grin光纤传输特性及其在透镜光纤耦合系统中的应用研究

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1、GRIN光纤传输特性及其在透镜光纤耦合系统中的应用研究GRIN光纤传输特性及其在透镜光纤耦合于海鹰系统中的应用研究,徐建高!,邹德恕,沈光地(1.北京工业大学北京市光电子技术实验室,北京100022;2.北京城艺蓝图科技有限公司,北京100073)摘要:论述了GRIN光纤传输特性与白聚焦原理,分析了LD与光纤的祸合特性,介绍了微透镜光纤的结构,高效祸合原理与加工工艺以及技术指标.提出采用GRIN普通光纤级联,进一步提高祸合效率和失调容善的新思路.关键词:白聚焦光纤;透镜光纤;微透镜;光耦合模式中图分

2、类号:TN818文献标识码:A文章编号:1003—353X(2005)09—0069—05TheTransmissionProperties0fGRINOpticalFibersandTheirAppliedStudiesonMicro?LensFibersCouplingYUHai—ying,XUJian—gaoZOUDe—shu,SHENGuang—di(1.Opto—electronicTechnolog)'Labo,atot')'o/Beijing,BeUingTechnolog)'Univ

3、ersity,BeUing100022,China2BeUingTOBnA,,PlatlningTechCoLtd.BeUing100073,China)Abstract:Thetransmissionpropertiesandself-focalprincipleofgraded—index(GRIN)fibersaredissertated,thecouplingpropertiesoflaserstoopticalfibersareanalyzed,differentstructuresofl

4、ensedfibers,theirprinciplesofcouplingwithhighefficiencyandprocessesaswellascharacteris—ticsarepresented.AnewschemetoenhancingcouplingefficiencyandalignmenttoleranceandreducinginsertlossforLDandfiberbycascadingGRINandSMFisreported,Keywords:GRIN:lensedfi

5、ber:microlens:optic—couplingmodel1前言多模渐变折射率光纤(GRIN)对光线有聚焦作用,可用于聚光和成像,因此又被称作白聚焦光纤.半导体激光器LD的近场光斑呈椭圆形,垂直于pn结方向上发散角较大,而且发射功率越大,椭圆的长短轴之比越高,与光纤耦合的难度增大.为提高耦合效率,先后提出了微透镜组…I,半球形透基金项目:国家973计划(20000683—02){北京市敦委项目(2002kJ018);北工大博士启动基金(kz0204200387).北京市科委重点项目(D040

6、4003040221)September2005镜光纤l2l,锥形透镜光纤_3_,楔形透镜光纤_4I以及热膨胀芯扩束(TEC)等技术,对LD的输出光束和模场做校正,使之与光纤的模式尽可能的匹配.利用GRIN光纤的聚焦特性,也是提高LD耦合效率的一个行之有效的技术.2LD与GRIN光纤耦合特性分析2.1GRIN光纤聚焦原理对于纤芯半径为a,折射率由光轴向外层呈抛SemiconductorTechnologyVo1.30No.969ITS(.i,i物线形(即平方率)卜降的渐变折射率光纤,其折射率的表达式

7、为c.㈡]㈩式中,n(O)为光轴上的折射率:"(r)为距离光轴r处纤芯的折射率:比值r/a是折射率分布函数;A为相对折射率.这种光纤被称之为自聚焦光纤.利用光线分析法,如果光线是刷期为2n的正弦曲线,可以获得子午光线在该光纤中轨迹的表达z=2nnac.,z=0,1,2,…(2)式中,是入射光线的折射角.由此可知,光线的周期,即光线在轴向传输的距离与光线的入射角有关.这意味着不同入射角的光线聚焦焦点并不相同,因而会产生模式色散.因此平方率分布的渐变折射率光纤其实并不具有理想的聚焦特性.理论分析表明,只

8、有当折射率分布呈sech(口r)分布时,才可得到如下轨迹表达式z:—2n—n,z:0,1.2.…(3)即周期长度或光线传输的距离与入射角无关,因而具有很好的聚焦特性,能最大限度地消除模式色散.折射率呈sech(口r)分布与平方率分布的光线传输与聚焦特性对比如图1所示.(b)平方率分布图1子午光线在GRIN中的轨迹事实上,对sech(口r)分布的渐变折射率表达式做幂级数展开,然后省略高阶无穷小项后,与式(2)完全一致.换句话说,平方率渐变折射率光纤对子午线光线大致有聚焦