基于Zemax半导体激光器与单模光纤耦合系统设计

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1、第４０卷增刊光子学报Ｖｏｌ．４０Ｓｕｐ．１２０１１年１２月ＡＣＴＡＰＨＯＴＯＮＩＣＡＳＩＮＩＣＡ２０１１文章编号：１００４－４２１３（２０１１）ｓ１－００８１－４基于Ｚｅｍａｘ半导体激光器与单模光纤耦合系统设计王海林，张登印（南京理工大学理学院，南京２１００９４）摘要：基于光学设计软件Ｚｅｍａｘ纯非序列，设计了一种半导体激光器与单模光纤的高耦合效率系统．设计过程中考虑了激光器发光面的大小，而不是将其看做点光源；在现有的非球面镜透镜单模光纤耦合系统基础上进行了改进，通过百万次光线追迹，测得所设计系统的耦合效率大于５４％．用Ｚｅｍａｘ和Ｏ

2、ｒｉｇｉｎ软件分析了单模光纤与耦合系统对接出现误差情况下对耦合效率的影响，分别给出了各种对接误差情况下的耦合效率变化曲线，为耦合系统的工程安装提供理论分析和技术支持．关键词：半导体激光器；光纤耦合；Ｚｅｍａｘ；Ｏｒｉｇｉｎ中图分类号：ＴＮ２４８．４文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ｇｚｘｂ２０１１４０ｓ１．００８１０引言１耦合系统设计半导体激光器已经发展到一个比较成熟的阶单模光纤纤芯半径很小，只能传输一种模式的［１－２］段，广泛应用于光纤通信、光纤传感等．半导体激光（ＨＥ１１）．单模光纤纤芯旋转对称的，高斯分布的光器（ＬａｓｅｒＤ

3、ｉｏｄｅ，ＬＤ）与单模光纤（Ｓｉｎｇｌｅ－Ｍｏｄｅ基模场（ＨＥ１１）也是旋转对称的，其表达式为Ｆｉｂｅｒ，ＳＭＦ）的耦合系统对现代大容量长距离光纤ｒ２（ｒ）＝Ａｅｘｐ－（１）ψ通信系统———密集波分复用系统（Ｄｅｎｓｅ［（ｗ０）］ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ，ＤＷＤＭ）、掺铒光Ａ为场的振幅，ｒ为纤芯的径向长度，ｗ０单模纤放大器（Ｅｒｂｉｕｍ－ＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＥＤＦＡ）、光纤的模场半径．［３］光纤有线电视系统等十分重要．目前，半导体激光半导体激光器的输出光场可以分别用远场特性［３］器

4、与多模光纤耦合的研究已经发展到一个成熟阶和近场特性描述．单模半导体激光器的有源层截［４－６］［７］段，耦合方式有：倒锥透镜型光纤端头、球透镜面为狭长的矩形，有源层截面的不对称决定了初射［８］［９－１０］［１１］耦合、铲形光纤、透镜耦合等，耦合效率达光束远场发散角的不对称．在快轴方向（垂直于ｐ－ｎ到８０％左右．由于多模光纤纤芯直径远大于半导体结方向），由于狭缝的作用，初射光束发生较强衍射，激光器有源层发光端面线度，在设计耦合系统时假在远场形成较大的发散角；慢轴方向（平行于ｐ－ｎ结设半导体激光器为点光源，是正确的．单模光纤纤芯方向），由于

5、有源层截面在这方向上尺寸相对较大，直径与半导体激光器有源层发光端面线度差不多，所以衍射作用比较小，出射光束的发散角也较小．由为微米量级，此时如果还将激光器发光面近似成点于半导体激光器在快慢轴上的发散角不同，造成远光源是不合适的．本文在Ｚｅｍａｘ非序列中建立的半场光强分布不对称，如图１．经过一段距离之后ＬＤ导体激光器模型考虑了激光器发光面的大小，在Ｚｅｍａｘ纯非序列中，运用非球面镜透镜模拟设计半导体激光器与单模光纤耦合系统，耦合效率大于５４％．借助Ｚｅｍａｘ和Ｏｒｉｇｉｎ软件得出了单模光纤与耦合系统对接出现误差情况下的耦合效率变化曲线．

6、图１半导体光源Ｆｉｇ．１ＴｈｅｂｅａｍｏｆＬＤ第一作者：王海林（１９６１－），男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为激光应用技术、光纤应用技术等．Ｅｍａｉｌ：ｈａｉｌｉｎ＠ｍａｉｌ．ｎｊｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯作者：张登印（１９８７－），男，硕士研究生，主要研究方向为光学设计．Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｄｅｎｇｙｉｎ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ收稿日期：２０１１－０３－１８；修回日期：２０１１－０６－０８８２光子学报４０卷的模场分布为：图３中第一块透镜和第四块透镜是非球面镜，１第二块透镜和第三块透镜是互相垂直的柱面镜．设Ａ１（ｗ０ｘｗ０）２ｙ（，

7、ｙ，ｚ）＝·ψｘ１［ｗｘ（ｚ）ｗｙ（ｚ）］２计思路是第一块透镜和第二块柱面镜对慢轴准直；ｘ２ｙ２第一块透镜和第三块透镜对快轴准直；最后一块透ｅｘｐ－－·［（ｗｘ（ｚ））（ｗｙ（ｚ））］镜将光束耦合进光纤．四块透镜均为Ｋ９材料，并且２２ｉｋｘｉｋｙ每块玻璃都镀上了增透膜．为得到精确的结果，设计ｅｘｐ－－·［２Ｒｘ（ｚ）２Ｒｙ（ｚ）］时默认光纤包层的属性为Ａｂｓｏｒｂ．最后，在光纤末（ｚ）＋（ｚ）φｘφｙ（２）端放置一个探测器，探测器的大小是１０μｍ×１０μｍｅｘｐ（－ｉｋｚ）ｅｘｐ［］２正方形，属性为Ａｂｓｏｒｂ．通过Ｚｅｍａｘ非系列中

8、光线式中：ｗ０ｘ和ｗ０ｙ分别为ＬＤ在ｘ和ｙ方向出射端面追迹，在探测器上得到０．５４Ｗ能量．如图４．的模半径，ｗｘ和ｗｙ是波前在ｘ和ｙ方向的模半径，Ｒｘ（ｚ）和Ｒｙ（ｚ）是波前在ｘ和ｙ方向的曲率半径．半导体激光器到单模光纤