Page 40 - 网络电信2020年9月刊下

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 图6 球透镜耦合光斑
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7 球透镜耦合光斑尺寸
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。
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。
图5 球透镜耦合模型

二、耦合系统误差与效率分析
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 图8 球透镜耦合效率
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
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
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
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
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
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
离为其束腰半径，经过计算可得其束腰半径分别为6.47μm和
效率为63.53%。
7.78μm，由此看出，此时在光纤端面形成的光斑尺寸要大于光
利用透镜组对半导体激光器的光束进行整形后得到的耦
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
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
率仅有46.85%。
三点：1）从图5可以看出，球透镜成像具有较大的像差，离轴
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
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
斑的形状基本成为圆形，从图10(a)、图10(b)中可以看出，此
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
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
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
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
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