CN102109645A - 半导体条形激光二极管与单模光纤的耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体条形激光二极管与单模光纤的耦合装置，该装置包括半导体条形激光二极管、调焦望远镜系统、椭圆芯渐变折射率光纤和单模光纤；其中，所述椭圆芯渐变折射率光纤具有长轴方向和短轴方向，所述长轴方向与所述半导体激光二极管平行有源层结的方向保持一致，所述短轴方向与所述半导体激光二极管垂直有源层结的方向保持一致。本发明有效解决了只利用透镜系统实现激光二极管与单模光纤高效耦合时所引发的透镜结构复杂、制作困难等问题，并且椭圆芯渐变折射率光纤的使用使得经整形变换后耦合进单模光纤的光场在不完全为圆形的情况下，同样可以获得高效的耦合。

Description

半导体条形激光二极管与单模光纤的耦合装置

技术领域

本发明涉及激光耦合技术领域，尤其涉及一种半导体条形激光二极管与单模光纤的耦合装置。

背景技术

二十一世纪是全球信息一体化的时代，光纤通信技术的进步应运了互联网的飞速发展，作为光通信领域重要信号光源的半导体激光器与作为信号传输载体的光纤之间的耦合问题益发显得重要。常用的半导体条形激光二极管(LD)由于自身结构特性的原因，其输出激光沿垂直有源层与平行有源层方向具有不同的远场发散角。近场情况下，条形激光二极管的发光区大小一般在1μm×10μm以内，垂直有源层方向光斑半径在1μm左右，平行有源层方向光斑半径不超过10μm。由于发光区域的几何尺寸很小，因而衍射现象比较明显，通常情况下，由于有源区的厚度极薄，因此在垂直有源层方向远场发散角比较大，典型值为30°～60°(全宽半最大值)，光束发散较快，常将此方向称为快轴方向；平行有源层方向的远场发散角小一些，典型值在10°左右，光束发散的慢一些，常将此方向称为慢轴方向。快慢轴方向不同的远场发散角使得LD的远场光场分布为椭圆形，并且在传输中光束具有曲面相前。用于传输信号的光纤一般是单模光纤(SMF)，纤芯为圆形，并且芯径很小(通常只有几个微米)，其模场分布为圆形，并且信号激光在单模光纤中传输时具有平面相前。因而LD出射光场特性与SMF模场特性有着较明显的差别，直接耦合势必引发较大的损耗，因此二者的有效耦合问题一直是该领域的一个难点。

为解决半导体激光器与光纤的光场匹配问题，人们相继提出了不同类型的解决方案，用以提高两者之间的耦合效率，通常可以分为以下两种情况：

(1)对半导体激光器进行修正，改变其输出光场特性(椭圆→圆)

(2)通过分立透镜实现耦合

(3)对光纤进行修正，提高其接收入射激光的能力

第一种方案的思想源自对半导体激光器内部结构的考虑，由于其输出光场特性完全取决于自身的结构特性，因此可以尝试通过改变半导体激光器原有结构的方法实现对其输出光束的掌控，即将模场转换器直接与激光器芯片整合。实际制作中，可以分别对半导体激光器垂直有源层、平行有源层方向的波导结构加以改变从而实现整体导波特性的变化，一般是引入拉锥结构。平行有源层方向的拉锥结构用传统的处理技术就能完成，垂直有源层方向的拉锥结构则需要借助特殊的生长或刻蚀工艺才能实现。整合模场转换器之后的半导体激光器通常能获得很好的光束特性，能取得与光纤不错的耦合效果。不过，该过程工艺相当复杂，成品率较低，因此尚处于实验室研究之中。第二种方案的思想来自传统的几何光学考虑，通过在半导体激光器与光纤之间引入分立的透镜或透镜组实现二者之间的高效耦合。常见的设计有：柱透镜、球透镜、衍射屈光透镜、组合透镜等。分立透镜方案的最大优点在于其设计方式的灵活性，可以根据实际的激光参数设计不同结构或者不同组合的透镜类型，同时分立透镜系统具有较大的容差，特别是在侧向与角向调节方面具有较大的灵活性。分立透镜方案的缺点在于制作困难，由于用于耦合的光纤一般为单模光纤，透镜除对入射大椭圆分布的光束具备高整形能力外，还必须具有将整形后的光束压缩到与单模光纤模场相近的很小光斑的能力，若同时符合这几种要求，透镜系统的结构则变得比较复杂，难于加工。第三种方案即微透镜光纤，由于光纤本身采用的是高纯度的石英材料，出于简化耦合系统并确保耦合效率的考虑，人们尝试对光纤的入射端面进行加工处理，直接将其端头制作成相应的具有光束整形作用的微透镜结构，以实现半导体激光器与光纤之间的高效耦合。由于自身结构的关系，微透镜光纤通常具备高简捷度、易操作、便于封装等特点，但该方案的存在一明显的缺陷，即其有效的工作距离小，也就是半导体激光器与微透镜光纤之间的优化距离较短(一般只有几个微米)，在此情况下系统的对准对耦合效率影响较大，容差较小。

综上所述，设计一种能对半导体条形激光二极管输出光束进行有效整形，易制作，方便操作且具有大间距容差的耦合系统，对半导体条形激光二极管与单模光纤的高效耦合而言是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体条形激光二极管与单模光纤的耦合装置，以对条形激光二极管输出的椭圆形光场进行有效整形，并能有效改变其相前分布，实现与普通单模光纤模场较高的匹配度，获得高耦合效率。

本发明公开了一种半导体条形激光二极管与单模光纤的耦合装置，包括：半导体条形激光二极管、调焦望远镜系统、椭圆芯渐变折射率光纤和单模光纤；其中，所述椭圆芯渐变折射率光纤具有长轴方向和短轴方向，所述长轴方向与所述半导体激光二极管平行有源层结的方向保持一致，所述短轴方向与所述半导体激光二极管垂直有源层结的方向保持一致。

上述半导体条形激光二极管与单模光纤的耦合装置，优选所述椭圆芯渐变折射率光纤的折射率分布采用式I所示：

$n(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}{n}_0\sqrt{1-(\frac{x^2}{F_x^2}+\frac{y^2}{F_y^2})}& (\frac{x^2}{a_x^2}+\frac{y^2}{a_y^2}\≤1)\\ n_1& (\frac{x^2}{a_x^2}+\frac{y^2}{a_y^2}>1)\end{array}\right.(n_0>n_1)---\left(I\right)$

其中，n(x，y)代表光纤折射率，F_x为长轴方向归一化折射率：F_y为短轴方向归一化折射率：

一般将x轴心方向记为长轴，将y轴心方向记为短轴，a_x称：半长轴，a_y称：半短轴。Δ为相对折射率差：

$\mathrm{\Δ}=\frac{n_0^2-n_1^2}{{2n}_0^2}---\left(\mathrm{II}\right)$

n₀为纤芯轴线处折射率，n₁为包层折射率。

相对于现有技术而言，本发明由于使用透镜系统与渐变折射率光纤相结合的耦合结构，透镜系统只需对入射光束进行扩束并在指定位置实现光束的平面相前即可，这从根本上解决了独立透镜系统因必须同时提供多种光学功能而造成的结构复杂难题，使透镜系统的结构变得简单，易于制作。同时，椭圆芯渐变折射率光纤的使用极大地提高了整个系统的耦合效率，并且该光纤可与普通单模光纤实现无损耗连接，实际操作性很强。另外，由透镜与渐变折射率光纤组成的耦合系统具有较大的间距容差，非常适合半导体条形激光二极管与单模光纤之间的高效耦合。

附图说明

图1为本发明半导体条形激光二极管与单模光纤的耦合装置实施例的结构示意图；

图2经调焦望远镜系统变换后的LD入射光束在EGIF中传播时光斑变化规律示意图；其中，图2a代表整体变化规律图，图2b代表图2中所示部分的局部放大图；

图3椭圆芯渐变折射率光纤与单模光纤耦合光场分布特性示意图；其中，图3a为x向光场强度分布，图3b为x向光场相位分布，图3c为y向光场强度分布，图3d为y向光场相位分布；

图4椭圆芯渐变折射率光纤与单模光纤耦合过程中关键位置处光场强度分布示意图；图4a为EGIF入射面的场强分布特性，图4b为EGIF与SMF耦合面的场强分布特性，图4c为SMF输出面位置的场强分布特性；

图5椭圆芯渐变折射率光纤长度变化对耦合损耗的影响示意图；

图6偏离情况下的损耗特性示意图，其中，图6a为横向偏移情况下的损耗分布，图6b为不同倾斜入射情况下的损耗分布；

图中，1-半导体条形激光二极管、2-调焦望远镜系统、3-椭圆芯渐变折射率光纤、4-单模光纤。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，图1为本发明半导体条形激光二极管与单模光纤的耦合装置实施例的结构示意图，包括半导体条形激光二极管(LD)1、调焦望远镜系统2、椭圆芯渐变折射率光纤3和单模光纤(SMF)4。并且，椭圆芯渐变折射率光纤3长轴方向与半导体激光二极管1的平行有源层结方向保持一致，短轴方向与半导体激光二极管1的垂直有源层结方向保持一致。

在该实施例中，调焦望远镜系统2对具有椭圆光场分布的入射光束实施扩束作用，并修正其相前分布，扩束过程并不要求对激光二极管1沿垂直有源层方向的大远场发散角实施压缩，简化了透镜结构。椭圆芯渐变折射率光纤3对经扩束并修正相前分布后的光束实施有效整形，整形后的光场分布在并不为圆形的情况下依然可获得与单模光纤4之间的高效耦合。并且，椭圆芯渐变折射率光纤3作为整个系统的终端耦合器件，其与普通单模光纤之间具有天然的匹配特性，可有效降低系统的连接损耗，确保整个耦合系统高效率。

上述实施例的工作原理是：半导体条形激光二极管(LD)1输出的具有椭圆形光斑分布的光束，经自由空间传输一段距离后入射到本发明所设计的耦合系统的第一部分，即调焦望远镜系统2。调焦望远镜系统2的作用是对入射椭圆形光束进行扩束，扩束过程并不改变光斑的椭圆结构，通过控制调焦望远镜系统2的结构参数使输出光束在指定位置实现平面相前分布。在该指定位置处，经扩束并具有平面相前分布的光束入射到本发明所设计的耦合系统的第二部分，即椭圆芯渐变折射率光纤3(EGIF：elliptical graded indexfiber)。椭圆芯渐变折射率光纤3具有良好的光束整形能力，可对入射大椭圆形光斑分布的光束进行有效压缩，实现与单模光纤4光场最高程度的匹配。经整形之后的光束最后通过入射进单模光纤，完成高效耦合。

下面对图1中的实施例做出进一步的说明。

再次参照图1所示，调焦望远镜系统2由两个焦距分别为f₁、f₂的透镜组成，透镜间距l＝f₁+f₂，入射透镜与LD距离为l₁，出射透镜与渐变折射率光纤距离为l₂。以椭圆高斯光束表示半导体条形激光二极管光场，由于透镜组具有旋转对称性，并且椭圆高斯光束两正交方向光束传输特性相对独立，因此椭圆高斯光束经过调焦望远镜系统的变换，只需研究任一方向的传播即可。

系统的对准要求为：椭圆芯渐变折射率光纤3的短轴方向与半导体激光二极管1垂直有源层方向一致(y方向)，长轴方向与半导体激光器平行有源层方向一致(x方向)，光束传播方向记为z方向。

具体计算过程如下：

LD出射面为椭圆高斯光束束腰位置，经变换后椭圆芯渐变折射率光纤入射面处的光束亦处于束腰位置，因而根据ABCD定律有：

$\frac{1}{q_1}=-i\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\π\ω}}_{01}^2}=-i/z_{R1},(z_{R1}={\mathrm{\π\ω}}_{01}^2/\mathrm{\λ})---\left(1\right)$

$\frac{1}{q_2}=-i\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\π\ω}}_{02}^2}=-i/z_{R2},(z_{R2}={\mathrm{\π\ω}}_{02}^2/\mathrm{\λ})---\left(2\right)$

q₁、q₂分别为LD出射面与EGIF入射面处q参数，z_R1、z_R2分别为相应位置光束的瑞利距离，ω₀₁为LD出射束腰(对应x方向或y方向任一个)，ω₀₂为入射束腰，参看图1。光束经透镜系统的变换矩阵为：

$M=\left(\begin{array}{cc}1& l_2\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{M}_T& l\\ 0& 1/M_T\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& l_1\\ 0& 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{M}_T& M_T{l}_1+l+l_2/M_T\\ 0& M_T\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中M_T＝-f₂/f₁，根据ABCD定律，有：

$q_2=M_T^2{q}_1+M_T^2{l}_1+M_{T}l+l_2---\left(4\right)$

将式(4)代入式(2)得：

${\mathrm{iz}}_{R2}={\mathrm{iM}}_T^2{z}_{R1}+M_T^2{l}_1+M_{T}l+l_2---\left(5\right)$

由上式中实部、虚部相等可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{02}=\left|M_T\right|{\mathrm{\ω}}_{01}\\ l_2=-M_T^2{l}_1-M_T(f_1+f_2)\end{array}\right.---\left(6\right)$

观察式(6)可知，高斯光束经调焦望远镜系统变换后，其束腰位置仅与LD位置有关，而与入射光束自身性质无关，即对于椭圆高斯光束而言，经变换后x、y方向束腰在同一位置，并且两方向具有相同的放大率。

需要说明，椭圆芯渐变折射率光纤折射率分布采用式I所示：

$n(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}{n}_0\sqrt{1-(\frac{x^2}{F_x^2}+\frac{y^2}{F_y^2})}& (\frac{x^2}{a_x^2}+\frac{y^2}{a_y^2}\≤1)\\ n_1& (\frac{x^2}{a_x^2}+\frac{y^2}{a_y^2}>1)\end{array}\right.(n_0>n_1)---\left(I\right)$

其中，n(x，y)代表光纤折射率，F_x为长轴方向归一化折射率：

F_y为短轴方向归一化折射率：一般将x轴心方向记为长轴，将y轴心方向记为短轴，a_x称：半长轴，a_y称：半短轴。Δ为相对折射率差：

$\mathrm{\Δ}=\frac{n_0^2-n_1^2}{{2n}_0^2}---\left(\mathrm{II}\right)$

n₀为纤芯轴线处折射率，n₁为包层折射率。

实施例1

考虑放大倍率为10的情况(易于与椭圆芯渐变折射率光纤耦光)，即|M_T|＝10，对应的其它参数分别为：l₁＝10μm，l₂＝100μm，f₁＝10μm，f₂＝100μm。选择LD参数：ω_0x＝2.6μm，ω_0y＝0.7μm，则经过调焦望远镜系统变换后入射到椭圆芯渐变折射率光纤表面的椭圆高斯光束束腰为ω′_0x＝26μm，ω′_0y＝7μm，依然为椭圆高斯光束。

经优化计算后椭圆芯渐变折射率光纤取其半长轴a_x＝45μm，半短轴a_y＝15μm，n₀＝1.46，n₁＝1.45。采用Corning公司的SMF-28单模光纤，其在1.55μm处的模场直径为3.13μm。

图2为经调焦望远镜系统变换后入射椭圆高斯光束在EGIF中的光斑变化规律，由于EGIF的长轴长度是短轴长度的3倍，因此相应的光束沿这两个方向的传播周期也是3倍的关系，x方向周期为L_Tx＝954μm，y方向周期为L_Ty＝318μm。对于入射椭圆高斯光束，在长轴与短轴不同机制的约束下，入射光束同时达到极小值(图1中z＝477μm位置)，x方向光斑半径为ω_x＝2.49μm，y方向光斑半径为ω_y＝3.08μm，皆小于单模光纤模场半径3.13μm，因而在该位置接入单模光纤，会取得良好的耦合效果。

为获得稳定的输出结果取SMF长度为313μm，图3为利用有限差分的束传播法模拟计算后的EGIF与SMF耦合过程光场传播图，(3a)、(3b)为xoz面内传播场图，(3c)、(3d)为yoz面内传播场图。

图4为上述实例耦合过程中通过模拟计算得到的几个关键位置的场分布特性，分别对应EGIF入射面、EGIF与SMF耦合面、SMF输出面位置。对比图(4a)-(4c)可知，在入射面位置光场具有大的椭圆形的输入光斑，经过EGIF的光束变换后到达长轴方向半周期位置(EGIF与SMF耦合面)时，光斑达到最小值(图4b)，此时光斑虽然还是椭圆形，但由于整体光斑半径小于SMF模场半径，因此可以高效地耦合进入SMF。图(4c)为经过稳定传播后SMF中的场分布。

不考虑其它损耗情况下，利用有限差分的束传播法法计算上述耦合系统得到的耦合效率为96％，对应的损耗值为0.18dB。考虑各种损耗因素下(透镜损耗、菲涅尔反射损耗、熔接损耗共计0.38dB)，总损耗值应为0.56dB，对应的耦合效率为87.9％。

椭圆芯渐变折射率光纤的长度容差对于耦合系统而言是非常重要的参量，为此计算了耦合损耗随EGIF在一周期长度内的变化情况(含各种损耗因素)，如图5所示。图中，损耗最低点位于477μm，增长1dB的损耗值所对应的长度为75μm左右，增长3dB的损耗值所对应的长度为150μm左右。

对于椭圆芯渐变折射率光纤横向偏移与倾斜入射这样的非正入射情况下的耦合过程进行了研究，数值计算了各类情况下所引入的损耗分布。图6a为横向偏移情况下的损耗分布，其中蓝线对应x方向的偏移损耗，红线对应y方向偏移损耗。很明显x方向的偏移容差比y方向大一些，相应引入1dB的损耗值所对应的x方向容差在28μm左右，而y方向容差仅有10μm。图6(b)为不同倾斜入射情况下的损耗分布，同样，x方向的倾斜容差比y方向大一些，引入1dB的损耗值所对应的x方向容差在2°左右，而y方向容差仅有0.2°。造成x、y方向偏离容差不同的根本原因在于EGIF椭圆形的纤芯分布，这使得耦合过程对x、y方向偏离程度的敏感性并不一致，显然系统对长轴方向的偏离敏感度低一些，因而容差较大，对短轴方向的偏离敏感度高一些，容差较小。

综合以上各种偏离情况下的损耗特性，以附加1dB损耗为上限，相应的容差如表1所示。

表1不同偏离情况对应的1dB损耗容差

以上对本发明所提供的一种半导体条形激光二极管与单模光纤的耦合装置进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种半导体条形激光二极管与单模光纤的耦合装置，其特征在于，包括：

半导体条形激光二极管、调焦望远镜系统、椭圆芯渐变折射率光纤和单模光纤；其中，

所述椭圆芯渐变折射率光纤具有长轴方向和短轴方向，所述长轴方向与所述半导体激光二极管平行有源层结的方向保持一致，所述短轴方向与所述半导体激光二极管垂直有源层结的方向保持一致。

2.根据权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，所述椭圆芯渐变折射率光纤的折射率分布采用式I所示：

$n(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}{n}_0\sqrt{1-(\frac{x^2}{F_x^2}+\frac{y^2}{F_y^2})}& (\frac{x^2}{a_x^2}+\frac{y^2}{a_y^2}\≤1)\\ n_1& (\frac{x^2}{a_x^2}+\frac{y^2}{a_y^2}>1)\end{array}\right.(n_0>n_1)---\left(I\right)$

其中，n(x，y)代表光纤折射率，F_x为长轴方向归一化折射率：

F_y为短轴方向归一化折射率：

将x轴心方向记为长轴，将y轴心方向记为短轴，a_x称：半长轴，a_y称：半短轴；Δ为相对折射率差：

$\mathrm{\Δ}=\frac{n_0^2-n_1^2}{{2n}_0^2}---\left(\mathrm{II}\right)$

n₀为纤芯轴线处折射率，n₁为包层折射率。

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