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.     

光电话耦合夹钳的优化光路结构设计

光电话耦合夹钳是一种在裸光纤间提供光纤无损伤光信号双向耦合的光纤无源器件,文章用光纤弯曲损耗和几何光学原理分析了它的光路结构与光纤弯曲损耗及耦合效率的关系,并在自聚焦透镜的基础上提出了一种优化光路结构设计方法.     

InGaAs光纤探测器封装及耦合效率影响因素研究

设计了InGaAs探测器芯片与多模石英光纤的耦合结构,测试了芯片耦合前后的性能变化,并分析了影响耦合效率的因素。结果表明,石英光纤与InGaAs探测器芯片可以较好地耦合。在0．9-1．7um波段,当采用与芯片尺径相当的100um光纤进行无透镜直接耦合时,耦合效率可达30％以上;当采用芯径为500岫的光纤耦合时,耦合效率可达55％以上。多模石英光纤出射端的光强呈高斯分布。随着光纤端面与芯片表面的间距偏差的增加,高斯分布曲线的半宽值增大,光束逐渐发散。芯片与光纤的对准偏差对耦合效率的影响很大,其中对横向偏移量的依赖性最强。     

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。     

一种实现半导体激光器和多模光纤耦合的实用技术

文中提出了一种实现半导体激光器和多模光纤耦合的实用化方法。用一段直径为600μm的裸石英光纤代替柱透镜对半导体激光器输出光束进行准直整形;用半球端光纤对光束进行聚焦后直接实现和光纤耦合,来代替聚焦透镜和光纤耦合的环节。研究表明:采用该方法耦合效率在80. 0%左右,同时最大程度解决了使用柱透镜和聚焦透镜的组合透镜耦合系统时存在的调试与封装困难的问题,且工艺稳定,因而有着广泛的应用前景。     

激光器与单模光纤球透镜耦合的蒙特卡洛分析

为了研究半导体激光器与单模光纤在采用球透镜耦合方式的封装过程中不同耦合参量对耦合效率的影响,建立了半导体激光器与单模光纤通过球透镜耦合的光传输模型。基于ABCD矩阵和高斯光束与单模光纤耦合理论,计算了半导体激光器与单模光纤的球透镜耦合效率,以光功率下降0.5dB为评判标准,给出了在透镜半径为0.5mm时的各参量容忍度。采用蒙特卡洛分析方法,结合耦合效率计算模型,模拟仿真了各参量满足正态分布时的耦合效率分布状况。结果表明,能达到的最大耦合效率为0.616,最大概率耦合效率为0.585,参量区间缩小一半对耦合效率的提升较明显,但进一步缩小参量区间对耦合效率的提升不明显。此研究方法对激光器件封装过程中的对准单元精度选取与耦合效率预估具有指导意义。     

半导体增益芯片与微透镜光纤耦合效率研究

光纤光栅外腔半导体激光器一般采用波导-光纤的直接耦合方式,光纤与增益芯片的耦合效率对光纤光栅外腔半导体激光器性能影响较大.为了讨论在采用不同类型光纤微透镜时对准误差对耦合效率的影响,寻找最佳微透镜类型,指导器件的设计和装配,分析了锥形和半球形光纤透镜的光线最大接收半角,利用ZEMAX软件进行模拟仿真,得到了两种光纤微透镜分别在位置误差和角度误差下的耦合效率曲线图.结果表明,锥形光纤透镜耦合效果更好,更适合应用于光纤光栅外腔半导体激光器.     

透镜光纤在光耦合中的应用研究

介绍了研磨抛光型、蚀刻型和熔拉型透镜光纤的原理和制作工艺,分析了各种透镜光纤在单模光纤与激光二极管(LD)、光开关、DWDM等波导芯片耦合中的作用和意义,详细讨论了楔形和锥形透镜光纤与LD耦合原理、插入损耗以及如何增大耦合容差,对有源器件和单模光纤的调节耦合和封装具有指导作用。     

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。     

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。     

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。     

星间激光通信发射终端耦合单元的研究

针对星间光通信系统的要求,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(graduated refractive index,GR IN)自聚焦透镜聚焦,把光束耦合入单模光纤。就此耦合单元,对耦合效率随半导体激光器的位置偏离及角度偏移进行了研究,在光纤尾纤处测得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的出纤功率可以达到80mW。结果表明,耦合效率随位置偏离及角度偏移的变化灵敏度都不高,这可以满足星间光通信的要求。     

基于热扩芯光纤的光纤准直器特性研究

为了提高光纤和光器件之间的耦合效率,设计了由热扩芯光纤和自聚焦透镜构成的新型热扩芯光纤准直器。理论上分析了热扩芯光纤准直器的基本结构参数与光学特性的关系以及由3种失配导致的耦合插入损耗。研究发现,热扩芯光纤准直器的耦合特性与自聚焦透镜的参数有关,热扩芯光纤准直器在轴向间距和角度偏差上的耦合失配容限明显优于普通光纤准直器,横向位移损耗则高于普通光纤准直器。采用模场半径为15.4μm的热扩芯光纤与自聚焦常数为0.295mm-1的自聚焦透镜制备了热扩芯光纤准直器,并对热扩芯光纤准直器因3种失配导致的耦合插入损耗进行了理论和实验比较,结果表明实验数据与理论吻合较好,说明所设计的热扩芯光纤准直器可用于长距离光耦合和旋转连接器件。     

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。     

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.     

蝶形光通信激光器的耦合规律与封装工艺研究

为了研究蝶形光通信激光器的耦合机理,建立了芯片-透镜-单模光纤仿真模型,以耦合理论为基础,引入了容忍度概念,分析了空间位置误差对耦合效率的影响。通过对比透镜与光纤的各个方向的容忍度大小,结合焊后偏移现象,提出了先透镜后光纤的封装顺序,并搭建了实验平台进行验证。结果表明,在对比实验中,透镜优先封装所得到的功率最高可达1800μW,而光纤优先封装最高功率仅为1200μW; 先对透镜进行封装,焊后偏移的效果要更好。该研究为蝶形器件实际封装生产提供可靠的参考。