[发明专利]半导体条形激光二极管与单模光纤的耦合装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光耦合技术领域，尤其涉及一种半导体条形激光二极管与单模光纤的耦合装置。

背景技术

二十一世纪是全球信息一体化的时代，光纤通信技术的进步应运了互联网的飞速发展，作为光通信领域重要信号光源的半导体激光器与作为信号传输载体的光纤之间的耦合问题益发显得重要。常用的半导体条形激光二极管(LD)由于自身结构特性的原因，其输出激光沿垂直有源层与平行有源层方向具有不同的远场发散角。近场情况下，条形激光二极管的发光区大小一般在1μm×10μm以内，垂直有源层方向光斑半径在1μm左右，平行有源层方向光斑半径不超过10μm。由于发光区域的几何尺寸很小，因而衍射现象比较明显，通常情况下，由于有源区的厚度极薄，因此在垂直有源层方向远场发散角比较大，典型值为30°～60°(全宽半最大值)，光束发散较快，常将此方向称为快轴方向；平行有源层方向的远场发散角小一些，典型值在10°左右，光束发散的慢一些，常将此方向称为慢轴方向。快慢轴方向不同的远场发散角使得LD的远场光场分布为椭圆形，并且在传输中光束具有曲面相前。用于传输信号的光纤一般是单模光纤(SMF)，纤芯为圆形，并且芯径很小(通常只有几个微米)，其模场分布为圆形，并且信号激光在单模光纤中传输时具有平面相前。因而LD出射光场特性与SMF模场特性有着较明显的差别，直接耦合势必引发较大的损耗，因此二者的有效耦合问题一直是该领域的一个难点。

为解决半导体激光器与光纤的光场匹配问题，人们相继提出了不同类型的解决方案，用以提高两者之间的耦合效率，通常可以分为以下两种情况：

(1)对半导体激光器进行修正，改变其输出光场特性(椭圆→圆)

(2)通过分立透镜实现耦合

(3)对光纤进行修正，提高其接收入射激光的能力

第一种方案的思想源自对半导体激光器内部结构的考虑，由于其输出光场特性完全取决于自身的结构特性，因此可以尝试通过改变半导体激光器原有结构的方法实现对其输出光束的掌控，即将模场转换器直接与激光器芯片整合。实际制作中，可以分别对半导体激光器垂直有源层、平行有源层方向的波导结构加以改变从而实现整体导波特性的变化，一般是引入拉锥结构。平行有源层方向的拉锥结构用传统的处理技术就能完成，垂直有源层方向的拉锥结构则需要借助特殊的生长或刻蚀工艺才能实现。整合模场转换器之后的半导体激光器通常能获得很好的光束特性，能取得与光纤不错的耦合效果。不过，该过程工艺相当复杂，成品率较低，因此尚处于实验室研究之中。第二种方案的思想来自传统的几何光学考虑，通过在半导体激光器与光纤之间引入分立的透镜或透镜组实现二者之间的高效耦合。常见的设计有：柱透镜、球透镜、衍射屈光透镜、组合透镜等。分立透镜方案的最大优点在于其设计方式的灵活性，可以根据实际的激光参数设计不同结构或者不同组合的透镜类型，同时分立透镜系统具有较大的容差，特别是在侧向与角向调节方面具有较大的灵活性。分立透镜方案的缺点在于制作困难，由于用于耦合的光纤一般为单模光纤，透镜除对入射大椭圆分布的光束具备高整形能力外，还必须具有将整形后的光束压缩到与单模光纤模场相近的很小光斑的能力，若同时符合这几种要求，透镜系统的结构则变得比较复杂，难于加工。第三种方案即微透镜光纤，由于光纤本身采用的是高纯度的石英材料，出于简化耦合系统并确保耦合效率的考虑，人们尝试对光纤的入射端面进行加工处理，直接将其端头制作成相应的具有光束整形作用的微透镜结构，以实现半导体激光器与光纤之间的高效耦合。由于自身结构的关系，微透镜光纤通常具备高简捷度、易操作、便于封装等特点，但该方案的存在一明显的缺陷，即其有效的工作距离小，也就是半导体激光器与微透镜光纤之间的优化距离较短(一般只有几个微米)，在此情况下系统的对准对耦合效率影响较大，容差较小。

综上所述，设计一种能对半导体条形激光二极管输出光束进行有效整形，易制作，方便操作且具有大间距容差的耦合系统，对半导体条形激光二极管与单模光纤的高效耦合而言是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体条形激光二极管与单模光纤的耦合装置，以对条形激光二极管输出的椭圆形光场进行有效整形，并能有效改变其相前分布，实现与普通单模光纤模场较高的匹配度，获得高耦合效率。