第卷增刊光子学报４０Ｖｏｌ．４０Ｓｕｐ．１２０１１年１２月ＡＣＴＡＰＨＯＴＯＮＩＣＡＳＩＮＩＣＡ２０１１文章编号：１００４－４２１３（２０１１）ｓ１－００８１－４基于Ｚｅｍａｘ半导体激光器与单模光纤耦合系统设计王海林，张登印（南京理工大学理学院，南京２１００９４）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了改进，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．关键词：半导体激光器；光纤耦合；Ｚｅｍａｘ；Ｏｒｉｇｉｎ中图分类号：ＴＮ２４８．４文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ｇｚｘｂ２０１１４０ｓ１．００８１０引言１耦合系统设计半导体激光器已经发展到一个比较成熟的阶单模光纤纤芯半径很小，只能传输一种模式的段广泛应用于光纤通信光纤传感等［１－２］半导体激光单模光纤纤芯旋转对称的高斯分布的，、．（ＨＥ１１）．，光器（，）与单模光纤（基模场也是旋转对称的其表达式为ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅＬＤＳｉｎｇｌｅ－Ｍｏｄｅ（ＨＥ１１），Ｆｉｂｅｒ，ＳＭＦ）的耦合系统对现代大容量长距离光纤２（）ｒ（）通信系统密集波分复用系统ψｒ＝Ａｅｘｐ－１———（Ｄｅｎｓｅ［］（）ｗ０掺铒光为场的振幅为纤芯的径向长度单模ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ，ＤＷＤＭ）、Ａ，ｒ，ｗ０纤放大器（Ｅｒｂｉｕｍ－ＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＥＤＦＡ）、光纤的模场半径．光纤有线电视系统等十分重要［３］．目前，半导体激光半导体激光器的输出光场可以分别用远场特性器与多模光纤耦合的研究已经发展到一个成熟阶和近场特性描述［３］．单模半导体激光器的有源层截段［４－６］，耦合方式有：倒锥透镜型光纤端头［７］、球透镜面为狭长的矩形，有源层截面的不对称决定了初射［］［］［］耦合８、铲形光纤９－１０、透镜耦合１１等，耦合效率达光束远场发散角的不对称．在快轴方向（垂直于ｐ－ｎ到８０％左右．由于多模光纤纤芯直径远大于半导体结方向），由于狭缝的作用，初射光束发生较强衍射，激光器有源层发光端面线度在设计耦合系统时假，在远场形成较大的发散角；慢轴方向（平行于ｐ－ｎ结设半导体激光器为点光源，是正确的．单模光纤纤芯方向），由于有源层截面在这方向上尺寸相对较大，直径与半导体激光器有源层发光端面线度差不多，所以衍射作用比较小，出射光束的发散角也较小．由为微米量级，此时如果还将激光器发光面近似成点于半导体激光器在快慢轴上的发散角不同，造成远光源是不合适的本文在非序列中建立的半．Ｚｅｍａｘ场光强分布不对称，如图１．经过一段距离之后ＬＤ导体激光器模型考虑了激光器发光面的大小，在Ｚｅｍａｘ纯非序列中，运用非球面镜透镜模拟设计半导体激光器与单模光纤耦合系统，耦合效率大于５４％．借助Ｚｅｍａｘ和Ｏｒｉｇｉｎ软件得出了单模光纤与耦合系统对接出现误差情况下的耦合效率变化曲线．图１半导体光源Ｆｉｇ．１ＴｈｅｂｅａｍｏｆＬＤ第一作者：王海林（１９６１－），男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为激光应用技术、光纤应用技术等．Ｅｍａｉｌ：ｈａｉｌｉｎ＠ｍａｉｌ．ｎｊｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯作者：张登印（１９８７－），男，硕士研究生，主要研究方向为光学设计．Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｄｅｎｇｙｉｎ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ收稿日期：２０１１－０３－１８；修回日期：２０１１－０６－０８２８光子学报４０卷的模场分布为：图３中第一块透镜和第四块透镜是非球面镜，１第二块透镜和第三块透镜是互相垂直的柱面镜设２．，，Ａ１（）ｗ０ｘｗ０ｙ·ψ（）ｘｙｚ＝１２计思路是第一块透镜和第二块柱面镜对慢轴准直；［］ｗｘ（ｚ）ｗｙ（ｚ）２２第一块透镜和第三块透镜对快轴准直；最后一块透ｘｙ·ｅｘｐ－（）－（）镜将光束耦合进光纤四块透镜均为材料并且［］（）ｗｘｚ（）ｗｙｚ．Ｋ９，ｉｋｘ２ｉｋｙ２每块玻璃都镀上了增透膜为得到精确的结果，设计ｅｘｐ－－·．２Ｒｘ（ｚ）２Ｒ（ｚ）［］ｙ时默认光纤包层的属性为Ａｂｓｏｒｂ．最后，在光纤末ｘ（ｚ）＋（ｚ）ｅｘｐ（－ｉｋｚ）ｅｘｐφφｙ（２）端放置一个探测器，探测器的大小是１０ｍ×１０ｍ２μμ［］正方形属性为通过非系列中光线式中和分别为在和方向出射端面，Ａｂｓｏｒｂ．Ｚｅｍａｘ：ｗ０ｘｗ０ｙＬＤｘｙ