（光学工程专业论文）异型光纤微透镜技术.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 ， f 半导体激光器到单模光纤的耦合是光纤通信、光电子器件领域的一项关键技术，几乎 所有的光纤系统都涉及到光纤端面耦合的问题。光纤端面的形状对祸合效率有很大的影 响，有文献报道，采用抛磨烧熔等加工方法，可在光纤端面形成一个微透镜，增大光纤 的数值孔径，对入射激光进行椭圆度校正，从而提高耦合效率。 如何取得更高的耦合效率和更低的后向反射，这是对光纤端面微加工的最直接的要 求。在该方面的研究中，国内还未见用于光纤微透镜设计的专用软件，没有扫描红外激 光模场光强分布细节的实验装置研制，更缺乏对祸合性能观测评价的手段，使研究工作 难以深入进行z p “一 本文首先概述了微透镜的发展历史，展望了微透镜的应用前景。接着详细阐述了半 导体激光器到光纤微透镜的耦合理论，并针对几种典型面形的微透镜展开了具体的讨论 和分析。实验过程中，设计并搭建了一套完整的微透镜测试系统，包括光电探测、信号 放大、数据采集和分析以及图像处理等几个主要部分。该套测试系统对l d 到光纤的耦 合问题的研究有重要实践意义，用该系统可以监测光纤端面的微加工，对光纤微透镜的 性能参数进行评测，从而摸索出提高耦合效率的加工方法。最后探讨了微透镜的加工工 艺，并编制了测试系统的辅助软件。 o 一一 f 关键词：光纤微透镜微透镜测试系统) 鸫兮半导体激光器， 第2 页 里堕型兰垫垄盔兰竺壅兰堕兰垡笙苎 a b s t r a c t c o u p l i n gf r o ml d t os m fi sak e yt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a n dp h o t o e l e c t r i ci n s t r u m e n t a l m o s ta l lo fo p t i c f i b e rs y s t e m si n v o l v ew i t ht h ec o u p l i n g q u e s t i o n t h eo u t l i n eo f f i b e r s t i ph a sv e r yg r e a ti n f l u e n c eo nt h ec o u p l i n ge f f i c i e n c y i t i s r e p o r t e d ，u s i n gt h ew a y o fg r i n d i n ga n dm e l t i n gt of o r mam i c r o l e n so nt h ef i b e r st i p ，c a n i n c r e a s ef i b e r sn u m e r i c a l a p e r t u r e ，r e d u c e t h e e l l i p t i c i t y o fl a s e r , a n di m p r o v ec o u p l i n g e f f i c i e n c y t og e th i g h e rc o u p l i n ge f f i c i e n c ya n dl o w e rb a c kr e f l e c t i o ne f f i c i e n c yi st h em o s t d i r e c tr e q u e s tt ot h ep r o c e s s i n go ff i b e r st i p i nt h i sd o m e s t i cr e s e a r c hf i e l d t h es p e c i a l s o f t w a r et oh e l pd e s i g nt h em i c r o l e n si sn o tf o u n d ，a n dn oe x p e r i m e n td e v i c ew h i c hc a nd r a w t h ep i c t u r eo fi n f r a r e dl a s e ri n t e n s i t y sd i s t r i b u t i o ni nd e t a i l si sw o r k e do u t ，a n di ti se v e nm o r e i ns h o r to ft h em e a n st oa p p r a i s i n gc o u p l i n gp e r f o r m a n c e s or e s e a r c hw o r ki sd i f f i c u l tt ob e d e e p l y c a r r i e do n a tf i r s t ，t h i s p a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p i n gh i s t o r y o ft h em i c r o l e n sa n dl o o k s f o r w a r dt ot h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to ft h ef i b e rm i c r o l e n s t h e ne x p l a i n st h et h e o r yo f c o u p l e f r o ml dt os m fi nd e t a i l s a g a i n s tt h es e v e r a lt y p i c a lm i c r o l e n sm o d e l s ，c o n c r e t ed i s c u s s i o n a n da n a l y z ea r el a u n c h e d i nt h ec o u r s eo fe x p e r i m e n t ，w ed e s i g na n ds e tu pam i c r o l e n st e s t s y s t e m ，w h i c hi n c l u d e ss e v e r a lm a i np a r t s ，s u c ha sp h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o n ，s i g n a le n l a r g i n g ， d a t ag a t h e r i n ga n da n a l y z i n ga n d i m a g ep r o c e s s i n g ，e t c t h i s t e s ts y s t e mh a si m p o r t a n t p r a c t i c a l m e a n i n g st o t h er e s e a r c hw o r ko fl dc o u p l i n gt o o p t i c f i b e r i tc a nc h e c kt h ee f f e c t so f p r o c e s st o f i b e r s t i p ，a p p r a i s et h ec h a r a c t e ro fm i c r o l e n s ，h e l pu s t of i n do u tt h ew a yt o i m p r o v i n gc o u p l i n ge f f i c i e n c y a tl a s t ，d i s c u s st h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo f t h em i c r o l e n s ，a n d w o r ko u tt h es u p p l e m e n t a r ys o f t w a r eo f t h et e s ts y s t e m k e y w o r d ：o p t i e - f i b e rm i c r o i e n s ：m i c r o l e n st e s ts y s t e m ：c o u p i e ：l d 第3 页 一 里堕型差垫查查兰堑塞生璧兰垡丝苎 第一章绪论 半导体激光器到光纤的耦合，直是光纤通信传输系统以及光电子器件领域的项 关键技术。几乎所有的光纤系统都存在有光源到光纤的耦合问题。祸合技术的进步直接 影响着整个光纤系统的性能。因此，如何改进耦合技术，提高耦合效率，从而提高光器 件的性能价格比，也成为光电领域研究的热门课题h _ 1 ”。光纤端面的形状对耦合效率有很 大的影响，采用抛磨烧熔等加工方法，在光纤端面形成一个微透镜，增大光纤的数值孔 径，对入射激光进行椭圆度校正，可以有效地提高耦合效率。 1 1 耦合技术的发展 国外对半导体激光器和光纤的耦合问题早在8 0 年代初就开始研究了。随着工艺和技 术的进步，耦合效率也逐渐提升。1 9 9 3 年，贝尔实验室成功研制出了具有理想消像差性 能的双曲面微透镜和兼具椭圆度校正性能的椭双曲面微透镜，数值孔径达o 9 以上，使半 导体激光器到单模光纤的耦合效率达9 0 以上1 1 4 】【1 ”。国内清华大学电子工程系曾经尝试 过用抛磨法制做尖锥型微透镜，在d f b 半导体激光器和光纤之间取得了较好的耦合效率， 最好达7 3 9 1 。但尖锥型光纤微透镜的焦距( 锥端到l d 的最佳距离) 只有几个微米， 在与半导体激光器封装时极其困难，其尖端极易造成半导体激光器的损坏，因此实用价 值不大。 光纤和l d 耦合技术的发展，大致经历了以下几个阶段： + l d ； t l 平端光纤 透镜+ 平端光纤 + 球端光纤 自聚焦透镜+ 光隔离器+ 光纤 + 双曲线端光纤和尖锥端光纤 按照半导体激光器和光纤之间是否存在其他光学器件，可以将耦合方式分为两种： 直接耦合和间接耦合。间接耦合又可分为单透镜和透镜组，分别如下图所示。 辅r 图l i 单透镜耦合示例：球透镜耦合 国防科学技术大学研究生院学位论文 哆? 、 、 图1 2 透镜组耦合典型结构示例：双透镜共交耦合 单透镜是由一个透镜来完成高斯光束的变换，目前已用于半导体激光器和光纤耦合 的有球透镜平凸透镜和自聚焦透镜三种。透镜组也叫复合透镜，由两个或多个透镜构成， 下面是几种可能的复合透镜耦合形式，复合透镜变换系统的主要优点在于可以灵活选用 各种透镜组合形式以取得最佳效果，但其调整较单透镜困难。 图1 - 3 复合透镜 虽然i 白j 接耦合可以利用各种组合方式，从多个方面提高耦合效率和改善耦合性能， 但是由于其结构复杂且可靠性差，很难推广使用。同间接耦合相比，直接耦合有着结构 简单、祸合效率高且成本低等优点。直接耦合的关键器件就是光纤微透镜。一般是采用 烧熔拉锥或抛磨的办法，对光纤端面进行微加工，增大光纤的数值孔径，使光纤的输出 模场和半导体激光器的模场匹配，进而提高耦合效率。 最近，还有一些文章提出了通过在有源区增加水平或垂直锥形波导的半导体结构一 ”1 ，即从半导体激光器方面入手，实现激光光斑大小尺度及对称性的转换，提高与光纤 的耦合效率。一种圆对称光波导结构的半导体激光器见下图，其出射光束也具有较高的 对称件。 第5 页 里堕型兰垫查奎兰堑塞生堕兰垡兰苎 图1 - 4圆对称光波导半导体激光结构图 1 2光纤微透镜研究存在的问题 在光纤陀螺中，由于系统性能的要求，需采用宽谱的超辐射光源s l d ，这种光源出 射光发散角为1 2 0 4 0 。，与数值孔径n a 为0 1 7 的光纤耦合，效率非常低，即便是通过熔球 微透镜耦合，效率也只有百分之十几，浪费了大量的光能，严重影响了陀螺性能的提高。 此外，在光纤水听器系统中，需要高相干度的光源d f b l d ，但光源和光纤耦合时的背 向反射，严重影响了半导体激光器的频谱特性，使光源的相干性变差。在光纤通信系统 中，随着光纤加工工艺和制造技术的日益提高，光纤的传输损耗已经降到了0 1 5 4 d b k m 的 极限程度，而光源和光纤的耦合问题就显得极为突出，入纤功率也成为高速光纤网中继 距离的主要限制因素。 半导体激光器到光纤的耦合理论，已经发展得很成熟了，但是在实验方面，还存在 诸多问题。目前，国内微透镜实验研究中所面临的一个最主要的难题就是对红外激光器 模场( 1 3um 和1 5um ) 的光强具体分布无法测量。一些电扫描成像装置可以获得模场 光斑的外形，但光斑内的光强分布却无从知晓。耦合理论告诉我们，高的耦合效率就要 求耦合时激光器和光纤的模场更为相似。如果能有一套实验装置将模场的具体光强分布 描绘出来，用来校对耦合时的激光器模场和微透镜模场的相似程度，同时根据模场匹配 的要求，对光纤端头微米量级的微透镜进行精确设计，并通过有效手段对加工过程进行 测量和控制，对其性能给出准确的评价，那将大大推动微透镜加工工艺的进步。 此外，该方面的研究中，国内还未见用于光纤微透镜设计的专用软件，更缺乏对耦 合性能观测评价的手段，研究工作难以深入进行。如能研制出与超辐射光源耦合效率大 于3 0 、与高相干光源反射损耗优于5 0 d b ，且易于封装的光纤微透镜，则其在光纤陀螺 和光纤水听器中的应用前景就很诱人。同时，耦合性能的提高将大大推动光纤系统的发 展和推广光纤器件的应用。所以，光纤微透镜的应用前景是十分广阔的。 第6 页 里堕型兰垫查奎堂竺茎尘堕堂堡笙苎 一 - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ l _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ - - 一。 1 3论文的主要工作 作： 结合国内光纤微透镜研究领域存在的上述突出问题，本论文主要进行了以t 1 1 i 1 )对耦合理论和耦合模型进行了详细的阐述： 2 )并针对几种典型的微透镜面型展开分析和讨论，找出了影响耦合效率的关键 因素； 3 )设计并搭建了一套微完整的微透镜辅助测试系统； 4 )编制了配套的微透镜设计软件。 第7 页 一 里堕型堂垫查盔兰婴塞生堕堂垡笙苎 第二章半导体激光器到光纤的耦合理论 2 1引言 半导体激光器到光纤的耦合，主要有光线追迹法和模式耦合法两种理论【2 0 1 。对于芯 径远远大于传输波长的多模光纤，可以采用光线追迹法。其主要思想是，将半导体激光 器发出的高斯光束分解为n 根光线，它们经过耦合系统后，最终只会有n ，根入射角小 于多模光纤数值孔径的光线进入到多模光纤的芯区并形成稳定的传输模式，因此耦合效 率定义为： n = 一1 0 1 0 9 n , n i ( d b ) 由于多模光纤的芯区半径远大于导波波长，可达1 0 0i j m ，而常用的长波红外半导体光 器波长也只有1 5 3um ，因而采用光线追迹法分析半导体激光器与多模光纤的耦合问题， 己具有足够的精度。 更为精确的耦合理论是模式耦合理论，它普遍适用与各种场合，如光纤到光纤的耦 合，光波导到光纤的耦合，以及波导之间的耦合等。我们将半导体激光器和光纤的光场 用模式波来描述，如果在任意截面上二者的模场分别为1 l ，。、1 l r ，则有祸合效率公式： 7 7 = i ，yj 出砂l2 ( p ，i 出砂i y ，i 2 出砂) 该式全面地考虑了各种损耗因子，是精确计算耦合效率的公式，但是由于我们对模场的 描述是近似的，所以才导致计算结果和实验值的差别，下面就详细讨论模式耦合理论。 2 2半导体激光和光纤的模场模型 单模光纤的模场可以很好的近似为圆对称高斯分布，模场半宽的典型值是5 u m 擞值 孔径( n a ) 约为o 1 ，收光全角为8 1 2 。，模场描述如下2 ： ，( 工，y ，z ) = e ，o o 0 3 ，( z ) 】e x p ( 一汜) e x p ( 一p2 国，2 ) e x p 一i k ( p2 2 尺r ) 】 其中，模场半径u “z 卜u “1 + ( z ) 2 】”， 波前曲率半径r “z ) = z 【l + ( 甜z ) 2 】， 共焦参数z f o = 0 2 ， 束腰半径( ) m = a ( o 6 5 + 1 6 1 9 v 15 + 2 8 7 9 v 6 ) ，v 是光纤归一 化频率，a 是光纤的纤芯半径。 模场半径c a ) 的含义是在位置z 处的横截面上，距离光强是最大值的中心的u 处，光 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 强下降到为原来l e 2 。共焦参数z o 的含义是，在距离束腰7 - 0 位置处的截面上，各点光 强都下降为束腰处的一半。从上式可知，圆高斯光束的等相位面是旋转抛物面。 高斯光束q 参数定义如下： l q = i r ( i a ) ( 丌2 ) = l r - ( i o ) ( 兀u2 n ) 则光纤模场也可表示为： y ，( x ，y ，z ) = e 0 【o j o c o ，( z ) 】e x p 一i k z i k p2 ( 2 q ，) 】 半导体激光器的输出光束，可以近似看成束腰在输出端面上的高斯光束，其模场有 显著的特点： 1 )近场分布不对称，平行与p n 节平面方向束宽大与垂直方向束宽； 2 )远场光斑不对称，垂直方向束宽大于平行方向： 3 )有着很大的光束发散角， 半功率发散角( f w h m ) 分别为1 0 3 0 。、3 0 5 0 。 考虑一般性，用椭圆高斯光束描述： 妒，( 戈，y ，z ) = ，o 国yo ，( z ) 。( z ) 1 72 e f 0e x p ( 一渤) e x p 一工2 ；( z ) 一y2 ；( z ) 】 e x p i 2 【喀“( z ，z ，o ) + 喀“( z zyo ) ) e x p 一r k 【小) + 乡磊小) 】) z 。、u 、r 的定义和光纤模场的一样，只不过有x 和y 两个方向的值。 定义附加相移( z ) = l 2 1 t g ( z z 。o ) + l t g ( z ，) ，上式用q 参数表示为： y ，( x ，y ，z ) = 【。，o yo ，( z ) 。( z ) 2e x p f 占( z ) 】 e ，oe x p ( 一腩) ( z + x 2 2g ，+ y2 2q 。) 】 取典型值 m = 5 “m ，( ) 。o v 0 = 1 0 = 1u m ， 0 2 1 5 um t n 1 = l ，玛= n = 1 5 ， 得到 z f o = 7 8 5 “m ，6 0m ( z m ) = 7 0 7um ，r ( z f o ) = 2z f o = 1 5 7um ， 。2 1um ，t a ) m ( z l o ) _ 2 9 6 1m ，r ( z m ) = 2z i o = 4 2pm ， 上述结果表明，高斯光束腰斑半径越小，光强发散的速度越快，光强下降的也越快， 其实这个结论可以由高斯光束的远场发散角公式得到：0 = u 。，即腰斑半径越小， 其发散角越大。 第9 页 里堕型兰垫查查堂要塞生堕兰垡鲨塞 2 3耦合效率计算 将1 l r ，、v ，代入耦合公式得到理想耦合效率乜2 1 ： 叩o = 4 ( ，珊，4 - ，珊，) 24 - ( 删，珊，z ) 2 ( 1 j r ，一l r ，) 2 】- 1 坨 【( c oy 功r + 珊，) 2 + ( 彻y ，a ) 2 ( 1 r ，一l r ，) 2 】一2 从上式可以看出，高斯光束的主要特征参数，也就是q 参数，它包含了腰斑半径u 和等相位面曲率半径r ，在没有经过透镜变换的情况下，q 参数唯一的决定了祸合效率。 另外，上式也给出了最佳耦合的条件，如果耦合时半导体激光器和光纤的模场参数都一 样，模场半宽和波前曲率半径都相等，即u 。= m v - 。r 。= k = k 则耦合效率可以达到最 大值l ，u 。，偏离。，越远，或者r 、k 偏离r , - 越远，耦合效率就越低。 耦合发生在光纤端面上，该处取为光纤模场的束腰处，故k 为无穷，上式变为： r o = 4 【( 国，r4 - c o ，) 2 4 - ( 黝，a ) 2 r ：】“ ( ，甜r4 - r 彩，) 2 - i - ( 7 c oy ，五) 2 ry 2 】“ 当光纤和激光器直接在束腰处耦合时，采用上述典型值，最大效率也只有1 6 。若 能通过光学系统，将一个光场的参数转换为与另一个光场相近的值，那将有效地提高耦 合效率。这就是使用耦合光学系统，提高耦合效率的依据。 如果采用光纤微透镜进行变换，则新的损耗也被引入，就是透镜的边界是有限的， 不是所用的光都能被透镜变换。且透镜本身的反射也会降低耦合效率。 假设微透镜的尺寸为2 r 则其有效半径为p , - - n ，r h ，这里n ，、n 2 分别是透镜内外的 折射率，实际的耦合效率还应当乘上一个有效的透镜变换因子t ， r = 。“p ，| 2 pd 户。p ，i 2 pdp 其中透射率t 由近轴近似给出： t = 2 ( n l n 2 ) “2 ( n 1 + n 2 ) 将l l ，代入，则得到： t - - t 2 i1 - e x p ( 一2t o 。2 uf 2 ) 】 该式表明，当光纤的参数u ，以及透镜的折射率n 一定时，要求透镜的有效半径p 。也就 是透镜的实际尺寸r 越大越好，这点我们可以很直观地理解，透镜半径越大，则经过透 镜变换的光越多，因而耦合效率也越高。 实际耦合效率还应乘上透镜变换因子 r l = no t 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 4耦合损耗分析 半导体激光和光纤耦合，主要有以下几种损耗 2 ”： 1 ) 场型失配损耗 单模光纤的输出模场可以很好的近似为高斯场型，而l d 的模场分布总是一定程度的 偏离高斯场型，为不规则分布，且在水平和垂赢于结方向上不对称，造成损耗。由于不 同l d 的模场千差万别，因而很难从理论上准确分析，只能由实验测定，一般取o 5 l d b 。 2 ) 场分布非圆对称损耗 l d 输出场的非圆对称引起的损耗，由下式给出： - - 2 0 1 0 9 2 ( 、1 ) 】 式中，e = t , dx o uy 0 是l d 场分布的椭圆度。 3 ) 场半宽失配损耗 若l d 输出场分布近似用圆对称高斯分布来描述，并定义其输出光的束腰半径u 。= ( u 。u 。) 1 2 则由。和光纤, t o ，的高斯模场半宽不匹配所引起的损耗为： - 2 0 1 0 9 ( 2 ( ) 。( ) f ) ( ( - ) 2 ( i ) 2 d 】= - 2 0 1 0 9 2y ( y2 + 1 ) 】 其中，y = t , o t 0 。是模场半宽失配率。当( i ) 。= 1u m ，6 0 f - - 5 l ar n 时，直接耦合损耗可达 8 3 d b 。一般都通过透镜变换使模场半宽匹配后再进行耦合。 图2 - 1 模场失配损耗 上图反映了损耗与模场半宽失配率和l d 椭圆率关系，左轴是归化的损耗因子，对 应曲线一，右轴是对数表示的损耗，单位是d b ，对应曲线二。 4 ) 菲涅耳反射损耗 在光纤或透镜表面存在的菲涅耳反射引起的损耗可以通过合适的减反膜来消除。使 用膜系优化设计可使剩余反射率小于1 ，从而使单界面损耗低于0 0 4 d b 。 5 ) 像差损耗 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 像差损耗是耦合损耗的理论极限，即当上述各种损耗降到最小后仍存在的一种不可 消除的损耗。对于l d 和单模光纤的耦合，像差损耗可由下式精确地计算： i 1 2 2 0 l 。g ij y 。，“。y 品枷l 这里l 。是透镜系统的相干传递函数，1 l r 。，1 l ，。分别是l d 和单模光纤在透镜系统第一主 平面和第二主平面上的远场分布。 2 5耦合系统的光反馈对激光的影响 来自于光学祸合系统的光反馈是要尽量避免的。光学系统光反馈可以用它的有效光 功率反射率k 。来表征： k f rp i n p o m 式中，p 。为半导体激光器芯片的输出光功率：p 。为从光学耦合系统有效反馈进来的光功 率。有时也用光反馈系数n ，。来表示光反馈： 1 1f b = 一1 0 l g ( r ) ( d b ) 式中，r 为场反射系数。 由光学耦合系统与半导体激光器端面构成的复合腔的复合反射率为： r 。= l + 2 ( 1 k ) ( r e l k ) o 5 + c o s 巾 式中，民为无光反馈时的激光器端面反射率：由是激光器端面接受的反射光相对其输出 光的相位延迟。显然，当光学耦合系统沿轴向移动时，复合反射率因为由的不同而发 生变化，从而导致耦合系统输出光功率出现了抖动，如下图所示： 图2 - 2 由光学系统的光反馈引起的激光器输出功率的抖动 通常以工作电流不变时光学耦合系统输出光功率的抖动最大值ap 与平均值p o 之比( p 第1 2 页 里堕型兰垫查查兰塑壅生堕兰垒笙苎 一 _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ - - _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ l _ _ l _ i l - _ _ _ - _ - _ _ _ l _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ 一一 p o ) 来表示光学耦合系统的光反馈量的大小。 当半导体激光器的闽值功率很小时，根据外量子效率的定义可以得到 耻”篇 式中，hv 为光子能量；a 为半导体激光器的内部损耗；n 为激光器内量子效率；c 为光 速。所以有： 考虑到 因而有 。l ! ! s2 一 ( 川2i 乒意而而 ( 哦) 。= 4 ( 1 - r o ) 丽 ( a p r ，2 焉嚣怒 由上式可以看出( p p 。) 与光学耦合系统的等效外腔功率反射率k 。有密切的关系，因 而它直接反映了光反馈的强弱。 此外，还可以用半导体激光器耦合前后的阈值变化来表示耦合系统的反馈。在无附 加外腔时， r 。= r ：= k 。当半导体激光器与光学耦合系统耦合后，外腔效应使得r = r 。， 这将导致激光器阈值电流发生变化，其改变量为 ，n = 丽d w i n ( r , r o ) 式中，d 和w 分别是半导体激光器的有源区厚度和宽度：r 为模场的限制因子；a 代表 某一温度下增益与电流密度关系曲线的斜率。因此，只要从实验上测定耦合前后的阈值 变化最大值，就可以确定有效反射率r 。或光反馈系数r tf b 。 2 6典型微透镜耦合效率分析 2 6 1 球型微透镜 高斯光束从束腰处( 半导体激光器端面) 出发，经过一段距离u 的自由传播，再经 过微透镜变换，又在介质n 中自由传播了一段距离d 后，耦合入光纤，如下图所示： 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 r 。时，有两个最大值，关于 ( j f l ，j f j ) 对称。 实际上d 的取值不可能大于2 r 从工艺技术的复杂性考虑，常用的也都是半球形微透 镜，因而，针对典型值的最大耦合效率只有7 4 。 2 6 2 锥型微透镜 对于锥型微透镜，我们仍按照上述方法，首先推导高斯变换距阵。 图2 - 1 0锥型微透镜高斯矩阵推导 如上图所示，设锥角为0 ，光线以( p ，q ) 入射到锥面，以( p ，) 出射。则入射角为n 2 ( 0 一a ) ，出射角为2 ( 0 9 ) 。根据折射定律有： s i n 2 ( 0 a ) - - n + s i n 2 - ( 0 0 ) 】 作近轴近似s i nq = q ，s i n b = 1 3 有： 1 3 = c t go + ( 1 - n ) ( n + p ) + q n 又pl = p 2 = p 可以得到锥形微透镜的高斯变换矩阵为： 吖：f 101 l ( 1 一九) c 培o l ( n + 户) 1 1 n j 高斯变换矩阵含有变量p ，即高斯矩阵随入射光束在锥面上的位置不同而不同，所以不能采 用高斯矩阵法求祸合效率。 实际上我们可以采用相位传输因子来描述锥型微透镜的变换作用，选取过锥心的一 条水平光线为参考光路，则得到其他光路的相位变换因子： vo ( p ) - e x p i k ( n l - n 2 ) pc t g0 】 半导体激光器模场和光纤本征模场仍采用高斯场来描述，为简化讨论，这里我们仍 把半导体激光器模场当成圆对称高斯光束。不难想象，耦合效率应当是激光器到微透镜 第1 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的距离u 和锥角0 的函数。耦合时二者的模场分别为： 矿，( p ，“) = e ( “) e x p ( 一p 2 0 3 ，2 。) ，( p ，“) = e l ( u ) e x p ( 一p2 c o t 2 ) e x p 一i k ( p2 2 r ，) + y 口( 尸) 代入耦合效率公式，即可求得祸合效率和距离u 锥角0 之间的关系。具体的推导相 当复杂，积分对象是一复变函数，无法积出具体的表达式，只能借助计算机针对具体的 数据算出相应的结果。 在典型值情况下，当0 = 6 1 。时，取得最大耦合效率8 3 6 ，该结果没有考虑反射损 耗，实际值应当小于该值。 下图是用扫描电镜拍摄的尖锥端光纤头的照片【2 4 i ，( a ) 的放大倍率为1 0 0 倍，( b ) 的放 大倍率为1 5 0 0 倍，甚至可以看见尖锥面还有一些突起小包。 图2 1 l 扫描电镜拍摄的尖锥端光纤头照片 2 6 3 椭球型透镜 对于一些特殊的激光器，如超辐射激光器，由于其输出模场在x 、y 两个方向上的很 不对称，椭圆度可达5 ：1 ，就不能用圆对称高斯光束来近似了，而需采用一般的椭圆高 斯光束来描述。 设微透镜在x y 方向上的曲率半径分别是r x 和r v ，对两个方向分别进行高斯变换： 1 q 2 ( ) = ( c ( ) + d ( q ( ) ) ( w ) + b ( q ( ”) ) 高斯变换矩阵中的各个元素都有x y 两个方向的值。 代入一般耦合效率公式，可得到一个关于距离u 透镜厚度d 以及透镜曲率半径l 和r v 的 函数式。还应当注意，椭圆透镜的转换因子t 也有变化： t - - t 2 1 一e x p ( - 2p 。t o ，( 0f 2 ) 】 取u 。= l l a m ，】v 。= 0 8 和o 2 1 a m ，其它参数仍未前述典型值，并取透镜的厚度 d = m i n ( r x ，r y ) ，u = 1 0 i t m 得到耦合效率函数图： 第2 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 1 2 椭球型微透镜参数同耦合效率的关系 当( jy 0 = o 8 1 a m 时，极值点是：r x = 7 2 0 1 x m ，r y = 6 9 5 t a m ，u = 1 34 4i x m ，此时耦合 效率为6 7 9 ，当u 。o = o 2 1 a m 时，极值点是：r 、= 6 1 6 1 a m ，r v = 5 5 0 l x m ，u = l o 8 9g m ， 耦合效率为2 4 1 。耦合效率的图像好像两堵相交的墙。随着激光器模场的椭圆率的增 加，最大耦合效率下降很块。 如果直接耦合，u = o 8 1 a m 时耦合效率为1 1 5 ，uv 0 = o2 9 m 时为2 9 5 ，可见椭 球型微透镜的效果还是很明显的，但是耦合效率还是不够理想。主要是因为激光器模场 y 方向上的腰斑半径同光纤模场的差别太大，即便是通过微透镜变换也不能取得高的耦 合效率。比如激光器的输出模场为圆对称高斯光束，腰斑半径为u 。= 0 2 1 a m ，其他参数 仍采用典型值，通过半球形透镜耦合，最大耦合也只有l o3 。 2 7结论 阿巍接祸合相比，通过微透镜耦合使得祸合效率有很大幅度的提高，通常是儿倍到 儿f 一倍) 。且当光纤模场同半导体激光器模场的束腰半径相差不是太远时，耦合效率的改 静相当明显。如比值小于5 ：1 ，耦合效率高于7 0 。而当模场的束腰半径相差太远时， 通过微透镜使耦合效率提升的倍数较高，但是耦合效率还不够理想。 半导体激光同光纤的耦合效率有两项因子：理想耦合效率和透镜的转换因子，二者 并不同时到达最大值。达到理想耦合最大时，透镜的半径通常偏小，而为了让尽可能多 的光通过微透镜变换，又要求透镜的半径越大越好，这个矛盾随着光纤同激光器模场束 腰：仁径比值的变化而变化，= 者比值离越远，矛盾就越尖锐，则耦合效率也越低。 在各种损耗中，模场失配损耗是主要因素尤其是在半导体激光器模场具有显著的 国防科学技术大学研究生院学位论文 不对称性时，该损耗尤为突出。菲涅尔反射损耗对半导体的激光器输出光性能有很大的 影响，即便是很弱的反射也会引起激光频率漂移和光功率的抖动，从而破坏激光的单色 性和稳定性。可以通过减反膜系来消除这种影响。 一一 里堕型堂垫查盔堂婴茎尘堕堂垡笙塞 一一 _ - - _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - 。一 第三章光纤微透镜测试系统 3 1测试系统原理 根据模式耦合理论，半导体激光器和光纤的耦合，实质上是模场匹配的问题。二者的 模场越相似，光强分布越接近，则耦合效率愈高。微透镜所起的作用也就是将半导体激 光器的模场变换为与光纤模场更为匹配的模场，或者说，经过微透镜变换后的光纤模场， 能同半导体激光器模场更好地耦合。这是光纤微透镜测试系统的理论基础。 前面我们已经从理论上详细地讨论了微透镜参数和耦合效率之间的关系，并给出了 不同面形的微透镜对高斯光束的变换公式，这些公式可以指导我们进行微透镜的最优设 计。但实际上不同的半导体激光器的场分布是千差万别的，而且激光模场的高斯描述只 是一种近似，实际的光场总是或多或少的有偏离。为了能使之同光纤更好的耦合，我们 还需要知道它的具体的场型，也就是光强分布的图样，以及它经过光纤从微透镜出射后 的光强分布，如果前后变化很大的话，那么耦合效率就不会高。另外，在n - r 微透镜时， 我们也需要知道它对半导体激光器模场的椭圆度校正、以及腰斑半径放大的具体情况， 这样也能有目的的对微透镜加工做及时的修正。 要得到l d 或光纤的模场光强分布，就必须对模场进行二维探测，对可见光波段，可 方便地用可见光c c d 来进行模场测量，但在1 3 t t m 和1 5 1 t m 的红外波段，国内尚无c c d 探测器件，而国外此类器件对我国又是禁运的，为进行红外波段l d 和光纤模场的测量， 我们研制了微透镜测试系统，其实质上是模场扫描装置加数据处理系统。用线阵光电探 测器，扫描半导体激光器的模场和经微透镜变换后的光纤模场，通过比较二者模场的光强 分布，监测微透镜的加工，指导微透镜参数的修正。其基本原理就是模式耦合理论：两 个模场发生耦合时，他们的参数越相近，耦合效率越高。 3 2测试系统的结构 测试系统主要包括线阵列光电探测、扫描步进机构、多路信号放大、数据采集和分 析以及图像处理等几个主要部分。其结构框图如下： 第2 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 - 1 测试系统结构框图 光从半导体激光器出发，经过光纤后从微透镜端出射，其光场被线阵探测器扫描，产 生的电信号放大后经数据采集卡转换为数字信号送入微机，在微机上对这些数据进行分 析处理，最后给出光场场强分布的三维图形。当扫描激光器模场时，就不经过光纤和微 透镜了，即图中的虚线框部分去掉了。 3 3测试系统的几个关键部件 ( 1 ) 稳压电源 探测装置的外接电源是标准的5 0 h z 、2 2 0 v 的交流电，而其内部的多个部件都需要 直流稳压电源，为此专门设计了稳压电源，稳压电路如下图所示： 图3 - 2 稳压电源电路图 第2 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 该电路是典型的有正负输出的稳压电源，提供1 2 v 、5 v 的直流电压，1 2 v 给 集成运放供电，+ 5 v 给激光器和测试系统的电源信号灯供电，最大输出电流都是1 a 。 ( 2 ) 探测扫描的步进驱动 采用线阵光电探测器来扫描模场，就需要有步进装置来驱动探测器。在测试系统中， 我们使用的是1 6 元的线阵探测器，步进装置是由微机5 寸盘软驱的驱动部分改制的，驱 动电路如下： 图3 3 步进电机驱动电路 探测器单元间距2 2 6 m m ，步进电机单步0 5 5 r a m ，可步进4 0 步，扫描范围3 3 9 * 2 2 m m 2 。 ( 3 ) 探测放大电路 由于光纤信号比较弱，因而放大电路采用两级负反馈电路。一共十六路，每个探测 器一路，单路电路图如下： 莹 图3 - 4 探测放大电路 第2 5 页 孚暑 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 4 ) 采集和模场图形显示 数据的采集和模场的图形显示，具体的工作就是编程。实际采用的编程语言是c + + ， 其特点是语言稍难，但程序效率较高，可生成脱离开发平台的可执行程序。且能直接对硬 件进行操作，正好适合对数据采集卡编程控制。但它的图形编程太复杂，尤其是三维图 形的显示，可能需要专业知识。因此，我们避开了这个问题，直接调要m a t l a b 的绘图 函数，也就是在v c 中插入m a t l a b 语句，最后仍生成独立的可执行文件。其中用到了一 种工具m a t c o m ，该工具使得在v c 中调用m a t l a b 语句非常容易，可从互联网址 h t t p ：w w w m a t h t o o l s c o m 处下载该工具。 3 4微透镜测试系统的优点 微透镜测试系统给我们在光纤微透镜实验方面带来了巨大的帮助，为微透镜的加工 提供了一种有形的可视的监测手段。通过比较激光器和微透镜的模场，我们就可以有根 据地修正微透镜的面形参数，从而快速有效地提高耦合效率。另外，由于采用了自行设 计的稳压电源，提高了测试系统的集成性。该测试装置可直接使用2 2 0 v 5 0 h z 的交流电， 输出1 - 1 0 0 m a 的可调电流给半导体激光器供电。和微机上的数据采集卡通过标准的2 5 芯接头通信。线列探测器固定在步进电机上，探测信号和步进电机控制信号也从测试系 统的2 5 芯接口引出。最后整个测试系统组装成一台仪器，使用起来很方便。 由于微透镜的尺寸是微米量级，要对其结构参数进行直接测量是非常困难的，而微 透镜测试系统则能通过对其模场的测量间接确定透镜的结构参数，只要知道探测位置的 光束半宽和到束腰的距离，就可求出束腰半径，继而确定共焦参数、发散角，以及任意 位置的光斑半径、等相位面曲率半径和附加相移。 国内以往的些红外激光的模场扫描装置只能扫描出模场的轮廓，如一些电扫描成 像装置，激光通过散射屏后被探测接收，最后显示的光场图样是一光斑，而光斑内部的 光强分布却不知道。而我们的测试系统却能给出光强分布的细节，通过扫描获得光强分 布的点阵，再插值拟合出光强分布的三维图样。该套系统对光纤微透镜实验研究有着极 其重要的意义。下图是用该测试系统采集的1 5 31 1m 超辐射半导体激光器模场的光强图 样： 第2 6 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 图3 - 5 实测s l d 模场光强分布图 左边是侧视图，右边是俯视图，由图上可以看出，激光器的光斑是一椭圆，在两个 方向上都大致服从高斯分布，尽管图像还有毛刺，但结果基本符合实际。 第2 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第四章光纤微透镜实验工艺及软件设计 4 1微透镜的加工要求 如何评价光纤微透镜的好坏昵? 一个好的耦合系统应当满足以下几个方面的要求： ( 1 )高耦合效率。就一定的输出光功率而言，耦合效率越高，半导 体激光器输出光的利用率越高，这样，在光纤通信系统中可以得到更长的无中继传输距 离，在光纤探测系统中又能提高灵敏度。 ( 2 ) 弱的光反馈。由于光学耦合系统中至少存在两个光学界面，因 而进入耦合系统的光束就会在光学界面上产生反射，反射光的一部分光将返回半导体激 光器的有源区，形成附加的外腔反馈。尽管这种光反馈很弱，但对于内增益很高的半导 体激光器而言，己足以引起输出光功率抖动和激射波长漂移等现象，严重影响激光器的 正常工作。 ( 3 ) 大的l d b 失调容差。光学耦合系统的1 d b 失调容差定义为，当 耦合系统与半导体激光器之间出现轴向、横向、侧向和角向偏移，从而使祸合效率从最 大值下降了l d b 时的位置偏移量。l d b 失调容差对于实用化的光学耦合系统来说是一个 重要的衡量指标，因为任何半导体激光器组件中都存在如何将耦合系统与半导体激光器 芯片相对固定的问题，也就是封装，光纤也不例外，现在市场上出售的许多半导体激光 器都带有尾纤。无论采用何种方式固定，都不可避免地存在由于封装技术不完善及环境 因素变化而造成的位置失调现象。一个光学耦合系统具有较大的失调容差就意味着该系 统在封装时允许出现较大的位置失调，因而可以采用结构简单、定位精度不太高的低成 本封装技术。 ( 4 ) 间单可靠的制作工艺。从生产角度考虑，祸合系统必须具有良 好的工艺特性，如工艺过程简单、无需特殊设备，制作重复性好，生产周期短以及成本 低廉等；此外还要求耦合系统结构简单、微型化、稳定性好。 4 2微透镜的加工工艺 随着光刻、蚀刻和激光微加工工艺的发展，近些年来，在光纤端面上直接加工出各 种形状的微透镜以实现和半导体激光耦合的方法已有很多报道【2 5 - ”1 。一种简单的光纤头 处理技术是将透镜直接制作在光纤头端面上，这种