Page 38 - 网络电信2020年9月刊下

10Gb/s高速光器件激光器端耦合模型设计

与优化

仲顺顺，周雄锋，孙翔，吴国栋
中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室 机电工程学院

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。
关键词：分布反馈式半导体激光器；单模光纤；非球透镜；光学仿真；耦合效率；误差分析

引言 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
随着高清电视、网络直播等高带宽业务的快速增长，传 光源，必须要考虑其发光面积的影响。
统的1G-EPON（千兆以太无源光网络）网络已经难以满足带宽 本文在充分考虑了半导体发光面积、光的折射、吸收、
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 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
10G-EPON（万兆以太无源光网络）的发展；10Gb/s电吸收调质 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
激光器（Electro-absorption Modulated Laser，EML）的传 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
输速度达到10Gb/s，传输距离达到40km，具有极高的性价比， 耦合效率的关系，为后续器件制造提供尺寸依据。
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 一、耦合模型分析设计
合、非球透镜耦合、直接耦合、楔形光纤耦合、透镜光纤耦合 建立高耦合效率的器件模型，首先需要对影响耦合效率的
等方式 [3～5] 。目前大部分文献考虑如何利用单个透镜或者在光 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
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 参数进行最优设计的参考。
出了极高的要求，产生极大生产成本 [3～7] 。同时，很多文献在 1、半导体激光器模型
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 10Gb/s电吸收调质激光器是由分布反馈式半导体激光器
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 （Distributed Feedback Laser，DFB）和电吸收调质（Electro
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 Absorption Modulator，EAM）芯片组成的，属于外调制类
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 型的半导体激光器。DFB半导体激光器发出激光由EAM进行调

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