光纤和半导体激光器耦合的实现方法

    许贵阳 华显立

    摘 要：光纤和半导体激光器耦合技术的高低直接决定了EDFA技术性能，本文通过论述半导体激光器与光纤耦合的理论，进一步研究分析半导体激光器和光纤耦合的方法，进而在一定程度上为光纤和半导体激光器耦合技术的发展提供参考依据。

    关键词：光纤；半导体激光器；耦合方式

    0 引言

    半导体激光器自1962年问世以来发生了极大地变化，有力的推动了现代科学技术的发展。半导体激光器具有光电转换效率高、体积小、重量轻、耗电少且价格低等优点，因而广泛应用于广泛使用于光纤通信、激光测距、激光打印、激光扫描、激光指示器以及航空航天等重要领域。对于半导体激光器来说，受自身结构特点的影响和制约，进而在一定程度上降低了半导体激光器的出射光束的质量，不仅在垂直和平行于PN结两个方向上的光束不对称，而且存在有很大的发散角，另外，对驱动电源要求比较高，进一步增加了实际应用的难度。对于半导体激光器来说，光纤和半导体激光器的耦合技术能够对其光束进行整形、准直、变换，同时能够耦合到光纤中，这样就可以输出对称并且亮度较高的光束。

    1 光纤与半导体激光器的耦合方式

    通常情况下，光纤与半导体激光器的耦合方式可以分为：（1）光纤与激光器不经过任何系统进行直接耦合。（2）将透镜、棱镜等光学零件插入激光器和光纤之间的方法，即分离透镜耦合法。在光纤与半导体激光器进行耦合的过程中，无论哪种方法，其耦合的目的都是对半导体激光器输出的光场进行整形，进而在一定程度上使得入射光场与光纤本征光场分布实现最大限度的匹配。

    1.1 分离透镜耦合

    在耦合系统内部，各光学零件之间与光纤以及耦合系统都是相互分立的，在这种情况下，对于半导体激光器、耦合系统和光纤之间的共轴准直性要求比较好。在封装的过程中，采用一些加工精度较高的支承件固定各光学零件，在一定程度上确保较好的准直性，但是这样做法增加了成本，并且尺寸比较大。在系统中，一般将光学零件的尺寸控制在毫米量级，进一步减小其体积，这在无形中增加了加工的难度，同时成本比较高。但是，这类耦合系统的优点是，通过精确设计和加工可以最大限度地改善光束非圆对称性、消除像差影响、减少反射损耗，从而实现高效率耦合。下面分别对分离透镜耦合系统进行介绍。

    （1）单球透镜耦合

    这种耦合系统通常是由单个球透镜构成，与其他透镜相比，由于球透镜本身的圆对称性，进而使得装配异常简单。对于单个球透镜来说，由于其焦距与球差成正比，进而在一定程度上可以通过减小球差的方式，进一步提高耦合效率，同时这也是该耦合方法的关键所在。为了进一步消除球差的影响，在这种耦合系统中，对球透镜要求比较高，主要表现为折射率高、焦距短等。对于这种耦合方式来说，激光器与透镜之间的距离，以及光纤与透镜之间的距离决定了耦合的效率。

    （2）利用自聚焦透镜

    通常情况下，自聚焦透镜是在圆柱状玻璃基棒内，借助离子交换技术产生径向的折射率制成的，这种耦合系统通过折射率的渐变分布进一步实现聚光能力，并且透镜长度决定焦距。对于平端自聚焦透镜来说，由于球差较为严重，进而使得聚光斑较大，通常情况下，可以将前端研磨成球面，进而在一定程度上对透镜的球差进行补偿，耦合损耗一般可以降为1 db。对于自聚焦透镜来说，其外形尺寸比较小，孔径比较大，损耗比较低，但是，需要精密测量和复杂计算，才能进一步优化透镜的折射率分布，并且在加工透镜的过程中，需要精密研磨曲率球面，进一步增加了制作难度和成本。

    （3）利用组合透镜

    在许多光纤耦合系统中，为了进一步提高耦合效率，通常情况下，利用球透镜、柱透镜、自聚焦透镜，以及锥形光纤等进行相互组合。通过透镜组合可以大幅度提高耦合效率，一般超过75%。但是，在装配过程中，需要借助专用精密夹具进行精密的调整，进而在一定程度上增加了工作的难度，同时在封装阶段要求也比较高。

    1.2 光纤直接耦合

    对于光纤直接耦合来说，通常情况下，主要包括平端光纤直接耦合和对光纤进行加工耦合两种，例如在光纤的端面制造球形、锥形等。这种耦合系统的优势主要表现为灵活方便，加工制作简单，并且易于集成封装，凭借该优势，光纤直接耦合系统得到广泛运用。

    （一）平端光纤直接耦合

    所谓平端光纤直接耦合就是将经过处理的端面平头光纤直接对向半导体激光器的发光面。通常情况下，光源的发光面积和光纤芯径总面积的匹配，以及光源发散角和光纤数值孔径角的匹配等是影响耦合效率的主要因素。对于半导体激光器和光纤来说，由于彼此之间的模失配现象比较严重，所以采用平端光纤的方式进行直接耦合，但是这种耦合方式损耗比较大，并且耦合效率低。

    （二）球形端面光纤直接耦合

    通常情况下，通过多种方式都可以获得球形光纤端面，比较典型的如：（1）在光纤端面上制造一个树脂的半球透镜，这种方案比较简单；（2）在光纤的端面烧制特殊形状的端球，一般可以采用电弧、气体火焰或者大功率激光器充当烧制的热源，这种方案比较实用。在热源的作用下，光纤端面熔化后经过自然冷却，在表面张力的作用下，进而在一定程度上就会形成各种不同弧度的圆球形端面，并且热源的温度、光纤与热源之间的距离等因素决定着圆球的曲率半径。在耦合过程中，采用球形光纤端面一方面可以提高半导体激光器与光纤的耦合效率，另一方面可以通过实验光路进行调试。

    （三）锥形光纤直接耦合

    腐蚀、磨削和加热是制作锥形光纤主要方法。其中，腐蚀、磨削是通过将光纤包层制成锥体，进而使芯径保持不变，而加热是通过电弧放电或者熔融拉锥机的方式进行加热，进而在一定程度上使纤芯与包层一起成比例地拉伸，进一步形成一定长度和锥度的锥体。通常情况下，利用这两种方法得到的锥形光纤系统，其特性存在一定的差异。而通过加热方式制造的锥形光纤，其芯层同样是锥形结构，但是这种结构的耦合效率比较高，同时通过增大锥角可以获得更大的耦合效率，并且最佳工作距离也随之不断减小。

    （四）锥端球面透镜直接耦合

    锥端球面微透镜在目前所有的耦合方法中应用范围最广。其制作流程为：首先将光纤端部制成锥形，进而在一定程度上减小端面半径，然后在锥端形成微透镜。通常情况下，形成微透镜的方法，主要包括：（1）直接电弧抛光、整形；（2）对锥端进行处理，然后将其浸入到熔融高折射率玻璃中，同时对浸入的深度、时间等进行控制，进而得到不同大小、不同形状的锥端高折射率微透镜。

    2 结论

    本文通过对实现半导体激光器与光纤耦合的方法进行研究、分析。其中，凭借自身结构紧凑、制作简单、成本低廉，并且耦合效率高的优势，光纤微透镜直接耦合技术得到广泛的应用。但是，这种耦合技术存在偏移容差最小、难于调整、缺乏稳定性等弊端，并且在手工制作时，重复性比较差。除此之外，随着集成光学、二元光学的不断发展，使得获得成本较低，同时能够消球差特性良好的微透镜成为可能。同时，通过对LD本身的结构、工艺等进行改进，在一定程度上对其光束特性进行改善，进一步降低耦合损耗，进而丰富完善了光纤和半导体激光器的耦合方法。

    参考文献：

    [1] 韦朝炅，查开德，王新宏.尖锥端光纤和半导体激光器的耦合[J].中国激光，1998（01）.

    [2] 王田虎.半导体激光器和光纤耦合的实现方法[J].新乡师范高等专科学校学报，2007（09）.

    [3] 卢胜强，郑煜，邓圭玲，段吉安.拉锥球透镜光纤和柱状楔形透镜光纤与半导体激光器耦合的比较研究[J].中南大学学报（自然科学版），2014（01）.

    [4] 虞晨辉.双包层光纤激光器的光束耦合问题研究[D].南京航空航天大学，2011（12）.