基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统设计

声明本学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知．，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。．‘研究生签名：么篁翠．少，工年；月一El学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：—缉少，八年j月弦Et——————’●硕士论文基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 摘要基于光学设计软件Zemax纯非序列，设计了一种半导体激光器与单模光纤的高耦合效率系统。设计过程中考虑了激光器发光面的大小，而不是将其看做点光源；在现有的非球面镜透镜单模光纤耦合系统基础上进行改进，通过百万次光线追迹，测得所设计系统的耦合效率大于54％。用Zemax和Origin软件分析了单模光纤与耦合系统对接出现误差情况下对耦合效率的影响，分别给出了各种对接误差情况下的耦合效率变化曲线，为耦合系统的工程安装提供理论分析和技术支持。并基于机械设计软件PROE设计了与光学系统相对应的机械结构，包括：用于固定光学元件的机械元件和整个系统的机械结构。本文分为六个部分。第一章：介绍光纤与半导体激光器的应用，以及目前国内外半导体激光器与光纤的耦合技术的发展情况。第二章：介绍光纤的基本结构，分类，光纤的损耗和在Zemax中如何模拟光纤。第三章：介绍半导体激光器的光束特性，半导体激光器的像散和在Zemax中如何模拟半导体激光器。第四章：介绍半导体激光器与光纤的耦合的基本方法，分析光纤与耦合系统存在对接耦合误差时对耦合效率的影响以及薄膜光学的基本知识。第五章：介绍本论文光纤耦合系统的设计方法，所有元件的具体参数以及本系统中出现对接耦合误差时对耦合效率的影响。第六章：介绍光纤耦合系统的机械元件的设计方法，所有机械元件的具体参数以及整个机械系统的组装结构。关键字：半导体激光器，光纤耦合，Zemax，Odgin，PROEAbstract硕士论文AbstractAmethoddesignsofhi曲couplingefficiencyfibercouplingsystembetweenasingle-modefiberandalaserdiodebasedonZemax’Spurenon-sequentialcomponents．Firstthelaserdiodeissimulatedthe’sideoftheemittingsurfaceonZemax，ratherthanseenasapointsourceinthedesignofthecouplingsystem；thenewscouplingsystemisimprovedontheoriginalasphericalsurfacesystem，anditscouplingefficiencyislargerthan54％usingonemillionraytraces．Inthepropagation，thecouplingefficiencyisanalysedbecauseofaxialdisplacements，lateraldisplacementsandangulartolerancebetweenthesingle-modefiberandcouplingsystem．UsingthesothvareZemaxandOrigincalculatethefiguresofthecouplingefficiencyundertheaxialdisplacements，lateraldisplacementsandangulartolerance，andprovidethetheoreticalanalysisandtechnicalsupportfortheengineeringinstallation．nlemechanicalstructureswhicharefRtothefibercouplingsystemaredesignedbasedonPROE，including：themechanicalstructuresofeveryglasseselementsandthewholemechanicalstructure．西ethesisincludessixchapter．砀efirstisintroducedtheapplicationofthelaserdiode，developmentofthecouplingbetweenlaserdiodeandfiberininternalandextemal．Thesecondisintroducedtheknowledgeofthefiber,including：configuration,classifyandthelossofthefiberandhowtosimulatethefiberinzemax．即：lethirdisintroducedtheknowledgeofthelaserdiodeincluding：thecharacteristicandastigmatismofthelaserdiode，howtosimulatethelaserdiodeinzemax．即1efourthisintroducedthecouplingmethodsthecouplingtolerancebetweenlaserdiodeandfiber,theknowledgeofthefilm．n屺fifthisintroducedthedesignmethodofthecouplingsystem，analysedthecouplingtoleranceforthesystemandparameterofeveryelements．n伧sixthiSin仃oducedthemechanicalstructuresforthecouplingsystem，including：everyelementandthewholesystem．Keywords：laserdiode，舶ercouple，Zcmax，Origin,PROE．II硕士论文基于ZEMAx半导体激光器与单模光纤耦合系统的设计目录摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．IAbstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．II第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1激光与光纤耦合的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。11．2国内外对半导体激光与光纤的耦合技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l1．3软件的介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．4本文的工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2第二章光纤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．42．1光纤的结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42．2光纤的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．42．3光纤的损耗⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52．4光纤的参数(长飞)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6第三章半导体激光器⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．93．1半导体激光器的光束特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。93．2半导体激光器的像散⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．103．3半导体的具体参数及其模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10第四章半导体激光器与光纤耦合研究．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．164．1直接耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．164．2端面球透镜耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。174．3柱透镜耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．174．4透镜光学系统耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．184．5光纤柱透镜耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．194．6微光学系统耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。194．7半导体激光器与光纤的对接误差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯204．8镀膜⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2l第五章半导体激光器与光纤耦合系统的设计与分析．．．．．．⋯⋯⋯245．1光学设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．245．2半导体激光器与光纤耦合系统的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．255．3光纤与耦合系统的对接损耗⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．33第六章耦合系统的机械设计．．．．．．⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．37第七章总结⋯．．．．．．⋯．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．44Ill目录致谢⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．45参考文献⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．46附录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．491V硕士论文基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统的 设计图 农村自建房设计图免费下载设计图纸下载可摘局部义齿设计图谱pdf英文书写纸设计图下载养猪场设计图 表目录图2．1光纤结构示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4表l：单模光纤具体参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”6图3．1半导体激光器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10图3．2半导体激光器的像散示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10表2：半导体激光器具体参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10图3．3半导体激光器的实物图和CAD图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1l图3．4半导体激光器的光强分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·12图3．5Zemax中半导体激光器0．005ram光强分布图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13图3．6Zemax中半导体激光器0．005ram光斑图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一14图3．7Zemax中半导体激光器5ram光强分布图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·14图3．8Zemax中半导体激光器5ram光斑图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·15图4．1半导体激光器与光纤的直接耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·16图4．2端面球透镜耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17图4．3球透镜端面耦合中光纤参数a／d与等效接收角蚀关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17图4．4柱透镜耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·18图4．5等效接收角与光纤孔径角的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·18图4．6透镜耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19图4．7一维半导体激光器耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19图4．8二维半导体激光器耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20图4．9垂轴误差示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20图4．10轴向误差示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2l图4．1l角向偏差示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2l图4．12单层膜示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22图4．13双层膜示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”23图5．1Zemax中系统光学设计图(以方向)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯25图5．2Zemax中系统光学设计图(+】，方向)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯26图5．3透镜2参数修改前后CAD图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯26图5．4透镜3参数CAD图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯27图5．5透镜4参数CAD图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯27图5．6透镜5参数修改前后CAD图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·28图5．7透镜元件参数修改前光线追迹图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·28V图表目录硕士论文图5．8元件参数修改后光线追迹图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯··29图5．92mm处半导体激光器的照度图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“29图5．102ram处半导体激光器的散射和反射照度图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯30图5．119mm处半导体激光器的照度图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”30图5．1214．5mm处半导体激光器的照度图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯··3l图5．1318．5mm处半导体激光器的照度图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯··31图5．1425ram处半导体激光器的照度图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”32图5．1530ram处半导体激光器的照度图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯··32图5．16耦合效率随X轴轴向误差曲线变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33图5．17耦合效率随】，轴轴向误差曲线变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯34图5．18耦合效率随Z轴轴向误差曲线变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯35。图5．19耦合效率随X轴角向误差变化曲线⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·35图5．20耦合效率随】，轴角向误差变化曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36图6．1固定球透镜的机械元件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39图6．2固定球透镜机械元件的CAD图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯38图6．3固定光学元件3的机械元件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯··39图6．4固定光学元件3的机械元件的CAD图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39图6．5固定光学元件4的机械元件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40图6．6固定光学元件4的机械元件的CAD图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40图6．7光纤固定器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·41图6．8光纤固定器CAD图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”4l图6．9铝管固定器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42图6．10铝管固定器CAD图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一42图6．1l系统的组合图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43VI硕士论文基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统的设计1绪论1．1激光与光纤耦合的应用光纤的优良特性，使之在光纤通信、传感、传像、传光照明与能量信号传输等方面的领域被广泛而大量的应用，并使之已成为当今世界的新兴支柱产业，需求非常旺盛：另外，对光纤技术应用的需求，不仅在民用方面，而且在军用方面也有巨大的潜力，主要应用的领域包括：进行一维(时间)的信息传输，光纤传感器，进行二维图像的传输、增强和变换，传光照明与能量信号传输【lJ。随着激光和光纤技术的快速发展，激光与光纤耦合器件己经广泛的被应用到社会的日常生产生活的各个领域12．3J：1、工业领域：采用非接触激光技术对材料进行焊接加工和处理，比传统方法更加安全、精密、干净和节能。然而引入激光光纤耦合技术后，结合电脑编程，可以提高激光的功率密度、光束质量，提高工业生产效率。2、医疗领域：相比于传统手术而言，激光手术安全出血少，且不易被感染。引入激光光纤耦合技术后，结合电脑编程，可以控制激光的功率密度，增强系统的灵活性，安全性。目前，激光与光纤耦合技术已广泛应用于眼科、牙科治疗等。3、通信领域：在通信领域中一般使用单模光纤，因为单模光纤具有安全性能好，传输损耗低，传输距离远，传输容量大等优点，相比于传统通信，有更强的生命力。1．2国内外对半导体激光与光纤的耦合技术研究半导体激光器与光纤的耦合技术的研究国外早在上世纪80年代就开始【4】，并且取得了很好的效果：1986年，H．Ueno和M．Toyama用单个平凸梯度折射率透镜将半导体激光器的光耦合进单模光纤，得到低于2db的耦合损耗pJ。1986年，KenjiKawano使用一个球面透镜和两个自聚焦棒作为耦合系统，得到了3．0db的最大耦合效率16J。由于半导体激光器工业的快速发展，单个半导体激光器已经不能满足工业的需求，从而促使半导体激光器阵列的发展，光纤与半导体激光器阵列的研究也得到了快速深入的发展【7恻。目前，国外半导体列阵光纤耦合模块技术己经发展的较为成熟，其中最典型的有：美国的太阳神(Apollo)公司已经生产了输出功率为1500W的光纤耦合模块，日本钢铁公司Yamaguchi提出的多棱镜阵列耦合方法，英国南安普顿大学光电研究中心ClackSon提出的双反射镜光纤耦合方法，德国夫朗和菲激光技术研究所基于阶梯反射ll绪论硕士论文镜光纤耦合方法，这些光纤半导体阵列耦合方法在社会工业中发挥重要的作用【41。国内在激光与光纤耦合方面的研究虽然起步较晚，但研究发展速度比较快，并且光纤耦合技术达到了国际领先地位【舡13】。焦明星、张书练对光纤的端面进行处理，将光纤的端面由平面变为锥角为1180的圆锥面，再与激光器直接耦合，得到光纤耦合效率高于50％1141。长春理工大学将光纤的端面由平面变为割角为8．670的楔形端面，得到耦合效率为75％；将光纤的端面研磨成双曲面，得到光纤耦合效率为80％t”】。浙江大学将光纤的端面研磨成抛物面(cordc-．1)，得到光纤的耦合效率为85．2％【16】。魏荣、王育竹采用伽利略望远镜对激光先进行扩束，再汇聚，最后把光耦合进单模光纤中，最终测得系统的耦合效率达到70％t171。目前，在光纤与半导体激光器阵列耦合技术上，国内也做了深入的研究【18-20】。其中：对于一维半导体激光阵列，长春理工大学采取柱透镜的方法，当各个光学元件的相对位置精确时，得到系统的耦合效率为78％[41。对于二维阵列半导体激光器的研究，北京工业大学朱林泉、朱江淼在2005时使用德国LIMO公司的两块微柱面透镜阵列对其进行光纤耦合，最终系统耦合效率为70％E41。1．3软件的介绍ZEMAX是美国Zemax公司所设计出的光学设计软件，Zemax主要应用在镜头设计、照明设计、激光光束传播、杂光散光分析，自由曲面的设计等，Zemax软件界面清晰明了，使用简单，计算结果精确【2l-221。Zemax可以对光学系统进行优化，公差等分析等，是一套可以运算序列，非序列及混合序列的软件。Zemax主要应用含括投影仪(Projector)、相机(Camera)、扫描仪(Scanner)、望远镜(Telescope)、光纤耦合、照明系统、夜视系统等。Zeamx还可以与其它机械制图软件相结合，方便建模优化，一些其它格式的文件可以在Zemax中直接使用，如IGES、STEP、SAT等格式都可互相转换。1．4本文的工作本文可以分为以下几个部分：第一章：介绍光纤与半导体激光器的应用，以及目前国内外半导体激光器与光纤的耦合技术的发展情况。第二章：介绍光纤的基本结构，分类，光纤的损耗以及本论文所用到的匹配包层光纤的一些基本参数和在Zemax中如何模拟光纤。第三章：介绍半导体激光器的光束特性，半导体激光器的像散以及本论文所用到的2硕士论文基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统的设计美国QPC公司的半导体激光器的一些基本参数和在Zemax中如何模拟半导体激光器。第四章：介绍半导体激光器与光纤的耦合的基本方法，分析光纤与耦合系统存在对接耦合误差时对耦合效率的影响以及薄膜光学的基本知识。第五章：介绍本论文光纤耦合系统的设计方法，所有元件的具体参数以及本系统中出现对接耦合误差时对耦合效率的影响。第六章：介绍光纤耦合系统的机械元件的设计方法，所有机械元件的具体参数以及整个机械系统的组装结构。32光纤硕士论文2光纤2．1光纤的结构光导纤维简称光纤，光纤的具体结构如图2．1所示；其中：内层纤芯是折射率为刀J的介质，外面包层是折射率为砌的介质，并且纤芯的折射率大于包层的折射率(”J>砌)；其利用的是全反射原理，将光能量限制在纤芯中传播；一般光纤在其光纤包层外面还有一层保护层，称为套层【1，4辨3,241。一般描述光纤的参数有传播常数，数值孔径和纤芯直径。图2．1光纤结构不葸图光纤直径：光纤纤芯的直径【l,4,9,23,24]。本文在Zemax中模拟时所使用的长飞公司的单模光纤纤芯的直径为8．49in，包层为125∥m[251。数值孔径(Numericalaperture，NA)的定义为【1,4,9,23,24]：，-’．：。’。。●NA=力os证口一=√刀÷一拧；(2．1)NA是表示阶跃多模光纤的集光能力的大小，是表征阶跃多模光纤性能的重要参数之一。其中，amax称为接收角。单模光纤一般不用数值孔径表示，但是可以近似认为其数值孔径为O．1；数值孔径值的大小也在一定程度上表征光纤是否容易进行耦合【¨。传播常数：表示沿传播方向的模式传输【L4,9,23,24]。2．2光纤的分类目前市场上的光纤种类很多，光纤的分类标准有很多，按照不同的标准光纤可以分为不同的种类；按照光纤中允许传输模式可分为单模光纤和多模光纤；按照光纤的纤芯折射率分布情况可以分为阶跃折射率光纤(SIOF)和渐变折射率光纤(GIOF)；按照光纤材料的不同可分为石英光纤、红外光纤和塑料光纤【1,4,9,23,24]。论文主要是设计一种高耦合效率的半导体激光器与单模光纤的耦合系统，所以在本节重点分析光纤的第一种分类方式。光波在光纤中是以某种模式传播，通常用归一化频率V描述光纤中的传输模式【1】：4硕士论文基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统的设计矿=挈(玎；一甩护：挈．NA／L^(2．2)其中五为光纤中传播的波长。对于单模光纤，其归一化频率您幺405，光纤中只允许一种模式的光；对于多模光纤，其归一化频率V>2．405时，光纤中可以允许同时存在几种不同模式的光波；因为在单模光纤中只允许有一种模式的光，即为基模HEll，所以单模光纤避免了多模光纤的缺陷，如模色散、模噪声以及多模光纤传输所附带的其他效应，单模光纤进而提高了脉冲开关的速度，所以单模光纤传输信号的速度远远高于多模光纤【11。模拟时，本文选用的是长飞公司生产的匹配包层单模光纤。单模光纤纤芯旋转对称的，高斯分布的基模(HEll)也是旋转对称的，为：r，，八21lf，(，)=Aexpl-I二Il(2．3)ILw¨J．wo：0．65+I．619V-1．5+2．879V巧=。．65+。．434(老)1‘5+。．。·49(丢]6(2．4，A为光纤模场的振幅，∞D为光纤的模场半径，以为光纤的截止波长。模拟时使用长飞公司的光纤的截止波长为1260nm。2．3光纤的损耗衡量光纤传输性能其中一个十分重要的指标为光纤的损耗(衰减)，光纤损耗(衰减)使光纤中传输的光信号的能量强度随传输的距离的增加而减小；其中光纤的传输损耗主要可分为四大类：光纤吸收损耗、光纤散射损耗、光纤弯曲损耗以及光纤与光纤之间的对接耦合损耗或光纤与耦合系统的对接耦合的损耗【l’4】。但是在光纤传播过程中具体哪种损耗占主导地位，要根据实际的情况而定。光纤耦合损耗它只是发生在光纤端面；但是光纤吸收损耗与光纤散射损耗发生在光纤内部，由于光纤吸收损耗和光纤散射损耗均相比于光纤的耦合损耗而言具有自己独特的性质，即均匀性和累积性，它们对传输光的光能量的影响将随光纤长度的增加而增加。所以如果对于长距离传输的光纤系统，耦合损耗在光纤损耗中不是占主要部分，吸收与散射损耗则占整个损耗的比例比较大，对于短距离传输的光纤系统，那么耦合损耗则占整个损耗的主要部分，光纤吸收与散射损耗要比端面耦合损耗小得多。所以整个光纤传输过程中整个系统的总损耗就等于光纤的吸收损耗、光纤的散射损耗、光纤的弯曲损耗以及光纤与光纤对接耦合损耗或光纤与耦合系统之间的对接耦合损耗之和。其中在早期限制光纤通信系统发展的一个重要因素就是光纤的损耗【26】。由于本文重点讨论单模光纤与单模半导体激光器的耦合系统的设计，52光纤硕士论文本文将重点讨论光纤与耦合系统对接不完美而造成的耦合损耗，具体将在文章的第四章重点分析。在科学研究和工程应用中，通常用对数分贝的标度来定义和计算光纤的损耗【l,41：A=-10109(Po／p,)L(dB／／on)(2．5)其中三是光纤的长度，尸D为光纤输出功率，只为光纤的输入光功率。如果光纤的传输系统中有几段不同的光纤组成，已知各段的损耗，则系统的总损耗可由下式计算：总损耗(如)=损耗l(访)+损耗2(dB)+⋯(2．6)光纤的吸收损耗根据其产生的原因的不同可以分为本征吸收和非本征吸收。一般光纤的吸收损耗是与入射光波的波长、光纤的材料等因素有关。其中：本征吸收一般与光纤中的传输光波的波长有关，是光纤材料对传输光波光能量的吸收。非本征吸收产生的原因是在光纤的加工过程中由于光纤预制棒材料的不纯净和光纤拉丝过程中工艺的不完善而引入其他一些杂质(金属类)，从而对光纤中的光波光能量造成的吸收；其中对光纤严重影响的主要有两类：一类过渡金属离子(Fe3+、Mn3+、Cu2+、C02+等)，另一类氢氧根离子(OH．)。光纤材料的散射损耗主要是瑞利散射、米氏散射。主要是在光纤中有小于传播光波波长的不均匀性存在(例如光纤材料的原子密度的起伏、光纤中掺杂粒子不均匀等)，进而引起光纤某一段折射率的不均匀，导致传播光的散射，传播光波的能量的减少。光纤在实际应用中，肯定会发生弯曲现象，这种由于光纤的弯曲现象而引起的损耗称为弯曲损耗。光纤的弯曲损耗实质光纤的边界条件在随光纤弯曲的变化而变化，从而破坏了光纤中的光波的传输条件，造成光纤中的传输光波光能的损耗。所以在光纤使用时，应尽量避免光纤应为弯曲，而造成光纤中传输光波光能的损耗。关于对接耦合损耗在下面文章的第四章进行具体分析。2．4光纤的参数(长飞)长飞光纤有限公司生产的匹配包层单模光纤在1310nm窗口的色散最小和在1550nm窗口的衰减最小，满足在1310nm和1550nm单窗HT作，或1310nm和1550nm双窗口应用的要求；长飞匹配包层单模光纤符合或优于G．652．B单模光纤技术 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 【251。匹配包层单模光纤的具体参数如下表所示：6硕士论文基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统的设计表l：单模光纤具体参数特性条件数据单位光学特性衰减1310rim郢．34dB／Ion1550rim110．201625nm9．24相对波长的衰减变1285-1330nm(13lOnm)三抑．03dB／lon化1525—1575nm(1550nm)5D．02波长范围内的色散1285．1340hm：53．5之．3．5ps／(nm‘驯1550nmS181625nm雯2零色散波长1312--L：12nm阼刀哩零色散斜率-<0．09lps／(nmLbn)‘零色散斜率典型值0．086偏振模色散系数ps／bnl72单根光纤最大值9．2光纤链路值9．1典型值0．04光缆截至波长沁c_<1260，删模场直径13lOnm9．2士O．4刀钾行1550hm10．钍0．5有效群折射率1310hm1．4661550nm1．467衰减不连续性13lOnm9．05dB1550nm1∞．05几何特性包层直径124．8d：1．0m，竹包层不圆度S1．0％涂层直径245士7m册涂层／包层同心度误S12．0聊m差涂层布圆度§％芯，包层同心度误差9．6肌m翘曲半径>4M72光纤硕士论文宏弯附加衰减dB1圈旺)32mm1550nm苎D．05100圈西50ram13lOnm&1550hm9．05100圈①60mm1625nm三D．05参考上文知光纤是纤芯与包层构成的，二者都是圆柱体介质，且纤芯在包层内，所以光纤在Zemax中的模拟可以有好几种方法，可以用两个圆柱体来模拟、也可以用两个标准镜来模拟等。本文将采用第二种方法：标准镜片，方法简单，并且为后期的光线追迹的准确性提供保证。纤芯的材料使用Zemax中的silica(二氧化硅)。在Zemax中标准面的每一个点坐标是由公式(2．7)决定的【27】：z：一芦竺‘_—一(2一．7一)Z=————1============‘．)1+√l一(1+七)c2，．2其中：c表示面的曲率(半径的倒数)，r表示径向坐标，k是conic系数，当k小于．1时表示双曲面、k等于．1表示抛物面、当k大于．1且小于0或k大于O，表示椭圆面、k等于0，表示球面。模拟时最重要的是让两个标准镜中的一个嵌套在另一个里面，所以模拟时包层的项目栏要在模拟纤芯的项目栏前面，纤芯项目栏的insideof选项栏内填写包层项目栏的编号。具体纤芯的半径数值为4．劫聊，包层的半径数值为50#m。8硕士论文基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统的设计3半导体激光器3．1半导体激光器的光束特性半导体激光器一般是采用它的近场和远场来描述其光束性质，其中可以用菲尼尔数来说明近场和远场，当菲尼尔数小于1时，可以认为为远场，当菲尼尔数大于1时，可以认为为近场。近场分布特性是指激光器出射端面附近的半导体激光光束特性，远场分布特性是指距激光初射端面一定距离的半导体激光光束空间分布【9'”】。下文中将分别给出光学设计软件Zemax中模拟半导体激光器的近场和远场对应的光强和光斑图。由于文章集中在设计高耦合效率的半导体激光光束与光纤耦合系统，，半导体激光器与光纤之间有一定的间距，所以半导体激光器的近场分布不是本文的重点，本文将主要讨论其远场分布特性。由于半导体激光器的发光面是一个狭长的矩形，所以其光束在空间的光能量的分布是不对称的，如图3．1所示，图中的】，方向、也就是矩形的短边方向，因为狭缝使得光束在该方向上发生强烈的衍射作用，而图中的X方向、矩形的长边方向，衍射现象没有】，方向那么明显，所以半导体激光器的光束在空间呈不对称【9，15，23，29删。本文所用的的坐标系是建立在图中所示的坐标系。本文所用美国QPCLaser公司生产的4715型号的激光器为单模半导体激光器，所以在设计时半导体激光器在快轴和慢轴方向的高斯因子分别为1。当半导体激光器发出的光传播一段距离之后，其模场分布为D1。5】：慨扣盎蒜叫一哧)2-‰]2]eX《-嘉一妒leXp(-i拓)ex2R-灭-z)p(-p[华]@。1一丽一。l麟1—丁一．J¨J歹式中：∞钕和∞勿分别为半导体激光器在x和Y方向的模半径，魄和嘶是波前在X和Y方向的模半径，最恸和R，，倒是传播光的波前在慢轴和快轴方向的曲率半径。02l(z)=600，‰=孕触(z)=z+盔Z(3．2)(3．3)(3．4)93半导体激光器硕士论文纰，=一㈡@5，其中，要得到q倒，砌，彤付和喀恸的表达式只要将公式中的x变为夕。‘y‘、hx纠。．)’3．2半导体激光器的像散图3．1半导体激光器Z在Zemax中模拟半导体激光器时有一个很重要的参数就是Astigmatism，Astigmatism可以翻译为像散，是像差的一种，用4z表示。由第三章第一节知道半导体激光器光束在快轴和慢轴方向的发射点不重合，所以半导体激光器会存在像散。如图所示J●，‘y’～r‘＼Z：一。J≥．一lJ．L●，．●，，’，1-．●～．rt～‘～≮一一●慢轴方向图3．2半导体激光器的像散示意图3．3半导体的具体参数及其模拟Z模拟时所用的半导体激光器是美国QPCLaser公司生产的4715型号的单模半导体激光器，广泛应用于激光通信、激光雷达(LightDetectionAndRanging，LIDAR)和距lO硕士论文基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统的设计离探测。下表是半导体激光器的具体参数，图为半导体激光器的实物图和CAD图【36】：表2：半导体激光器具体参数Centerwavelength1550nmCenterwavelengthtolerance士5nmSpectralwidth(FWHM)《0．1nmTypicalspectralwidth500材玉Operatingpower1WEmitterwidthatfacet250micronsOperatingcurrentAmpsection<4．似OperatingcurrentOsesection<O．7么VoltageAmpsection<1．5VVoltageOsesection<3．5’Conversioneft．>15％WavelengthtemperaturecoefficientO．13nm／。CBeandivergence，slowaxisFWHM<20degreesBeandivergence，fastaxisFWHM<35degreesAstigmatism470micronsPolarizationTEBondingconfigurationN-sidetocarrierI断Il■，I●●-L№簿№E黼l舯绀k搬《+l图3．3半导体激光器的实物图和CAD图目前大部分半导体激光器设计文献中都是将半导体激光器看作点光源，在序列模式ll3半导体激光器硕士论文卜设计光字糸统，卒又没有将半导体’馓光器看作点光源，向是在非序夕¨甲模拟半导1本旅光器的发光面，在此基础上进行光学系统的设计。半导体激光器光源在Zcmax中的模拟是使用非序列中的SourceDiode光源项，在Zemax中SourceDiode可以模拟单个半导体激光器，一维半导体激光器阵列和二维半导体激光器阵列，其中在Zemax中模拟时每一个半导体激光器的光强分布可以用下面的公式表示为【27】：，(日，，日，)：jroP一2((乏]2以+(考]2唧]。3．6，a，：箕(3∽a．=—#兰==k3．，J,／2In(2)钆：箕(3．8)口。=—芦兰=Lj．葛)．．、／2tn(2)其中‰和‰是X方向和Y方向的远场半发散角(默认用角度表示)，G和q是表示半导体激光器在x方向和J，方向的高斯因子。美国QPCLaser公司生产的4715型号的单模半导体激光器远场光强分布图如图所示，其中：a。：墨坠：竺：16．98610(3．9)a，=—=圭====—=====．Lj．y，。421n(2)421n(2)吼：车坠：善：29．726(3．10)yjwrsm口y2丽2面丽2·¨‘媳AMP一2㈣2怯『](3．⋯12硕士论文基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统的设计X(o)图3．4半导体激光器的光强分布所以SourceDiode定义是有以下几个因素构成的：X位置、Y位置、z位置、x倾斜、Y倾斜、2倾斜、显示光线数目、分析光线的数目，半导体激光器的功率、波长、颜色、像差、x轴发散角、X方向高斯因子、Y轴发散角、Y方向高斯因子、X方向发光面的数目、Y方向发光面的数目、相邻发光面X方向间隔、相邻发光面Y方向间隔。对于美国QPCLaser公司生产的4715型号的单模半导体激光器在模拟时‰和‰分别为200和350，Gx和Gv都是l。初始位置为都为0，倾斜量全是0，功率为l职波长颜色为默认值，显示光线数目为100，分析光线数目为1000000，x方向和Y方向发光面的数目分别为l，间隔为0。在Zemax中可以很容易的得到半导体激光器的近场与远场的光斑图与光强分布图，如下图：133半导体激光器硕士论文硕士论文基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统的设计图3．7Zemax中半导体激光器5ram光强分布图图3．8Zemax中半导体激光器5ram光斑图图中可以得到半导体激光器的近场和远场的光强分布大致相同；但是近场和远场光斑图有很大的差别，近场椭圆光斑的长轴在慢轴方向，远场椭圆光斑的长轴在快轴方向，在传播过程中椭圆光斑的长轴发生了90。的偏转。154半导体激光器与光纤耦合研究硕士论文4半导体激光器与光纤耦合研究半导体激光器与单模光纤的耦合实质是它们的模场之间的模式耦合，光纤与半导体激光的耦合效率为【31。6】：哺2嘏一∽。式中PF为光源发出的且在光纤中传播的光功率，咫为光源发射的总的光功率，y∥和y似彭矽分别是单模光纤和半导体激光器在空间上任一参考面上的模场分布，且lf，似和y伍影矽分别由公式(2．3)和(3．1)给出。所以，瑁的本质是光纤和半导体激光器的两个模场的相关运算；当单模光纤与半导体激光器它们两个模场振幅、相位分布越相似，单模光纤与半导体激光器的耦合效率越高【9】。目前常用的光纤耦合方法有：4．1直接耦合直接耦合是最简单、最直接的耦合方法，在半导体激光器与光纤之间不加任何光学元件，对光纤不做任何的加工，直接将光耦合进去，如图4．1所／示t4,9,1s]。这种方法对于发光面很小的半导体激光器而言是行之有效的，只要光纤和半导体激光器发光面靠的足够近，并且在光纤的接收角范围内的激光器所发出的光就都能耦合进光纤中。图4．I半导体激光器与光纤的直接耦合由第三章的知识可知，半导体激光器的发散角在快轴和慢轴上不同，所以在慢轴方向的光可以全部耦合进光纤，但是快轴方向光纤只能接受其中的一部分光能量。如果多模光纤的数值孔径NA=0．22，那么光纤的接收角约为260，对于美国QPCLaser公司生产的4715型号的单模半导体激光器，那么快轴方向的光能量不能全部耦合进此多模光纤，有报道直接耦合效率可达到24％13s】。所以直接耦合的方法适用于小功率的半导体激光器与多模光纤直接。16硕士论文基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统的设计4．2端面球透镜耦合端面球透镜的方法在直接耦合的方法上进行了改进，光纤的端面不在为平面，而是将其改为半球形，这样就是相当于在光纤的前面加了一个短焦距透镜。可以证明，使用这种方法以后，光纤的等效接收角变为【4，9，15，20】：0c--sin-1卜p分一生nt‰JJ。1b∽2，其中a为球透镜的半径，d为光纤芯径，rtl和n2分别为光纤纤芯和包层的折射率。图4．2端面球透镜耦合当光纤纤芯折射率为聆，=1．471，包层折射率为nz=1．457时，由上式，使用MATLAB软件求的光纤参数球透镜半径与光纤纤芯直径的比a／d与等效接收角良的关系如图：￡餐翟蝈萋孽图4．3球透镜端面耦合中光纤参数a／d与等效接收角口c关系从图中得到，通过控制球透镜的半径与光纤纤芯直径的比a／d，可以明显扩大光纤的等效接收角，从而提高系统的耦合效率。4．3柱透镜耦合参考文章第三部分知，半导体激光器的光斑在远场为椭圆形，不对称的，如果将】，方向的光的发散角压缩，将半导体激光器的光束有椭圆形光斑整形成近似接近圆形，最174半导体激光器与光纤耦合研究硕士论文后再将光耦合进平面端面的光纤中，就可以在很大程度上提高光纤耦合效率。如图4．4所示：1．／，—、＼I’f么—弋一⋯．|【／Jlk艮7。图4．4柱透镜耦合R为柱透镜半径，Z为激光器到柱透镜的距离。柱透镜径向方向的光纤经过在柱透镜侧壁上的两次折射后，被压缩，满足光纤的数值孔径径向角极大地提高了耦合效率，当通过使用柱透镜的方法后，光纤的等效接收角的变化曲线如图4．5所示。O趟氏笛l矿一矿T|!lt≯伊．，一—·e图4．5等效接收角与光纤孔径角的关系使用这种耦合方法时，为了获得较高的耦合效率，所有光学元件的相对位置必须十分精确，如果其中有光学元件的相对位置有偏差，这种方法获得耦合效率还不如直接耦厶(4。9,151rl04．4透镜光学系统耦合18硕士论文基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统的设计透镜光学系统耦合就是在两者之间加入一块或多块透镜或非球面镜光学元件【4’”51。如图4．6所示，将半激光器放在第一块透镜的焦点位置，将光准直为近似平行光，再用另一块透镜将平行光汇集在焦点的位置，光纤正好放置在第二块透镜的交点处，一般两块透镜的属性是完全相同的，通常凸透镜或非球面镜的直径为6mm，其焦距为4～15mm。但是由文章的第三部分知道，半导体是有像差的，用一块透镜很难将快轴和慢轴同时进行准直，所以简单的这种方法不适合半导体激光器。图4．6透镜耦 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 样地可以将两块凸透镜或非球面镜换成自聚焦透镜，虽然采用自聚焦透镜的耦合效率相对比较高，自聚焦透镜在生产加工过程中无论是对材料的选取还是弯曲面的加工都相对比较复杂，这样就大大增加了耦合系统的制作难度和成本。4．5光纤柱透镜耦合4．3节中的耦合方法同样适用于一维的半导体激光器阵列，首先每一个发光面与一根光纤相对应，将垂直与PN结方向上放置一柱面镜，对半导体激光器的快轴光斑进行压缩，将每一个发光面发出的光分别耦合进一根光纤，最后在光纤的出射端利用光纤耦合器将所有的光进行汇聚，如图4．7所示。与圆柱形透镜耦合要求相似，这种设计对系统的机械结构也有严格的要求，元件的相对位置稍有偏差，耦合效率将急剧下降【4，9'151。4．6微光学系统耦合图4．7一维半导体激光器耦合194半导体激光器与光纤耦合研究硕士论文对于二维的半导体激光器阵列，常采用微光学元件进行光纤耦合，因为微光学元件可以对二维半导体激光器的快轴和慢轴的光束分别进行变换，将每一个发光面发出的光束变换为平行光，最后通过透镜或自聚焦透镜将光能量耦合进光纤里面。q自fltlnddeailemlroemda；hm图4．8二维半导体激光器耦合4．7半导体激光器与光纤的对接误差在最终的机械加工的过程中，光纤和耦合系统是通过机械结构加以固定的，为了获得高耦合效率，机械结构必须十分精确；但是在实际的生产、加工和装配过程中，难免会出现垂轴、轴向和角向误差，引起耦合效率降低。现在分别对垂轴、轴向和角向误差三种误差分别进行分析：垂轴误差(横向误差)是由于光纤的光轴与耦合系统的光轴没有完全重合，光纤在垂直于耦合系统的光轴方向有了一个误差，如图4．9所示：图4．9垂轴误差示意图垂轴误差对整个光纤耦合效率的影响用公式表示为【3．39】：艘2．旦+翮2．旦一三RsinO，7：—』熊——掣LL(4．3)7“l，日：arcsin垡：±墨：二生(4．4·)F=arcS—L珥．，．2d·尺口：arcs汹芒．sinO)(4．5)∞其中Jic是光纤的纤芯半径，∞是光束聚焦光斑的半径。轴向误差(纵向误差)是光纤沿耦合系统光轴方向偏离了最佳耦合位置，轴向与最卫●●量一▲T●●一一硕士论文基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统的设计佳耦合位置之间有一个误差s，如图4．10所示：图4．10轴向误差示意图轴向偏差对整个光纤耦合效率的的影响可以用公式表示为【3，39】：叩=(磊矗)(4．6)其中：CO和s分别是激光聚焦光斑和光纤的轴向偏移距离，以是光纤全反射的接收角(临界角)。。’角向误差是指耦合系统的光轴和光纤的光轴不重合，两轴间有一个夹角，如图4．11所示：图4．1l角向偏差不意图角向偏差对整个光纤耦合效率的影响可以用公式表示为【3，39】：叼=斗降)2】∽7，其中，0．7是激光聚焦光斑。本文重点之一是利用光学设计软件Zemax与数值分析软件Origin相结合，计算出半导体激光器与单模光纤的耦合系统存在耦合效率随的垂轴、轴向和角向误差时，对耦合效率的影响，由文章第三章可知光源光强的不对称性，垂轴误差和角向误差的研究要针对X轴和】，轴分别做出分析。4．8镀膜当光垂直的从一种均匀介质进入另一种均匀介质时，光在两介质的分界面上就会同时发生折射和反射现象，当在不考虑材料对光能量的吸收时，则光的反射率尺利用菲尼尔公式知【柏】：2l4半导体激光器与光纤耦合研究硕士论文R：(no-n1)2‰+rh则系统的透射率为：(4．8)T=1一灭(4．9)当火石玻璃和冕牌玻璃同时处于相同的环境时(比如空气中)，由于火石玻璃的折射率相对于冕牌玻璃的要高一些，则参照公式可知火石玻璃的表面反射更为显著。这种光的反射现象它对光学系统将会引起了两个严重的后果：一是光能量损失；二是光学系统元件表面的反射光也有一部分光最终能到达像平面，形成鬼像，从而影响光学系统的成像质量。在目前工业中，通常是在光学元件的表面上镀膜，来增加或减少元件的反射光，目前常用的膜层有单层的和双层的。在工业中通常是在光学元件的表面镀上一层折射率相对较低的膜层，如图4．12所示：^：堡兰(4．10)‘‰+ntnOnl112．一啊一心轳蒜，lI+刀，r2弋＼2五、．n(4．11)图4．12单层膜示意图从矢量图上可以看到，当tl和r2夹角为1800时即两个向量方向相反，，．1和r2合矢量最小，合矢量的大小为：l，I=爿吒一rxI(4．12)如果矢量，·和，．z的模相等，即I，．tI=I，：l，则矢量，．，和，．：的合矢量为0，即光学表面不再产生反射光。要是I，．。I=I，．：I，则：简化后：22鱼二堡：堡二兰‰+啊啊+刀2(4．13)硕士论文基于ZEMAX半导体激光器与单模光纤耦合系统的设计，2I=√，lD·吃(4．14)所以，经过计算可知，当膜层的折射率等于两种介质的折射率积的平方根时，可以实现完全消除反射光。目前工业上使用最多的冕牌玻璃K9，由公式知，K9在空气中的理想的增透膜的折射率为1．23，但是目前工艺能做到的薄膜折射率最低位1．38(氟化镁MgF2)，所以单层膜不可能完全的消除玻璃表面的反射光【411。镀单层膜无法完全消除冕牌玻璃表面的反射光。所以我们可以在玻璃元件上镀上双层膜或更多的膜层，先在光学元件表面镀上一层折射率相对较高的膜层，这样可以提高冕牌玻璃的折射率，最后在外面的膜层上再镀上一层折射率较低的膜层，如图4