微透鏡光纖在半導體激光器中的應用研究_圖文

1、收稿日期:2004-12-06.光電器件微透鏡光纖在半導體激光器中的應用研究于海鷹,鄒德恕,崔碧峰,沈光地(北京工業(yè)大學北京市光電子技術(shù)實驗室,北京100022摘要:對幾種典型的半導體激光器與光纖的耦合特性進行分析,提出提高耦合效率所采用的微透鏡光纖的結(jié)構(gòu)。介紹熔拉型、化學蝕刻型、研磨拋光型、切削型、自聚焦光纖型和鑄模型等微透鏡光纖的制作原理和工藝以及目前達到的指標,并對各種形式的透鏡光纖進行了評價。提出了提高耦合效率和失調(diào)容差、降低插損的新思路。關(guān)鍵詞:微透鏡;透鏡光纖;光耦合模式中圖分類號:TN253文獻標識碼:A 文章編號:1001-5868(200505-0400-06Micro 2l

2、ensed Fibers for Semiconductor Laser CouplingYU Hai 2ying ,ZOU De 2shu ,CU I Bi 2feng ,SH EN Guang 2di(Optoelectronic T echnology Laboratory of B eijing ,B eijing T echnology U niversity ,B eijing 100022,CHN Abstract :Through analyzing t he different typical co upling properties of semiconductor las

3、er to optical fiber ,t he st ruct ures of lensed fiber is presented to enhance t he coupling efficiency largely.The p rinciples and p rocesses to fabricate lensed fibers ,such as f used 2drawn taper ,chemical etched taper ,grinding and polishing ,micromachining ,GRIN fiber lens and molding lens ,and

4、 t he characteristics of t hese lensed fibers are int roduced.Furt hermore ,t hese lensed fibers are app reciated.A new scheme to enhance t he coupling efficiency and alignment tolerance and reduce t he insert lo ss for LD and fiber is reported.K ey w ords :microlens ;lensed fiber ;optical coupling

5、model1引言半導體激光器(LD 因其體積小、功耗低、重量輕、效率高、可靠性好、價格便宜等特點,已被廣泛應用于光纖通信、光纖傳感、激光加工、信息存儲/讀取、生物醫(yī)學等眾多領(lǐng)域。對于不同的應用場合,對LD 的光輸出耦合方式有不同的要求,許多情況下需要與光纖耦合,把光能量輸送出去。因此,在LD 和光纖之間實現(xiàn)有效的光功率耦合是十分必要的。在現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中,LD 獲得了普遍應用,既被用作光源,也被用作泵浦源。對于中長距離的光通信系統(tǒng),對應于1300nm 和1550nm 兩個單模光纖(SM F 的低損耗窗口,要求作為光源的LD 的輸出波長要與之相對應,一般采用分布反饋(DFB 激光器,輸出功率要

6、求不高,但光束質(zhì)量要求高。作為泵浦源的LD ,要求其工作波長在980nm 和1480nm 附近,一般采用寬發(fā)射面大功率半導體激光器,要求輸出功率足夠大。由于應用場合的不同,LD 特性各異,輸出光束形式也就不一樣,因此帶來耦合系統(tǒng)形式的不同。微透鏡光纖耦合系統(tǒng)是目前應用日益廣泛的光耦合系統(tǒng),相對于分離式的微透鏡耦合系統(tǒng),具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、便于集成、易于制作和成本低廉等特點。本文第二節(jié)將分別對用作通信光源和泵浦光源的幾種LD 的輸出光束特性及光纖耦合特性進行分析,提出最佳耦合微透鏡光纖的結(jié)構(gòu)和形式。第三節(jié)將介紹當前微透鏡光纖幾種主要制作原理和工藝,不同工藝下所能達到的技術(shù)指標。綜合各項因004

7、素,在第四節(jié)提出進一步提高耦合效率,增大耦合失調(diào)容差,降低插入損耗的新思路。2LD 與光纖耦合特性分析LD 作為光源與光纖連接時,為了獲得最大光能量的輸出,兩者的特征參量要盡可能相互匹配。對于LD ,要考慮其發(fā)光面積(腰斑半徑、發(fā)散角、輸出功率以及偏振態(tài)等特性,對于光纖,則要考慮纖徑、數(shù)值孔徑、截止波長和偏振等特性。對于邊發(fā)射型的半導體激光器,由于要降低閾值電流密度和改善模式特性,LD 的有源層必須很薄,一般僅有0.1m 左右,而有源層的寬度與LD 的輸出功率大小成正比,一般在微米數(shù)量級。激射光束通過如此狹小的孔勢必要產(chǎn)生散射,而且光強的分布也不對稱。一般地,為15°20°

8、,為30° 40°(如圖1所示。在高斯近似條件下,歸一化的LD 基模輸出場的近場分布可表示為LD (x ,y =exp -xl x2+yl y2(1 式中,l x 和l y 為LD 出光端面上x (垂直于結(jié)平面方向和y (平行于結(jié)平面方向的光場半徑(也被稱為光束束腰半徑,典型值為0.6m ×4m 。 垂直腔面發(fā)射半導體激光器(VCSEL 因具有對稱的諧振腔,因而可以發(fā)射圓對稱且無像散的高斯光束。VCSEL 的橫模數(shù)量隨驅(qū)動電流的增大而增加。在小電流驅(qū)動時(略高于閾值,其輸出光束的模式可以是基橫模,近場圖為圓形光斑,遠場發(fā)散角為8°左右1。當增大正向電流時

9、,模式數(shù)量逐漸增加,見圖2所示。中小功率VCSEL 的激射窗口孔徑(或有源區(qū)直徑一般為850m 2。 圖1條形半導體激光器的近場和遠場模式對于光纖,同樣地,在高斯近似條件下,基模模場分布可表示為f (x ,y =exp -12x 2+y2f (2式中,f 為光纖的模場半徑。單模光纖的纖芯直徑一般在510m ,典型值為8m ,其模場直徑(M FD 比纖芯直徑略大,典型值為9m 。多模光纖的纖芯直徑一般在50100m ,典型值為50m 和62.5m 。除此之外,光纖的數(shù)值孔徑(NA 也是一個耦合中的重要參數(shù),它決定了光纖對入射光線的最大入射角度。對于弱導光纖,如硅光纖,由于n 1和n 2差值很小,

10、數(shù)值孔徑的表達式為N A =sin a =n 12-n 22=n2(3式中,為光纖的相對折射率。對于SM F ,典型N A 值在0.10.17,即接收全角為10°18°。MM F 的N A 值在0.20.3,具有更大的接收角。圖2VCSEL 不同輸出功率時遠場測量與計算結(jié)果比較通過對LD 和光纖模場特性的上述分析可知,當LD 作光源時,光束直徑可以在數(shù)十分之一微米到數(shù)十微米之間變動,往往與SM F 的模場直徑不相匹配,但是與MM F 的模場接近;用作泵浦源的LD 一般采用的是邊發(fā)射型LD ,其光場是橢圓形的(見圖1,與光纖的圓形模場的失配更嚴重,而且LD 的光束發(fā)散角大于光

11、纖的接收角度。根據(jù)計算,將LD 與SM F 直接耦合時,耦合效率的理論極限只有約20%3。有人對邊發(fā)射LD 與SM F 的直接耦合進行實驗,測試得到的結(jié)果是耦合效率只有8%4。即使是光束接近圓形的LD ,耦合損耗仍高達8dB 5。這使得LD 與單模光纖的直接耦合變得不切實際,能量損耗太大。解決辦法是在LD 與光104纖之間設(shè)置一套光耦合系統(tǒng),實現(xiàn)模場形式和大小的匹配。為了達到提高光源的耦合效率的目的,耦合系統(tǒng)要滿足以下要求:(1盡可能高的耦合效率或者是最低的耦合損耗。當LD的輸出光功率一定時,高耦合效率意味著較長的無中繼傳輸距離;(2低反射。反射光十分有害,會引起LD輸出光功率的抖動和激射波長

12、漂移等問題,嚴重影響激光器的正常工作;(3大失調(diào)容差。意味著耦合系統(tǒng)封裝時允許較大的位置失調(diào),因而可以采用結(jié)構(gòu)簡單、定位精度相對不高的低成本封裝技術(shù);(4制作簡便。耦合技術(shù)是一項實用技術(shù),從商業(yè)角度考慮,制造工藝要簡單,產(chǎn)品一致性要好,成本要低。此外,還要小型化,高可靠性。微透鏡光纖可以將LD的光束有效地耦合進光纖。為了將不同模場的光束高效耦合到光纖中,光纖透鏡采用了不同的形式,常用的有錐形、楔形、斜面、球面、橢球面等;在組成形式上,又有單透鏡和組合透鏡之分。2.1錐形微透鏡光纖特性錐形微透鏡光纖是最常見的透鏡光纖形式。將光纖的前端采用腐蝕或熔融拉伸工藝做成如圖3所示的圓錐形,前端的半徑為a1

13、,未形變光纖的半徑為a n。當光從前端以入射進光纖,經(jīng)折射以后,以角1射向界面。有圓錐時的接收角c和平端光纖的接收角c之間有下列關(guān)系:sinc sinc =sin1sinn=sin1sin2sin2sin3(in-1sinn= a2a1a3a2a na n-1=a na1(4上式說明,有圓錐透鏡的光纖的數(shù)值孔徑比平端光纖增加了a n/a1倍,即光纖的接收孔徑角比原來增大了a n/a1倍,意味著光耦合的效率得到了相應的提高。圖3圓錐透鏡耦合原理圖錐形微透鏡光纖適用于與光束截面為圓形或近似圓形的LD,如VCSEL等的耦合,效果極佳,耦合效率可做到90%以上。2.2楔形微透鏡光纖特性由于大多數(shù)LD的

14、輸出光束的光斑是橢圓形的,而且橢圓的長短軸之比值與輸出功率成正比,一般該比值為35,大功率LD可大于10,最高可達50以上。顯然,這樣的光束耦合到光纖中是很困難的。為了校正LD的橢圓光束,可采用楔形微透鏡光纖6,7。LD與楔形微透鏡光纖耦合的原理圖見圖4所示。透鏡光纖的兩個楔形面對應著LD光束發(fā)散角較大的方向。楔形透鏡光纖相當于一個圓柱透鏡與錐形光纖的組合。將柱透鏡與LD的p2n結(jié)平行放置,LD的光束穿過柱透鏡時,垂直于p2n結(jié)方向的光將被壓縮,而平行于p2n結(jié)方向的光不變,使得整個光斑接近圓形。柱透鏡楔形的前端被做成弧面,以便提高耦合效率 。圖4楔形微透鏡光纖2.3球面微透鏡光纖特性最早提出

15、,也是最簡單的透鏡光纖就是球面微透鏡光纖。它的實現(xiàn)方法相對多樣和簡單。將光纖的端面做成一個半球形,使它起到短焦距透鏡的作用,見圖5所示。其提高耦合效率的原理與錐形端面類似,增大光纖的孔徑角。帶有球透鏡的光纖的等效接收角c可表示為c=sin-1n1sin sin-1ab+cos-1n2n1-sin-1ab(5式中,a為纖芯半徑,b為外包層半徑,也即球面鏡的24最大半徑r ,n 1和n 2分別為纖芯和包層的折射率。這種半球形透鏡由于曲率半徑較大,對大發(fā)散角的高斯光束的匯聚能力較弱,像差影響比較嚴重,而且存在較強的光反射,因此耦合損耗比較大。減小曲率半徑可以有效改善耦合特性8,9,但此時的透鏡形式已

16、不再是球面鏡,而是非球面鏡了。 圖5球形微透鏡光纖耦合原理3微透鏡光纖的制作工藝 根據(jù)端面的不同形式,微透鏡光纖的制作工藝主要有熔融拉錐、研磨、拋光、擴芯、GRIN 光纖熔接、化學腐蝕和激光切削等。3.1錐形微透鏡光纖制作錐形透鏡光纖最簡單和常用的工藝是熔融拉錐。用電弧對光纖的包層和纖芯加熱,使之熔化,然后對其牽拉,形成對稱的錐體,在最細處切斷光纖,再用火焰對斷面拋光。錐體的長度通過控制加熱溫度和拉伸速度得到保證。對光纖的加熱可以用光纖熔接機實現(xiàn)。若加工過程控制得當,耦合損耗可做到3dB 以下10。 采用化學腐蝕法制作錐形透鏡光纖是一種簡單且高效的工藝。由于酸對不同的材料具有不同的腐蝕速度,將

17、光纖插入盛有濃度為50%左右的氫氟酸(HF 溶液的聚四氟乙烯容器中。為防止腐蝕過程中H F 揮發(fā),在溶液的上層覆蓋一層油膜(見圖6。利用纖芯和包層材料成分的不同,通過調(diào)節(jié)光纖和H F 溶液的作用時間、加熱溫度、浸入溶液深度和油膜密度等,可以得到所要求的錐度和長度的錐形透鏡光纖。再用火焰對端頭拋光,形成半球狀。為保證光纖腐蝕的均勻性,保持光纖在溶液中的絕對垂直和固定是極為關(guān)鍵的。采用該工藝可一次制作數(shù)百根錐形透鏡光纖,且一致性非常高11。用這種透鏡光纖與光斑近似圓形的LD 進行耦合,理論上可以達到99.8%的耦合效率,實際測量結(jié)果也達到了82%12。此外,還可以采用激光切削工藝制作錐形透鏡光纖1

18、3。類似于用激光對金屬的切削原理,利用短脈沖強激光CO 2激光器照射玻璃,使其熔化,形成錐體。由于切削過程受計算機控制,透鏡的錐度、長度和端面的曲率半徑都能符合設(shè)計要求,而且激光器是非常穩(wěn)定的熱源,因此加工出來的透鏡光纖一致性很好,經(jīng)過拋光后可以達到極高的耦合效率,據(jù)文獻報道可以接近100%14。圖6化學腐蝕法制作錐形微透鏡光纖的裝置3.2楔形微透鏡光纖楔形微透鏡光纖的端面要用研磨和拋光工藝制作。利用研磨拋光工藝加工制作透鏡具有悠久的歷史,已經(jīng)形成了一整套完備的加工工藝和測試手段,不僅可以制作楔形透鏡,還可以制作四棱錐形和球面鏡等。前文已提到,楔形透鏡對橢圓光束有矯正作用。但是如果纖芯半徑太小

19、,遠遠小于LD 的出射光光斑,不管楔形透鏡的端面如何優(yōu)化,耦合效率總是做不高,因為耦合損耗與光纖的模場半徑成反比。為此要采用一定的手段增大光纖纖芯半徑,或是增加光通量,但同時又不能破壞光纖的單模特性。熱膨脹芯擴束(TEC 便是一項通過加熱光纖,使纖芯擴張,實現(xiàn)纖芯半徑增大的技術(shù)。將光纖置于熱擴散爐中加熱到13001400,保持10h 以上,纖芯中的摻雜離子,如Ge 離子,由于熱擴散而向包層移動,導致纖芯半徑的擴大,在加熱的端面形成倒錐體狀的纖芯形式(見圖7。采用TEC 后,纖芯直徑可增大35倍15,16。圖7擴芯后的光纖示意圖除了用熱擴散爐加熱外,還有一些簡易的擴束加熱辦法,如用丙烷噴燈對光纖

20、加熱,加熱時間510min ,可使光纖的芯徑擴大1倍左右17。還有人用光纖熔接機對光纖的端面進行間斷放電加熱,也304可以在很短的時間內(nèi)使光纖纖徑增大10。為了不破壞光纖的單模傳輸特性,采用TEC 技術(shù)的關(guān)鍵是控制光纖加熱的長度。加熱長度要大于擴束錐體的特征長度L c ,特征長度L c 由下式確定18:L c =max (max -1n 12(6式中,max 為最大擴束倍數(shù),n 1為纖芯折射率,0為高斯光束腰斑半徑,為光束波長。增大透鏡光纖端面光通量的另一項技術(shù)是采用自聚焦光纖(GRIN 。聚焦光纖是一種對光線能起會聚作用的梯度折射率光纖。它的折射率是離光纖軸逐漸減小的。折射率隨半徑的變化可以

21、表示為n (r =n 11-n r a 2=n 11-12g 2r 2(7其中,g =2n /a ,為聚焦常數(shù)。光在這樣的光纖中傳播的軌跡近似于正弦波,其周期為P =2/g =2a/2n(8當光纖的長度等于四分之一周期的奇數(shù)倍時,將對入射光有聚焦作用,可以把較大的入射光斑聚焦成小光斑,實現(xiàn)高效耦合。 根據(jù)GRIN 光纖的這一特點,將一段外徑與普通光纖相同的GRIN 光纖與待耦合的單模光纖進行熔接,在四分之一個傳播周期長度處切斷(見圖8,然后對斷面做研磨拋光處理,即可得到性能優(yōu)良的透鏡光纖。據(jù)文獻報道19,采用此項技術(shù),不僅可以大大降低耦合損耗,而且容差特性也得到了很大的改善。特性對比見表1。 圖8GRIN 透鏡光纖形成過程表1自聚焦楔形透鏡光纖與單模楔形透鏡光纖特性對比特性GIF 楔形透鏡光纖SMF 楔形透鏡光纖耦合損耗/dB 長寬比為72.41dB 損耗容差/m垂直±0.31±0.19水平±2.0±1.2軸向±2.95±1.553.3球形微透鏡塑料光纖