长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林 长春 130022
为了提高半导体激光器作为光纤激光器、固体激光器泵浦源的亮度，基于光束准直、空间光束合成、偏振光合成、光纤耦合等技术，提出了一种紧凑的光束整形系统来均衡半导体激光器快慢轴的光束质量，采用类似阶梯型棱镜和两个30°的直角棱镜填充快轴方向暗区，并用偏振合束器对慢轴光束宽度进行压缩的光束整形方案，设计出了一种紧凑的高亮度光纤耦合系统。该系统由8个mini-bar组成的半导体激光器叠阵耦合进芯径为100 μm、数值孔径为0.22的光纤中，其输出功率为272.4 W，光光转换效率为85.1%，亮度高达22.832 MW/（cm2·sr）。
光学设计与制造 泵浦亮度 光束准直 光纤耦合 阶梯型棱镜 偏振合束器 光束整形 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1522002
1 昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南昆明650500
2 云南省绿色能源与数字电力量测及控保重点实验室，云南昆明650500
针对直接对准型离轴式光纤旋转连接器中自聚焦透镜准直器出射光斑小、光纤耦合损耗大和有效对准时间短的问题，本文提出了一种由双合透镜和热扩芯光纤构成的大光斑光纤准直器。基于出射光斑在相对旋转过程中重叠面积的周期性变化规律，分析了准直器间存在径向误差和角向误差时的耦合损耗变化。根据转子圆环和出射光斑尺寸得到耦合损耗为3 dB时的理论有效对准时间。为此搭建了光纤耦合实验平台测试其耦合性能及有效对准时间。实验结果表明，光纤准直器采用的单模光纤模场直径越大耦合损耗越低，其中模场直径为28 μm时耦合损耗低至0.22 dB。在转速为60 r/min时，通过光电转化和函数拟合得到四种模场直径光纤准直器的有效对准时间。模场直径为17 μm时最大有效对准时间为7.05 ms，与理论值7.1672 ms基本一致。最后应用光纤布拉格光栅传感实现无接触式传输光信号。这种设计为大光斑离轴式光纤旋转连接器的研究及其在光纤传感领域的应用提供了理论和技术支撑。
离轴 光纤旋转连接器 双合透镜 热扩芯光纤 光纤耦合 off-axis fiber optic rotary joint double lens thermal expansion core fiber optical fiber coupling 光学 精密工程
2023, 31(10): 1443
哈尔滨工业大学物理学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
铌酸锂薄膜因其优异光学性能及容易与结构紧凑的光波导等器件相集成等诸多优势, 目前已经成为可调谐Fabry-Perot滤波器、电光调制器等器件领域向集成化和微小型化趋势发展的首选光学材料。由于光波导和光纤的尺寸差异而引起了严重的模场失配使得光纤与光波导耦合时存在着较大的插入损耗问题。 仿真分析了超高数值孔径光纤和脊形波导直接耦合时, 其光场模式分布、折射率、耦合效率和耦合损耗等关键性能的相互影响。结果表明当刻蚀深度和宽度分别为300 nm和0.8 μm时, 铌酸锂脊型波导与单模光纤(UHNA7)的耦合效率可达33.8%, 而耦合损耗为4.71 dB。仿真比较了上包层材料替换为二氧化硅和氮化硅材料时, 脊型波导和单模光纤的耦合效率显著增加到63.4%而耦合损耗被降低到 1.98 dB。
铌酸锂薄膜 脊形波导 光纤耦合 耦合效率 Fabry-Perot滤波器 lithium niobate thin film ridge wave guide optical fiber coupling coupling efficiency Fabry-Perot filter
1 广东工业大学信息工程学院先进光子技术研究院, 广东 广州 510006
2 广东省信息光子技术重点实验室, 广东 广州 510006
3 河源广工大协同创新研究院, 广东 河源 517000
随着5G通信时代的来临,大容量、高频段和多业务接入的移动通信网络建设面临诸多挑战。在5G网络中,由于5G信号的高频段特征,基站覆盖范围大大减小,需要布设的基站数量急剧增加,为了保证覆盖能力,并降低总体的成本和功耗,基站正在向小型化、密集化、无源化方向发展。而光纤信能共传技术为实现新一代分布式微基站提供了解决方案,此技术通过光纤将射频信号和能量光传输至基站,为基站供能的同时,利用天线完成无线宽带信号的发射。介绍了光纤信能共传技术近年来的研究进展,并通过分析典型方案的特点,阐述了光纤信能共传技术的发展趋势。
光纤光学 光载无线通信系统 光纤传能技术 传能光纤 光纤耦合 光学学报
2021, 41(11): 1100001
为了补偿卫星平台随机振动引起的空间光-单模光纤耦合效率损失，对比分析了基于章动算法和随机并行梯度下降(SPGD)算法的参数选取对算法稳定性和收敛速度的影响，并在典型卫星振动谱条件下对2种算法的补偿效果进行了评估。仿真结果表明：章动算法补偿后的平均耦合效率为81.26%，均方根误差为7.2×10-4；SPGD算法补偿后的平均耦合效率为80.72%，均方根误差为1.9×10-3。相比于SPGD算法，在最优情况下章动算法的均方根误差降低了62.1%，其稳定性更好。
卫星激光通信 随机振动 光纤耦合 章动 随机并行梯度下降 satellite laser communication random vibration optical fiber coupling nutation stochastic parallel gradient descent
1 长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室, 吉林 长春 130022
3 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
为了克服自由空间光通信系统中大气湍流、机械平台振动等因素的影响,提出了一种基于峰值功率反馈结合快速反射镜的章动耦合方案,并搭建了章动实验平台。通过快速反射镜引入一定频率和幅度的正弦扰动进行动态跟踪实验,结果表明,在跟踪状态且耦合效率不低于55%时,系统的最大耦合范围能达到1.1 mrad。同时设计的跟踪算法可以很好地校正大幅度扰动,使探测器接收光功率的均方误差由开环时的9.91%降低到闭环时的0.81%。测试了系统在不同信噪比下的章动耦合效率,结果表明,耦合效率随信噪比的降低而降低。
光通信 单模光纤耦合 峰值功率反馈 激光章动 耦合效率 中国激光
2020, 47(11): 1106003
1 桂林电子科技大学 机电工程学院, 广西 桂林 541004
2 广西制造系统与先进制造技术重点实验室, 广西 桂林 541004
为了提高埋入光纤挠性基板光电互联系统中激光束与光纤之间的耦合效率, 设计了一种可分离式的高效光电耦合模块。对耦合模块的结构尺寸进行了设计, 并运用Matlab软件分析了激光束经过45°全反射镜时的能流变化情况; 针对芯径为62.5 μm、数值孔径为0.25的多模光纤, 利用Zemax软件仿真模拟光纤耦合系统, 并用正交下降法优化耦合系统结构, 将单路波长为1 310 nm、输出功率为1 W的垂直腔面激光束耦合进光纤。分析结果表明, 耦合效率与轴向偏差、角向偏差成中心对称分布, 当制造误差最大时, 耦合效率达到79.37%, 耦合损耗为1.00 dB。该光电耦合模块具有较高的定位误差, 最高耦合效率可达85.35%, 最低耦合损耗为0.69 dB。
光电互联 光纤耦合 正交下降法 误差分析 optoelectronic interconnection optical fiber coupling Zemax Zemax vertical cavity surface emitting laser deviation analysis
1 中国科学院半导体研究所 光电子器件国家工程研究中心, 北京 100083
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了发挥单管半导体激光器的优势, 获得光纤耦合模块多波长、高功率、高亮度的光束输出, 利用ZEMAX软件仿真模拟, 设计了一种单管光纤耦合模块。此模块将32支输出波长分别为915 nm、975 nm, 输出功率为15 W的单管半导体激光器, 经过微透镜组快慢轴光束整形、空间合束、偏振合束、波长合束以及光束聚焦等一系列工艺后, 耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤。模拟结果显示, 光纤输出功率467.46 W, 光纤前后耦合效率大于98.47%, 总耦合效率高于97.39%, 光功率密度高于12.86 MW/(cm2·sr), 达到了泵浦激光器和功率型器件的性能要求。使用Solidworks软件设计了相应的底板结构, 并结合ANSYS软件进行散热模拟分析, 结果显示该模块散热性能良好, 可行性较高。
半导体激光器 光纤耦合 激光合束 semiconductor diode laser optical fiber coupling laser beam combining ZEMAX ZEMAX 红外与激光工程
2018, 47(1): 0105002
1 重庆理工大学 光纤传感与光电检测重庆市重点实验室, 重庆 400054
2 重庆理工大学 重庆市现代光电检测技术与仪器重点实验室, 重庆 400054
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300 μm以内, 实现了多束LED光源与光纤的高效耦合。
紫外-可见光谱法 多束紫外LED 准直 聚焦 光纤耦合 UV-Vis spectroscopy multi-beam UV LED collimation focusing optical fiber coupling ZEMAX ZEMAX
长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室， 吉林 长春 130022
为研究光纤耦合激光器的输出远场特征，基于ZEMAX光学设计软件，模拟了基于单发光区激光器芯片的多种光纤耦合结构，分析了不同耦合结构的输出远场特征。模拟结果表明：单管耦合输出远场分布通常为中间亮、边缘暗的圆形光斑。当准直后的光束快慢轴光束尺寸基本一致时，远场输出光斑均匀性会得到极大改善；当存在光纤轴心角向误差(大于1°)时，远场输出光斑的均匀性会明显降低。多单管耦合时，单管之间的台阶高度若大于准直后的快轴光斑尺寸，则对应的远场输出为有暗区的同心圆环，单管的数量对应圆环的数量。为了提高输出远场分布的均匀度，应严格控制合束单管之间的台阶高度。
单发光区激光器 光纤耦合 远场特性 single emitting diode laser ZEMAX ZEMAX optical fiber coupling far field characteristics
