基于ZEMAX的激光與多模光纖耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石科仁，朱長(zhǎng)青

（軍械工程學(xué)院 車輛與電氣工程系，石家莊050003）

基于ZEMAX的激光與多模光纖耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石科仁，朱長(zhǎng)青

（軍械工程學(xué)院 車輛與電氣工程系，石家莊050003）

針對(duì)半導(dǎo)體激光器遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布不對(duì)稱的特點(diǎn)，利用ZEM A X軟件的近軸平面X Y實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器快慢軸不同發(fā)散角的模擬。依據(jù)多模光纖的數(shù)值孔徑和芯徑的要求，結(jié)合幾何光學(xué)進(jìn)行光線追跡分析，并用ZEM A X進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，得到了耦合系統(tǒng)的三維視圖，系統(tǒng)像面光斑尺寸滿足多模光纖耦合要求。最后，對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

半導(dǎo)體激光器；耦合系統(tǒng)；ZEM A X；幾何光學(xué)；多模光纖

0　引言

半導(dǎo)體激光器體積小，重量較輕，光電轉(zhuǎn)換效率高，在半導(dǎo)體激光光纖耦合技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。但是，由于半導(dǎo)體激光器的有源層寬厚比相差太大，導(dǎo)致其遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布不對(duì)稱：光束在垂直于PN結(jié)方向（即快軸方向）發(fā)散角遠(yuǎn)大于平行于PN結(jié)方向（即慢軸方向）的發(fā)散角，這一特點(diǎn)為激光器的設(shè)計(jì)與仿真模擬增加了難度。激光與多模光纖的耦合方式包括光纖端面制成微透鏡的方式和分立的微光學(xué)元件的方式兩種[2]。大多數(shù)耦合裝置采用球面微透鏡進(jìn)行耦合，但考慮到透鏡個(gè)數(shù)較大導(dǎo)致的系統(tǒng)體積的增加，以及先準(zhǔn)直后聚焦過(guò)程導(dǎo)致的光功率的損耗，本文擬采用圓柱形透鏡將激光束耦合進(jìn)多模光纖，簡(jiǎn)化了耦合過(guò)程，減少了能量損失。

1　基于ZEMAX的激光器光源設(shè)計(jì)

我們課題組購(gòu)置的半導(dǎo)體激光器的光源寬度為（1×100）μm，快軸的發(fā)散角約為30°，慢軸發(fā)散角接近6°，而且在近軸像面上存在像差?；诖?，本文采用ZEMAX軟件的近軸XY面設(shè)計(jì)。首先確定一個(gè)初始的發(fā)散角，讓其與慢軸發(fā)散角6°相同，根據(jù)數(shù)值孔徑計(jì)算公式NA=nsinα，物空間數(shù)值孔徑為0.0523，光束類型選擇高斯光束，波長(zhǎng)選擇1.03μm。初始設(shè)定的光源是發(fā)散半角3°的圓形光束，出射腔面處尺寸半長(zhǎng)達(dá)到50μm，圖1為光源快軸的發(fā)散角初始結(jié)構(gòu)，依據(jù)幾何關(guān)系可以得到光源發(fā)光處A點(diǎn)到出射腔面D距離AD=50/tan3°=954μm，同時(shí)要使C處發(fā)散半角為15°，忽略CD的距離近似得到：

圖1　快軸發(fā)散角初始結(jié)構(gòu)

根據(jù)式（1）可以得出AB=798.7μm，BC=155.3μm。慢軸發(fā)散角如圖2所示。根據(jù)以上計(jì)算得到參數(shù)在ZEMAX的序列模式下進(jìn)行設(shè)定，并且依據(jù)發(fā)散角來(lái)控制近軸XY面的YPOWER，以此達(dá)到XY兩方向上光線的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快慢軸發(fā)散角的模擬，具體仿真設(shè)計(jì)如圖3所示，通過(guò)手動(dòng)設(shè)置優(yōu)化得到光源的遠(yuǎn)場(chǎng)像面光斑如圖4所示，可以看出遠(yuǎn)場(chǎng)光束呈橢圓型高斯分布,與激光束理論相符合。

圖2　慢軸發(fā)散角初始結(jié)構(gòu)

圖3　激光器光源仿真模擬

圖4　激光器光源遠(yuǎn)場(chǎng)像面光斑

2　耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文選用GaAs/GaAlAs半導(dǎo)體激光器，根據(jù)前一節(jié)的介紹，快軸發(fā)散角為30°，慢軸發(fā)散角僅有6°，對(duì)耦合效率的影響較小。結(jié)合實(shí)際光纖耦合，只需要使用圓柱形透鏡壓縮快軸的發(fā)散角就可以滿足高效耦合的需要[3]。通常的方法是用光纖柱透鏡進(jìn)行耦合，知道光纖芯徑與所選材料，就可以得到透鏡的半徑R與折射率n，耦合過(guò)程中關(guān)鍵設(shè)計(jì)是各個(gè)光學(xué)元件之間的距離的確定，因此需要借助與ZEMAX的優(yōu)化功能。從幾何成像光學(xué)方面考慮，激光器與透鏡邊緣的距離不應(yīng)過(guò)大，從與光纖數(shù)值孔徑匹配的角度看，輸出光束的發(fā)散角應(yīng)小于接收光纖的最大接收角，同時(shí)光斑尺寸應(yīng)小于光纖的芯徑[4]。

圓柱形透鏡的耦合原理如圖5所示，O點(diǎn)為激光器的腔面出射點(diǎn)，經(jīng)過(guò)圓柱透鏡的折射聚焦于K點(diǎn)。設(shè)定光線發(fā)散角為 0，空氣折射率為1，圓柱透鏡的半徑為R，透鏡材料折射率為n。根據(jù)菲涅爾原理，有：

圖5　柱透鏡耦合原理圖

依據(jù)以上各式可以得到會(huì)聚角α與激光器發(fā)散角α0的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

將以上得出的參數(shù)輸入ZEMAX的序列模式中，逐步改變激光器與透鏡邊緣的距離t，同時(shí)對(duì)光闌孔徑進(jìn)行微調(diào)，觀察光線追跡的的三維圖中輸出光束的發(fā)散情況，使得輸出光束的發(fā)散角小于接收光纖的最大接收角，再利用ZEMAX自動(dòng)優(yōu)化尋求最優(yōu)解。光纖選用芯徑為150μm、數(shù)值孔徑為0.37的多模光纖系統(tǒng)的最終結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，相應(yīng)的三維圖如圖6所示，系統(tǒng)成像點(diǎn)列圖如圖7所示。

表1　耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖6　耦合系統(tǒng)三維視圖

圖7　耦合系統(tǒng)成像點(diǎn)列圖

從圖6可以看出，仿真模型的三維圖與理論分析的結(jié)果基本一致，達(dá)到了將激光器光源聚焦耦合入光纖的效果。從圖7可知，聚焦光斑的均方根半徑值為35.429μm，幾何半徑值為77.925μm，符合本文選用的多模光纖的芯徑范圍限制，同時(shí)光斑能量分布比較均勻，有利于光功率的高效耦合。

3　耦合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在以上仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，激光與光纖耦合過(guò)程能量損失包括耦合損耗和反射損耗，本文只考慮耦合損耗。因此，為了消減反射損耗，需要在圓柱透鏡表面與光纖接受面鍍上減反射膜，同時(shí)利用矩形凹槽來(lái)固定光纖柱透鏡并用二維光纖調(diào)整架來(lái)固定光纖，使光源、透鏡、光纖三者的光軸對(duì)準(zhǔn)，在耦合光纖前后A、B兩處分別固定M92型光功率計(jì)，對(duì)透鏡聚焦后的光功率以及光纖輸出的光功率進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的耦合效率。測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。

圖8　實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置原理圖

通過(guò)對(duì)透鏡進(jìn)行鍍膜處理以及不斷調(diào)整透鏡光纖沿光軸的相對(duì)距離，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該方法的耦合效率的極限值為68%左右；而且在極限值附近一定范圍內(nèi)調(diào)整裝置間相對(duì)距離，光纖的輸出光功率并不會(huì)發(fā)生明顯的改變，表明在纖芯尺寸范圍內(nèi)，光纖出射光束會(huì)存在一段“平頂區(qū)域”，這也恰好與多模光纖出射光束的近場(chǎng)光強(qiáng)分布特點(diǎn)[5]相吻合。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)半導(dǎo)體激光器的快慢軸發(fā)散角不同的情況，采用ZEMAX軟件的近軸平面XY，通過(guò)設(shè)定Y軸能量，在垂直于PN結(jié)方向?qū)l(fā)散角6°轉(zhuǎn)換為30°，達(dá)到了從x、y兩個(gè)方向仿真模擬激光器光源的效果。在激光器光源與多模光纖耦合方面，為了解決球面微透鏡耦合系統(tǒng)裝置工藝復(fù)雜、尺寸大的缺陷，我們進(jìn)行了圓柱形透鏡耦合原理分析，結(jié)合ZEMAX軟件在初始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了手工與自動(dòng)雙優(yōu)化，優(yōu)化后光斑均方根尺寸為35.429μm，幾何尺寸為77.925μm，均滿足光纖芯徑的要求。在仿真基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到系統(tǒng)最大耦合效率約為68%，同時(shí)得到了多模光纖近場(chǎng)區(qū)域的“平頂光束”現(xiàn)象，與理論相吻合。

[1]周旻超,江先鋒,張麗芳,等.大功率半導(dǎo)體激光器疊陣的光學(xué)性能[J].中國(guó)激光,2013(12)：14-17.

[2]欒凱.高功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué),2010.

[3]FAN R S,HOOKER R B.Tapered Polymer Single-Mode Waveguides for Mode Transformation[J].Journal of Lightwave Technology,1999,17 (3):466-474.

[4]趙興海.高峰值功率激光的光纖傳能特性研究[D].長(zhǎng)春：中國(guó)工程物理研究院,2007.

[5]齊曉玲，王福娟，蔡志崗,等.多模光纖出射光束光強(qiáng)分布的研究[J].半導(dǎo)體光電,2004,24(2)：117-120.

Design of the coupling system between laser and multimode optical fiber based on ZEMAX

SHI Ke-ren,ZHU Chang-qing
(Department of vehicle and electrical engineering, Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

According to the characteristics of asymmetric distribution of far-field intensity for semiconductor laser,by using paraxial XY plane on ZEMAX.The paper realizes the simulation about the different beam divergence angles of fast and slow shafts of the laser;based on the numerical aperture and core diameter of multimode optical fiber,combined with the geometrical optics ray tracing analysis,the paper carries on the parameters optimization on ZEMAX,and then gets the 3D view of the coupling system,the spot size on the image plane of the system meets the requirement of coupling with multimode optical fiber.Finally,the paper takes a experimental test about the coupling system.

semiconductor laser,coupling system,ZEMAX,geometric optics,multimode fiber

TN36，O435.1

A

1002-5561（2016）05-0043-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.013

2015-12-22。

石科仁（1990-），男，碩士研究生，主要從事光纖供能系統(tǒng)及光電轉(zhuǎn)換方面的研究。