1、導體激光器與單模光纖耦合效率的分析fH,w 'dx#i/Ka#一、弓 I言7% CL.2Q隨著光纖加工工藝和制造技術的日益提高，在光纖通訊與光纖傳感中的傳輸損耗已經降低到了0.154dB/km的極限程度。而光源與光纖的耦合損耗問題越來越顯得突出。在光纖通訊中，由于在多模光纖中各傳輸模的群延遲不同，所以 限制了它的應用場合1 ;而在光纖傳感中，多模光纖與光源的耦合相對單模光纖來說容易得多，但由于單模光纖具有 較高的橫向分辨力，在一些特殊的傳感測試場合，還必須使用單模光纖】2。所以，改善和提高半導體激光光源與單模光纖的耦合效率成為國內外研究的焦點。npT(iP'")由于單

2、模光纖的芯徑只有多模光纖的十分之一，即510卩m左右，加上激光器在垂直于結平面方向有較大的發散光束角，所以，簡單的套筒式耦合無法獲得較高的耦合效率3 。況且，激光器與光纖軸線的對中容許誤差只有1卩m，增大了 SLD-SMF光耦合的難度。為了減小SLD-SMF間的光耦合損耗，激光器的模場半徑(光點尺寸)應與光纖的模場半徑相互匹配起來，也就是說，使激光器的橢圓形模場轉 換為光纖的圓形模場，這可以通過在SLD-SMF間使用透鏡來實現4。迄今為止，已有許多種用不同形狀的透鏡進行模式匹配的方法，如柱狀透鏡法、半球透鏡法、四角錐形半橢圓透鏡法、共焦透鏡法及柱狀透鏡與自聚焦透鏡組合法等5，6 ;也可以用一些

3、特種加工技術，如通過拉伸被加熱的光纖端頭使其形成尖錐狀或在研磨后熔融光纖的末梢以及用光刻技術711直接在光纖的端頭處加工出各種形狀的微透鏡。2d"g*本文將對一些典型的SLD-SMF光耦合方式進行理論上的分析，并給出一些具有實用價值的數據。并從耦合效率與成本雙重角度給出了 適合于實際工程應用的幾種耦合方式的優選率。2-v?T6<2i*DP:$c二、耦合特性的理論分析1 _!4f當單模光纖的歸一化頻率 V在1.9< V< 2.4范圍內時，對在單模光纖內光能量分布采用高斯場近似，誤差在 1%以內。所以，采用高斯光 束模場分布來分析計算和比較各種耦合方式的耦合效率及實用性

4、是完全可行的。SLD-SMF直接耦合原理如圖1所示。圖中w0為單模光纖的模場半寬，其值在理論上在計算過程中相當煩瑣，在工程實際中常由下式近似12 : jS9 ,Z"(1) h,3<A式中a為光纖纖芯半徑。在圖1中，w1為入射激光的模場半寬；z為入射光在模場半寬處與光纖端面的距離；B為光纖芯軸與入射光軸的傾斜角；x0為兩軸相互錯開的距離。"(？ xSxB/Eq 圖1 SLD-SMF模場耦合原理圖 H?KR-Da在平行與垂直結平面內，激光器光束有不同的發散角度。例如，典型的平行發散角為2°5。，而垂直發散角在15 °30。之間。假設在平行和垂直結平面內

5、，激光器發出的光場都可按高斯場分布近似，則對應遠場發射角9 /和B丄的模場半寬w /和w丄可由w /，丄=入/n 9 /，丄得出，式中 入為激光波長。 LM=YO+圖1中，假設SLD-SMF間兩軸相錯角度與錯開距離發生在同一平面內，則兩高斯光束間耦合效率的計算式1為tV_qOT t0H$Vv4P 式中 k=4w21w20/: (w21+w20)2+ 入 2z2/ n 2 ;w21(z)=w21: 1+(入 z/n w21)2 。 iC7Mx7u#半導體激光器發出的光束為橢圓光，設垂直和平行于結平面方向的模場半寬(光點尺寸)分別為w丄1和w / 1,若給定z、w丄1和w /1，就可以求出SLD-

6、SMF在直接耦合情況下，由于兩軸夾角與位置間不對中而造成的損耗。如設z=0，w丄1=0.5卩m，w /仁2卩m，w0=3卩m，入=0.67卩m，可求出平行光束與垂直光束的耦合效率與兩軸偏離情況的關系，如圖2和圖3所示。由圖可見，對于平行光束來說，盡管SLD-SMF間兩軸相錯角度與錯開距離都是等于零的理想狀態，但以套筒直接耦合方式的耦合效率也只能達到84% ;而對于垂直光束僅能達到10%。如果設總的耦合效率則總的耦合效率為29%。可見，為了使激光器出射的光有效地耦合進單模光纖，必須采用透鏡耦合方式。%|KSeP?MoGQdT圖2耦合效率與兩軸相錯角度和距離的關系5>4JYq0(z=0,w

7、/ 仁2 卩 m) ANXQ>Argb>*'C3!LF圖3耦合效率與兩軸相錯角度和距離的關系O(4mysc(z=O,w 丄 1=0.5 卩 m) AVsrSAeB三、不同透鏡耦合方式的分析比較9IL u以下將從耦合效率與經濟效益的角度，對不同的透鏡耦合原理及性價比加以分析比較。nNuY793t1. 套筒式直接耦合 OAsgi8pr套筒式直接耦合方式原理已在上面討論了。在使用這種方式時，激光器與單模光纖的間距要求盡可能地減小。日本MasatoshiSaruwatari等人1 在z=10卩m左右實驗得出最大耦合效率為 -6.2dB (24% )。為了得到更高的耦合效率，必須提高

8、激光器與光纖兩軸的 對準精度，如對準精度在1卩m之內，并減小SLD-SMF的間距在2卩m之內。然而在狹小的套筒空間里，在沒有定位措施的情況下，這一點 實現起來是相當困難的。AApmL2. 單球透鏡耦合54e<78wY球透鏡是最簡單、最容易制造的透鏡。由于其自身的圓對稱性使其裝調比其它透鏡方便得多，因而單球透鏡耦合方式是SLD-SMF之間模場耦合常用的方法之一。然而，由于球面像差的存在，單球透鏡的耦合效率不如那些多透鏡系統和梯度折射率系統或非球面透鏡系統的 耦合效率高13,因此，減小球差將是提高這種方法耦合效率的關鍵所在。單球透鏡耦合原理如圖4所示。這種方式的耦合效率主要取決于激光器和光纖

9、與透鏡的距離DLD和DSMF。適當選擇DLD與DSMF的大小來平衡球面像差的影響，這在一定程度上能提高耦合效率。Ratowsky等人給出了單球透鏡的光耦合效率與DLD、DSMF的關系曲線14 ，如圖5所示，并給出了 DLD和DSMF在優化組合條件下的最大耦合效率(48%)，所對應的DLD=60卩m，DSMF=0.70mm。其中，單球透鏡采用折射率 n=1.76的藍寶石透鏡，透鏡半徑 R=300卩m。圖 5中，如果光滑連接 DLD的各個耦合效率曲線的極大值點，可發現在DLD=40卩m和DLD=60卩m兩曲線之間存在較大的空缺數據點。如果將DLD取值再進一步細分，最好的耦合效率很可能超過50%。4

10、 f0R+N>rqMAbQ圖4單球透鏡光耦合原理9<sQ iob (D L 圖5 耦合效率與DLD和DSMF的關系 Q:Kkm2Kx此外，通過減小球透鏡的半徑R或增大其材質的折射率n，也可以改善這種耦合方式的耦合效率。wA(u這種耦合方式對激光器和光纖的定位精度要求可比套筒直接耦合方式低一些。由圖5可知，DLD在10卩m誤差范圍內，最優耦合效率的變化在5%左右；而DSMF在10卩m誤差范圍內，最優耦合效率的變化在 1%以內。但對DLD和DSMF之間的最優化組合要求較高，在固定其 中一個距離的前提下，應精確調節另一個距離，以獲得最大耦合效率。OhoHZM(Y3. 微柱狀透鏡耦合 &g

11、t;nAVg'H柱狀透鏡耦合方式也是一種常用的方法，其原理結構與單球透鏡耦合方式類似，如圖6所示。這種方式的耦合效率主要取決于透鏡的尺寸、透鏡與激光器的距離，同時也與透鏡的折射率有關。在其它條件不變的情況下，透鏡半徑減小，可使耦合效率增大。如當透鏡半徑R=11 卩m時，耦合效率為-4.3dB ( 37%);當R=6.25卩m時，最高可獲得-1.8dB ( 66% )的耦合效率。這可以解釋為較小的透鏡半徑可使激光束 會聚成較小的模場半徑，以與光纖的模場半寬相匹配。當采用折射率n=1.58的硅酸硼玻璃柱狀透鏡時，其最優化半徑 R0=4.5卩m。當使用的透鏡半徑大于最優化半徑時，耦合效率將會

12、降低，但SLD、SMF與透鏡之間的對中容差得到了一定的改善。因此，在實際工程應用中，盡管較大的透鏡半徑會導致耦合效率的下降，但在滿足要求的前提下適當增大透鏡半徑，不僅給裝調帶來方便，而且對定位精度的要求也 相應降低了。當激光器和透鏡對準并固定好后，如果光纖裝卡在可調節的微型結構上，可獲得更高的耦合效率，但這種辦法使得系統的輸 出對外界振動非常敏感，即使是在隔壁房間里有一個人走動，也會給輸出帶來很大的變化。6E:6H、ap8Ap/>.圖6柱狀透鏡耦合原理 SSq?cJ=4. 光纖端面透鏡耦合 YnWxEZ隨著光刻、蝕刻和激光微加工工藝的發展，近些年來，在光纖端面上直接加工出各種形狀的微透鏡

13、以實現SLD-SMF間光耦合的方法已有很多報道15，16 。這種結構的優點是結構緊湊、加工和封裝較容易、成本較低。通常在光刻、蝕刻或研磨后加熱成型出半球形光纖透 鏡。由于這種透鏡加工成型較容易，所需的加工工藝也比較成熟，所以成本并不高，但最好的耦合效率只能達到-2.5dB ( 56%)，原因是高的耦合效率需要半球透鏡有較小的曲率半徑和較大的數值孔徑，而這兩者對于半球形透鏡來說是互不兼容的。為了解決這一矛盾，美國貝 爾實驗室的Edwards等人用激光微加工技術成功地加工出了一種回轉雙曲面光纖端面透鏡，通過適當選擇雙曲面的形狀尺寸，可使最高耦 合效率達到90%，如果在透鏡表面涂上防反射膜，還可能得

14、到更高的耦合效率。然而，即使在肉眼可見的光學零件上加工出一個非球面形 狀的透鏡，也是相當困難的。所以，要在尺寸從幾微米到十幾微米左右的單模光纖端面上加工出回轉雙曲面，必須有亞微米的加工精度，從而提高了加工成本。而且這種辦法也無法保證所有透鏡的耦合效率都能達到理想程度。_67aA"*在光纖端面上直接加工出微透鏡的方法還有很多，如用化學腐蝕熔融法、局部加熱拉伸法等加工出錐形面、橢球面等耦合透鏡。這些透鏡的耦合效率都不如上述的回轉雙曲面透鏡高。.gfRq JEvf9?f圖7不同耦合方式的選擇率 Z/f+ <gn四、結論 JqW)1s激光器與單模光纖的耦合效率對光纖通訊和傳感系統來說都是一個關鍵性的問題。耦合效率的提高會提高通訊系統的傳輸能力和光纖傳感系統的分辨能力。雖然套筒式耦合簡單經濟、SLD-SMF耦合器制造方便，但由于激光器與單模光纖的模場半寬不匹配而使耦合效率不高。雖然利用分立的球透鏡或柱狀透鏡可使激光器與光纖有一定的耦合空間，同時在一定程度上提高了耦合效率，但由于很難在狹小空間 中實現激光器與透鏡、透鏡與光纖間距離的微米級最優組合而使其耦合效率受到了限制。在光纖端面上直接加工出微透鏡的方法同樣具有 耦合結構簡單等優點，