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探讨如何建立和优化10Gb/s电吸收调质激光器的耦合模型
摘要：为提高半导体激光器与单模光纤的耦合效率,提高信噪比,延长光信号在光纤中传输的距离,利用光学仿真软件首先针对10G-EPON(万兆光无源网络)光器件建立了一种新的耦合模型并对其进行了仿真优化,其次分析了新模型与原有模型耦合效率出现差异的原因,最后探讨了透镜封装尺寸误差与耦合效率的关系,并对结果进行了归一化处理。研究发现:经过百万次光线追迹,模型的最大耦合效率为63.53%,在光电器件同样采用同轴型封装的情况下,与传统的球透镜耦合相比,改进模型的耦合效率提高了约16.68%;耦合效率的高低取决于半导体激光器整形后光斑的模场与单模光纤模场的匹配程度;耦合效率对透镜距离变化的敏感程度依次为快轴准直透镜>非球面透镜>慢轴准直透镜。研究结果可为10Gb/sEML光器件的实物设计封装提供尺寸参考和建议。
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随着高清电视、网络直播等高带宽业务的快速增长，传统的1G-EPON（千兆以太无源光网络）网络已经难以满足带宽的需要，目前广大通信设备制造商和网络运营商都在加快推进10G-EPON（万兆以太无源光网络）的发展；10Gb/s电吸收调质激光器的传输速度达到10Gb/s，传输距离达到40km，具有极高的性价比，被广泛的用于10G-EPON的建设[1,2]。10Gb/sEML发出的激光需要进行耦合后才能在光纤中传输；常见的耦合方式有：球透镜耦合、非球透镜耦合、直接耦合、楔形光纤耦合、透镜光纤耦合等方式[3,4,5]。目前大部分文献考虑如何利用单个透镜或者在光纤端面加工透镜的方式来提高耦合效率，但是这对加工技术提出了极高的要求，产生极大生产成本[3,4,5,6,7]。同时，很多文献在研究过程中笼统的将半导体激光器看作为点光源[3,5,7]；由于半导体激光器的发光尺寸与多模光纤直径的比值很小，因此在研究两者的耦合过程中可以将激光器看做点光源；但是，单模光纤的直径只有8～14微米，与半导体激光器的发光尺寸基本相等，因此在研究两者的耦合过程中不能将半导体激光器看做点光源，必须要考虑其发光面积的影响。
本文在充分考虑了半导体发光面积、光的折射、吸收、衍射等现象的基础上建立了新型的半导体激光器-透镜组-单模光纤的耦合模型，采用三种不同的透镜组合实现耦合效率的提高，同时研究分析了影响耦合效率的因素和透镜组封装误差与耦合效率的关系，为后续器件制造提供尺寸依据。
1、耦合模型分析设计
建立高耦合效率的器件模型，首先需要对影响耦合效率的半导体激光器和单模光纤的特性进行研究，作为对耦合系统的参数进行最优设计的参考。
1.1半导体激光器模型
10Gb/s电吸收调质激光器是由分布反馈式半导体激光器和电吸收调质芯片组成的，属于外调制类型的半导体激光器。DFB半导体激光器发出激光由EAM进行调制，从而将光信号传入光纤实现信号的高速率传输。本文采用发散角为θ⊥=35o，θ//=19o的DFB半导体激光器作为光源，中心波长为1557nm，其发光面积由式(2)、式(3)求得为ХxY=10μm×5μm。
式中θ//表示水平发散角，θ⊥表示垂直发散角，λ表示激光器中心工作波长，W表示有源层宽度X,d表示有源层厚度Y。10Gb/sEML与其他半导体激光器一样，具有近场特性和远场特性。具体分布情况与图2、图3所示。
图1DFB半导体激光器近场特性
图2DFB半导体激光器远场特性
图1为EML在1μm处的模场分布情况，图2为EML在1mm处的模场分布情况；对比两种模场分布情况可以看出：在近场处，形成的光斑与DFB芯片的发光面积基本相同，X方向的发散角要大于Y方向的发散角；在远场处，光斑面积明显增大且X方向的发散角明显小于Y方向的发散角。EML的光斑形状由近场到远场发生了偏转，从物理学知识解释：远场的光斑分布是近场的傅里叶变换[6]。本文研究对象为激光出射后大约2mm以后的光斑形状，因此可以看做是对EML的远场特性的研究。
1.2单模光纤模型
单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）只能传输一种模式的光，主要由芯层、折射层、保护层三部分组成，用于传输光的芯层直径约为8μm～14μm；折射层的直径在100μm左右，其传输光的的原理是光的全反射；单模光纤的模场分布是旋转对称的，其模场表达式如下：
式中，A代表振幅，r代表光纤的径向长度，ω0代表单模光纤的模场半径。本文选择与半导体激光器发射波长相同的单模光纤作为研究对象，其中心波长为1557nm，数值孔径NA=0.14，模场直径为10μm，模场分布情况如图3所示，基本为标准的圆形。
图3光纤模场分布
1.3耦合系统设计
EML与SMF的耦合本质上是两者模场之间的耦合，即两者模场之间的匹配程度，匹配成越高，耦合效率越大。耦合效率与透镜尺寸、横向偏移、纵向偏移、光纤接收角和角度旋转等具有密切的关系，其计算公式如下：
式中：ψ1和ψ2分别表示DFB和SMF在某一平面上的模场分布情况。从图2、图3可以看出EML的模场形状为椭圆形，光纤的模场形状为圆形，而且两者光斑的大小也严重不匹配，光纤端面的模场直径为10μm,EML在远场2mm处，其最小光斑直径已经达到34μm，如果直接进行耦合的话，耦合效率必定十分低下。
光信号传输的距离取决于光功率的大小，低耦合效率导致进入光纤内的功率的减小，对光信号的传输距离产生巨大影响。在光器件的光路设计中，通常将耦合效率作为重要的衡量指标[7]。EML与SMF耦合过程中，主要是将EML发出的光线耦合到光纤端面与光纤模场进行匹配；光纤端面的模场分布基本为圆形，所以本文考虑将EML发出的激光光束进行整形与光纤模场相匹配以提高系统的耦合效率。
考虑到现行光电器件的尺寸，在光路设计中应该对系统整体长度进行限制；EML的发散角的存在使远场处光斑呈现出椭圆形，新的模型首先对快轴和慢轴的光束进行压缩准直，然后利用非球透镜对准直光线进行聚焦与单模光纤的模场相匹配，新型耦合模型如图4所示。
图4新型耦合模型
图4中第一块透镜用来对快轴光束进行准直，第二块透镜对慢轴进行准直，第三块透镜对准之后的光束进行聚焦，从EML芯片到光纤端面，整个系统的长度为16.29mm，满足一般光模块的尺寸要求。仿真参数设计中，准直透镜的材料均为S-TIH53，平凸透镜玻璃材料为BK7，为匹配单模光纤的数值孔径，光纤纤芯材料为BK7，包层材选择N-K5，光纤中设置两个同心圆环，属性设置为Absorb用以消除从纤芯反射进入包层的光线，提高耦合效率的计算精度。
图5球透镜耦合模型
作为比较，本文设置了如图5所示常见的同轴型封装器件中的球透镜耦合方式的系统光路图。球透镜同样采用BK7材料并镀有抗反射膜，分别对两种光路的耦合效率进行对比。
2、耦合系统误差与效率分析
2.1耦合效率比较
图6和图11分别是球透镜聚焦后和本文设计的透镜组对EML的激光光束进行整形聚焦后在光纤端面产生的模场形状。从图6可以看出在球透镜耦合中，当耦合效率最大时，球透镜在光纤端面形成的光斑为椭圆形。图7(a)、图7(b)分别表示的是其慢轴和快轴方向的能量分布情况，计算光束在某一平面的束腰半径时，通常取从最高光照强度到最高光照强度1/e2处的距离为其束腰半径，经过计算可得其束腰半径分别为6.47μm和7.78μm，由此看出，此时在光纤端面形成的光斑尺寸要大于光纤的模场尺寸且形状不匹配，所以如图8所示，得到的总耦合效率仅有46.85%。
图9为半导体激光器光束整形后聚焦前的光斑情况，此时光斑的形状基本成为圆形，从图10(a)、图10(b)中可以看出，此时X、Y方向的束腰半径已经基本相等，约为0.3mm，然后采用非球面透镜对平行光线进行聚焦，在光纤端面形成的光斑情况如图11所示，经过整形后的光斑尺寸和形状与单模光纤模场的匹配程度增加，因为在仿真过程中尽量贴近耦合的实际情况，考虑了光路中的损耗与折射情况，所以得出整个系统的最大耦合效率为63.53%。
图6球透镜耦合光斑
图7球透镜耦合光斑尺寸
图8球透镜耦合效率
图9光束整形光斑
图10光束整形光斑尺寸
图11透镜组聚焦光斑
图12透镜组耦合效率
利用透镜组对半导体激光器的光束进行整形后得到的耦合效率比利用球透镜耦合有明显的提高；分析原因主要有以下三点：1）从图5可以看出，球透镜成像具有较大的像差，离轴光线经过球透镜的汇聚后无法在光轴处汇聚，而是在子午面和弧矢面各形成一个焦点，从而导致光斑的尺寸变大，降低了耦合效率；利用非球面透镜可以有效对离轴光线进行校正，减小像差，光线聚焦的焦点尺寸远小于球透镜的焦点尺寸。2）半导体激光器远场光斑呈现出椭圆形，球透镜因为内部折射率都相同，在快轴和慢轴同时对光束进行汇聚，因而聚焦成的光斑依然为椭圆形，这与单模光纤的模场形状不匹配，耦合效率低下；本文利用相互垂直的两个准直透镜分别对光束的快轴和慢轴进行压缩准直，不仅将远场光斑整形为圆形，而且将光束的发散角进行了压缩，保证光线聚焦后与单模光纤模场的匹配性。3）经过透镜组整形后的光束更接近高斯光束分布，能量分布集中，与单模光纤的模场分布情况更加接近。
2.2透镜封装误差对耦合效率影响
新模型设计的透镜组具有3个透镜，结合同轴型器件的球透镜封装模式，考虑将透镜组分开封装以便降低封装难度，首先将快轴准直透镜与EML封装为一体，然后将慢轴准直透镜与非球透镜封装为一体；这种封装方式与单纯的三个透镜分开封装相比，可以简化光器件耦合的步骤，在耦合过程中只需要完成EML-透镜、透镜组、光纤这三个组件的对准工作即可完成光器件的封装。为给透镜在实际的封装过程中提供依据，图13给出了三个透镜在Z轴的正负方向分别移动50μm耦合效率随封装误差变化的曲线图。
图13耦合效率与透镜封装误差关系
由图13可知，在只有一种透镜作为变量而其他参数不变的情况下，Z方向误差变化对耦合效率影响从大到小依次为快轴准直透镜>平凸透镜>慢轴准直透镜。1）快轴准直透镜的耦合效率与误差变化曲线正方向的趋势要大于负方向的趋势，快轴准直透镜正方向误差越大对耦合效率造成的影响越严重；这主要因为EML快轴的发散角很大，当快轴准直透镜距离变远时，EML的光束不能完全穿过准直透镜，部分光线会发射到透镜外面，从而对耦合效率造成更严重的影响；当快轴准直透镜与EML芯片距离接近，透镜未在焦点处便对光线进行准直，因此光束在经过慢轴准直透镜再次进行准直时，形成的光斑形状呈现椭圆形，与光纤的模场不匹配，耦合效率降低。所以将快轴准直透镜与EML芯片封装为一体时，要严格对封装公差进行规定，负公差的范围要大于正公差的范围。2）平凸透镜耦合效率与误差变化曲线正方向的趋势小于负方向的趋势，平凸透镜位置变化对耦合效率的影响主要是焦点与光纤端面发生变化，在光纤位置固定不变的情况下，平凸透镜的位置离焦比过焦对耦合效率的影响更小。3）慢轴准直透镜的位置变化对耦合效率几乎没有影响，经过快轴准直后的光线入射角大大减小，而慢轴的发散角本来就小于快轴发散角，所以只要慢轴准直透镜在移动距离变化不是很大的情况下，整形后的光束基本仍为圆形光斑，可以与光纤模场进行匹配。
综上分析，对光器件进行实际制造时，快轴准直透镜与EML芯片封装应制定严格的封装标准；在光纤位置可变的情况下，慢轴准直透镜与平凸透镜封装成的透镜组可以有较大的公差范围；如果光纤位置固定，则慢轴准直透镜与平凸透镜的封装要严格保证距离，负公差范围可以略大于正公差范围。
3、结语
本文建立了半导体激光器-透镜组-单模光纤的新型耦合模型，通过对比分析得出以下结论：
1）采用透镜组对激光器光束进行准直聚焦得到的最大耦合效率达到了63.58%，相对比球透镜聚焦方式有了大幅度提高，参考仿真模型制造的光器件在实际耦合中，最大耦合效率达到55%以上。
2）利用透镜组可以对EML的光束进行准直汇聚，使激光器远场光斑呈现圆形分布，激光器远场模场分布情况与单模光纤模场分布情况匹配程度越高，系统的耦合效率越大。
3）采用EML-快轴准直透镜、慢轴准直透镜-平凸透镜分开封装的形式有效降低了封装的复杂性。在透镜封装过程中，应严格控制快轴准直透镜与EML的距离；慢轴准直透镜与平凸透镜的封装公差可以有较大范围。
4）球透镜成像存在的球差是造成耦合效率减小重要因素，在光路系统设计中如何有效减小球差应作为首先考虑的因素。
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期刊名称：应用光学
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主管单位：中国兵器工业集团公司
主办单位：中国兵工学会,中国兵器工业第二〇五研究所
出版地方：陕西
专业分类：科学
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2020-06-16
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