CN102116881B - 用于半导体激光器耦合光纤的复合透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于半导体激光器耦合光纤的复合透镜，属于半导体激光器与光纤耦合领域。该装置为一复合透镜，复合透镜放置于半导体激光器与光纤之间，复合透镜由三部分组成，入射部分及中间部分均为柱透镜、出射部分为球透镜，入射部分的柱透镜轴线与中间部分的柱透镜轴线相交且垂直，且入射部分的柱透镜所在柱面母线方向与半导体激光器平行PN结方向保持一致，与入射部分柱透镜母线相垂直的方向与半导体激光器垂直PN结方向保持一致。该复合透镜有效解决了半导体激光器远场椭圆光场分布与光纤模场的不匹配问题，同时具有很强的消像散能力，并且可提供较大的耦合间距容差。该耦合装置兼具集成度高、制作简易、调试方便、耦合效率高等多种优点。

Description

用于半导体激光器耦合光纤的复合透镜

技术领域

本发明涉及半导体激光器与光纤耦合领域，是指一种可对半导体激光器出射激光进行有效光束整形使之能高效与光纤实现耦合的透镜装置。

背景技术

半导体激光器与光纤之间的耦合问题一直是光通信领域的重要课题。由于常用半导体激光器在垂直PN结方向与平行PN结方向具有不同的远场发散角，输出光场通常具有较高的椭圆度，并且在传输过程中场的相位具有曲面波前，而作为传输信号载体的光纤，其纤芯为圆形，通常芯径较小，并且传输光场具有平面波前，因而半导体激光器的远场特性与光纤的模场之间存在较大的差别(如图1所示)，直接耦合会带来较大的损耗，因此耦合问题一直是该领域的一个难点。除此以外，在半导体激光器的实际应用中，常要求引入平行结平面内的侧向导引机制以实现高效耦合和高频调制下的稳定工作，“增益导引”是其中应用最为广泛的一种侧向导引机制，其原理是通过控制平行PN结平面内的光增益分布实现对侧向光场的约束，在这种情况下，对于增益导引型的半导体激光器而言，由于其在垂直PN结方向与平行PN结方向对激光的约束机制不同，因而使得其近场位置处(光场出射面，也是半导体激光器解理面)的波前变化并不一致，光束沿纵向传播时表现出朝向轴心的“增益聚焦”现象，因此导致激射光场的波前变得弯曲。如果从半导体激光器外部来观察，在平行PN结方向，光束束腰不在解理面上，而在解理面以内，常称为“虚光腰”。由于只在平行PN结方向存在“虚光腰”现象，而垂直PN结方向并不存在此类问题，因此整体的出射光束是有像散(Astigmatism)的，两垂直方向束腰间的纵向距离即像散大小(如图2所示)。像散的存在同样也是影响半导体激光器与光纤实现有效耦合的因素之一。

为解决半导体激光器与光纤的模场匹配问题，人们曾经提出过多种不同方案，比较有代表性的方案包括：模场转换器、微透镜光纤。模场转换器即通过对半导体激光器的结构进行修正(MSC：mode size converters)，从而实现改变其输出光场的椭圆分布特性，使之输出与光纤的模场更为接近，以此提高两者之间的耦合效率。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，先后有多种类型的结构见诸报道，并取得了与光纤不错的耦合效果。不过，由于整合MSC的半导体激光器制作过程比较复杂，常需要特殊的材料生长工艺、高精度的光刻与刻蚀技术才能实现，同时其成品率与器件稳定性都比较低，因此并不能实用化。微透镜光纤是通过直接在光纤端头加工微透镜的方式实现对输入光束的整形，该方法操作简单，易于掌握，能达到不错的耦合效果，不过微透镜光纤有一明显的缺陷，即该法下半导体激光器与光纤之间的优化间距很小，通常在几个微米之内，如此小的间距常使得整个光学系统的调试十分困难，而且小的耦合间距势必带来小的间距容差，不利于实际使用。

综上所述，设计一种能对半导体激光器输出光束进行有效控制并能消除其像散影响、且具有大间距容差的光学系统，对半导体激光器与光纤的高效耦合而言是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服了半导体激光器与光纤之间因光场不匹配及由于半导体出射光束的大像散等问题所引发的耦合困难，提供一种能够较大程度改善输出光束质量、消除像散影响、具有大间距容差与耦合效率、结构简单、工作性能稳定、使用范围广的半导体激光器与光纤耦合装置。

本发明采取了如下技术方案。该复合透镜放置于半导体激光器与光纤之间，复合透镜由三部分组成，入射部分及中间部分均为柱透镜、出射部分为球透镜，入射部分的柱透镜轴线与中间部分的柱透镜轴线相交且垂直，且入射部分的柱透镜所在柱面母线方向与半导体激光器平行PN结方向保持一致，与入射部分柱透镜母线相垂直的方向和半导体激光器垂直PN结方向保持一致。

半导体激光器束腰中心与入射部分柱透镜的最左端的间距l满足下式：

$l=\frac{2\mathrm{\δ}(Z_{\mathrm{Rx}}+Z_{\mathrm{Ry}})+\sqrt{{\left[2\mathrm{\δ}(Z_{\mathrm{Rx}}+Z_{\mathrm{Ry}})\right]}^2-4{(Z_{\mathrm{Rx}}-Z_{\mathrm{Ry}})}^2({\mathrm{\δ}}^2-Z_{\mathrm{Rx}}{Z}_{\mathrm{Ry}})}}{2(Z_{\mathrm{Rx}}-Z_{\mathrm{Ry}})}$

入射部分柱透镜的柱面半径R_c满足下式：

$R_c=\frac{(n-1)(l^2-{\mathrm{\δ}}^2-Z_{\mathrm{Rx}}{Z}_{\mathrm{Ry}})}{2\mathrm{\δ}}$

其中：δ为半导体激光器像散值的1/2，Z_Rx为起始位置处椭圆高斯光束平行结方向的瑞利距离；Z_Ry为起始位置处椭圆高斯光束垂直结方向的瑞利距离，n为复合透镜的折射率，整个复合透镜的折射率相同。

经复合透镜整形与汇聚后得到的束腰位于光纤入射面处的圆高斯光束的束腰ω₀与球透镜的球面半径R_s满足下式：

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\left(\mathrm{\λ}\frac{-B+\sqrt{B^2-4\mathrm{AC}}}{2A}\right)/\mathrm{\π}}$

$R_s=\frac{n(n-1)[\mathrm{sn}(l+\mathrm{\δ})+Z_{\mathrm{Rx}}{Z}_R]}{n(l+\mathrm{\δ}+s)+d}$

其中 $\left\{\begin{array}{c}A=n{Z}_{\mathrm{Rx}}\\ B=-\{n{Z}_{\mathrm{Rx}}^2+(l+\mathrm{\δ})[n(l+\mathrm{\δ}+s)+d-{\mathrm{sn}}^2\left]\right\}\\ C=s{Z}_{\mathrm{Rx}}\left\{\right[n(l+\mathrm{\δ}+s)+d]-n^2(l+\mathrm{\δ})\}\end{array}\right.,$

s为出射部分球透镜的最右端与光纤入射端面之间的距离，d为复合透镜厚度；Z_R为光纤入射端面处圆高斯光束的瑞利距离，λ为半导体激光器输出激光的波长。

相对于现有技术而言，由于使用复合透镜作为半导体激光器输出光束的整形与消像散装置，极大地简化了系统结构，使操作变得简单易行。复合透镜的使用在解决半导体激光器输出椭圆形光斑向圆形光斑变换的同时，也消除了半导体激光器输出光束的大像散影响，这是寻常的透镜系列无法同时满足的；另一方面复合透镜的使用有效解决了半导体激光器与耦合系统之间小耦合间距的难题，使得系统具有大的间距容差，使整个系统的操作变得简便，非常适合半导体激光器与光纤之间的高效耦合。该复合透镜有效解决了半导体激光器远场椭圆光场分布与光纤模场的不匹配问题，同时具有很强的消像散能力，并且可提供较大的耦合间距容差。该耦合装置兼具集成度高、制作简易、调试方便、耦合效率高等多种优点。

附图说明

图1为半导体激光器与光纤直接耦合示意图；

图2半导体激光器像散现象示意图；

图3本发明中的基于复合透镜的耦合系统示意图；

图中：1、半导体激光器，2、光纤，3、半导体激光器输出光束近场分布，4、半导体激光器输出光束远场分布，5、光纤模场分布，6、复合透镜，7、柱透镜，8、球透镜。

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。

如图3所示，复合透镜6放置于半导体激光器1与光纤3之间，复合透镜由三部分组成，入射部分及中间部分均为柱透镜、出射部分为球透镜，三部分制作为一体。入射部分的柱透镜轴线与中间部分的柱透镜轴线相交且垂直，且入射部分的柱透镜所在柱面母线方向与半导体激光器平行PN结方向保持一致，与入射部分柱透镜母线相垂直的方向与半导体激光器垂直PN结方向保持一致。

本发明的工作原理是：半导体激光器输出的具有大像散的、椭圆形光斑分布的光束，经过在自由空间传输一段距离后入射到本发明所提出的复合透镜的前端，即柱透镜部分。柱透镜的作用是对入射椭圆形光束进行整形，由于柱透镜沿其横向两垂直方向对入射光束具有不同的光学变换作用，因而经光路对准后可以单独对半导体激光器沿垂直PN结方向的具有大远场发散角的入射光束进行有效压缩，从而改变其椭圆形的光场分布为圆形光场分布，同时通过控制柱透镜的结构参数与整体复合透镜的长度可消除输入光斑的像散影响，使得到的具有圆形光斑分布的光束无像散。经整形与消像散之后的光束最后通过复合透镜的后端及球透镜部分出射，球透镜的作用是对光束进行汇聚，在光纤入射面获得与光纤模场匹配度高的光束。

如图3所示，上图为半导体激光器垂直结平面内的光束整形与耦合示意图，下图为半导体激光器平行结平面内的光束整形与耦合示意图。以像散椭圆高斯光束表示半导体激光器光场，设半导体激光器具有大像散值2δ，出射束腰分别以ω_0x、ω_0y表示。复合透镜的入射部分及中间部分均为柱透镜，出射部分为球透镜，入射部分柱透镜的柱面半径为R_c，出射部分球透镜的球面半径为R_s，整个复合透镜的厚度为d，整个复合透镜的折射率相同，用n表示。入射部分柱透镜的作用是对入射椭圆高斯光束进行整形与消像散，以转化椭圆像散光斑为无像散圆光斑，出射部分球透镜的作用是对整形后的光束进行汇聚，以期在光纤入射面获得与光纤模场匹配度高的光束。

复合透镜位置按下述要求确定：入射部分柱透镜所在柱面母线方向与半导体激光器平行PN结方向保持一致，与入射部分柱透镜母线相垂直的方向与半导体激光器垂直PN结方向保持一致。

具体计算过程如下：

1)半导体激光器经自由空间传播后到达柱透镜表面处变化

各位置的q参数如图3所示，起始位置的q参数表示为：

$q_{1x}=\mathrm{i\π}{\mathrm{\ω}}_{0x}^2/\mathrm{\λ}=i{Z}_{\mathrm{Rx}}$ $q_{1y}=\mathrm{i\π}{\mathrm{\ω}}_{0y}^2/\mathrm{\λ}=i{Z}_{\mathrm{Ry}}---\left(1\right)$

其中Z_Rx、Z_Ry分别为起始位置处椭圆高斯光束平行结、垂直结方向的瑞利距离。

平行PN结方向与垂直PN结方向经自由空间传播后的变换矩阵分别为：

$M_{12x}=\left(\begin{array}{cc}1& l+\mathrm{\δ}\\ 0& 1\end{array}\right)M_{12y}=\left(\begin{array}{cc}1& l-\mathrm{\δ}\\ 0& 1\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中l为半导体激光器束腰中心与柱透镜间距，δ为半导体激光器像散值的1/2。

由上式可得到达柱透镜表面位置的q参数分别为：

q_2x＝q_1x+(l+δ)        q_2y＝q_1y+(l-δ)        (3)

2)半导体激光器输出光束经柱透镜的整形与消像散变换

柱透镜的变换矩阵如下所示，分别对应平行结方向与垂直结方向：

$M_{23x}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1/n\end{array}\right)$ $M_{23y}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ (1-n)/\left(n{R}_c\right)& 1/n\end{array}\right)---\left(4\right)$

经柱透镜整形后，两垂直方向的光束特性变为一致，即有统一的参数q₃：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_3={\mathrm{nq}}_{2x}\\ q_3=q_{2y}/[(1-n)q_{2y}/\left({\mathrm{nR}}_c\right)+1/n]\end{array}\right.---\left(5\right)$

联立上式可得：

nq_2x＝q_2y/[(1-n)q_2y/(nR_c)+1/n]                (6)

将式(3)结果代入式(6)，并进行化简，得到：

$\mathrm{in\π}{\mathrm{\ω}}_{0x}^2/\mathrm{\λ}+n(l+\mathrm{\δ})=[\mathrm{i\π}{\mathrm{\ω}}_{0y}^2/\mathrm{\λ}+(l-\mathrm{\δ})]/\left\{(1-n)\right[{\mathrm{i\π\ω}}_{0y}^2/\mathrm{\λ}+(l-\mathrm{\δ})]+1/n\}---\left(7\right)$

令方程左右实部与虚部分别相等，可获得关于l与R_c的方程组，求解该方程组可以得到半导体激光器束腰中心与柱透镜间距和柱透镜的柱面半径表达式：

$l=\frac{2\mathrm{\δ}(Z_{\mathrm{Rx}}+Z_{\mathrm{Ry}})+\sqrt{{\left[2\mathrm{\δ}(Z_{\mathrm{Rx}}+Z_{\mathrm{Ry}})\right]}^2-4{(Z_{\mathrm{Rx}}-Z_{\mathrm{Ry}})}^2({\mathrm{\δ}}^2-Z_{\mathrm{Rx}}{Z}_{\mathrm{Ry}})}}{2(Z_{\mathrm{Rx}}-Z_{\mathrm{Ry}})}---\left(8\right)$

$R_c=\frac{(n-1)(l^2-{\mathrm{\δ}}^2-Z_{\mathrm{Rx}}{Z}_{\mathrm{Ry}})}{2\mathrm{\δ}}---\left(9\right)$

上两式的结果显示，半导体激光器束腰中心与柱透镜间距和柱透镜的柱面半径均只取决于半导体激光器的光束参数，即只跟束腰大小与像散相关。

3)半导体激光器输出光束经球透镜汇聚后入射到光纤表面的光束变换

在复合微透镜中传播的变换矩阵为：

$M_{34}=\left(\begin{array}{cc}1& d\\ 0& 1\end{array}\right)---\left(10\right)$

球透镜的变换矩阵为：

$M_{45}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{1-n}{R_s}& n\end{array}\right)---\left(11\right)$

由球透镜传播到光纤表面的变换矩阵为：

$M_{56}=\left(\begin{array}{cc}1& s\\ 0& 1\end{array}\right)---\left(12\right)$

(其中s为球透镜与光纤之间的距离。)

根据ABCD定律，总的变换矩阵为：

$M_{36}=M_{56}{M}_{45}{M}_{34}=\left(\begin{array}{cc}1+\frac{(1-n)s}{R_s}& d+\mathrm{sn}+\frac{(1-n)\mathrm{sd}}{R_s}\\ \frac{1-n}{R_s}& \frac{(1-n)d}{R_s}+n\end{array}\right)---\left(13\right)$

因此有：

$q_6=\frac{q_3+d}{(1-n)(q_3+d)/R_s+n}+s---\left(14\right)$

经过整形并汇聚在光纤表面的入射光束为圆高斯光束，具有平面波前，即为束腰所在位置，于是该处的q参数亦可表示为：

$q_6=\mathrm{i\π}{\mathrm{\ω}}_0^2/\mathrm{\λ}={\mathrm{iZ}}_R---\left(15\right)$

(其中Z_R为圆高斯光束的瑞利距离。)

由式(14)与式(15)相等可得：

$\frac{q_3+d}{(1-n)(q_3+d)/R_s+n}+s={\mathrm{iZ}}_R---\left(16\right)$

另外根据式(5)与式(7)可得：

q₃＝nq_1x+n(l+δ)＝inZ_Rx+n(l+δ)                (17)

将式(17)所得结果代入式(16)，进行化简可得：

{R_s[n(l+δ+s)+d]+n(1-n)[Z_RxZ_R+ns(l+δ)]}

                                               (18)

+i{[nR_s(Z_Rx-Z_R)]+n(1-n)[sZ_Rx-Z_R(l+δ)]}＝0

若上式为零，则必有其虚部与实部同时为零：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_s[n(l+\mathrm{\δ}+s)+d]+n(1-n)[Z_{\mathrm{Rx}}{Z}_R+\mathrm{ns}(l+\mathrm{\δ})]=0\\ {\mathrm{nR}}_s(Z_{\mathrm{Rx}}-Z_R)+n(1-n)[s{Z}_{\mathrm{Rx}}-Z_R(l+\mathrm{\δ})]=0\end{array}\right.---\left(19\right)$

选取如下参量：

$\left\{\begin{array}{c}A=n{Z}_{\mathrm{Rx}}\\ B=-\{n{Z}_{\mathrm{Rx}}^2+(l+\mathrm{\δ})[n(l+\mathrm{\δ}+s)+d-{\mathrm{sn}}^2\left]\right\}\\ C=s{Z}_{\mathrm{Rx}}\left\{\right[n(l+\mathrm{\δ}+s)+d]-n^2(l+\mathrm{\δ})\}\end{array}\right.---\left(20\right)$

结合式(14)，求解方程组(20)，可得到经整形与汇聚后得到的束腰位于光纤入射面处的圆高斯光束的束腰与球面半径表达式：

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\left(\mathrm{\λ}\frac{-B+\sqrt{B^2-4\mathrm{AC}}}{2A}\right)/\mathrm{\π}}---\left(21\right)$

$R_s=\frac{n(n-1)[\mathrm{sn}(l+\mathrm{\δ})+Z_{\mathrm{Rx}}{Z}_R]}{n(l+\mathrm{\δ}+s)+d}---\left(22\right)$

由上述分析过程可以看到，只要知道初始半导体激光器出射光束参数、半导体激光器像散值、透镜厚度以及球透镜与光纤间距等值，则半导体激光器与复合微透镜间距、复合透镜参数以及最终得到的光束参数即可确定。实际操作中，可根据给定的半导体激光器各项参数，选定半导体激光器与光纤之间总间距与适合加工的复合透镜厚度，然后复合透镜的其余结构参数便可完全确定下来并付诸加工，整个设计过程科学严谨，简单易行。

实施例1：

结合本发明所给出的结论，给出一组典型的该耦合系统的光学参数，如表1所示，其中λ为波长，As.为像散，其余各项参数对应内容参考图3所示：

表1：

名称	λ(μm)	n	ω0x(μm)	ω0y(μm)	As.(μm)	d(μm)	s(μm)
								参量值	0.98	1.45	2.6	0.7	176	50	50

根据式(8)、(9)、(21)、(22)，可以计算出耦合系统的其它光学参数，在表2中给出：

表2：

名称	l(μm)	l-δ(μm)	l+δ(μm)	Rc(μm)	Rs(μm)	ω0(μm)
							参量值	153	65	241	40	109	30

以上对本发明所提供的一种用于半导体激光器耦合光纤的复合透镜进行详细介绍，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。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种用于半导体激光器耦合光纤的复合透镜，其特征在于：该复合透镜放置于半导体激光器与光纤之间，复合透镜由三部分组成，入射部分及中间部分均为柱透镜、出射部分为球透镜，三部分制作为一体；入射部分的柱透镜轴线与中间部分的柱透镜轴线相交且垂直，且入射部分的柱透镜所在柱面母线方向与半导体激光器平行PN结方向保持一致，与入射部分柱透镜母线相垂直的方向和半导体激光器垂直PN结方向保持一致；

其中，

半导体激光器束腰中心与入射部分柱透镜的最左端的间距l满足下式：

$l=\frac{2\mathrm{\δ}(Z_{\mathrm{Rx}}+Z_{\mathrm{Ry}})+\sqrt{{\left[2\mathrm{\δ}(Z_{\mathrm{Rx}}+Z_{\mathrm{Ry}})\right]}^2-4{(Z_{\mathrm{Rx}}-Z_{\mathrm{Ry}})}^2({\mathrm{\δ}}^2-Z_{\mathrm{Rx}}{Z}_{\mathrm{Ry}})}}{2(Z_{\mathrm{Rx}}-Z_{\mathrm{Ry}})}$

入射部分柱透镜的柱面半径R_c满足下式：

$R_c=\frac{(n-1)(l^2-{\mathrm{\δ}}^2-Z_{\mathrm{Rx}}{Z}_{\mathrm{Ry}})}{2\mathrm{\δ}}$

其中：δ为半导体激光器像散值的1/2，Z_Rx为起始位置处椭圆高斯光束平行结方向的瑞利距离;Z_Ry为起始位置处椭圆高斯光束垂直结方向的瑞利距离，n为复合透镜的折射率，整个复合透镜的折射率相同。

2.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器耦合光纤的复合透镜，其特征在于：经复合透镜整形与汇聚后得到的束腰位于光纤入射面处的圆高斯光束的束腰ω₀与球透镜的球面半径R_s满足下式：

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\left(\mathrm{\λ}\frac{-B+\sqrt{B^2-4\mathrm{AC}}}{2A}\right)/\mathrm{\π}}$

$R_s=\frac{n(n-1)[\mathrm{sn}(l+\mathrm{\δ})+Z_{\mathrm{Rx}}{Z}_R]}{n(l+\mathrm{\δ}+s)+d}$

其中 $\left\{\begin{array}{c}A=n{Z}_{\mathrm{Rx}}\\ B=-\{n{Z}_{\mathrm{Rx}}^2+(l+\mathrm{\δ})[n(l+\mathrm{\δ}+s)+d-{\mathrm{sn}}^2\left]\right\}\\ C=s{Z}_{\mathrm{Rx}}\left\{\right[n(l+\mathrm{\δ}+s)+d]-n^2(l+\mathrm{\δ})\}\end{array}\right.;$

s为出射部分球透镜的最右端与光纤入射端面之间的距离，d为复合透镜厚度；Z_R为光纤入射端面处圆高斯光束的瑞利距离，λ为半导体激光器输出激光的波长。

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