基于ZEMAX的激光与多模光纤耦合系统设计

石科仁，朱长青

（军械工程学院 车辆与电气工程系，石家庄050003）

基于ZEMAX的激光与多模光纤耦合系统设计

石科仁，朱长青

（军械工程学院 车辆与电气工程系，石家庄050003）

针对半导体激光器远场光强分布不对称的特点，利用ZEM A X软件的近轴平面X Y实现对激光器快慢轴不同发散角的模拟。依据多模光纤的数值孔径和芯径的要求，结合几何光学进行光线追迹分析，并用ZEM A X进行了参数优化，得到了耦合系统的三维视图，系统像面光斑尺寸满足多模光纤耦合要求。最后，对耦合系统进行了测试实验。

半导体激光器；耦合系统；ZEM A X；几何光学；多模光纤

0　引言

半导体激光器体积小，重量较轻，光电转换效率高，在半导体激光光纤耦合技术领域应用广泛[1]。但是，由于半导体激光器的有源层宽厚比相差太大，导致其远场光强分布不对称：光束在垂直于PN结方向（即快轴方向）发散角远大于平行于PN结方向（即慢轴方向）的发散角，这一特点为激光器的设计与仿真模拟增加了难度。激光与多模光纤的耦合方式包括光纤端面制成微透镜的方式和分立的微光学元件的方式两种[2]。大多数耦合装置采用球面微透镜进行耦合，但考虑到透镜个数较大导致的系统体积的增加，以及先准直后聚焦过程导致的光功率的损耗，本文拟采用圆柱形透镜将激光束耦合进多模光纤，简化了耦合过程，减少了能量损失。

1　基于ZEMAX的激光器光源设计

我们课题组购置的半导体激光器的光源宽度为（1×100）μm，快轴的发散角约为30°，慢轴发散角接近6°，而且在近轴像面上存在像差。基于此，本文采用ZEMAX软件的近轴XY面设计。首先确定一个初始的发散角，让其与慢轴发散角6°相同，根据数值孔径计算公式NA=nsinα，物空间数值孔径为0.0523，光束类型选择高斯光束，波长选择1.03μm。初始设定的光源是发散半角3°的圆形光束，出射腔面处尺寸半长达到50μm，图1为光源快轴的发散角初始结构，依据几何关系可以得到光源发光处A点到出射腔面D距离AD=50/tan3°=954μm，同时要使C处发散半角为15°，忽略CD的距离近似得到：

图1　快轴发散角初始结构

根据式（1）可以得出AB=798.7μm，BC=155.3μm。慢轴发散角如图2所示。根据以上计算得到参数在ZEMAX的序列模式下进行设定，并且依据发散角来控制近轴XY面的YPOWER，以此达到XY两方向上光线的控制，进而实现快慢轴发散角的模拟，具体仿真设计如图3所示，通过手动设置优化得到光源的远场像面光斑如图4所示，可以看出远场光束呈椭圆型高斯分布,与激光束理论相符合。

图2　慢轴发散角初始结构

图3　激光器光源仿真模拟

图4　激光器光源远场像面光斑

2　耦合系统设计

本文选用GaAs/GaAlAs半导体激光器，根据前一节的介绍，快轴发散角为30°，慢轴发散角仅有6°，对耦合效率的影响较小。结合实际光纤耦合，只需要使用圆柱形透镜压缩快轴的发散角就可以满足高效耦合的需要[3]。通常的方法是用光纤柱透镜进行耦合，知道光纤芯径与所选材料，就可以得到透镜的半径R与折射率n，耦合过程中关键设计是各个光学元件之间的距离的确定，因此需要借助与ZEMAX的优化功能。从几何成像光学方面考虑，激光器与透镜边缘的距离不应过大，从与光纤数值孔径匹配的角度看，输出光束的发散角应小于接收光纤的最大接收角，同时光斑尺寸应小于光纤的芯径[4]。

圆柱形透镜的耦合原理如图5所示，O点为激光器的腔面出射点，经过圆柱透镜的折射聚焦于K点。设定光线发散角为 0，空气折射率为1，圆柱透镜的半径为R，透镜材料折射率为n。根据菲涅尔原理，有：

图5　柱透镜耦合原理图

依据以上各式可以得到会聚角α与激光器发散角α0的对应关系：

将以上得出的参数输入ZEMAX的序列模式中，逐步改变激光器与透镜边缘的距离t，同时对光阑孔径进行微调，观察光线追迹的的三维图中输出光束的发散情况，使得输出光束的发散角小于接收光纤的最大接收角，再利用ZEMAX自动优化寻求最优解。光纤选用芯径为150μm、数值孔径为0.37的多模光纤系统的最终结构参数如表1所示，相应的三维图如图6所示，系统成像点列图如图7所示。

表1　耦合系统结构参数

图6　耦合系统三维视图

图7　耦合系统成像点列图

从图6可以看出，仿真模型的三维图与理论分析的结果基本一致，达到了将激光器光源聚焦耦合入光纤的效果。从图7可知，聚焦光斑的均方根半径值为35.429μm，几何半径值为77.925μm，符合本文选用的多模光纤的芯径范围限制，同时光斑能量分布比较均匀，有利于光功率的高效耦合。

3　耦合系统实验测试

在以上仿真设计的基础上进行实验测试，激光与光纤耦合过程能量损失包括耦合损耗和反射损耗，本文只考虑耦合损耗。因此，为了消减反射损耗，需要在圆柱透镜表面与光纤接受面镀上减反射膜，同时利用矩形凹槽来固定光纤柱透镜并用二维光纤调整架来固定光纤，使光源、透镜、光纤三者的光轴对准，在耦合光纤前后A、B两处分别固定M92型光功率计，对透镜聚焦后的光功率以及光纤输出的光功率进行测量，测试所设计系统的耦合效率。测试实验装置如图8所示。

图8　实验测试装置原理图

通过对透镜进行镀膜处理以及不断调整透镜光纤沿光轴的相对距离，实验测得该方法的耦合效率的极限值为68%左右；而且在极限值附近一定范围内调整装置间相对距离，光纤的输出光功率并不会发生明显的改变，表明在纤芯尺寸范围内，光纤出射光束会存在一段“平顶区域”，这也恰好与多模光纤出射光束的近场光强分布特点[5]相吻合。

4　结束语

本文针对半导体激光器的快慢轴发散角不同的情况，采用ZEMAX软件的近轴平面XY，通过设定Y轴能量，在垂直于PN结方向将发散角6°转换为30°，达到了从x、y两个方向仿真模拟激光器光源的效果。在激光器光源与多模光纤耦合方面，为了解决球面微透镜耦合系统装置工艺复杂、尺寸大的缺陷，我们进行了圆柱形透镜耦合原理分析，结合ZEMAX软件在初始结构的基础上进行了手工与自动双优化，优化后光斑均方根尺寸为35.429μm，几何尺寸为77.925μm，均满足光纤芯径的要求。在仿真基础上进行了实验测试，得到系统最大耦合效率约为68%，同时得到了多模光纤近场区域的“平顶光束”现象，与理论相吻合。

[1]周旻超,江先锋,张丽芳,等.大功率半导体激光器叠阵的光学性能[J].中国激光,2013(12)：14-17.

[2]栾凯.高功率半导体激光器光纤耦合模块的研究[D].长春：长春理工大学,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]赵兴海.高峰值功率激光的光纤传能特性研究[D].长春：中国工程物理研究院,2007.

[5]齐晓玲，王福娟，蔡志岗,等.多模光纤出射光束光强分布的研究[J].半导体光电,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，硕士研究生，主要从事光纤供能系统及光电转换方面的研究。