光纖和半導體激光器耦合的實現(xiàn)方法

許貴陽 華顯立

摘 要：光纖和半導體激光器耦合技術(shù)的高低直接決定了EDFA技術(shù)性能，本文通過論述半導體激光器與光纖耦合的理論，進一步研究分析半導體激光器和光纖耦合的方法，進而在一定程度上為光纖和半導體激光器耦合技術(shù)的發(fā)展提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：光纖；半導體激光器；耦合方式

0 引言

半導體激光器自1962年問世以來發(fā)生了極大地變化，有力的推動了現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展。半導體激光器具有光電轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、耗電少且價格低等優(yōu)點，因而廣泛應用于廣泛使用于光纖通信、激光測距、激光打印、激光掃描、激光指示器以及航空航天等重要領(lǐng)域。對于半導體激光器來說，受自身結(jié)構(gòu)特點的影響和制約，進而在一定程度上降低了半導體激光器的出射光束的質(zhì)量，不僅在垂直和平行于PN結(jié)兩個方向上的光束不對稱，而且存在有很大的發(fā)散角，另外，對驅(qū)動電源要求比較高，進一步增加了實際應用的難度。對于半導體激光器來說，光纖和半導體激光器的耦合技術(shù)能夠?qū)ζ涔馐M行整形、準直、變換，同時能夠耦合到光纖中，這樣就可以輸出對稱并且亮度較高的光束。

1 光纖與半導體激光器的耦合方式

通常情況下，光纖與半導體激光器的耦合方式可以分為：（1）光纖與激光器不經(jīng)過任何系統(tǒng)進行直接耦合。（2）將透鏡、棱鏡等光學零件插入激光器和光纖之間的方法，即分離透鏡耦合法。在光纖與半導體激光器進行耦合的過程中，無論哪種方法，其耦合的目的都是對半導體激光器輸出的光場進行整形，進而在一定程度上使得入射光場與光纖本征光場分布實現(xiàn)最大限度的匹配。

1.1 分離透鏡耦合

在耦合系統(tǒng)內(nèi)部，各光學零件之間與光纖以及耦合系統(tǒng)都是相互分立的，在這種情況下，對于半導體激光器、耦合系統(tǒng)和光纖之間的共軸準直性要求比較好。在封裝的過程中，采用一些加工精度較高的支承件固定各光學零件，在一定程度上確保較好的準直性，但是這樣做法增加了成本，并且尺寸比較大。在系統(tǒng)中，一般將光學零件的尺寸控制在毫米量級，進一步減小其體積，這在無形中增加了加工的難度，同時成本比較高。但是，這類耦合系統(tǒng)的優(yōu)點是，通過精確設(shè)計和加工可以最大限度地改善光束非圓對稱性、消除像差影響、減少反射損耗，從而實現(xiàn)高效率耦合。下面分別對分離透鏡耦合系統(tǒng)進行介紹。

（1）單球透鏡耦合

這種耦合系統(tǒng)通常是由單個球透鏡構(gòu)成，與其他透鏡相比，由于球透鏡本身的圓對稱性，進而使得裝配異常簡單。對于單個球透鏡來說，由于其焦距與球差成正比，進而在一定程度上可以通過減小球差的方式，進一步提高耦合效率，同時這也是該耦合方法的關(guān)鍵所在。為了進一步消除球差的影響，在這種耦合系統(tǒng)中，對球透鏡要求比較高，主要表現(xiàn)為折射率高、焦距短等。對于這種耦合方式來說，激光器與透鏡之間的距離，以及光纖與透鏡之間的距離決定了耦合的效率。

（2）利用自聚焦透鏡

通常情況下，自聚焦透鏡是在圓柱狀玻璃基棒內(nèi)，借助離子交換技術(shù)產(chǎn)生徑向的折射率制成的，這種耦合系統(tǒng)通過折射率的漸變分布進一步實現(xiàn)聚光能力，并且透鏡長度決定焦距。對于平端自聚焦透鏡來說，由于球差較為嚴重，進而使得聚光斑較大，通常情況下，可以將前端研磨成球面，進而在一定程度上對透鏡的球差進行補償，耦合損耗一般可以降為1 db。對于自聚焦透鏡來說，其外形尺寸比較小，孔徑比較大，損耗比較低，但是，需要精密測量和復雜計算，才能進一步優(yōu)化透鏡的折射率分布，并且在加工透鏡的過程中，需要精密研磨曲率球面，進一步增加了制作難度和成本。

（3）利用組合透鏡

在許多光纖耦合系統(tǒng)中，為了進一步提高耦合效率，通常情況下，利用球透鏡、柱透鏡、自聚焦透鏡，以及錐形光纖等進行相互組合。通過透鏡組合可以大幅度提高耦合效率，一般超過75%。但是，在裝配過程中，需要借助專用精密夾具進行精密的調(diào)整，進而在一定程度上增加了工作的難度，同時在封裝階段要求也比較高。

1.2 光纖直接耦合

對于光纖直接耦合來說，通常情況下，主要包括平端光纖直接耦合和對光纖進行加工耦合兩種，例如在光纖的端面制造球形、錐形等。這種耦合系統(tǒng)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為靈活方便，加工制作簡單，并且易于集成封裝，憑借該優(yōu)勢，光纖直接耦合系統(tǒng)得到廣泛運用。

（一）平端光纖直接耦合

所謂平端光纖直接耦合就是將經(jīng)過處理的端面平頭光纖直接對向半導體激光器的發(fā)光面。通常情況下，光源的發(fā)光面積和光纖芯徑總面積的匹配，以及光源發(fā)散角和光纖數(shù)值孔徑角的匹配等是影響耦合效率的主要因素。對于半導體激光器和光纖來說，由于彼此之間的模失配現(xiàn)象比較嚴重，所以采用平端光纖的方式進行直接耦合，但是這種耦合方式損耗比較大，并且耦合效率低。

（二）球形端面光纖直接耦合

通常情況下，通過多種方式都可以獲得球形光纖端面，比較典型的如：（1）在光纖端面上制造一個樹脂的半球透鏡，這種方案比較簡單；（2）在光纖的端面燒制特殊形狀的端球，一般可以采用電弧、氣體火焰或者大功率激光器充當燒制的熱源，這種方案比較實用。在熱源的作用下，光纖端面熔化后經(jīng)過自然冷卻，在表面張力的作用下，進而在一定程度上就會形成各種不同弧度的圓球形端面，并且熱源的溫度、光纖與熱源之間的距離等因素決定著圓球的曲率半徑。在耦合過程中，采用球形光纖端面一方面可以提高半導體激光器與光纖的耦合效率，另一方面可以通過實驗光路進行調(diào)試。

（三）錐形光纖直接耦合

腐蝕、磨削和加熱是制作錐形光纖主要方法。其中，腐蝕、磨削是通過將光纖包層制成錐體，進而使芯徑保持不變，而加熱是通過電弧放電或者熔融拉錐機的方式進行加熱，進而在一定程度上使纖芯與包層一起成比例地拉伸，進一步形成一定長度和錐度的錐體。通常情況下，利用這兩種方法得到的錐形光纖系統(tǒng)，其特性存在一定的差異。而通過加熱方式制造的錐形光纖，其芯層同樣是錐形結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)的耦合效率比較高，同時通過增大錐角可以獲得更大的耦合效率，并且最佳工作距離也隨之不斷減小。

（四）錐端球面透鏡直接耦合

錐端球面微透鏡在目前所有的耦合方法中應用范圍最廣。其制作流程為：首先將光纖端部制成錐形，進而在一定程度上減小端面半徑，然后在錐端形成微透鏡。通常情況下，形成微透鏡的方法，主要包括：（1）直接電弧拋光、整形；（2）對錐端進行處理，然后將其浸入到熔融高折射率玻璃中，同時對浸入的深度、時間等進行控制，進而得到不同大小、不同形狀的錐端高折射率微透鏡。

2 結(jié)論

本文通過對實現(xiàn)半導體激光器與光纖耦合的方法進行研究、分析。其中，憑借自身結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡單、成本低廉，并且耦合效率高的優(yōu)勢，光纖微透鏡直接耦合技術(shù)得到廣泛的應用。但是，這種耦合技術(shù)存在偏移容差最小、難于調(diào)整、缺乏穩(wěn)定性等弊端，并且在手工制作時，重復性比較差。除此之外，隨著集成光學、二元光學的不斷發(fā)展，使得獲得成本較低，同時能夠消球差特性良好的微透鏡成為可能。同時，通過對LD本身的結(jié)構(gòu)、工藝等進行改進，在一定程度上對其光束特性進行改善，進一步降低耦合損耗，進而豐富完善了光纖和半導體激光器的耦合方法。

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