974nm半导体激光器的光纤耦合研究

根据半导体激光器和单模光纤模场分布特点,用模式耦合理论研究了单模光纤与半导体激光器的耦合,结果表明将光纤端面制作成楔形微透镜可以使光纤与半导体激光器的耦合满足模场匹配和相位匹配的要求。用遗传算法对楔形光纤微透镜参数进行优化,得到楔角为88°,柱透镜半径为3.44μm,耦合距离为6.13μm时耦合效率达到最佳值,用Zemax光学仿真软件对耦合模型进行仿真,得到耦合效率为88.9%,耦合好的模块经激光点焊及高低温环境测试后,得到最大耦合效率为81.36%。实验结果与仿真结果相差不大,耦合输出功率满足了作为光纤激光器种子源的功率要求。     

自由空间光-布拉格光纤耦合效率仿真分析

根据电磁场模场匹配理论,分析了自由空间光-布拉格光纤的耦合效率。通过对空间光-布拉格光纤耦合效率的计算可以知道,耦合效率与布拉格光纤纤芯半径、焦点光斑光腰半径和纤芯波矢有关。通过优化合理选择空间光聚焦后光腰半径与布拉格光纤纤芯半径以及纤芯波矢可以有效提高耦合效率。本文还对外界振动造成耦合透镜与布拉格光纤对接不正而对空间光-布拉格光纤耦合效率影响进行了分析。这对光纤激光雷达系统以及空间光通信系统的空间光-布拉格光纤耦合效率分析具有极其重要的参考价值。     

自由空间光-布拉格光纤耦合效率仿真分析

根据电磁场模场匹配理论,分析了自由空间光-布拉格光纤的耦合效率.通过对空间光-布拉格光纤耦合效率的计算可以知道,耦合效率与布拉格光纤纤芯半径、焦点光斑光腰半径和纤芯波矢有关.通过优化合理选择空间光聚焦后光腰半径与布拉格光纤纤芯半径以及纤芯波矢可以有效提高耦合效率.本文还对外界振动造成耦合透镜与布拉格光纤对接不正而对空间光-布拉格光纤耦合效率影响进行了分析.这对光纤激光雷达系统以及空间光通信系统的空间光-布拉格光纤耦合效率分析具有极其重要的参考价值.     

基于DFB激光器的楔形截顶光纤微透镜耦合结构

为了解决分布式反馈激光器的光发射次模块耦合封装中存在最大耦合效率局限的问题, 采用楔形截顶光纤微透镜代替分立式透镜的直接耦合的方法, 得到斜面倾角0.6rad、耦合距离60μm、半宽度15μm的楔形截顶光纤端面模型。在此基础上与分立式和直接耦合进行对比, 讨论了纵向、横向和角度偏移误差。结果表明, 纵向耦合距离在-21.45μm~56.79μm, 角向耦合角度在-8.3°~8.5°, 耦合效率始终大于70%;结构整体容忍度较高, 耦合效率达84.40%。该研究可为下一代分布式反馈激光器的次发射模块耦合封装器件提供新的解决方案。     

空间光到单模光纤章动耦合技术研究

阐述了空间光到单模光纤耦合原理,设计了基于快速反射镜结合光纤光电探测器的章动耦合算法,在LabVIEW环境下仿真了光纤端面章动的动态跟踪过程,并进行了激光章动系统耦合实验,实现了静态条件下59.63%的耦合效率,进行了1.65 GHz码速率的视频传输演示与扰动实验,验证了章动耦合算法的有效性与可行性。通过实验与仿真数据结果,分析了章动算法参数中章动半径、收敛步长与章动单周采样点数对耦合性能的影响。结果表明,在光纤端面当章动半径从0.1μm增加到2.5μm时,耦合效率与耦合稳定性下降,耦合速率无明显变化,但章动半径过小会导致收敛角度识别误差增大,降低耦合速率;当收敛步长从0.1μm增加到2.5μm时,耦合效率与耦合稳定性下降,耦合速率上升;当章动单周采样点数从100减少到5时,耦合效率与耦合稳定性无明显变化趋势,但由于采样点数过少,收敛角度分辨率降低,耦合速率明显下降。     

基于端面耦合的InP基激光器/硅光波导混合集成技术研究

针对硅光子集成回路缺少实用化光源的问题,提出了一种1.55μm波段InP基FP激光器芯片、InP基PIN光电探测器芯片与硅光波导芯片集成模块的设计与制备方法。使用CMOS工艺兼容的硅光无源器件制备工艺,设计并制备了倒拉锥型端面耦合器,与锥形透镜光纤耦合效率为36.7%。采用微组装对准技术将激光器芯片与硅波导芯片耦合、UV固化胶固化后耦合效率为35.8%,1 dB耦合对准容差横向为1.2μm,纵向为0.95μm。     

高速光探测器模块中的耦合理论和模拟

高速光器件的封装工艺中,光耦合占据重要的地位.文中针对一种高速光探测器中常用的光耦合方式——倾斜端面光纤到倒装芯片的耦合,提出了光纤耦合的柱透镜光学模型,并通过理论和光学软件模拟了各种封装工艺条件对耦合效率的影响.模拟结果显示,耦合效率的大小由光纤位置、芯片透镜尺寸和激光光源光斑形状共同决定.     

高速光探测器模块中的耦合理论和模拟

高速光器件的封装工艺中,光耦合占据重要的地位.文中针对一种高速光探测器中常用的光耦合方式——倾斜端面光纤到倒装芯片的耦合,提出了光纤耦合的柱透镜光学模型,并通过理论和光学软件模拟了各种封装工艺条件对耦合效率的影响.模拟结果显示,耦合效率的大小由光纤位置、芯片透镜尺寸和激光光源光斑形状共同决定.     

空间光耦合自动对准方法与实现

空间光-单模光纤耦合的关键技术是精确定位耦合光斑在光纤端面上的位置。基于光纤偏移与空间光-单模光纤耦合效率之间的关系,研制了由二维压电陶瓷、驱动器、控制器、光电探测器及耦合透镜组成闭环控制系统,结合模拟退火算法实现空间光-光纤的自动对准耦合。理论分析了空间激光与光纤的耦合效率并阐述了模拟退火算法原理。实验结果表明:通过模拟退火算法可以在较短时间内实现耦合到最佳位置的自动对准定位,耦合效率达到了51.4%,相对于没有自动对准之前提高了6.5%。该方案切实可行,对空间光-单模光纤的自动耦合方案的研究具有重要的意义。     

空间光-光纤阵列耦合自动对准实验研究

为了使空间光-光纤耦合结构具有一定的抗抖动能力,采用自聚焦透镜和多模光纤耦合阵列结构结合模拟退火算法对光纤阵列实行2维控制,自动搜寻空间光-光纤耦合最佳视轴对准姿态。对光纤阵列和模拟退火算法进行了理论分析实验验证,取得了耦合效率变化的相关数据。结果表明,通过模拟退火算法可以实现空间光-光纤视轴对准,且光斑中心在耦合端面中心抖动小于2.5mm时,耦合功率波动小于35%,满足无线激光通信系统的要求。     

紫外-可见光谱水质检测系统的多束LED光纤耦合研究

针对紫外-可见光谱水质检测系统单个LED光源输出功率低、光束质量差的问题,提出了一种多束紫外LED光源与光纤合束耦合的结构设计方案.运用ZEMAX光学分析软件开展了仿真设计研究,针对紫外LED光源与光纤耦合发散角较大的问题,设计了非球面准直透镜,准直后发散角为0.403 mrad;针对光束尺寸与光纤的匹配问题,进行了消色差双分离聚焦耦合透镜的设计.实验结果表明,合束LED光束汇聚的弥散斑的RMS尺寸为186.412 μm,GEO点尺寸为290.071 μm,光束中95％以上的能量集中在300μm以内,实现了多束LED光源与光纤的高效耦合.     

光纤耦合技术的星图模拟技术研究

针对深空导航敏感器的地面标定对多星等、高星等的技术要求,提出一种基于光纤耦合技术的星图模拟新方法,创新性的运用了OLED面光源和光纤耦合机构配合高精密靶标的技术来模拟星图.结合所设计星图模拟器指标,重点对光纤面光源耦合和OLED面光源亮度双调制技术进行了深入研究,分析了光纤面光源的耦合技术的关键条件,为实现较高的光耦合效率,选择数值孔径为0.6的大芯径聚合物光纤(POF)与自聚焦透镜组成耦合机构,设计结果表明聚光斑100 m,纤芯轴向光能量利用率大于80%;所研究的面光源双调制技术在星等模拟中的设计结果说明:该技术可解决单一的电气灰度调制或空间灰度调制无法实现5~10等星精确模拟的的技术难题.     

基于非球面透镜的光纤耦合系统设计

有效将激光耦合进单模光纤是自由空间光通信的关键技术。为了改善聚焦光束质量和降低耦合损耗,首先设计了消球差非球面透镜,并采用精密光纤支架对耦合光纤进行准确定位使耦合光聚焦在光纤端面上。实验表明,该耦合系统的耦合效率达到60%以上。     

利用单透镜结构实现自由空间激光进入单模光纤的耦合研究

自由空间激光与光纤的高效耦合可大幅降低激光 能量损耗。基于高斯光束通过透镜的传输规律,分 析经过单透镜变换后的激光光束特性,即像方激光光束特性。对自由空间激光与单模光纤的 优化耦合进行研究。通过分析匹配单透镜参数对像方光束的影响, 选择单透镜合适焦距参数,实现激光与光纤参数的高效匹配,满足激光光束的像方腰斑小于 10 μm且数值孔 径小于0.12。通过实例,分析采用焦距为5mm的单透镜对780 nm空间激光到单模光纤的耦合效 率,结果表明自由空间激光到单模光纤的耦合效率高达90%。该耦合 系统结构简单,可实现激光由自由空间到至光纤的高效率传输。     

Design of a miniature lens for semiconductor laser to single-mode fiber coupling

A design method for a miniature optical lens tipped on a single-mode fiber end to improve power coupling from a semiconductor laser is described. The lens shapes studied are hemispherical, hemicylindrical, and hemiellipsoidal. The optimum coupling conditions and the obtained coupling efficiency are represented in terms of laser beam and fiber parameters. Preferable ranges of hemispherical and hemicylindrical lenses are classified according to the laser and fiber mode spot sizes. Fiber axis offset and tilt effects on coupling efficiency are also studied.     

星间光通信发射终端激光耦合单元的设计及实验研究

激光耦合系统是星间光通信系统的重要组成部分。针对星间光通信系统的要求，本文采用一种新型的半导体激光耦合方案，用前后正交的非球面柱面透镜准直半导体激光束，再经渐变折射率（GRIN）自聚焦透镜聚焦耦合入单模光纤。就耦合效率随半导体激光器对光轴的偏离和对光轴角度的偏转进行了研究，发现耦合效率的变化灵敏度不高；同时，在光纤尾纤处测量了输出功率随驱动电流的变化关系，单模运行的半导体激光二极管经耦合后，出纤功率可以达到80mW，满足了星间光通信的要求。     

Fabrication of semiconductor optical switch module using laser welding technique

The 4/spl times/4, 1/spl times/2, and 1/spl times/4 semiconductor optic-switch modules for 1550 nm optical communication systems were fabricated by using the laser welding technique based on the 30-pin butterfly package. For better coupling efficiency between a switch chip and an optical fiber, tapered fibers of 10-15 /spl mu/m lens radius were used to provide the coupling efficiency up to 60%. The lens to lens distance of the assembled tapered fiber array was controlled within /spl plusmn/1.0 /spl mu/m. A laser hammering technique was introduced to adjust the radial shift, which was critical to obtain comparable optical coupling efficiencies from all the channels at the same time. The fabricated optical switch modules showed good thermal stability, with less than 5% degradation after a 200 thermal cycling. The transmission characteristics of the 4/spl times/4 switch module showed good sensitivities, providing error free transmissions below -30 dBm for all the switching paths. The dynamic ranges for the 4/spl times/4 and 1/spl times/2 switch modules were about 8 dB for a 3 dB penalty and about 17 dB for a 2 dB penalty, respectively.     

Parallel optical transmitter module using angled fibers and a V-grooved silicon optical bench for VCSEL array

We propose an advanced structure of optical subassembly (OSA) for packaging of the vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) array, using (111) facet mirror of the V-groove ends formed in a silicon optical bench (SiOB) and angled fiber apertures. The feature of our OSA can provide a low optical crosstalk between neighboring channels, a low feedback reflection, and a large misalignment tolerance along the V-groove. We describe the optimized design of fiber angle, VCSEL position, and fiber position. The fabricated OSA structure consists of 12 channels of angled fiber array, 54.7/spl deg/ V-grooves, Au-coated mirrors on (111) end facet of the V-grooves, and flip-chip-bonded VCSEL array on a SiOB. In this structure, the beam emitted from the VCSEL is deflected at the 54.7/spl deg/ mirror of (111) end facet and propagated into the angled fiber. The angled fiber array was polished by 57/spl deg/. Fabricated OSAs showed a coupling efficiency of 30%-50% that is 25 times larger than that obtained from an OSA with a vertically flat fiber array. Our OSA showed large misalignment tolerance of about 90 /spl mu/m along the longitudinal direction in the V-groove. We fabricated a parallel optical transmitter module using the OSA and demonstrated 12 channels /spl times/2.5 Gb/s data transmission with a clear eye diagram.