尖锥端光纤和半导体激光器的耦合

半导体激光器件中的光纤耦合与光纤通信研究光纤通信是现代通信领域中一种重要的传输方式，其通过利用光纤作为传输介质来传送光信号，具有高速率、大带宽、低失真等优点，被广泛应用于通信领域。

而光纤耦合作为光纤通信中不可缺少的关键技术之一，对于实现高效的传输起着重要作用。

本文将重点研究半导体激光器件中的光纤耦合与光纤通信相关的研究内容。

首先，半导体激光器件是光纤通信系统中产生光信号的重要部件之一。

半导体激光器件是一种通过电流注入来激发半导体材料中的电子与空穴复合产生光子的器件。

在光纤通信系统中，通常采用半导体激光器件作为光源，将电信号转换为光信号进行传输。

半导体激光器件的性能对于光纤通信系统的传输质量和距离有着重要影响。

因此，研究如何提高半导体激光器件的耦合效率和输出功率，对于光纤通信系统的性能优化具有重要意义。

在半导体激光器件的光纤耦合中，主要存在两种方式，即端面耦合和侧面耦合。

端面耦合指的是将半导体激光器件的端面与光纤的端面直接耦合，而侧面耦合则是通过光纤的侧面与半导体激光器件的侧面实现耦合。

两种耦合方式各有优劣，选择何种方式进行光纤耦合需要根据具体的应用需求和性能要求来确定。

在光纤通信系统中，光纤耦合的关键性能参数包括耦合效率和插入损耗。

耦合效率是指通过光纤耦合系统实现的输入功率与输出功率之间的比值，而插入损耗则是指信号在光纤耦合系统中的传输过程中所损失的功率。

提高光纤耦合的效率和减小插入损耗是进行相关研究时的重要目标。

为了提高光纤耦合的效率和减小插入损耗，在研究中可以采取多种方法。

其中一种常见的方法是使用光纤插损测试仪进行耦合参数的测试和优化。

通过测试仪器的测量和调节，可以精确地获取光纤耦合系统的性能参数，并对其进行优化调整。

另外，也可以采用光纤焊接技术来实现光纤与半导体激光器件的精确定位和耦合。

光纤焊接技术可以通过将光纤与器件的端面进行精确对准，并利用高温高能量进行焊接，实现最佳的光传输效果。

此外，光纤通信系统中还存在一些其他与光纤耦合相关的研究问题，例如光纤耦合的稳定性和可靠性。

§6-6 光纤与半导体光源耦合光纤通信中最常用的光源是发光二极管和激光二极管，二者皆是细小如砂粒般的半导体微芯片，当外加电流时，可使二者发光。

把光源发射的光功率尽可能多的送入传输光纤，这就是光源和光纤的耦合问题。

提高耦合效率有利于允许在系统中使用较低功率的光源，从而减少成本和增加可靠度。

在此实验中我们学习如何利用0.29节距的渐变折射率（GRIN ）杆状透镜将注入式激光二极管（ILD ）和发光二极管耦合到光纤的技术。

GRIN 透镜体积小，具有便利的焦距及工作距离和低失真的高质量影像，已被广泛使用于光纤和光源的耦合。

实验中的光源为远红外线组件，注入式激光二极管峰值波长为780nm ，而发光二极管的峰值波长为830nm 。

这些组件可发射非可见光辐射，适当的安全手则必须遵守，以避免可能的伤害。

切记：决不可用眼睛直接观察激光或其反射光。

【实验目的】1、 了解发光二极管(LED)和注入式激光二极管（ILD ）的光学特性，比较两者异同。

2、 掌握利用GRIN 透镜将半导体光源耦合到光纤的技术。

【实验原理】 一、光源的类型在光纤通信系统中有两种光源最常被使用，即发光二极管（LED ）与注入式激光二极管（ILD ）。

两者具有相同的基本结构，皆基于PN 结，但注入式激光二极管较复杂，参见图6.6.1。

两者基本工作原理相同，在正向偏置电压下由电子注入在有源层形成粒子数反转而产生光输出。

但注入式激光二极管的光输出功率-驱动电流曲线与发光二极管不同，前者有一阈值电流需先达到，光输出对电流响应才会迅速增加，参见图6.6.2。

一个光源可用从它表面所发射的所有可能方向的光线的光功率分布来说明其特征。

光源一般依其辐射分布可分为两种型式，即朗伯（Lambertian ）光源和准直（collimated ）光源。

朗伯光源从每个图6.6.1 激光二极管基本结构及光场分布图6.6.2 驱动电流与光输出功率的关系微分光源单元的所有的方向上发射光，面发射的发光二极管接近朗伯光源。

光纤和半导体激光器耦合的实现方法光纤和半导体激光器的耦合是将光纤与半导体激光器的光输出进行有效地连接的过程。

光纤和半导体激光器的耦合技术对于实现高效率和高品质的光纤通信、光纤传感和光纤激光器应用非常重要。

下面将介绍光纤和半导体激光器耦合的几种基本实现方法。

1.朴素方法：一种最简单的方法是将光纤粗略地对准激光器的外圆，然后用胶水或其他适当的导光材料固定光纤。

这种方法的缺点是会引入大量的光耦合损耗和模式不匹配损耗，导致耦合效率较低。

2.渐变折射率耦合：渐变折射率耦合是一种改进的方法，该方法通过在光纤末端表面使用透镜或折射率均匀变化的介质来改善耦合效率。

这种方法可以通过将光纤端面与激光器外表面之间的折射率差最小化来减少反射和模式相位匹配的不匹配，从而提高光纤和激光器之间的功率转移效率。

3.FC/APC连接：FC/APC（Angled Physical Contact）是一种常见的连接器类型，其端面倾斜以减少反射。

在光纤和激光器之间使用倾斜的光纤连接器，可以减少反射损耗，并提高耦合效率。

4.GRIN透镜耦合：GRIN（Graded-Index）透镜是一种折射率渐变的透镜，其折射率从中心向外缓慢减小。

将适当长度的GRIN透镜嵌入光纤末端，并将其与半导体激光器的激光输出区域对准，可以有效地将激光通过透镜耦合到光纤中。

GRIN透镜耦合可以提高耦合效率和模式匹配。

5.V-形槽耦合：V-形槽耦合是一种使用槽形结构来改善光纤和激光器之间耦合的方法。

在光纤末端和激光器之间创建V形槽，然后将光纤放置在槽中，可以实现更高的耦合效率。

这种方法可通过优化V形槽的形状、深度和角度，来减少反射和提高光耦合效率。

以上是光纤和半导体激光器耦合的几种基本实现方法。

在实际应用中，根据具体需求和要求，可以选用合适的耦合方法。

此外，还可以通过优化耦合尺寸、使用适当的光纤补偿器、调整光纤和激光器之间的距离等方法，进一步改善光纤和半导体激光器的耦合效果。

光纤耦合半导体激光器原理光纤耦合半导体激光器是一种将光纤与半导体激光器相结合的器件，可将激光器器件与光纤相互耦合，实现高效的光纤传输和集成应用。

它不仅具备了半导体激光器的小尺寸、高效率、低功耗等特点，还能实现激光光束与光纤之间的高效耦合和传输。

首先，模式匹配是光束通过光纤耦合的关键环节。

激光器芯片的输出模式和光纤的模式必须匹配才能进行有效的耦合。

通常，半导体激光器芯片的输出模式为高斯模式，而光纤的传输模式也为高斯模式。

通过设计激光器芯片和光纤的参数，如直径、焦距等，使得两者的输出模式能够匹配，以确保较高的耦合效率。

其次，光束扩展过程将激光器芯片的较小直径的光束扩展到与光纤直径相匹配的尺寸。

这一过程可以通过使用透镜或光纤连接器等光学元件来实现。

透镜可以将光束进行聚焦和发散，从而实现光束尺寸的调整。

光纤连接器则通过其内部的光学结构来实现光束尺寸的调整和耦合。

最后，耦合效率是衡量光束传输和耦合质量的指标。

耦合效率取决于光纤与半导体激光器芯片之间的距离、角度和位置等因素。

一般情况下，为了最大程度地提高耦合效率，需要将激光器芯片的输出焦点与光纤的输入端对准，并保持二者的光轴一致。

此外，通过调整激光器芯片和光纤之间的距离和角度等，还可以进一步优化耦合效率。

除了以上原理，光纤耦合半导体激光器还需要注意温度的控制和光学元件的稳定性等问题。

激光器芯片的温度对其性能有很大影响，因此需要采用冷却措施来控制温度。

此外，光纤连接器和透镜等光学元件在使用过程中也需要保持稳定的性能，这对于长时间稳定的激光输出至关重要。

总之，光纤耦合半导体激光器通过将半导体激光器芯片与光纤相结合，实现了激光光束的高效耦合和传输。

它的原理涉及模式匹配、光束扩展和耦合效率等关键过程，并需要注意温度控制和光学元件的稳定性等问题。

光纤耦合半导体激光器在光通信、光传感和激光加工等领域具有广泛的应用前景。

高亮度半导体激光器光纤耦合系统设计摘要：本文介绍一种利用空间合束技术和光纤耦合技术将9只波长为915nm 单管芯半导体激光器高效率耦合进光纤中，制备出具有高功率、高亮度输出光纤耦合模块。

在使用光学软件进行模拟仿真后并通过实验验证，实验结果表明光纤耦合模块可以通过芯径105μm、数值孔径（NA）为0.22 的光纤输出大于110w 的功率，并且亮度达到 8.64MW/(cm2·sr).关键词:激光耦合; 激光准直; 激光合束; 半导体激光器1引言工业应用和光纤激光泵浦已经证明了对光纤耦合半导体激光器的需求增加，特别是新的固态器件-光纤激光系统，需要越来越高的功率、更高的亮度和单波长泵浦源。

光纤耦合激光半导体模块具有几乎对称的能量分布和高度的指向稳定性，是新型固态激光器件的最佳泵浦源之一。

由于近年来半导体单芯片发射极的输出功率从1W大大提高到15W，光纤耦合半导体模块的输出功率从30W提高到800nm到 980nm波长区域的200W左右。

例如，2014年，NLIGHT（美国）提出了一个新的元件封装，可以容纳多达18个发射体与偏振光束组合。

此封装包提供直径为105μm的130W光纤和直径为200μm的225W光纤，可以提高输出功率和亮度。

在2016年，DILAS（德国）报道了一个915nm单波长、传导冷却、光纤耦合的多棒模块，模块的输出功率为120W，核心直径为120μm到400μm［1-3］．在目前的工作中，我们选择半导体单管件来设计和实现商业上可用的高功率和高亮度仅基于9个单光束的光纤耦合模块。

使用空间光束结合以及光纤耦合技术，将105μm NA为0.22光纤耦合器半导体激光模块，封装在915nm封装中，并通过软件仿真和实验验证。

该模块在没有偏振光束组合技术的情况下，只能使用空间组合技术输出110W，因此模块的体积和工作电压较小。

2光学设计和光束准直2.1光学设计为了实现高功率和更高的亮度，空间光束组合是一种有效的方法，通常用于多发射模块，在不降低光束质量的情况下，从一根光纤中实现高功率光纤输出。

光纤耦合半导体激光器光纤耦合半导体激光器是一种将激光器和光纤相结合的器件。

它利用光纤的优良传输特性，将激光器的输出光束耦合到光纤中进行传输。

光纤耦合半导体激光器具有小尺寸、高功率、高效率、稳定性好等特点，被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。

光纤耦合半导体激光器的基本构造是将半导体激光器和光纤通过耦合器件进行连接。

半导体激光器是产生激光的核心部件，它由半导体材料制成，具有电流驱动特性。

光纤则是将激光束传输到目标位置的通道，它由光纤材料制成，具有光信号传输特性。

耦合器件起到连接和耦合两者的作用，通常采用透镜、光纤接口等结构。

在光纤耦合半导体激光器中，激光器产生的激光束首先经过调制器进行调制，这样可以对激光进行控制，满足不同应用需求。

然后，通过耦合器件将激光束耦合到光纤中。

耦合的目的是将激光能量高效地传输到光纤中，并保持高质量的传输。

耦合效率的高低直接影响到激光器的输出功率和稳定性。

光纤耦合半导体激光器的优点之一是可以将激光束传输到较远的距离，而不会因为传输损耗而降低功率。

这是因为光纤具有低损耗、低色散的特性，可以有效地保持激光束的质量。

此外，光纤耦合半导体激光器还具有较小的尺寸和重量，适合在空间有限的环境中使用。

光纤耦合半导体激光器在通信领域有着广泛的应用。

它可以用于光纤通信系统中的光源，将激光信号传输到光纤中进行信号传输。

由于光纤耦合半导体激光器具有高功率、高效率的特点，可以提供稳定的信号传输。

此外，光纤耦合半导体激光器还可以用于光纤传感系统中，实现对温度、压力等参数的测量和监测。

在医疗领域，光纤耦合半导体激光器也有着重要的应用。

它可以作为医疗设备中的光源，用于激光治疗、激光手术等。

光纤耦合半导体激光器具有小尺寸、高功率的特点，可以在医疗器械中实现紧凑的设计。

光纤耦合半导体激光器还可以用于材料加工领域。

它可以作为激光切割、激光焊接等加工过程中的光源。

光纤耦合半导体激光器具有高功率、高效率的特点，可以提供稳定的激光能量，实现高质量的材料加工。

光纤和半导体激光器耦合的实现方法作者：许贵阳华显立来源：《科技经济市场》2014年第07期摘要：光纤和半导体激光器耦合技术的高低直接决定了EDFA技术性能，本文通过论述半导体激光器与光纤耦合的理论，进一步研究分析半导体激光器和光纤耦合的方法，进而在一定程度上为光纤和半导体激光器耦合技术的发展提供参考依据。

关键词：光纤；半导体激光器；耦合方式0 引言半导体激光器自1962年问世以来发生了极大地变化，有力的推动了现代科学技术的发展。

半导体激光器具有光电转换效率高、体积小、重量轻、耗电少且价格低等优点，因而广泛应用于广泛使用于光纤通信、激光测距、激光打印、激光扫描、激光指示器以及航空航天等重要领域。

对于半导体激光器来说，受自身结构特点的影响和制约，进而在一定程度上降低了半导体激光器的出射光束的质量，不仅在垂直和平行于PN结两个方向上的光束不对称，而且存在有很大的发散角，另外，对驱动电源要求比较高，进一步增加了实际应用的难度。

对于半导体激光器来说，光纤和半导体激光器的耦合技术能够对其光束进行整形、准直、变换，同时能够耦合到光纤中，这样就可以输出对称并且亮度较高的光束。

1 光纤与半导体激光器的耦合方式通常情况下，光纤与半导体激光器的耦合方式可以分为：（1）光纤与激光器不经过任何系统进行直接耦合。

（2）将透镜、棱镜等光学零件插入激光器和光纤之间的方法，即分离透镜耦合法。

在光纤与半导体激光器进行耦合的过程中，无论哪种方法，其耦合的目的都是对半导体激光器输出的光场进行整形，进而在一定程度上使得入射光场与光纤本征光场分布实现最大限度的匹配。

1.1 分离透镜耦合在耦合系统内部，各光学零件之间与光纤以及耦合系统都是相互分立的，在这种情况下，对于半导体激光器、耦合系统和光纤之间的共轴准直性要求比较好。

在封装的过程中，采用一些加工精度较高的支承件固定各光学零件，在一定程度上确保较好的准直性，但是这样做法增加了成本，并且尺寸比较大。

收稿日期∶1996—10—21;收到修改稿日期∶1996—12—02第25卷　第1期中　国　激　光V o l.A 25,N o .1　1998年1月CH I N ESE JOU RNAL O F LA SER S January ,1998尖锥端光纤和半导体激光器的耦合韦朝炅　查开德　王新宏(清华大学电子工程系　北京100084)提要　介绍了一种低反射高效率的尖锥端光纤和半导体激光器的耦合技术。

应用模式耦合理论分析表明,这种尖锥端光纤的耦合效率可接近90%,锥端反射损耗大于60dB 。

因此,这种耦合技术既可以提高LD 和光纤的耦合效率,又可以大大降低耦合反射对D FB 等激光器的影响。

简单介绍了这种尖锥端光纤的制造技术,通过精密的磨抛加工,即可获得理想的尖锥端。

用自行加工制备的尖锥端光纤与D FB 半导体激光器耦合,实际测量的耦合效率最大达7319%,反射损耗优于50dB 。

关键词　尖锥端光纤,高效率,低反射,模式耦合理论1　引　言 光纤和半导体激光器耦合是光纤通信系统中获得高性能光源的重要技术之一。

耦合技术的进步,直接影响光纤通信系统的性能。

光纤和LD 耦合发展过程大致是:LD 和平端光纤→透镜+平端光纤→球端光纤(微透镜光纤)→自聚焦透镜+光隔离器+光纤→双曲线端光纤和尖锥端光纤。

这个过程是为了获得性能更好的光纤通信系统用光源。

总起来说,一个优秀的耦合应该是效率高,获得尽可能大的出纤功率,以有利于扩展系统的传输距离和提高系统的信噪比;反射小,尽可能减少耦合反射光对半导体激光器工作特性的影响。

因为即使很小的反射,也将影响激光器振荡频率的稳定性,影响激光谱线宽度、动态响应及功率起伏而产生的强度噪声[1～3]。

下面首先用模式耦合理论来分析尖锥端光纤头的耦合效率及反射损耗,然后介绍光纤头的工艺加工过程及测量的实验装置,最后比较理论和实测的结果。

2　理论模型图1用于计算的模式耦合理论模型简图F ig .1Geom etry fo r the calculati on ,show ing thelocati on of the laser and the m icro lens为了设计出最佳角度的尖锥端光纤,我们应用一个模式耦合理论模型来计算半导体激光器和尖锥端光纤的耦合效率及反射损耗。

光纤耦合半导体激光器原理光纤耦合半导体激光器是一种将激光器与光纤相结合的器件，它利用光纤对激光的传输特性进行耦合，实现高效的光纤传输。

本文将从光纤耦合半导体激光器的原理、结构和应用等方面进行介绍。

光纤耦合半导体激光器的原理主要依托于半导体激光器的特性。

半导体激光器是一种利用半导体材料的电特性和光特性相互作用产生激光的器件。

其基本原理是通过施加电流，使半导体材料中的载流子在PN结区域发生复合，从而产生光子的放射，形成激光。

而光纤则是一种用来传输光信号的导光介质，具有高带宽、低损耗、抗电磁干扰等优点。

将半导体激光器与光纤耦合在一起，可以实现激光信号的高效传输和控制。

光纤耦合半导体激光器的结构包括激光器芯片、耦合透镜、光纤和光纤连接部件等。

激光器芯片是半导体激光器的核心部件，它由P 型、N型和活性层等材料组成，并通过电极进行电流的注入。

耦合透镜用于将激光器芯片中的激光束聚焦到光纤的末端，实现激光与光纤之间的耦合。

光纤连接部件则用于固定和保护光纤，以及保证光信号的稳定传输。

光纤耦合半导体激光器的应用非常广泛。

首先，在通信领域，光纤耦合半导体激光器可以用于光纤通信系统中的光源，实现高速、远距离的光信号传输。

其次，在工业应用中，光纤耦合半导体激光器可以用于激光加工、激光打标等领域，实现精确、高效的激光加工。

此外，在医疗领域，光纤耦合半导体激光器可以用于激光治疗、激光手术等，实现非接触式的医疗操作。

光纤耦合半导体激光器相比其他激光器具有许多优点。

首先，由于光纤的导光特性，光纤耦合半导体激光器可以实现长距离的光信号传输，同时光纤的柔性和抗干扰性也使得激光信号的传输更加稳定可靠。

其次，光纤耦合半导体激光器的结构简单紧凑，易于集成和应用。

此外，激光器芯片的制造工艺成熟，生产成本相对较低。

总结起来，光纤耦合半导体激光器是一种将激光器与光纤相结合的器件，利用光纤对激光的传输特性进行耦合，实现高效的光纤传输。

该器件具有结构简单、性能稳定、应用广泛等优点，被广泛应用于通信、工业、医疗等领域。

光纤耦合半导体激光器原理首先介绍半导体激光器的原理。

半导体激光器由发光材料、PN结和光谱补偿结构等组成。

在PN结中，电子从N型区域向P型区域跃迁，同时发射出能量与频率匹配的光子，形成激光。

通过电流注入，激发发射材料中的电子从价带跃迁到导带，发射出的激光经过光谱补偿结构修正，然后通过腔体，最后通过输出端射出。

半导体激光器具有发射特性窄、尺寸小、寿命长等优势，适用于光纤耦合。

光纤耦合是将激光器发出的光束耦合到光纤中，并通过光纤传输到目标位置。

光纤耦合的目的是提高激光器到光纤之间的透射效率，减小能量损失。

光纤耦合的实现主要包括透镜对准法、抱瓶法和腔封装法等技术。

其中，透镜对准法是一种常用的耦合方法，它通过透镜将激光器的发散光束收束到光纤的传输模式中，以实现高效的耦合。

光纤耦合半导体激光器具体过程如下：首先，在半导体激光器的输出端面固定一透镜，通过调整透镜的位置和倾斜角度，使激光器的发散光束经过透镜后聚焦到光纤的入射端。

接下来，通过微调透镜的位置和倾斜角度，使激光尽可能地耦合到光纤的核心模式中。

为了进一步提高耦合效率，可以采用碎钻等方式清洗和修整光纤入射端面，去除可能对耦合效果产生影响的杂质。

最后，当激光器发出的光束成功耦合到光纤中时，激光将通过光纤的传输将光子能量传输到远距离的目标位置。

光纤具有低传输损耗、高耐受性、小尺寸等优点，因此能够有效地保持激光的质量和功率。

总结起来，光纤耦合半导体激光器的原理是通过半导体激光器将电能转换为光能，并经过光纤的传输将光能传输到目标位置。

光纤耦合技术的应用使得半导体激光器能够实现远距离、高功率和高质量的激光传输，具有广泛的应用前景。

收稿日期:2001-12-24基金项目:国家部委重点实验室资助项目(00J S0811121DZ0108)作者简介:冯吉吉王君(1977-),男,西安电子科技大学硕士研究生.半导体激光器与半锥形多模光纤耦合效率的分析冯吉吉王君,曾小东,安毓英(西安电子科技大学技术物理学院,陕西西安 710071)摘要:结合半导体激光器和多模光纤的特性,通过对高斯光束的发散特性的分析,利用光线迹踪法,从数值上得到半导体激光器与半锥形多模光纤耦合效率与锥形结构的关系,为制造半锥形多模光纤提供了理论依据,给出了一种易实现、高耦合效率的耦合新方法.关键词:半导体激光器;半锥形多模光纤;耦合效率中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号:1001-2400(2002)06-0760-04An analysis of the coupling efficiency of thelaser diode to the sem-i tapered mu ltimode fiberFE NG Zhe -jun,ZE NG Xiao -dong ,AN Yu -ying(School of T echnical Physics,Xidian Univ.,Xi c an 710071,China)Abstract: It is important to increase the efficiency of coupling the laser diode (LD)to the multimode fiber in thepower ou tput of the LD.A novel method for coupling the laser diode to the multi mode fiber wi th a sem -i taperedstructure is proposed,based on the analysis of the Gauss beam propagation character and the beam ray -traced method.This method gives the high coupling efficiency and is easy to manufacture.Key Words: laser diode;sem-i tapered multimode fiber;coupling efficiency随着半导体激光器广泛应用于各个领域,更好地将半导体激光器的光束有效耦合到光纤中成为极其重要的课题.二极管泵浦激光器[1]以其在各种耦合方法中对光纤端面的直接加工、稳定度高、耦合距离长的特点而倍受关注[2,3].笔者提出一种新型的半锥形多模光纤结构来提高耦合效率,其在一定条件下能达到极高的耦合效率.1 半导体激光器与多模光纤的特性对于带有锥形结构的多模光纤与激光二极管的耦合效率可以用分析光线的光线迹踪法得到.多模光纤的数值孔径要比单模光纤的数值孔径大得多,多模光纤中能够传播的模式数目由其数值孔径决定.当数值孔径变大时,能够在其中传播的模式数目会急剧增加[4].在考虑多模光纤与激光器的耦合问题中,为简化处理,忽略了模式匹配对耦合效率的影响.基于这种假设和多模光纤的传播理论,并忽略光纤中的扰动,可以认为当入射光的入射角度小于多模光纤的孔径角时,这束光线就可以在多模光纤中稳定传播,再根据能够在多模光纤中稳定传播的光线的数目占总光线数目的比例就可以得到激光二极管与多模光纤的耦合效率.为此,首先要确定在多模光纤入射端面光束上各点的角度,而此依赖于激光二极管的光场模型.可以认为激光二极管的输出光场为椭圆高斯光场,其强度分布为I (x ,y ,z )=A(z )exp {-2[(x /w x )2+(y /w y )2]} ,(1)2002年12月第29卷 第6期 西安电子科技大学学报(自然科学版)JOURNAL O F XIDIA N UNIVERSITY Dec.2002Vol.29 No.6其中w x =w 0[1+(K z /(P w 20x ))2]1/2,w y =w 0[1+(K z /(P w 20y ))2]1/2,w 0x ,w 0y 是高斯光束的腰斑半径,A (z )是只与z 有关的常数.同时半导体激光器的光束发散角在x 和y 向有很大的差异.在x 方向(平行于结方向)的光束较为集中,发散角约为5b ~12b (定义在基模高斯光束强度1/e 2点处的远场发散角);在y 方向(垂直于结方向)发散角约为30b ~50b .在远场光束形成一个细长的椭圆,这也是解决半导体激光器与光纤耦合的困难所在.根据定义,在基模高斯光束强度1/e 2点处的远场半发散角为H =lim z y ](w (z )/z )=K /(P w 0) ,(2)高斯光束的曲率半径为R (z )=z {1+[P w 20/(K z )]2} .(3) 根据高斯光束的性质可知[3],其曲率中心随传输过程不断改变,但其振幅和强度在横截面内始终保持高斯分布特性,且其等相位面始终保持为球面.下面,由几何光学推导在z =s 面内任意光线随离轴距离变化而引起的方向的变化关系.图1 yoz 面上任一点M (s ,y )的曲率半径与发射角的关系取yoz 面进行分析.如图1所示,在z =s 面上的任意一点M(s ,y ),其所在的等相位面曲率半径为R (z ),曲率中心为O(z -R (z ),0).M(s ,y )点处光线的方向为OM,与z 轴夹角为H ,N (z ,0)是M (s,y )所在等相位面与z 轴的交点.由几何关系易知H =2W ,(4)tan H =y /(s +R(z )-z ) ,(5)tan W =(z -s)/y ,(6)由式(4)~(6)得[s +2R (z )-z ](z -s )-y 2=0 .(7) 由式(3),(7)就可以得到z =s 面上任意一点M(s ,y )的曲率半径R (z )与s ,y 的关系.M(s ,y )点处光线方向为H =arcsin [y /R (z )] .(8)根据多模光纤的性质可知,对于一定数值孔径N A 的多模光纤,只有入射角小于H c 的光线才能入射到光纤中,其中H c =arcsin (N A /n 0).若令空气折射率为1,则H c =arcsin N A ,即对于H <H c 的光线才能入射到光纤中.激光器光场在z =s 面上的总功率为P 0=4Q ]0Q ]0I (x ,y ,z )d x d y =4Q ]0Q ]0A(s)exp {-2[(x /w x )2+(y /w y )2]}d x d y =4A (s)Q ]0exp[-2(x /w x )2]d x Q ]0exp [-2(y /w y )2]d y ,略去常数系数,并令P x 0=Q ]0exp [-2(x /w x )2]d x ,P y 0=Q ]0exp[-2(y /w y )2]d y ,则P 0=P x 0P y 0.根据菲涅尔发射定律,不同角度入射的光线有着不同的透射率T(x ,y ),包含在光纤孔径角范围内的光功率(略去常数系数)为P =k S exp {-2[(x /w x )2+(y /w y )2]}T (x ,y )d S .在激光器光场表达为可分量变量的椭圆高斯光场的情况下,可以认为x ,y 面是独立的,则P =Q x 00Qy 00exp {-2[(x /w x )2+(y /w y )2]}T (x ,y )d x d y =Q x 00exp[-2(x /w x )2]T(x )d x Q y 00exp [-2(y /w y )2]T (y )d y .仿上处理有P =P x P y ,耦合效率(不考虑发射损失)为761第6期 冯吉吉王君等:半导体激光器与半锥形多模光纤耦合效率的分析G =P /P 0=(P x P y )/(P x 0P y 0)=G x G y .(9)图2给出了在K =0178L m,发散角分别为10b 和20b 时,光束在不同的平面上,各点入射角度与离轴距离的关系.图中曲线由上至下分别为z =10,20,30,40,50,100,150,200,250,300L m 时入射角度与离轴距离的关系曲线.显然,光纤的耦合距离越远,其端面上入射光线的角度由离轴距离变化引起的变化越小,同时发散角越大,角度变化也越大.图2高斯光束入射角与离轴距离的关系曲线图3 半锥结构示意图在多模光纤端面加工锥形结构时,若采用磨制的方法,在平行于结平面方向上,光纤结构形式保持不变;而在垂直于结平面的y方向上,由于包层被破坏,芯层成为锥形,因此从几何光学的角度分析其就与平行于结平面的x 方向情况不同.图3中锥形结构的锥角为A =arctan [(a 0-a 1)/L ] .(10) 在入射面上任一点以角度H 入射的光线经过锥形壁的反射,可以得到反射次数与光线和光纤轴的夹角的关系,即B =arcsin (sin H /n 1)-(m +1)a ,(11)其中m 为光线在锥形中的反射次数,考虑到反射时的损耗,利用菲涅尔公式可以得到任意一条光线经过锥形到达多模光纤端面的大小.对一条反射m 次的光线,其大小因反射引起的变化为R(y )=F m i=1R i (B ).在多模光纤端面处,只有小于多模光纤孔径角的光线能够在光纤中稳定传播,即B =arcsin(sin H /n 1)-(m +1)A <arcsin [(n 21-n 22)1/2/n 1] ,此时耦合效率可以写成G y =Q a 10I (0,y ,s)R (y )T c (y )d yQ ]0I (0,y ,s )d y ,(12)其中s 为激光二极管与锥尖的距离,T c (y )=T(y ) ,B <arcsin [(n 21-n 22)1/2/n 1] ,0 ,其他.同理可以得到x 方向的耦合效率表达式,只不过其不受锥角的约束.由式(9),(12)就可以计算出在z =s 面上带有锥形的多模光纤与激光二极管光场的耦合效率.2 数值分析下面具体给出数值分析的结果.设入射光波长为0178L m,平行于结平面的x 方向的发散角为5b ,垂直于762 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第29卷图4 激光器与光纤的耦合效率与耦合距离的关系曲线结平面方向上的发散角为20b ,多模光纤的芯层半径为50L m,芯层折射率为1153,包层折射率为1152.由图4可以得出以下结论:¥锥角会强烈影响耦合效率.从图中可以看出随着锥角的增大可能获得的最大耦合效率会明显增大,如在锥角H =014rad 时,最大耦合效率可达到95%;在H =012rad 时,最大耦合效率可达到85%;而H =011rad 时,最大耦合效率就只有60%;¦在增大锥角得到最大耦合效率的同时,有效的耦合距离范围却在减小,如为获得大于80%的耦合效率,锥角H =014rad 时,有效耦合距离要小于40L m ;H =012rad 时,有效耦合距离可以达到120L m.3 结束语从以上的分析可以看出,对比现有的直接耦合效率20%~75%,这种带有半锥形结构的多模光纤能够提高半导体激光器与多模光纤的耦合效率.根据应用场合的不同,选择加工不同的锥角,在一定范围中就可以得到高的耦合效率.这种方法还具有易于制造的特点,可以应用于二极管泵浦激光器、半导体激光器阵列、激光功率合成等各个领域.参考文献:[1]曾小东,安毓英1激光二极管与单模保偏光纤的耦合分析[J]1半导体光电,1999,20(5):312-314.[2]周炳琨,高以知,陈家骅,等1激光原理[M]1北京:国防工业出版社,1995.[3]An H L.Theoretical Investigation on the Effective Coupling from Laser Diode to Tapered Lensed Sin gle -Mode Optical Fiber[J].OpticalCommunications,2000,(181):89-95.[4]Alder T,Stohr A.High -efficiency Fiber -to -Chip Coupli ng Usi ng Low -Loss T apered Single Mode Fiber[J].IEEE Photonics TechnologyLetter,2000,12(8):1016-1068.(编辑:郭 华)我校博士研究生张森将赴南极科考我校通信工程学院博士研究生张森将于11月20日随我国第19次南极科学考察队赴南极科考,这是继去年11月姚明日午之后,我校又一名博士研究生赴南极工作.张森此次赴南极将接替姚明日午继续开展/中日合作流星余迹极区通信实验0、高空物理、南极气球环流等项目的观测及数据收集工作.此前,姚明日午已在南极做了大量的工作,取得了一定的成果,他将于明年4月返回.张森将于11月初离开西安赴上海极地研究所做行前的适应准备,随后乘/雪龙号0科学考察船前往南极.摘自5西电科大报62002110130763第6期 冯吉吉王君等:半导体激光器与半锥形多模光纤耦合效率的分析。

半导体耦合光纤嘿，朋友们！今天咱们得唠唠半导体耦合光纤这个超酷的玩意儿。

这就像是一场科技界的奇妙“联姻”，半导体和光纤就像两个来自不同星球但又无比般配的小伙伴。

半导体啊，就像是一个有着无数小机关的魔法盒子。

它里面那些电子跑来跑去的，就像一群调皮的小精怪在迷宫里穿梭。

而光纤呢，它就像是一条超级透明的高速公路，光在里面就像开着超跑的赛车手，风驰电掣地奔跑。

当半导体和光纤耦合在一起的时候，那场面可太有趣了。

就好像魔法盒子突然打开了一个特殊的通道，那些小精怪们齐心协力地把光这个超级赛车手给引导到光纤这条高速公路上。

这耦合的过程就像是一场精心编排的接力赛，半导体把能量传递给光纤，就像运动员交接棒一样精准。

你要是把这个过程想象成一场盛大的音乐会也不为过。

半导体像是乐队里那些制造节奏的鼓手和贝斯手，它们用自己独特的节奏控制着电子的运动。

光纤呢，就像是舞台上那束最耀眼的聚光灯，光在里面闪耀着，就像舞台上光芒四射的主唱。

而半导体耦合光纤这个整体，就像是一支配合得天衣无缝的超级乐队，演奏出一曲震撼人心的科技之歌。

而且啊，半导体耦合光纤的应用那可真是五花八门。

就像是一个拥有七十二变的孙悟空。

在通信领域，它就像一个超级信使，能把信息以光速传递到世界的各个角落。

就像你这边刚说完话，信息就像一阵风瞬间就吹到了地球的另一边。

在医疗领域，它就像一个超级小侦探。

能够深入人体内部，就像一个小小的探险家，光纤带着半导体的特殊能力，去探寻那些隐藏在身体里的疾病，比最厉害的侦探还要敏锐。

在传感器方面呢，它又像一个超级敏感的小触角。

哪怕是最微小的变化，就像一只小蚂蚁轻轻爬过的动静，它都能察觉到，然后通过半导体和光纤的联合反应，把这个消息传递出去。

这半导体耦合光纤啊，就是科技世界里的一个宝藏。

它充满了无限的可能性，就像一个永远也挖掘不完的金矿，每一次深入研究，都能发现新的惊喜。

真的是让我们这些科技爱好者，就像小孩子看到了满屋子的糖果一样兴奋不已呢。

980nm半导体激光器与四角锥透镜光纤耦合研究的
开题报告
一、研究背景及意义
半导体激光器是一种常用的光源，其具有体积小、功耗低、效率高等优点，在激光器应用领域得到了广泛的应用。

而光纤耦合技术作为最常见的将激光器输出光束导入光纤中传输的技术，对于激光器输出的稳定性和光纤传输的质量有着重要的影响。

四角锥透镜由于具有良好的反射和聚焦能力，在光纤端口对光束的调制和发散方面有着重要的应用价值。

因此，本研究旨在探究980nm半导体激光器与四角锥透镜的光纤耦合研究，探索如何提高耦合效率和光纤传输质量，为光纤通信、激光器应用等领域提供参考价值。

二、研究内容及方法
本研究将通过实验方法进行验证，具体研究内容如下：
1.设计制作四角锥透镜。

通过光学软件设计得到透镜的精确参数，再利用激光加工技术对透镜进行制备。

2.搭建实验平台。

选取光源、光束整形、光路设计等器材，搭建适合本研究的实验平台。

3.耦合效率测量。

将透镜与激光器光源对准，调节光路等参数，测量耦合效率，得出应选用的透镜参数。

4.光纤传输质量测试。

选取光纤及测试仪器，通过测量光纤端口的输出性能和稳定性，评估耦合质量和相应参数。

三、预期研究结果及意义
通过本研究，预期能够得出适合980nm半导体激光器与四角锥透镜光纤耦合的光路设计及透镜参数，提高耦合效率和光纤传输质量。

这将对光纤通信、激光器应用等领域有着重要的实际应用价值。

大功率半导体激光器高效耦合技术研究【摘要】大功率半导体激光器与光纤耦合,应用于越来越多的领域,比如光纤通信系统中的光源和光纤放大器的泵浦源；医疗方面的激光手术；材料加工方面的焊接和热处理等等。

大功率LD与透镜光纤距离z、位移误差以及角度误差是影响耦合效率的重要因素,本文针对这三种因素,设计了一个软件,用于仿真和设计大功率LD与透镜光纤耦合系统。

仿真软件能够仿真大功率半导体激光器与三种透镜光纤——锥形透镜光纤、球形透镜光纤、柱状楔形透镜光纤耦合。

仿真软件大大减小了因直接加工引起的材料损耗。

分别对三种耦合系统进行建模,分析它们的模场分布、匹配等问题,得出耦合效率与大功率LD和透镜光纤距离z,其次在最优z的条件下,分析x,y方向上的位移误差、角度误差对耦合效率的影响。

仿真软件是由VB和MATLAB混合编程而成。

VB在用户界面设计和快速开发等方面具有独特的优势,但在处理复杂数据信息方面不具有优势；MATLAB是集数值计算、符号计算和图形可视化三大基本功能于一体的、功能强大、操作简单的语言。

本文使用MATLAB对所建模型进行编程仿真,使用VB设计用户界面,采用ActiveX自动化(OLE自动化)的方法,实现VB与MATLAB自动化连接。

... 更多还原【Abstract】 The development fields of high-powersemiconductor lasers are wider and wider, such as the light sources and pumping sources of optical fiber amplifies inoptical fiber communication systems, laser surgery operation in medicine, laser welding and heat processing in materials mechanical process and so on. The distance z light transfers, displacement offset and angle offset are crucial factors. So we design a kind of simulation software to simulate the couple between LD and lensed fiber.The simula... 更多还原【关键词】大功率半导体激光器；透镜光纤；耦合效率；合束器；【Key words】high-power semiconductor laser；lensed fiber；coupling efficiency；combiner；摘要4-6ABSTRACT 6-7第1章绪论11-201.1 引言111.2 大功率半导体激光器与透镜光纤耦合仿真的意义11-121.3 大功率半导体激光器与透镜光纤耦合的研究目的12-141.4 合束器的研究14-191.4.1 合束器的研究目的和意义14-151.4.2 国内发展情况15-181.4.3 国外发展情况18-191.5 本文主要研究内容19-20第2章大功率LD与透镜光纤的耦合研究20-292.1 大功率半导体激光器与光纤本征模的模场分析20-222.2 建模22-282.2.1 大功率LD和球形透镜光纤耦合的建模22-242.2.2 大功率LD和锥形透镜光纤耦合的建模24-262.2.3 大功率LD和柱状楔形透镜光纤耦合的建模26-282.3 小结28-29第3章大功率LD与透镜光纤耦合的仿真器设计29-413.1 VB和MATLAB 29-313.2 登录界面的设计31-323.3 仿真界面的设计32-393.3.1 锥形透镜光纤仿真界面的设计34-373.3.2 球形透镜光纤仿真界面的设计37-383.3.3 柱状楔形透镜光纤仿真界面的设计38-393.4 仿真设计遇到的关键问题及其解决方案39-403.5 小结40-41第4章耦合仿真软件的测试运行41-534.1 锥形透镜光纤耦合仿真软件的测试41-444.1.1 锥形透镜光纤耦合效率受z变化的影响41-434.1.2 锥形透镜光纤耦合效率受位移误差的影响43-444.1.3 锥形透镜光纤耦合效率受角度误差的影响444.2 球形透镜光纤仿真器的验证44-484.2.1 球形透镜光纤耦合效率受z变化的影响45-464.2.2 球形透镜光纤耦合效率受位移误差的影响46-474.2.3 球形透镜光纤耦合效率受角度误差的影响47-484.3 柱状楔形透镜光纤仿真器的验证48-524.3.1 柱状楔形透镜光纤耦合效率受z变化的影响48-504.3.2 柱状楔形透镜光纤耦合效率受位移误差的影响50-514.3.3 柱状楔形透镜光纤耦合效率受角度误差的影响51-524.4 小结52-53第5章合束器的实验研究53-615.1 合束器的理论基础53-545.2 实验概况54-585.2.1 实验平台545.2.2 处理光纤54-555.2.3 拉锥过程55-565.2.4 光纤的熔接56-585.3 实验结果58-595.4 小结59-61第6章结论61-62参考文献出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。

一种半导体激光器多模光纤耦合技术作者：金阿立周斌乔显金周树阳杨发伦来源：《科技创新导报》2019年第12期摘; ;要：用于激光夜视监控系统的半导体激光器发出的光束通常是椭圆高斯光束。

为了克服其高阶模的不均匀性、大垂直发散角等问题，需要利用光纤耦合技术对激光光束进行整形和光斑均匀化处理，以便于工程应用。

在分析光纤耦合技术原理及耦合损耗的基础上，对半导体激光器与多模光纤耦合问题进行讨论，给出可行的耦合工艺方法，实现了光斑的均匀化输出。

关键词：半导体激光器; 光纤耦合; 整形; 光斑均匀化中图分类号：TN248;TN25; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;文献标识码：A; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0099-03半导体激光器可用于激光夜视监控系统等中远距离照明场合，为了克服其高阶模不均匀性、大垂直发散角等问题，需要进行光纤耦合。

其目的是将激光光束低损耗地耦合到系统中，通过压缩光束发散角或光束束腰半径实现光束整形，以改善远场对称性和光斑形状，便于工程应用。

半导体激光器与光纤耦合技术一直是近年来的重要研究方向，产生了如单模光纤耦合、单管多模光纤耦合、列阵大功率光纤耦合等耦合系统。

其中，国外多模光纤耦合可从芯径100μm得到30W以上功率。

国内半导体激光器芯片的制作工艺还存在一定差距，比如出光面尺寸较大，发散角内光功率占比比较低等。

本文根据照明激光光源整形和均匀化要求，采用多模光纤耦合技术，对半导体激光器输出光斑进行耦合处理，以实现中等输出功率和中等距离的激光照明效果。

1; 半导体激光器光纤耦合原理半导体激光器有源区截面的尺寸通常比较小，单模一般为0.15μm×（2～4）μm，多模为1μm×（100～200）μm，其远场为椭圆高斯光束，存在较大的发散角，特别是在垂直于结平面上的光束，其发散角（）约为40°[3]。