基于ZEMAX的激光与多模光纤耦合系统设计
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圈
中文 核 心 期 刊
基 于 ＺＥＭＡＸ的激 光与 多模光 纤耦 合 系统设计
石科仁 ，朱长青
（军械 工程 学 院 车辆 与 电气 工 程 系 。石 家庄 ０５０００３）
摘要 ：针对半导体激光器远场光强分布不对称的特 点，利用 ＺＥＭＡＸ软件 的近轴平 面 ｘＹ实现对激光器快 慢轴不同发散 角的模拟。依据 多模光纤的数值孔径和芯径的要求，结合几何光学进行光线追迹分析 ，并 用 ＺＥＭＡＸ进行 了参数优化 ，得到 了耦合 系统的三维视 图，系统像面光斑尺寸满足多模光纤耦合要求。最 后 ，对耦 合 系统 进行 了测 试 实验 。 关键词：半导体激光器；耦合 系统；ＺＥＭＡＸ；几何光学；多模光纤 中 图分类 号 ：ＴＮ３６，０４３５．１ 文 献标 识码 ：Ａ 文章 编 号 ：１００２．５５６１（２０１６）０５．００４３．０３ ＤＯＩ：１０．１３９２１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００２—５５６１．２０１６．０５．０１３
１基 于 ＺＥＭＡＸ 的激 光 器 光 源设 计 我 们课 题 组 购 置 的半 导体 激 光 器 的光 源 宽度 为
（１ｘｌ００）Ｉｘｍ，快 轴 的发散 角 约 为 ３Ｏｏ，慢 轴 发散 角 接 近 ６ｏ．而且 在 近轴像 面 上存 在像差 。基 于此 ，本 文采 用 ＺＥＭＡＸ软 件 的近轴 ＸＹ面设 计 。首先 确定 一个 初始 的 发 散 角 ．让其 与慢 轴 发 散 角 ６ｏ相 同 ．根 据 数 值 孑Ｌ径 计 算 公 式 ＮＡ＝ｎｓｉｎａ。物 空 间 数 值孑Ｌ径 为 ０．０５２３．光 束 类 型选择 高斯 光束 ．波 长选 择 １．０３１ｘｍ。初 始设 定 的光 源 是 发 散半 角 ３。的 圆形光 束 ．出射 腔 面处 尺 寸半 长达 到 ５０１ｘｍ．图 １为光 源 快 轴 的发 散 角初 始 结 构 ．依 据 几 何 关 系 可 以 得 到 光 源 发 光 处 Ａ 点 到 出射 腔 面 Ｄ距 离
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｍ ｕｌｔｉｍ ｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺＥＭＡＸ
ＳＨＩＫｅ－ｒｅｎ，ＺＨ Ｕ Ｃｈａｎｇ－ｑｉｎｇ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｏｒｄｎａ ｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５０００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｒ—ｆ ｉｅｌｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｆｏｒ ｓｅｍ ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ，ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｐａｒａｘｉａｌ ＸＹ ｐｌａｎｅ ｏｎ ＺＥＭ ＡＸ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｂｅａｍ ｄｉ－ ｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｎｇｌｅｓ ｏｆｆａｓｔ ａ ｎ ｄ ｓｌｏｗ ｓｈａｆ ｔｓ ｏｆｔｈｅ ｌａｓｅｒ；ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒ ｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｒｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆｍｕｌ－ ｔｉｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆ ｉｂｅｒ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｅｏｍ ｅｔ ｒｉｃａｌ ｏｐｔｉｃｓ ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ ａ ｎ ａｌｙｓｉｓ，ｔ ｈｅ ｐａｐｅｒ ｃａｒｒｉｅｓ ｏｎ ｔ ｈ ｅ ｐａ－ ｒａｍ ｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ ＺＥＭ ＡＸ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅｎ ｇｅｔｓ ｔｈｅ ３Ｄ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ，ｔｈｅ ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ ｏｎ ｔ ｈｅ ｉｍ－ ａｇｅ ｐｌａ ｎ ｅ ｏｆ ｔ ｈ ｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅｅｔｓ ｔ ｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍ ｅｎｔ ｏｆ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍ ｕｌｔｉｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆ ｉｂｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔ ｈｅ ｐａｐｅｒ ｔａｋｅｓ ａ ｅｘｐｅｒ ｉｍ ｅｎｔａｌ ｔｅｓｔ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ． Ｋｅｙ ＷＯｒｄｓ：ｓｅｍ ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ，ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ＺＥＭ ＡＸ，ｇｅｏｍ ｅｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃｓ，ｍｕｌｔｉｍ ｏｄｅ ｆ ｉｂｅｒ
ＡＤ＝５０／ｔａｎ３ｏ＝９５４Ｎｍ．同时要使 ｃ处发散半角为 １５ｏ． ２０１６年第５期兜 蕴 客纸 书 ⑩
收 稿 日期 ：２０１５—１２—２２。 作 者 简 介 ：石 科 仁 （１９９０一），男 ，硕 士研 究 生 ，主要 从 事 光 纤 供 能 系 统 及 光 电转 换 方 面 的研 究 。
圆柱形 透 镜将 激 光 束耦 合能 量损 失 。
０引 言 半 导 体 激 光 器 体 积 小 ．重 量 较 轻 ，光 电转 换 效 率
高 ．在 半 导 体 激 光 光 纤 耦 合 技 术 领 域 应 用 广泛 ［１】。但 是 ．由于 半导 体 激 光器 的有 源层 宽 厚 比相 差 太 大 。导 致其 远 场光 强 分 布不对 称 ：光 束 在垂 直 于 ＰＮ结方 向 （即快 轴 方 向 ）发 散 角 远 大 于 平 行 于 ＰＮ结 方 向 （即慢 轴 方 向 ）的发 散 角 。这 一 特 点 为激 光 器 的设 计 与仿 真 模 拟增 加 了难度 激光 与 多模 光纤 的耦 合方 式包 括 光 纤 端 面 制 成 微 透 镜 的方 式 和分 立 的微 光 学 元 件 的 方 式 两种囱。大 多数 耦合 装 置采用 球 面微 透镜 进行耦 合 ． 但 考 虑 到透 镜个 数 较 大 导致 的系统 体 积 的增 加 ．以 及 先 准 直后 聚焦 过程 导 致 的光 功 率 的损 耗 ．本 文 拟 采 用
中文 核 心 期 刊
基 于 ＺＥＭＡＸ的激 光与 多模光 纤耦 合 系统设计
石科仁 ，朱长青
（军械 工程 学 院 车辆 与 电气 工 程 系 。石 家庄 ０５０００３）
摘要 ：针对半导体激光器远场光强分布不对称的特 点，利用 ＺＥＭＡＸ软件 的近轴平 面 ｘＹ实现对激光器快 慢轴不同发散 角的模拟。依据 多模光纤的数值孔径和芯径的要求，结合几何光学进行光线追迹分析 ，并 用 ＺＥＭＡＸ进行 了参数优化 ，得到 了耦合 系统的三维视 图，系统像面光斑尺寸满足多模光纤耦合要求。最 后 ，对耦 合 系统 进行 了测 试 实验 。 关键词：半导体激光器；耦合 系统；ＺＥＭＡＸ；几何光学；多模光纤 中 图分类 号 ：ＴＮ３６，０４３５．１ 文 献标 识码 ：Ａ 文章 编 号 ：１００２．５５６１（２０１６）０５．００４３．０３ ＤＯＩ：１０．１３９２１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００２—５５６１．２０１６．０５．０１３
１基 于 ＺＥＭＡＸ 的激 光 器 光 源设 计 我 们课 题 组 购 置 的半 导体 激 光 器 的光 源 宽度 为
（１ｘｌ００）Ｉｘｍ，快 轴 的发散 角 约 为 ３Ｏｏ，慢 轴 发散 角 接 近 ６ｏ．而且 在 近轴像 面 上存 在像差 。基 于此 ，本 文采 用 ＺＥＭＡＸ软 件 的近轴 ＸＹ面设 计 。首先 确定 一个 初始 的 发 散 角 ．让其 与慢 轴 发 散 角 ６ｏ相 同 ．根 据 数 值 孑Ｌ径 计 算 公 式 ＮＡ＝ｎｓｉｎａ。物 空 间 数 值孑Ｌ径 为 ０．０５２３．光 束 类 型选择 高斯 光束 ．波 长选 择 １．０３１ｘｍ。初 始设 定 的光 源 是 发 散半 角 ３。的 圆形光 束 ．出射 腔 面处 尺 寸半 长达 到 ５０１ｘｍ．图 １为光 源 快 轴 的发 散 角初 始 结 构 ．依 据 几 何 关 系 可 以 得 到 光 源 发 光 处 Ａ 点 到 出射 腔 面 Ｄ距 离
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｍ ｕｌｔｉｍ ｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺＥＭＡＸ
ＳＨＩＫｅ－ｒｅｎ，ＺＨ Ｕ Ｃｈａｎｇ－ｑｉｎｇ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｏｒｄｎａ ｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５０００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｒ—ｆ ｉｅｌｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｆｏｒ ｓｅｍ ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ，ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｐａｒａｘｉａｌ ＸＹ ｐｌａｎｅ ｏｎ ＺＥＭ ＡＸ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｂｅａｍ ｄｉ－ ｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｎｇｌｅｓ ｏｆｆａｓｔ ａ ｎ ｄ ｓｌｏｗ ｓｈａｆ ｔｓ ｏｆｔｈｅ ｌａｓｅｒ；ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒ ｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｒｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆｍｕｌ－ ｔｉｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆ ｉｂｅｒ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｅｏｍ ｅｔ ｒｉｃａｌ ｏｐｔｉｃｓ ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ ａ ｎ ａｌｙｓｉｓ，ｔ ｈｅ ｐａｐｅｒ ｃａｒｒｉｅｓ ｏｎ ｔ ｈ ｅ ｐａ－ ｒａｍ ｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ ＺＥＭ ＡＸ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅｎ ｇｅｔｓ ｔｈｅ ３Ｄ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ，ｔｈｅ ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ ｏｎ ｔ ｈｅ ｉｍ－ ａｇｅ ｐｌａ ｎ ｅ ｏｆ ｔ ｈ ｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅｅｔｓ ｔ ｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍ ｅｎｔ ｏｆ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍ ｕｌｔｉｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆ ｉｂｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔ ｈｅ ｐａｐｅｒ ｔａｋｅｓ ａ ｅｘｐｅｒ ｉｍ ｅｎｔａｌ ｔｅｓｔ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ． Ｋｅｙ ＷＯｒｄｓ：ｓｅｍ ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ，ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ＺＥＭ ＡＸ，ｇｅｏｍ ｅｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃｓ，ｍｕｌｔｉｍ ｏｄｅ ｆ ｉｂｅｒ
ＡＤ＝５０／ｔａｎ３ｏ＝９５４Ｎｍ．同时要使 ｃ处发散半角为 １５ｏ． ２０１６年第５期兜 蕴 客纸 书 ⑩
收 稿 日期 ：２０１５—１２—２２。 作 者 简 介 ：石 科 仁 （１９９０一），男 ，硕 士研 究 生 ，主要 从 事 光 纤 供 能 系 统 及 光 电转 换 方 面 的研 究 。
圆柱形 透 镜将 激 光 束耦 合能 量损 失 。
０引 言 半 导 体 激 光 器 体 积 小 ．重 量 较 轻 ，光 电转 换 效 率
高 ．在 半 导 体 激 光 光 纤 耦 合 技 术 领 域 应 用 广泛 ［１】。但 是 ．由于 半导 体 激 光器 的有 源层 宽 厚 比相 差 太 大 。导 致其 远 场光 强 分 布不对 称 ：光 束 在垂 直 于 ＰＮ结方 向 （即快 轴 方 向 ）发 散 角 远 大 于 平 行 于 ＰＮ结 方 向 （即慢 轴 方 向 ）的发 散 角 。这 一 特 点 为激 光 器 的设 计 与仿 真 模 拟增 加 了难度 激光 与 多模 光纤 的耦 合方 式包 括 光 纤 端 面 制 成 微 透 镜 的方 式 和分 立 的微 光 学 元 件 的 方 式 两种囱。大 多数 耦合 装 置采用 球 面微 透镜 进行耦 合 ． 但 考 虑 到透 镜个 数 较 大 导致 的系统 体 积 的增 加 ．以 及 先 准 直后 聚焦 过程 导 致 的光 功 率 的损 耗 ．本 文 拟 采 用