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绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术研究摘要：近年来，随着我国经济的高速发展和科技的进步，光电器件与材料相关领域的研发不断取得新进展，性能得到明显强化，在各大领域得到广泛应用。
为进一步提高半导体激光功率，可以采用激光器单管合束及光纤耦合技术。
基于此，分析研究绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术，对提高仪器总功率以及将其应用于更多领域有重要的现实意义。
关键词：绿光半导体激光器；单管合束；光纤耦合前言：利用合束技术可以使多个半导体激光器在光纤中进行耦合，由此形成半导体激光器的光学器件，保证激光的输出功率，提高激光束的质量。
目前，国内外已广泛使用多种红外波段的半导体激光器，广泛用于彩色显示、激光印刷、高密度光盘存储等领域，但目前对于可见光波段激光耦合模块尤其是绿光波段的研究还很少，因此，对绿光高功率半导体激光器光纤耦合模块进行深入研究，是当前光电器件与材料相关领域研发重点之一。
1半导体激光器光纤耦合模块研究半导体激光器技术已经相对成熟，由于其具有光束不均匀性、单元功率低等特点，在一定程度上限制其应用领域。
为保证半导体激光器的功率输出，需要对激光器进行多层叠加，这会一定程度上限制光束质量。
随着半导体耦合技术的不断发展和进步，通过使用半导体激光器进行合束，可以有效提升光束的质量，实现激光远距离柔性传输。
最早的光纤是20世纪50年代研制出来的，后来被人们逐渐推广使用。
在20世纪70年代，就有国外公司利用化学气相沉积法得到了损耗较低的光纤，随着半导体激光器的迅速发展和光纤耦合技术的发展，人们对不同类型的半导体激光器进行了大量的研究，并取得了大量的成果。
2半导体激光器非相干合束技术目前，半导体激光器的合束技术方法有两种：相干合束和非相干合束。
半导体激光器利用光束准直技术和聚焦耦合技术，使多个光束单元的耦合成为可能。
在相干合束技术的应用中，采用了相位控制方法，使激光阵列各发光元件产生同一波长的光束，从而达到相干合束。
篇一：光纤测量实验报告光纤测量实验报告课程名称：光纤测量实验名称：耦合器光功率分配比的测量学院：电子信息工程学院专业：通信与信息系统班级：研1305班姓名：韩文国学号：13120011实验日期：2014年4月22日指导老师：宁提纲、李晶耦合器光功率分配比的测量一、实验目的：1. 理解光纤耦合器的工作原理；2. 掌握光纤耦合器的用途和使用方法；3. 掌握光功率计的使用方法。
二、实验装置：ld激光器，1 ×2光纤耦合器，2 ×2光纤耦合器，tl-510型光功率计，光纤跳线若干。
1. ld激光器半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。
.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。
电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（gaas）、硫化镉（cds）、磷化铟(inp)、硫化锌(zns)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。
本实验用的ld激光器中心频率是1550nm。
2. 光功率计光功率计（optical power meter ）是指用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗的仪器。
在光纤系统中，测量光功率是最基本的，非常像电子学中的万用表；在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表。
通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。
用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。
3. 耦合器光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件，是光纤系统中使用最多的光无源器件之一，在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。
光纤耦合器一般具有以下几个特点:一是器件由光纤构成，属于全光纤型器件;二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输具有方向性。
单模光纤耦合半导体激光器【知识】单模光纤耦合半导体激光器：打开无限潜力的光通信新时代引言：1. 光通信技术是现代信息社会的基石，但传统光纤通信存在一些挑战。
2. 单模光纤耦合半导体激光器作为一种新型光通信器件，在克服传统光纤通信的局限性方面具有巨大潜能。
1. 单模光纤耦合半导体激光器的基本原理与结构1.1 发光原理：光子受激辐射和自然辐射的相互作用。
1.2 结构和组成：FP-LD（Fabry-Perot Laser Diode）和DFB-LD （Distributed Feedback Laser Diode）。
1.3 特点：高功率、窄线宽、低噪声和高光谱纯度。
2. 单模光纤的优势与挑战2.1 优势：带宽大、传输距离远、抗干扰能力强。
2.2 挑战：单模光纤耦合技术和光纤对齐困难、光损耗、模式失配。
3. 单模光纤耦合半导体激光器在光通信中的应用3.1 高速通信：通过单模光纤耦合半导体激光器，实现高速数据传输，提高通信速率。
3.2 光网络：单模光纤耦合半导体激光器作为光网络的重要组成部分，加速光网络的发展。
3.3 光纤传感：利用单模光纤耦合半导体激光器的高功率和高光谱纯度，实现精确的光纤传感。
4. 单模光纤耦合半导体激光器的未来发展4.1 多通道传输：实现多通道传输的技术突破，提高光通信的容量和效率。
4.2 全光网络：进一步发展光网络技术，实现全光网络的梦想。
4.3 新材料应用：探索新型材料在单模光纤耦合半导体激光器中的应用，提高器件性能。
结语：通过对单模光纤耦合半导体激光器的全面评估，我们可以看到它作为一种新型光通信器件在克服传统光纤通信的局限性方面具有重大潜力。
在高速通信、光网络和光纤传感等方面的应用使其成为光通信的重要组成部分。
未来，多通道传输、全光网络和新材料应用将进一步推动单模光纤耦合半导体激光器的发展。
相信随着科技的不断进步，单模光纤耦合半导体激光器将为光通信领域带来更多的革新，并打开无限潜力的光通信新时代。
单模光纤耦合半导体激光器一、介绍单模光纤耦合半导体激光器是一种重要的光电器件，它能够将光纤中的光能有效地耦合到半导体激光器中，实现高效的能量转换和传输。
本文将详细介绍单模光纤耦合半导体激光器的原理、结构、性能以及应用。
二、原理单模光纤耦合半导体激光器的工作原理是利用折射率分布和波导特性来实现光纤与半导体激光器的耦合。
其主要包括以下几个方面：1. 折射率分布单模光纤的折射率分布决定了其传输模式的特性。
在单模光纤中，只能传输一种模式，即基模。
通过调整光纤的直径和折射率分布，可以实现与半导体激光器的匹配，从而实现高效的耦合。
2. 波导特性半导体激光器中的波导结构是实现耦合的关键。
波导可以将光束限制在一个较小的区域内，提高光的集中度和耦合效率。
同时，波导还可以通过调整其结构参数，如宽度、高度和折射率等，来实现与光纤的匹配。
3. 耦合方式单模光纤耦合半导体激光器的耦合方式主要有两种：端面耦合和侧面耦合。
端面耦合是将光纤的端面与半导体激光器的端面直接对接，通过折射率匹配来实现耦合。
侧面耦合是将光纤的侧面与半导体激光器的侧面对接，通过调整角度和位置来实现耦合。
三、结构单模光纤耦合半导体激光器的结构主要包括光纤、波导和半导体激光器。
其中，光纤用于传输光能，波导用于限制光束的传播范围，半导体激光器用于产生激光。
1. 光纤光纤是单模光纤耦合半导体激光器中的关键组件，它具有较小的模场直径和高的折射率。
光纤的直径和折射率分布需要与半导体激光器进行匹配，以实现高效的耦合。
光纤还需要具备良好的传输性能，如低损耗、低色散和高功率承受能力等。
波导是单模光纤耦合半导体激光器中的另一个关键组件，它可以将光束限制在一个较小的区域内，提高光的集中度和耦合效率。
波导的结构参数需要与光纤和半导体激光器进行匹配，以实现最佳的耦合效果。
波导还需要具备良好的光学特性，如低损耗、高反射率和高光束质量等。
3. 半导体激光器半导体激光器是单模光纤耦合半导体激光器的核心部件，它通过电流注入和光放大来产生激光。
实验二半导体激光器P-I特性测试实验一、实验目的1、学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理2、了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系3、掌握半导体激光器P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试方法二、实验内容1、测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出P-I关系曲线2、根据P－I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率三、实验仪器1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统1台2、FC接口光功率计1台3、FC-FC单模光跳线1根4、万用表1台5、连接导线20根四、实验原理光源是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。
性能好、寿命长、使用方便的光源是保证光纤通信可靠工作的关键。
光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。
其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。
第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。
第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。
第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。
第六，电—光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。
第七，光源应该省电，光源的体积、重量不应太大。
作为光源，可以采用半导体激光二极管（LD，又称半导体激光器）、半导体发光二极管（LED）、固体激光器和气体激光器等。
但是对于光纤通信工程来说，除了少数测试设备与工程仪表之外，几乎无例外地采用半导体激光器和半导体发光二极管。
本实验简要地介绍半导体激光器，若需详细了解发光原理，请参看各教材。
半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。
处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。
导体激光器与单模光纤耦合效率的分析fH,w `[ dx#i/Ka#一、引言] 7% CL.2Q随着光纤加工工艺和制造技术的日益提高，在光纤通讯与光纤传感中的传输损耗已经降低到了0.154dB/km的极限程度。
而光源与光纤的耦合损耗问题越来越显得突出。
在光纤通讯中，由于在多模光纤中各传输模的群延迟不同，所以限制了它的应用场合［1］；而在光纤传感中，多模光纤与光源的耦合相对单模光纤来说容易得多，但由于单模光纤具有较高的横向分辨力，在一些特殊的传感测试场合，还必须使用单模光纤［2］。
所以，改善和提高半导体激光光源与单模光纤的耦合效率成为国内外研究的焦点。
npT(iP`")由于单模光纤的芯径只有多模光纤的十分之一，即5～10μm左右，加上激光器在垂直于结平面方向有较大的发散光束角，所以，简单的套筒式耦合无法获得较高的耦合效率［3］。
况且，激光器与光纤轴线的对中容许误差只有1μm，增大了SLD-SMF光耦合的难度。
为了减小SLD-SMF间的光耦合损耗，激光器的模场半径（光点尺寸）应与光纤的模场半径相互匹配起来，也就是说，使激光器的椭圆形模场转换为光纤的圆形模场，这可以通过在SLD-SMF间使用透镜来实现［4］。
迄今为止，已有许多种用不同形状的透镜进行模式匹配的方法，如柱状透镜法、半球透镜法、四角锥形半椭圆透镜法、共焦透镜法及柱状透镜与自聚焦透镜组合法等［5，6］；也可以用一些特种加工技术，如通过拉伸被加热的光纤端头使其形成尖锥状或在研磨后熔融光纤的末梢以及用光刻技术［7～11］直接在光纤的端头处加工出各种形状的微透镜。
2d"@g*本文将对一些典型的SLD-SMF光耦合方式进行理论上的分析，并给出一些具有实用价值的数据。
并从耦合效率与成本双重角度给出了适合于实际工程应用的几种耦合方式的优选率。
2-v?T6<2i*DP:$c二、耦合特性的理论分析1 ]_!4{f当单模光纤的归一化频率V在1.9≤V≤2.4范围内时，对在单模光纤内光能量分布采用高斯场近似，误差在1%以内。
所以，采用高斯光束模场分布来分析计算和比较各种耦合方式的耦合效率及实用性是完全可行的。
SLD-SMF直接耦合原理如图1所示。
图中w0为单模光纤的模场半宽，其值在理论上在计算过程中相当烦琐，在工程实际中常由下式近似［12］：jS9 ,Z"(1) h,3<A式中a为光纤纤芯半径。
在图1中，w1为入射激光的模场半宽；z为入射光在模场半宽处与光纤端面的距离；θ为光纤芯轴与入射光轴的倾斜角；x0为两轴相互错开的距离。
}/Y({~? \xSxB/Eq~图1SLD-SMF模场耦合原理图H?KR-Da}在平行与垂直结平面内，激光器光束有不同的发散角度。
例如，典型的平行发散角为2°～5°，而垂直发散角在15°～30°之间。
假设在平行和垂直结平面内，激光器发出的光场都可按高斯场分布近似，则对应远场发射角θ∥和θ⊥的模场半宽w∥和w⊥可由w∥,⊥=λ/πθ∥,⊥得出，式中λ为激光波长。
LM=YO+图1中，假设SLD-SMF间两轴相错角度与错开距离发生在同一平面内，则两高斯光束间耦合效率的计算式［1］为tV_qOT(2) t\0H$Vv4P式中k=4w21w20/［(w21+w20)2+λ2z2/π2］；w21(z)=w21［1+(λz/πw21)2］。
iC7Mx7u#半导体激光器发出的光束为椭圆光，设垂直和平行于结平面方向的模场半宽（光点尺寸）分别为w⊥1和w∥1，若给定z、w⊥1和w∥1，就可以求出SLD-SMF在直接耦合情况下，由于两轴夹角与位置间不对中而造成的损耗。
如设z=0，w⊥1=0.5μm，w∥1=2μm，w0=3μm，λ=0.67μm，可求出平行光束与垂直光束的耦合效率与两轴偏离情况的关系，如图2和图3所示。
由图可见，对于平行光束来说，尽管SLD-SMF间两轴相错角度与错开距离都是等于零的理想状态，但以套筒直接耦合方式的耦合效率也只能达到84%；而对于垂直光束仅能达到10%。
如果设总的耦合效率则总的耦合效率为29%。
可见，为了使激光器出射的光有效地耦合进单模光纤，必须采用透镜耦合方式。
%|KSeP?@MoGQdT图2耦合效率与两轴相错角度和距离的关系5>4JYq0(z=0,w∥1=2μm) ^NXQ>Argb>*'C3!LF图3耦合效率与两轴相错角度和距离的关系'O(4mysc(z=0,w⊥1=0.5μm) AV[srSAeB三、不同透镜耦合方式的分析比较^IlL u以下将从耦合效率与经济效益的角度，对不同的透镜耦合原理及性价比加以分析比较。
nNuY793@t1. 套筒式直接耦合OAs}g@i8pr套筒式直接耦合方式原理已在上面讨论了。
在使用这种方式时，激光器与单模光纤的间距要求尽可能地减小。
日本Masatoshi Saruwatari等人［1］在z=10μm左右实验得出最大耦合效率为-6.2dB（24%）。
为了得到更高的耦合效率，必须提高激光器与光纤两轴的对准精度，如对准精度在1μm之内，并减小SLD-SMF的间距在2μm之内。
然而在狭小的套筒空间里，在没有定位措施的情况下，这一点实现起来是相当困难的。
AApm]L2. 单球透镜耦合54e<78wY]球透镜是最简单、最容易制造的透镜。
由于其自身的圆对称性使其装调比其它透镜方便得多，因而单球透镜耦合方式是SLD-SMF之间模场耦合常用的方法之一。
然而，由于球面像差的存在，单球透镜的耦合效率不如那些多透镜系统和梯度折射率系统或非球面透镜系统的耦合效率高［13］，因此，减小球差将是提高这种方法耦合效率的关键所在。
单球透镜耦合原理如图4所示。
这种方式的耦合效率主要取决于激光器和光纤与透镜的距离DLD和DSMF。
适当选择DLD与DSMF的大小来平衡球面像差的影响，这在一定程度上能提高耦合效率。
Ratowsky等人给出了单球透镜的光耦合效率与DLD、DSMF的关系曲线［14］，如图5所示，并给出了DLD和DSMF在优化组合条件下的最大耦合效率(48%)，所对应的DLD=60μm，DSMF=0.70mm。
其中，单球透镜采用折射率n=1.76的蓝宝石透镜，透镜半径R=300μm。
图5中，如果光滑连接DLD的各个耦合效率曲线的极大值点，可发现在DLD=40μm和DLD=60μm两曲线之间存在较大的空缺数据点。
如果将DLD取值再进一步细分，最好的耦合效率很可能超过50%。
4 f0R+N>rqMAbQ图4单球透镜光耦合原理9<sQ io]b (D L图5耦合效率与DLD和DSMF的关系Q:Kkm2Kx此外，通过减小球透镜的半径R或增大其材质的折射率n，也可以改善这种耦合方式的耦合效率。
}w@^(u这种耦合方式对激光器和光纤的定位精度要求可比套筒直接耦合方式低一些。
由图5可知，DLD在10μm误差范围内，最优耦合效率的变化在5%左右；而DSMF在10μm误差范围内，最优耦合效率的变化在1%以内。
但对DLD和DSMF之间的最优化组合要求较高，在固定其中一个距离的前提下，应精确调节另一个距离，以获得最大耦合效率。
OhoHZM@(Y3. 微柱状透镜耦合>nAVg\'H柱状透镜耦合方式也是一种常用的方法，其原理结构与单球透镜耦合方式类似，如图6所示。
这种方式的耦合效率主要取决于透镜的尺寸、透镜与激光器的距离，同时也与透镜的折射率有关。
在其它条件不变的情况下，透镜半径减小，可使耦合效率增大。
如当透镜半径R=11μm时，耦合效率为-4.3dB（37%）；当R=6.25μm时，最高可获得-1.8dB（66%）的耦合效率。
这可以解释为较小的透镜半径可使激光束会聚成较小的模场半径，以与光纤的模场半宽相匹配。
当采用折射率n=1.58的硅酸硼玻璃柱状透镜时，其最优化半径R0=4.5μm。
当使用的透镜半径大于最优化半径时，耦合效率将会降低，但SLD、SMF与透镜之间的对中容差得到了一定的改善。
因此，在实际工程应用中，尽管较大的透镜半径会导致耦合效率的下降，但在满足要求的前提下适当增大透镜半径，不仅给装调带来方便，而且对定位精度的要求也相应降低了。
当激光器和透镜对准并固定好后，如果光纤装卡在可调节的微型结构上，可获得更高的耦合效率，但这种办法使得系统的输出对外界振动非常敏感，即使是在隔壁房间里有一个人走动，也会给输出带来很大的变化。
6E:6H`^p\8^P/>.图6柱状透镜耦合原理S]Sq?cJ=4. 光纤端面透镜耦合YnWfxEZ随着光刻、蚀刻和激光微加工工艺的发展，近些年来，在光纤端面上直接加工出各种形状的微透镜以实现SLD-SMF间光耦合的方法已有很多报道［15，16］。
这种结构的优点是结构紧凑、加工和封装较容易、成本较低。
通常在光刻、蚀刻或研磨后加热成型出半球形光纤透镜。
由于这种透镜加工成型较容易，所需的加工工艺也比较成熟，所以成本并不高，但最好的耦合效率只能达到-2.5dB（56%），原因是高的耦合效率需要半球透镜有较小的曲率半径和较大的数值孔径，而这两者对于半球形透镜来说是互不兼容的。
为了解决这一矛盾，美国贝尔实验室的Edwards等人用激光微加工技术成功地加工出了一种回转双曲面光纤端面透镜，通过适当选择双曲面的形状尺寸，可使最高耦合效率达到90%，如果在透镜表面涂上防反射膜，还可能得到更高的耦合效率。
然而，即使在肉眼可见的光学零件上加工出一个非球面形状的透镜，也是相当困难的。
所以，要在尺寸从几微米到十几微米左右的单模光纤端面上加工出回转双曲面，必须有亚微米的加工精度，从而提高了加工成本。
而且这种办法也无法保证所有透镜的耦合效率都能达到理想程度。
_67aA"*在光纤端面上直接加工出微透镜的方法还有很多，如用化学腐蚀熔融法、局部加热拉伸法等加工出锥形面、椭球面等耦合透镜。
这些透镜的耦合效率都不如上述的回转双曲面透镜高。
.gfR{q J\E]vf^l?f图7不同耦合方式的选择率Z/f+ <gn四、结论JqW)1s激光器与单模光纤的耦合效率对光纤通讯和传感系统来说都是一个关键性的问题。
耦合效率的提高会提高通讯系统的传输能力和光纤传感系统的分辨能力。
虽然套筒式耦合简单经济、SLD-SMF耦合器制造方便，但由于激光器与单模光纤的模场半宽不匹配而使耦合效率不高。
虽然利用分立的球透镜或柱状透镜可使激光器与光纤有一定的耦合空间，同时在一定程度上提高了耦合效率，但由于很难在狭小空间中实现激光器与透镜、透镜与光纤间距离的微米级最优组合而使其耦合效率受到了限制。
在光纤端面上直接加工出微透镜的方法同样具有耦合结构简单等优点，选择适当的加工工艺，可加工出理想的透镜表面形状，实现较高的耦合效率。
