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LD光纤耦合模拟演示
LD耦合模拟演示
版本:
1.0
时间:
2015-5-9
作者:
徐白
第一章绪论3
第二章半导体激光与光纤耦合的理论4
2.1半导体激光器输出光束特性4
2.2光纤的基本理论5
2.3光纤耦合条件6
第三章10WLD耦合模拟7
3.1光路结构及器件参数7
3.2耦合模拟7
3.3光路优化9
第四章大功率LD耦合模拟10
4.1光路结构10
4.2耦合模拟11
第五章结论16
第一章绪论
10WLD
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:
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
LD的快轴角度进行压缩后,直
10WLD光纤耦合采用简单的结构,用快轴光纤对接耦合入多模光纤中,结构如图3所示:
图中,LD为Oclaro提供的芯片,光学参数为:
输出激光功率12W,中心波长910nm,θ⊥为58°,θ∥为10.5°怎么实现,发光面积为1×94μm;之后的快轴光纤为前后面镀有增透膜的裸纤怎么实现,光学参数:
玻璃型号为F2,折射率为1.62,光纤直径为62μm怎么实现;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发光面距离快轴透镜前端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114μ
m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改。
第四章大功率LD耦合模拟
与10WLD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830WLD耦合光路
需要指出的是,图8中3路光束在高度上都有330μm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,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≤70μm,入射角度尽量减小,≤
12.7°(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:
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:
图表10优化后器件的摆放位置
此光路的结构和性能如下图所示:
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,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330μm,模拟结果如下:
图表123只LD垂直分立后光路模拟
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:
图表1330WLD耦合效果图
c计
图13中,a为快轴光路,b为慢轴光路,可以看到反射镜的设置很成功,既能完全改变本光路方向,又不会遮挡其他光路光束,实现了LD发光最大效率的耦合。
算出最终的耦合效率为98.9%,由于并未考虑各镜面的损耗,实际耦合效率达不到这一数值。
第五章结论
通过Zemax模拟,可以看到10WLD光纤耦合封装的最终结果与实际情况符合良好,此外,利用现有LD芯片和镜片组(反射镜尺寸可能需要调整),可以到达理想的耦合效果。
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