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          單模激光器專用的透鏡光纖 助力實現更高的激光耦合效率

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          放大字體  縮小字體 發布日期:2022-09-08   瀏覽次數:952
          核心提示:透鏡光纖,又稱光纖透鏡或光纖微透鏡,是對光纖端面加工制成具有透鏡功能的一類產品。它可用于改變光纖模場大小、形狀從而提高系

          透鏡光纖,又稱光纖透鏡或光纖微透鏡,是對光纖端面加工制成具有透鏡功能的一類產品。它可用于改變光纖模場大小、形狀從而提高系統耦合效率,改變光路傳輸路徑,減少折反光,改變尖端形狀來適應于不同環境的成像、傳感等。

          除了半導體激光器光纖耦合以外,透鏡光纖在硅光芯片耦合、光波導耦合、光纖輸出擴束和醫療內窺鏡照明等領域的應用也逐步得到推廣。

          提升激光耦合效率的新辦法

          眾所周知,半導體激光芯片發射的光源帶有發散角,平行于芯片方向(慢軸)的發散角約為6~12°,垂直于芯片方向(快軸)的發散角約為30~40°(如圖1),如果把一根光纖前端平磨后直接插到芯片的發光點去做耦合,在最好的情況下,也只能將30%左右的激光耦合到光纖,造成很大的激光損耗。

          圖1 半導體激光芯片發射的激光有發散角

          為了實現最高的激光耦合效率,傳統的辦法是在激光芯片和光纖耦合端之間依次放置快軸準直透鏡、慢軸準直透鏡和聚焦透鏡,把芯片發出的激光先準直后再通過聚焦透鏡將激光耦合到光纖中,這種辦法可以實現超過80%的耦合效率,但同時需要增加三個透鏡物料和裝配成本。

          目前有一種新型的辦法,即在光纖端面做透鏡加工,該透鏡對芯片發出的激光具有一定聚焦功能,可實現超過75%的激光耦合效率。該方案與半導體激光芯片小型化的要求完美結合,實現小巧高能的目標。福津光電目前已經實現這種透鏡光纖批量生產,為客戶提供高性價比的激光光纖耦合解決方案。

          a.耦合效率>80%          b.耦合效率≈30%         c.耦合效率>75%

          圖2 三種不同的半導體激光器光纖耦合方案

          圖3 光纖透鏡耦合應用場景

          光纖透鏡設計經驗與參數

          光纖透鏡主要是在光纖的前端先做錐形或者楔形處理,然后纖芯的部分做柱面鏡或者球面鏡精密加工。該光纖端的透鏡可以把芯片發射的激光在近場做聚焦耦合處理,可有效提高激光耦合到光纖的效率,因此無論是錐形還是楔形,光纖前端的透鏡是最為核心的。由于不同廠家設計的芯片快軸和慢軸發散角都不一樣,光纖透鏡設計需要與激光芯片近場光斑參數匹配才能達到較高的耦合效率。

          光纖透鏡設計一般需要考慮以下幾個參數:

          圖4 透鏡光纖各項參數示意圖

          圖5 單模光纖楔形透鏡的遠場光斑

          (1) 光纖類型Fiber Type:不同的單模光纖模場有差異(如SMF-28E和Hi1060), 如果使用保偏光纖(PM fiber)還需要了解熊貓對應的軸向,光纖型號的選擇主要根據客戶終端應用來決定;

          (2) 光纖前端透鏡的工作距離WD:透鏡工作距離太短則調光時容易撞到芯片,太遠則與芯片近場光束不匹配,影響耦合效率;

          (3) 光纖前端透鏡的半徑R:該半徑直接決定透鏡的工作距離和遠場光斑;

          (4) 光纖斜面夾角?:此夾角對透鏡R有一定的約束;

          (5) 腰束直徑D: 該參數是由透鏡半徑R和工作距離WD關聯;

          (6) 剝除長度SL:該參數主要跟光纖固定和膠粘位置有關系;

          (7) 透鏡前端可以根據需要鍍制減反光學薄膜(AR Coating),有效增加透射率。


          光纖透鏡在不同的應用場景需要根據實際用途設計不同的斜面形狀,福津光電可以根據客戶的需求加工出符合要求的產品。此外,還可以根據客戶需求,在光纖透鏡另一端裝配各種連接頭,如FC/PC連接頭(帶0.9mm松套管或3mm松套管)。

          圖6 透鏡光纖前端多種斜面形狀設計

          圖7 透鏡光纖實際加工圖

          圖8 帶連接頭的透鏡光纖

          福津光電專注于光纖精密加工和光纖鍍膜事業超過10年,可為激光器提供高耦合效率光纖透鏡產品。

           
           
           
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