第35卷，增刊红外与激光工程2006年10月Vol.35 SupplementInfrared and Laser Engineering基于ZEMAX软件设计的半导体激光无源光纤耦合系统袁纵横，胡放荣(桂林电子科技大学电子工程系，广西桂林541004)摘要：为了克服有源耦合装置繁多、调整难度大以及耗时长的缺点，借助于ZEMAX软件，通过人工优化的方法，设计出了使用柱透镜进行无源光纤耦合时的最佳耦合系统，给出了系统的数据表、点扩散函数(PS℉)图、三维图、全视场点列图和远场光斑仿真图。并根据ZEMAX仿真得出的定位尺寸，借助于精密光刻技术和先进硅工艺，制作出了高效的光纤耦合模块，实现了半导体激光器与光纤的无源耦合。这种方法的最大耦合效率可以达到81%，基本接近有源耦合时的最大值85%。关键词：半导体激光器；无源光纤耦合；人工优化；ZEMAX软件中图分类号：TN248文献标识码：A文章编号：1007-2276(2006)增E-0022-04System of semiconductor laser coupling to fiber without lightsource by using ZEMAX softwareYUAN Zong-heng,HU Fang-rong(Department of Electronic Engineering,Guilin University of Electronic Science and Technology,Guilin 541004,China)Abstract:To overcome the flaws that need more coupling devices and more time,we designes the best couplingsystem which only with a cylinder lens by using ZEMAX software and manual optimization,and simultaneouslypresent datasheet of system,point spread function(PSF),ray trace diagram,full field spot diagram and imitated faculaof far field.ZEMAX simulation,according to position measurement and by advance technology of precise light curveand Silicon craft,we fabricates high efficient fiber coupling module and realizes coupling without light source.Thismethod can achieve the maximum coupling efficiency of 81%,close to the maximum 85%active coupling.Key words:Semiconductor laser;Fiber coupling without light source;Manual optimize;ZEMAX software0引言半导体激光器因具有体积小、重量轻、效率高、寿命长以及调制方便等优点，广泛应用于生物医学、光纤通信、光盘存储、材料加工、激光泵浦、激光夜视、激光制导和激光雷达等民用及军事的重要领域。然而，其光束质量差，应用中常常需要与光纤耦合输出，以提高光束质量。目前，半导体微光器与光纤的耦合常采用各种微透镜在有源情况下进行，耦合过程工艺性强、调整装置繁多、耗时很长、随机性很大，不能满足大收精日期：2006-07-30作者葡介：袁纵横〔1957，男，贵州遵义人，副教投，博士，主要从事光学测量、激光及光电技术的理论和应用研究。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net增刊袁纵横等：基于ZEMAX软件设计的半导体激光无源光钎耦合系统23规模生产的要求。基于ZEMAX软件设计的无源光纤耦合系统，简化了耦合装置和耦合过程，获得了较高的耦合效率。1耦合理论研究根据近轴近似，圆柱透镜的焦距为山：(1)式中：n为柱透镜的材料折射率(>1)：R为柱透镜的光学曲面半径：∫为焦距（距离中心点的距离）。因此将光纤作为一圆柱透镜贴装于激光器或激光器列阵发射表面适当距离处，可大大压缩其垂直于结平面方向的光束发散角，实现高功率半导体激光器及其列阵的光束准直。用光线追迹法分析圆柱形微透镜的耦合原理如图1所示，光线由F点发出，经圆柱形微透镜会聚后聚焦于F'点。假设光线FA的入射角为，空气的折射率为m,圆柱形微侧柱形透镜透镜的半径为r,微透镜的折射率为n,光源离圆柱形微透镜图1光线追迹图的距离为L。根据Fresnel定理，可以得到如下关系式：Figl Diagram of ray trace(2)0=arcsin(sin)(3)由于可求出：(8)光线会聚角日随发散角6的变化关系为：+0-arcsin sin(n2 ZEMAX仿真设计☒由于半导体激光器的水平发散角常为3°~8°、垂直发散柱透镜角常为30°~40°，在许多实际的光纤耦合中，只要压缩垂直发散角，并使用圆柱透镜就能实现高效的耦合3，。常用的圆柱透镜可以由一根石英光纤轻易地得到，只需将它的涂覆层去掉、擦净，然后截成需要的长度5.。无论是单管还图2柱透镜耦合示意图是阵列耦合，使用这种圆柱透镜均可达到较高的耦合效率Fig2 Couplig with cylinder lens(常在75%以上)，如图2所示。利用光纤柱透镜进行耦合时，只要知道光纤的芯径和材料，就可以知道圆柱透镜的半径R和折射率。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net24红外与激光工程：光电子器件技术第35卷耦合中的关键就是要找出最佳耦合距离L和L2。从球差上考虑，L,不应很大：另外输出光束的发散角应小于接收光纤的接收角，且光斑尺寸小于光纤芯经。由于水平方向（即X方向）的发散角很小，对耦合效率的影响很小，所以主要考虑Y方向的发散情况并对其进行优化。实验中使用的激光器发光面为1μmx100μm,其在Y方向的宽度为1m,因此以激光器发光面中心为坐标原点，并沿Y轴对称地选择0、±0.1m、±0.2μm、±0.3μm、±0.4m、±0.5μm等几个不同的视场进行光线追迹。借助于Zemax强大的图形输出功能，很容易在三维图（如图3所示）中形象地观察到光线通过柱透镜后的发散情况。优化时，先将L,的值从小变大，同时改变对应的光阑孔径，并观察光线追迹图中输出光束的发散情况，当输出光束的发散角小于光纤的接收角后，然后继续缓慢改变L的值，直到输出光束的束腰半径最小时，记下此时的L,值，即为所要求的最佳L,值。柱透镜后表面到输出光束束腰的距离即为L2的最佳值。使用发光区为1mx100μm,波长808nm、水平发散角6°、垂直发散角为30°的GaAs/GaA1As半导体激光器与芯经为200μm、数值孔径为0.22的多模石英光纤，并采用同样材料和尺寸的光纤作为圆柱透镜进行耦合时，最佳系统设计参数如表1所示相应的图形输出如图6所示。表1系统结构设计参数Tab.1 System structure parameters面数面形半径厚度平均折射率半直径物面平面无穷大0.05mm柱面0.100mm1.612平面无穷大0.10 mm1.61柱面0.30mm0.10mm4(接收面)平面无穷大0.026mm图3三维图图4全视场点列图Fig.3 Three-dimensionFig.4 Full field spot diagram图5点扩散函数图6柱透镜准直后的远场光斑Fig.5 Point spread function (PSF)Fig.6 Far field facula after collimation by ylinder lenses1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net