有源光缆中光路耦合系统的设计

摘要

随着互联网+时代数据的快速交换，有源光缆（AOC）集成了多模光纤光缆、光收发模组和控制芯片等，具有传输容量大、能耗低等优势，是数据中心、高性能计算机群等领域理想的光互连线缆。本文研究芯片托盘型垂直腔面发射激光器（VCSEL）与多模光纤（MMF）的耦合问题，首先在模式耦合理论基础上，采用重叠积分法，构造了计算VCSEL横模与MMF模场的能量耦合效率数学模型。利用数值软件MATLAB计算了：
　　（1）当 VCSEL与MMF直接对准耦合时，计算通信级VCSEL辐射的低四阶横模与MMF模场的能量耦合效率；
　　（2）当VCSEL中心与MMF轴心间发生纵、横向位移时，计算分析了TEM01横模与MMF的LP01、LP02、LP11模场能量耦合效率，计算结果表明，当VCSEL与MMF两轴心横向偏移7.5μm时，两者的耦合效率为50%，当VCSEL与MMF间轴向位移从0mm增大到1mm处，两者的耦合效率下降到8%。考虑芯片托盘型VCSEL与MMF之间存在一定位移，为了提高两者的耦合效率，利用光学软件ZEMAX优化设计了曲率半径为2.549mm，中心厚度为2mm的非球面透镜耦合系统，并在光学分析软件TRACEPRO中仿真从光源到光纤的实际耦合光路，仿真结果表明，当VCSEL出射端面与MMF入射端面分别位于两透镜的焦点处时，耦合效率为86%，同时，VCSEL芯片中心相对MMF入射端面的轴心横向偏移10μm时，VCSEL与MMF的耦合效率下降到56%。根据TP中的仿真系统，搭建实际传输光路系统，并对系统进行相关数据测量。
　　（1）VCSEL与MMF之间未加耦合透镜系统，两者的中心相对横向偏移从0μm到20μm时，耦合效率从4.7%下降到0.12%；
　　（2）VCSEL与MMF之间加耦合透镜系统，两者的中心相对横向偏移从0μm到20μm时，耦合效率从84%下降到25%，当耦合对准时，设计的透镜耦合系统使两者的耦合效率提高79%。由于光学元件对光束的吸收、散射及端面反射等因素影响，实验数据略小于理论计算，实验结果表明，芯片焊接过程中，应尽量避免VCSEL芯片的横向偏移，控制误差在±3μm内。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景与意义

1.3 有源光缆的介绍

1.4 研究内容和论文结构安排

第二章 MMF与VCSEL的模场分析

2.1 多模光纤的模式理论

2.2 垂直腔面激光器的出射场分布

2.3 模式的正交性

2.4 本章小结

第三章 VCSEL与MMF的能量耦合效率计算

3.1 VCSEL与MMF的能量耦合模型

3.2 VCSEL与MMF直接对准时耦合效率计算与分析

3.3 VCSEL与MMF之间存在对准位移公差时的耦合效率

3.4 本章小结

第四章 VCSEL与MMF的光耦合设计与实验测试

4.1 光源与多模光纤的选择

4.2 VCSEL与MMF的耦合系统设计

4.3 VCSEL与MMF的光耦合实验测试

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢