。 采用化学腐蚀法制作锥形透镜光纤是一种简单且高效的工艺。由于酸对不同的材料具有不同的腐蚀速度,将

17、光纤插入盛有浓度为50%左右的氢氟酸(HF 溶液的聚四氟乙烯容器中。为防止腐蚀过程中H F 挥发,在溶液的上层覆盖一层油膜(见图6。利用纤芯和包层材料成分的不同,通过调节光纤和H F 溶液的作用时间、加热温度、浸入溶液深度和油膜密度等,可以得到所要求的锥度和长度的锥形透镜光纤。再用火焰对端头抛光,形成半球状。为保证光纤腐蚀的均匀性,保持光纤在溶液中的绝对垂直和固定是极为关键的。采用该工艺可一次制作数百根锥形透镜光纤,且一致性非常高11。用这种透镜光纤与光斑近似圆形的LD 进行耦合,理论上可以达到99.8%的耦合效率,实际测量结果也达到了82%12。此外,还可以采用激光切削工艺制作锥形透镜光纤1

18、3。类似于用激光对金属的切削原理,利用短脉冲强激光CO 2激光器照射玻璃,使其熔化,形成锥体。由于切削过程受计算机控制,透镜的锥度、长度和端面的曲率半径都能符合设计要求,而且激光器是非常稳定的热源,因此加工出来的透镜光纤一致性很好,经过抛光后可以达到极高的耦合效率,据文献报道可以接近100%14。图6化学腐蚀法制作锥形微透镜光纤的装置3.2楔形微透镜光纤楔形微透镜光纤的端面要用研磨和抛光工艺制作。利用研磨抛光工艺加工制作透镜具有悠久的历史,已经形成了一整套完备的加工工艺和测试手段,不仅可以制作楔形透镜,还可以制作四棱锥形和球面镜等。前文已提到,楔形透镜对椭圆光束有矫正作用。但是如果纤芯半径太小

19、,远远小于LD 的出射光光斑,不管楔形透镜的端面如何优化,耦合效率总是做不高,因为耦合损耗与光纤的模场半径成反比。为此要采用一定的手段增大光纤纤芯半径,或是增加光通量,但同时又不能破坏光纤的单模特性。热膨胀芯扩束(TEC 便是一项通过加热光纤,使纤芯扩张,实现纤芯半径增大的技术。将光纤置于热扩散炉中加热到13001400,保持10h 以上,纤芯中的掺杂离子,如Ge 离子,由于热扩散而向包层移动,导致纤芯半径的扩大,在加热的端面形成倒锥体状的纤芯形式(见图7。采用TEC 后,纤芯直径可增大35倍15,16。图7扩芯后的光纤示意图除了用热扩散炉加热外,还有一些简易的扩束加热办法,如用丙烷喷灯对光纤

20、加热,加热时间510min ,可使光纤的芯径扩大1倍左右17。还有人用光纤熔接机对光纤的端面进行间断放电加热,也304可以在很短的时间内使光纤纤径增大10。为了不破坏光纤的单模传输特性,采用TEC 技术的关键是控制光纤加热的长度。加热长度要大于扩束锥体的特征长度L c ,特征长度L c 由下式确定18:L c =max (max -1n 12(6式中,max 为最大扩束倍数,n 1为纤芯折射率,0为高斯光束腰斑半径,为光束波长。增大透镜光纤端面光通量的另一项技术是采用自聚焦光纤(GRIN 。聚焦光纤是一种对光线能起会聚作用的梯度折射率光纤。它的折射率是离光纤轴逐渐减小的。折射率随半径的变化可以

21、表示为n (r =n 11-n r a 2=n 11-12g 2r 2(7其中,g =2n /a ,为聚焦常数。光在这样的光纤中传播的轨迹近似于正弦波,其周期为P =2/g =2a/2n(8当光纤的长度等于四分之一周期的奇数倍时,将对入射光有聚焦作用,可以把较大的入射光斑聚焦成小光斑,实现高效耦合。 根据GRIN 光纤的这一特点,将一段外径与普通光纤相同的GRIN 光纤与待耦合的单模光纤进行熔接,在四分之一个传播周期长度处切断(见图8,然后对断面做研磨抛光处理,即可得到性能优良的透镜光纤。据文献报道19,采用此项技术,不仅可以大大降低耦合损耗,而且容差特性也得到了很大的改善。特性对比见表1。 图8GRIN 透镜光纤形成过程表1自聚焦楔形透镜光纤与单模楔形透镜光纤特性对比特性GIF 楔形透镜光纤SMF 楔形透镜光纤耦合损耗/dB 长宽比为72.41dB 损耗容差/m垂直±0.31±0.19水平±2.0±1.2轴向±2.95±1.553.3球形微透镜塑料光纤