LD光纤耦合模拟演示

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 (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
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
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：
图表 3 10WLD与光纤耦合光路
图中，LD光学参数为：输出激光功率12W，中心波长910nm，θ⊥为58°，θ∥为10.5°，发光面积为1×94μm；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62μm；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发光面距离光纤透镜前端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114μm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
图表 7 单管耦合光路结构图
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：
图表 9 光纤耦合的初始结构
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：
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 12 3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 13 30WLD耦合效果图
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。

c计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。