光纖和半導體激光器耦合的實現方法

許貴陽 華顯立

摘 要：光纖和半導體激光器耦合技術的高低直接決定了EDFA技術性能，本文通過論述半導體激光器與光纖耦合的理論，進一步研究分析半導體激光器和光纖耦合的方法，進而在一定程度上為光纖和半導體激光器耦合技術的發展提供參考依據。

關鍵詞：光纖；半導體激光器；耦合方式

0 引言

半導體激光器自1962年問世以來發生了極大地變化，有力的推動了現代科學技術的發展。半導體激光器具有光電轉換效率高、體積小、重量輕、耗電少且價格低等優點，因而廣泛應用于廣泛使用于光纖通信、激光測距、激光打印、激光掃描、激光指示器以及航空航天等重要領域。對于半導體激光器來說，受自身結構特點的影響和制約，進而在一定程度上降低了半導體激光器的出射光束的質量，不僅在垂直和平行于PN結兩個方向上的光束不對稱，而且存在有很大的發散角，另外，對驅動電源要求比較高，進一步增加了實際應用的難度。對于半導體激光器來說，光纖和半導體激光器的耦合技術能夠對其光束進行整形、準直、變換，同時能夠耦合到光纖中，這樣就可以輸出對稱并且亮度較高的光束。

1 光纖與半導體激光器的耦合方式

通常情況下，光纖與半導體激光器的耦合方式可以分為：（1）光纖與激光器不經過任何系統進行直接耦合。（2）將透鏡、棱鏡等光學零件插入激光器和光纖之間的方法，即分離透鏡耦合法。在光纖與半導體激光器進行耦合的過程中，無論哪種方法，其耦合的目的都是對半導體激光器輸出的光場進行整形，進而在一定程度上使得入射光場與光纖本征光場分布實現最大限度的匹配。

1.1 分離透鏡耦合

在耦合系統內部，各光學零件之間與光纖以及耦合系統都是相互分立的，在這種情況下，對于半導體激光器、耦合系統和光纖之間的共軸準直性要求比較好。在封裝的過程中，采用一些加工精度較高的支承件固定各光學零件，在一定程度上確保較好的準直性，但是這樣做法增加了成本，并且尺寸比較大。在系統中，一般將光學零件的尺寸控制在毫米量級，進一步減小其體積，這在無形中增加了加工的難度，同時成本比較高。但是，這類耦合系統的優點是，通過精確設計和加工可以最大限度地改善光束非圓對稱性、消除像差影響、減少反射損耗，從而實現高效率耦合。下面分別對分離透鏡耦合系統進行介紹。

（1）單球透鏡耦合

這種耦合系統通常是由單個球透鏡構成，與其他透鏡相比，由于球透鏡本身的圓對稱性，進而使得裝配異常簡單。對于單個球透鏡來說，由于其焦距與球差成正比，進而在一定程度上可以通過減小球差的方式，進一步提高耦合效率，同時這也是該耦合方法的關鍵所在。為了進一步消除球差的影響，在這種耦合系統中，對球透鏡要求比較高，主要表現為折射率高、焦距短等。對于這種耦合方式來說，激光器與透鏡之間的距離，以及光纖與透鏡之間的距離決定了耦合的效率。

（2）利用自聚焦透鏡

通常情況下，自聚焦透鏡是在圓柱狀玻璃基棒內，借助離子交換技術產生徑向的折射率制成的，這種耦合系統通過折射率的漸變分布進一步實現聚光能力，并且透鏡長度決定焦距。對于平端自聚焦透鏡來說，由于球差較為嚴重，進而使得聚光斑較大，通常情況下，可以將前端研磨成球面，進而在一定程度上對透鏡的球差進行補償，耦合損耗一般可以降為1 db。對于自聚焦透鏡來說，其外形尺寸比較小，孔徑比較大，損耗比較低，但是，需要精密測量和復雜計算，才能進一步優化透鏡的折射率分布，并且在加工透鏡的過程中，需要精密研磨曲率球面，進一步增加了制作難度和成本。

（3）利用組合透鏡

在許多光纖耦合系統中，為了進一步提高耦合效率，通常情況下，利用球透鏡、柱透鏡、自聚焦透鏡，以及錐形光纖等進行相互組合。通過透鏡組合可以大幅度提高耦合效率，一般超過75%。但是，在裝配過程中，需要借助專用精密夾具進行精密的調整，進而在一定程度上增加了工作的難度，同時在封裝階段要求也比較高。

1.2 光纖直接耦合

對于光纖直接耦合來說，通常情況下，主要包括平端光纖直接耦合和對光纖進行加工耦合兩種，例如在光纖的端面制造球形、錐形等。這種耦合系統的優勢主要表現為靈活方便，加工制作簡單，并且易于集成封裝，憑借該優勢，光纖直接耦合系統得到廣泛運用。

（一）平端光纖直接耦合

所謂平端光纖直接耦合就是將經過處理的端面平頭光纖直接對向半導體激光器的發光面。通常情況下，光源的發光面積和光纖芯徑總面積的匹配，以及光源發散角和光纖數值孔徑角的匹配等是影響耦合效率的主要因素。對于半導體激光器和光纖來說，由于彼此之間的模失配現象比較嚴重，所以采用平端光纖的方式進行直接耦合，但是這種耦合方式損耗比較大，并且耦合效率低。

（二）球形端面光纖直接耦合

通常情況下，通過多種方式都可以獲得球形光纖端面，比較典型的如：（1）在光纖端面上制造一個樹脂的半球透鏡，這種方案比較簡單；（2）在光纖的端面燒制特殊形狀的端球，一般可以采用電弧、氣體火焰或者大功率激光器充當燒制的熱源，這種方案比較實用。在熱源的作用下，光纖端面熔化后經過自然冷卻，在表面張力的作用下，進而在一定程度上就會形成各種不同弧度的圓球形端面，并且熱源的溫度、光纖與熱源之間的距離等因素決定著圓球的曲率半徑。在耦合過程中，采用球形光纖端面一方面可以提高半導體激光器與光纖的耦合效率，另一方面可以通過實驗光路進行調試。

（三）錐形光纖直接耦合

腐蝕、磨削和加熱是制作錐形光纖主要方法。其中，腐蝕、磨削是通過將光纖包層制成錐體，進而使芯徑保持不變，而加熱是通過電弧放電或者熔融拉錐機的方式進行加熱，進而在一定程度上使纖芯與包層一起成比例地拉伸，進一步形成一定長度和錐度的錐體。通常情況下，利用這兩種方法得到的錐形光纖系統，其特性存在一定的差異。而通過加熱方式制造的錐形光纖，其芯層同樣是錐形結構，但是這種結構的耦合效率比較高，同時通過增大錐角可以獲得更大的耦合效率，并且最佳工作距離也隨之不斷減小。

（四）錐端球面透鏡直接耦合

錐端球面微透鏡在目前所有的耦合方法中應用范圍最廣。其制作流程為：首先將光纖端部制成錐形，進而在一定程度上減小端面半徑，然后在錐端形成微透鏡。通常情況下，形成微透鏡的方法，主要包括：（1）直接電弧拋光、整形；（2）對錐端進行處理，然后將其浸入到熔融高折射率玻璃中，同時對浸入的深度、時間等進行控制，進而得到不同大小、不同形狀的錐端高折射率微透鏡。

2 結論

本文通過對實現半導體激光器與光纖耦合的方法進行研究、分析。其中，憑借自身結構緊湊、制作簡單、成本低廉，并且耦合效率高的優勢，光纖微透鏡直接耦合技術得到廣泛的應用。但是，這種耦合技術存在偏移容差最小、難于調整、缺乏穩定性等弊端，并且在手工制作時，重復性比較差。除此之外，隨著集成光學、二元光學的不斷發展，使得獲得成本較低，同時能夠消球差特性良好的微透鏡成為可能。同時，通過對LD本身的結構、工藝等進行改進，在一定程度上對其光束特性進行改善，進一步降低耦合損耗，進而豐富完善了光纖和半導體激光器的耦合方法。

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