第３４卷第２期 ２０１１年６月 长春理工大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ｎｄ ｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｎｃｅ ｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｖ０１．３４ Ｎｏ．２ Ｊｔｍ．２０１ｌ 半导体激光器光纤耦合设计 战利伟，高欣，薄报学，计光 （长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，长春１３００２２） 摘要：由于半导体激光器本身存在固有的缺陷：在平行于ｐ－ｎ结方向（慢轴方向）和垂直于ｐ－ｎ结方向（快轴方 ● 向）的发散角不同，这样就限制了其在许多领域的应用。在对半导体激光器光束进行深入的分析后，本文提出利用 一种双曲面透镜来对半导体激光器所发出的光束进行多模光纤耦合仿真，结果可以得到８７．６５２％的耦合效率。 关键词：半导体激光器；发散角；光纤耦合 中图分类号：ＴＮ２４８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－９８７０（２０１ １）０２－００５４－０２ Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ ＺＨＡＮ Ｌｉｗｅｉ，ＧＡＯ Ｘｉｎ，ＢＯ Ｂａｏｘｕｅ，ＪＩ Ｇｕａｎｇ （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｎ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｓｉｒｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＂，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｉｔｓｅｌｆｈａｓｄｅｆｅｃｔ：ｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎａｎｇｌｅｉｓｄｉｆｅｒｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｂｅｉｎｇｐａｒａｌｌｅｌｅｄｔｏＰ—ｎｊｕｎｃｔｉｏｎ（ｓｌｏｗａｘｉｓ）ａｎｄ ｂｅｉｎｇｖｅｒｔｉｃａｌｔｏｐ－ｎｊｕｎｃｔｉｏｎ（ｆａｓｔａｘｉｓ）．Ａｆｔｅｒ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｄｅｅｐｌｙｏｎｂｅａｍｏｆｌｓｅｒｄｉａｏｄｅ，ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｕｓｉｎｇ ａｄｕａｌ－ｓｕｒｆａｃｅｌｅｎｓ ｆｏｒ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｅｍｉｔｔｅｄ ｂｙ ｈｅ ｔｍｕｌｔｉ－ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｃｏｕｐｌｎｇ ｉｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｓ ８７．６５２％． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ；ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｎｇｌｅ；ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ 随着光电子技术的快速发展，半导体激光器在 生产、生活方面有着广泛的应用。半导体激光器具 有效率高、体积小、可靠性好等优点，使得半导体 激光器在许多行业凸显出优势。但由于半导体激光 器自己结构的特点，其输出光束在垂直于结平面和 平行于结平面方向的发散角不同，尤其是垂直于结 平面方向（快轴方向）具有很大的发散角。目前对于 双曲面透镜的外形尺寸（ＬｘＷｘＴ）为２ｍｍｘ２ｍｍ ｘ ｌｍｍ，快、慢轴的有效焦距（ｅｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｃｕｓ ｌｅｎｇｔｈ） 分别为０．０７２ｍｍ、０Ａ７２ｍｍ。透镜结构如下图所 示。 半导体激光器光束整形的方法中，光纤耦合普遍被 人们所接收，通过这种方法既可以实现光束的灵活 传输，也为使用带来了方便。在具体分析半导体激 光器输出光束特点情况下，本文提出了可以对ＬＤ 输出光束的快轴和慢轴同时准直并且两面具有不同 曲率半径的微透镜，通过ＺＥＭＡＸ软件进行仿真， 图１透镜结构示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｌｅｎｓ 能够得到较高的耦合效率。这种透镜具有结构简 单、调整方便、耦合效率高的特点。 本文对半导体激光器所输出波长为８０８ｎｍ、快 轴发散角为４０。、慢轴发散角为１２。发光面积为１ ｍｘ１００ｐｍ的光束进行耦合设计。通过ＺＥＭＡＸ软件 １利用ＺＥＭＡＸ软件仿真 收稿日期：２０１０－１２－０８ 作者简介：战利伟（１９８４一），男，硕士研究生，主要从事半导体激光器光束整形研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｌｉｗｅｉ３３３＠１６３．ｃｏｍ。 通讯作者：高欣（１９６５－），女，研究员，主要从事大功率半导体激光器研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏｘｉｎ＠ｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。 第２期 表１系统数据表 Ｔａｂ．１ Ｓｙｓｔｅｍ ｄａｔａ ｔａｂｌｅ 战利伟，等：半导体激光器光纤耦合设计 ５５ 中的ＰＯＰ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）的相应设置可 出射的光束经过光纤耦合器后，在耦合器的前后表 以得到如图２所示的光源模拟图。 ■１： ｏ＿－９ Ｌ 舅Ｌ上—曼一ｊ 图２光源模拟图 Ｆｉｇ．２ Ｓｏｕｒｃｅｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ 借助ＺＥＭＡＸ软件让半导体激光器输出的光束 通过双曲面透镜（材料为Ｓ－ＴＩＨ５３）并且耦合进芯径 为石英材料、芯径大小为６２．５ｏｒｎ，数值孔径（ＮＡ）为 ０．２２的多模光纤中。经过对ＺＥＭＡＸ软件进行相应 的设计并对系统优化，可以得到如表一所示的系统 数据结构表。 通过ＺＥＭＡＸ软件模拟并优化后的光纤耦合系 统图如图３所示，在图３当中的系统结构图分别为 在ｘ．ｚ平面（图３左）和Ｙ．Ｚ平面（图３右）的系统结构 图。 ● ｜ｏ‘＿ 曼一曼 一曼～ｌ１ＩＩＩ１．ａｏ ＿ｗｌ Ｌ曼一苎 Ｉ 九 Ｉ ：￡奎兰兰三 ｌ Ｌ Ｌ … ‘ … 蕊 ｝＝＝一 图３系统耦合光路 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 最终半导体激光器光束经过系统后与多模光 纤的耦合点列图如图４所示，通过图４可以看出， 从光纤出来的光束能够很好的汇聚到一起并且系统 的耦合效率能够达到８７．６５２％。这说明对半导体激 光器所出射光束进行较好的整形。但系统的耦合效 率没有达到１００％的主要原因是从半导体激光器所 面存在表面反射，造成传输效率的下降。 ■３：ｓ Ｌ！ｊ，堡ｉ 矍…ｊ ：： ：｝ ￡ ： 譬 ｌ ‘一一｝＝＝一 图４系统点列光斑 Ｆｉｇ．４ Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ２结论 从以上仿真的结果可以看出，利用具有不同曲 率半径结构的双面微透镜进行光纤耦合，可同时对 ＬＤ的快轴和慢轴同时准直，并能够很大程度的改 善光束能量发歆隋况。利用这种微透镜对芯径６２．５ ＩＴＩ的多模光纤和波长８０８ｎｍ的ＬＤ进行耦合，耦合 效率可以达到８７．６５２％，这一结果对实际应用具有 很好的指导意义。 参考文献 ［１］季小玲，吕百达．球差透镜对高斯光束质量的影响［Ｊ］．中 国激光，２００１，Ａ２８（４）：３４７－３５０． ［２］梁一平，戴特力．用圆柱透镜准直半导体光束的分析［Ｊ］． 激光杂志，２００４，２５（３）：２６－２８． ［３］马华，曾晓东．双半圆柱透镜准直半导体激光器光束［Ｊ］． 中国激光，２００６，３３（７）：９３７－９４０． ［４］周睿．半导体激光器光束准直技术研究［Ｄ］．西安：西安： 电子科技大学，２００７． ［５］ 高全华，曾晓东．共轴双半圆柱透镜准直半导体激光器 光速特性研究［Ｊ］．激光与红外，２００９，Ａ：８２６－８２８． ［６］张向东，王晓方．光纤在纤维介质中传播的研究［Ｊ］．中国 激光，２００３，３０（１）：４９４－４９６． ［７］刘欣，王斌，孙婧．利用齿形光阑获得高斯型光束［Ｊ］．长 春理工大学学报：自然科学版，２００８，３ｌ（２）：３２—３５．
