Page 39 - 网络电信2020年9月刊下
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解 决 方 案
制，从而将光信号传入光纤实现信号的高速率传输。本文采 图3 光纤模场分布
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。
（1）
（2）
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1 DFB半导体激光器近场特性
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
[6]
里叶变换 。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。
2、单模光纤模型
单模光纤（Single-Mode Fiber，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：
（3）
式中，A代表振幅，r代表光纤的径向长度，ω0代表单模光
图2 DFB半导体激光器远场特性 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。
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：
（4）
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
图1为EML在1μm处的模场分布情况，图2为EML在1mm处的 达到34μm，如果直接进行耦合的话，耦合效率必定十分低下。
模场分布情况；对比两种模场分布情况可以看出：在近场处， 光信号传输的距离取决于光功率的大小，低耦合效率导
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 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
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 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
[7]
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 指标 。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
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