半導(dǎo)體激光器光纖耦合設(shè)計(jì)

戰(zhàn)利偉，高欣，薄報(bào)學(xué)，計(jì)光

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

隨著光電子技術(shù)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器在生產(chǎn)、生活方面有著廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器具有效率高、體積小、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，使得半導(dǎo)體激光器在許多行業(yè)凸顯出優(yōu)勢(shì)。但由于半導(dǎo)體激光器自己結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其輸出光束在垂直于結(jié)平面和平行于結(jié)平面方向的發(fā)散角不同，尤其是垂直于結(jié)平面方向(快軸方向)具有很大的發(fā)散角。目前對(duì)于半導(dǎo)體激光器光束整形的方法中，光纖耦合普遍被人們所接收，通過(guò)這種方法既可以實(shí)現(xiàn)光束的靈活傳輸，也為使用帶來(lái)了方便。在具體分析半導(dǎo)體激光器輸出光束特點(diǎn)情況下，本文提出了可以對(duì) LD輸出光束的快軸和慢軸同時(shí)準(zhǔn)直并且兩面具有不同曲率半徑的微透鏡，通過(guò)ZEMAX軟件進(jìn)行仿真，能夠得到較高的耦合效率。這種透鏡具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、耦合效率高的特點(diǎn)。

雙曲面透鏡的外形尺寸(L×W×T)為2mm×2mm×1mm，快、慢軸的有效焦距(effective focus length)分別為 0.072mm、0.472mm。透鏡結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖1 透鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of lens

1 利用ZEMAX軟件仿真

本文對(duì)半導(dǎo)體激光器所輸出波長(zhǎng)為808nm、快軸發(fā)散角為40°、慢軸發(fā)散角為12°發(fā)光面積為1m×100m的光束進(jìn)行耦合設(shè)計(jì)。通過(guò)ZEMAX軟件中的POP(PhysicalOptics Propagation)的相應(yīng)設(shè)置可以得到如圖2所示的光源模擬圖。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)表Tab.1 System data table

圖2 光源模擬圖Fig.2 Sources simulation diagram

借助ZEMAX軟件讓半導(dǎo)體激光器輸出的光束通過(guò)雙曲面透鏡(材料為 S-TIH53)并且耦合進(jìn)芯徑為石英材料、芯徑大小為62.5m，數(shù)值孔徑(NA)為0.22的多模光纖中。經(jīng)過(guò)對(duì)ZEMAX軟件進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)并對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化，可以得到如表一所示的系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表。

通過(guò)ZEMAX軟件模擬并優(yōu)化后的光纖耦合系統(tǒng)圖如圖3所示，在圖3當(dāng)中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分別為在x-z平面(圖3左)和y-z平面(圖3右)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 系統(tǒng)耦合光路Fig.3 Coupling system

最終半導(dǎo)體激光器光束經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后與多模光纖的耦合點(diǎn)列圖如圖4所示，通過(guò)圖4可以看出，從光纖出來(lái)的光束能夠很好的匯聚到一起并且系統(tǒng)的耦合效率能夠達(dá)到87.652%。這說(shuō)明對(duì)半導(dǎo)體激光器所出射光束進(jìn)行較好的整形。但系統(tǒng)的耦合效率沒(méi)有達(dá)到100%的主要原因是從半導(dǎo)體激光器所出射的光束經(jīng)過(guò)光纖耦合器后，在耦合器的前后表面存在表面反射，造成傳輸效率的下降。

圖4 系統(tǒng)點(diǎn)列光斑Fig.4 Spot diagram of the coupling system

2 結(jié)論

從以上仿真的結(jié)果可以看出，利用具有不同曲率半徑結(jié)構(gòu)的雙面微透鏡進(jìn)行光纖耦合，可同時(shí)對(duì)LD的快軸和慢軸同時(shí)準(zhǔn)直，并能夠很大程度的改善光束能量發(fā)散情況。利用這種微透鏡對(duì)芯徑62.5m的多模光纖和波長(zhǎng)808nm的LD進(jìn)行耦合，耦合效率可以達(dá)到87.652%，這一結(jié)果對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有很好的指導(dǎo)意義。

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