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高亮度光纤耦合技术ppt课件

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光源-光纤的耦合和光纤连接器

光源-光纤的耦合和光纤连接器

B 0,max
0
0
cos sindddsrdr
pB0
rm 0
2p
0
sin20,maxdsrdr
pB0
rm 0
2p
0
NA2dsrdr
对于阶跃光纤，NA是常数与s和r无关，于是：
p P LE ,Байду номын сангаасD te p 2rs2B0N2 A
因此：
PLED ,stepPsrasN2PAs2,NA2,
ra
5.3 光纤与光纤的连接
多模光纤的连接 单模光纤的连接
多模光纤的连接
假设所有模式功率均匀分布，光纤-光纤的功率耦合与两根光 纤共有的模式数成正比。由此光纤-光纤的耦合效率为：
Rn n1 1 n n23 3..6 60 0 1 1..4 48 8 20.174
这相当于17.4%的发射功率反射回光源，与这一R值相对应的 耦合功率由下式给定：
P couple1d RP emitted
由反射造成的功率损耗为：
L1l0 o P P g c eo mui p t tle e1 d dl0 o1g R ()0.8d 3B
有：
p P
B rs 00
02pN2A dsrdr
PLED,graded
2p 2B0
rs 0
n2 (r) n22
rdr
2p
2rs2
B0n121
2
2
rs a
2Ps
n121
2
2
rs a
a
n (r) n n 1 11 (1 2 2 ()r1 //2 a ) n 1 1 (/1 2 )n 20 r r a a
LED发射的光耦合入多模光纤之后，由于非传播模式的能量 衰减，将在开始的~50 m存在注入模式达到稳态的过程。

光纤技术基础单模光纤PPT课件

光纤技术基础单模光纤PPT课件
大，便于耦合,在传感系统中应用
性能
没有模式色散，传输带宽大
用于长距离大容量光纤通信系统
2023/11/6
2
2
n12 n2 2

2n12
单模光纤
芯径
光纤技术基础
V k0 a n n k0 an1 2
2
1
15
第十五页，课件共有81页
2 12



阶跃折射率单模光纤
光纤技术基础
Ex H y 0
第十三页，课件共有81页
阶跃折射率单模光纤
光纤技术基础
多模光纤和单模光纤
设计光纤结构，选择工作波长，控制光纤中导模数量
V k0a n12 n22 k0an1 2
多模光纤：
单模光纤：
2023/11/6
同时支持多个导模传输的光纤
只支持基模传输的光纤
14
第十四页，课件共有81页
阶跃折射率单模光纤
Rmn r E0 mn exp
2 n 1
w
2w
2w
m
与m, n有关的常数
w
2
x
n 1
m n 1


e
d
x
m
x
Ln 1 x
m
n 1
n 1! x dx e
a
k0 n0 2
传输常数本征值
2023/11/6
K 0 W
纵向分量 /横向分量
2023/11/6



a k

U 2 a 2 k0 n1 2 , W 2 a 2 2 k0 n2
17

高亮度半导体激光器光纤耦合系统设计

高亮度半导体激光器光纤耦合系统设计

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。

光电子技术——光纤与光纤技术简介ppt课件

光电子技术——光纤与光纤技术简介ppt课件
人均光纤拥有量，正成为判断一个国家信息化程度的标志
1999年
人均敷设光纤
4.5 米
人均敷设光纤
80 米
至 1999 年底
中国人均光纤拥有量 20 米 美国人均光纤拥有量300 米
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48
速率
100G 10G 1G
100M 10M
单信道传输速率向40G更高发展
Short Wave
DFB Long Wave
光纤中能够传导的模式是由光纤结构参数所决 定的。外界激励只能激励起光纤中允许存在的模式 而不会改变模式的固有性质。
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7
1. 光 纤 简 介
•单模与多模光纤
单模光纤
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阶跃型多模
8
1. 光 纤 简 介
•光纤几何尺寸
★ 芯径
单模光纤： <10um; 多模光纤： 50um/62.5um
MQW External Mod.
WDM
W32 '98 W16 '97
W8
10G
FA-10G
'96
'92
'95 s-in
F-32M '78
‘80
F-100M '78
实验室设备
F-1.6G '85
F-400M '82
C-140M '81
C-565M '86
90M '80
45M '78
D-405M '83
G.652
G.655
精选PPT课件
多模
11
1. 光 纤 简 介
•光纤通信原理
光纤通信采用数字通信原理。

光纤通信技术-第七章-光纤通信系统PPT课件

光纤通信技术-第七章-光纤通信系统PPT课件
能传输监控、公务和区间信号; 能实现比特序列独立性，即不论传输的信息
信号如何特殊，其传输系统都不依赖于信息 信号而进行正确的传输。
1. 扰码
为了保证传输的透明性，在系统光发射机 的调制器前，需要附加一个扰码器，将原始的 二进制码序列进行变换，使其接近随机序列。 它是根据一定的规则将信号码流进行扰码，经 过扰码后使线路码流中的“0”、“1”出现概 率相等，从而改善了码流的一些特性。但是它 仍然具有下列缺点：
2. 可以用再生中继，传输距离长。数字通信系 统可以用不同方式再生传输信号，消除传输 过程中的噪声积累，恢复原信号，延长传输 距离。
3. 适用各种业务的传输，灵活性大。在数字通 信系统中，话音、图像等各种信息都变换为 二进制数字信号，可以把传输技术和交换技 术结合起来，有利于实现综合业务。
4. 容易实现高强度的保密通信。只需要将明文 与密钥序列逐位模2相加， 就可以实现保密 通信。只要精心设计加密方案和密钥序列并 经常更换密钥， 便可达到很高的保密强度。
光纤部分可根据所传信号的质量要求、传 输距离、适用场合等指标选单模光纤、多模光 纤或其他特ห้องสมุดไป่ตู้光纤。
光接收部分则采用和光发射部分相反的操 作，将光信号转换为电信号，然后再进行解复 用，然后将基带信号送给相关用户。
7.1.2 光纤通信系统的分类
光纤通信系统根据不同的分类方法可以划分 为不同类型。 1. 按系统所用光纤类型可将光纤通信系统分为单模 光纤通信系统和多模光纤通信系统； 2. 按光纤通信系统应用的场合分为公用型光纤通信 系统和专用光纤通信系统，如专网中的电力光纤 通信系统，铁道光纤通信系统，军用光纤通信系 统等；
不能完全控制长连“1”和长连“0”序列的 出现；
没有引入冗余，不能进行在线误码检测； 信号频谱中接近于直流的分量较大。

光纤耦合

光纤耦合

MATLAB
中 文 论 坛 与 作 者 交 流
【分析】 对于这种半导体激光器，从式(4.111)可得B(θ = 7.5◦ , φ = 0◦ ) = B0 (cos 7.5◦ )L = 0.5B0 ，于是可以求解L，在MATLAB中作出水平方向图。程序代码如下：
1 2 3 4 5 6 7 8
N = 1000; theta = linspace(-pi/2,pi/2,N); B1 = cos(theta); L = log(0.5)/log(cos(7.5/180*pi)); B2 = cos(theta).ˆL; polar(theta,B1) hold on polar(theta,B2,’--r’)
182
MATLAB
中 文 论 坛 与 作 者 交 流
图 4.20
光源耦合进光纤的光功率示意图
。
光纤端面在光源发射面中心之上并且其位置尽可能靠近光源。耦合光纤的光功率可以用 下面的关系式计算： ∫ ∫ P = As dAS Ω f B(AS , ΩS )dΩS ] (4.112) ∫r ∫2π [∫2π ∫θmax B ( dθS rdr = 0m 0 θ , φ ) sin θ d θ d φ 0 0
式中，PF 为耦合进光纤的光功率； PS 为光源发射出的全部光功率。发射效率或耦合效率取决 于和光源连接的光纤类型和耦合实现的过程，例如是否采用透镜或其他耦合改进方案。 实际上，许多光源供应商提供的光源都附带一小段长度（1m或更短）的光纤，以便使其 与光纤链接过程总是处于最佳功率耦合状态，这段短光纤通常称为“尾纤”或“跳线” 。因 此，对于这些带有尾纤的光源与光纤的耦合问题提可以简化成为一种简单形式：即从一根光 纤到另一根光纤的光功率耦合问题。在这个问题中，需要考虑的因素包括光纤的类型（单模 光纤或多模光纤） 、纤芯尺寸、数值孔径、纤芯折射率分布、光纤位置偏差等。

高亮度蓝光半导体激光器光纤耦合技术

DOI: 10.12086/oee.2021.200372高亮度蓝光半导体激光器光纤耦合技术段程芮1,2，赵鹏飞2，王旭葆1*，林学春2*1北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院，北京 100124； 2中国科学院半导体研究所全固态光源实验室，北京 100083摘要：随着蓝光半导体激光器的发展和应用范围的拓宽，利用合束技术来获得高亮度的蓝光光源已经成为研究的热点。

为了获取高亮度的蓝光输出，本文应用光学设计软件进行模拟仿真，将48只波长为450 nm 、输出功率为3.5 W 的单管半导体激光器通过快慢轴准直和空间合束，聚焦耦合进105 μm/0.22NA 的光纤中，可获得功率为144.7 W 、亮度为11 MW/(cm 2⋅str)的蓝光输出，耦合效率为93.78%，整体系统的光-光转换效率为86.13%。

关键词：蓝光；高亮度；光纤耦合；合束技术中图分类号：TN248.4 文献标志码：A段程芮，赵鹏飞，王旭葆，等. 高亮度蓝光半导体激光器光纤耦合技术[J]. 光电工程，2021，48(5): 200372Duan C R, Zhao P F, Wang X B, et al. Fiber coupling technology of high brightness blue laser diode[J]. Opto-Electron Eng , 2021, 48(5): 200372Fiber coupling technology of high brightness blue laser diodeDuan Chengrui 1,2, Zhao Pengfei 2, Wang Xubao 1*, Lin Xuechun 2*1Institute of Laser Engineering, Faculty of Materials and Manufacturing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2Laboratory of All-Solid-State Light Sources, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, ChinaAbstract: With the development and application of blue semiconductor lasers, it has become a research hotspot to obtain high brightness blue light source by beam combining technology. In order to obtain high brightness blue light output, 48 single tube semiconductor lasers with wavelength of 450 nm and output power of 3.5 W are focused and coupled into 105 μm/0.22 NA fiber by fast slow axis collimation and spatial beam combination. The blue light withpower of 144.7 W and brightness of 11 MW/(cm 2⋅str) is obtained. The coupling efficiency is 93.78%, and the optical to optical conversion efficiency of the whole system is 86.13%.Keywords: blue light; high brightness; fiber coupling; beam combining technologyDetectorMirrorSAC FACDetector DetectorMirrorSAC FACPBSCoupling lens Fiber——————————————————收稿日期：2020-10-16； 收到修改稿日期：2021-03-18 基金项目：国家重点研发基金资助项目(2017YFB0405001)作者简介：段程芮(1996-)，女，硕士研究生，主要从事高功率固体激光技术与系统方面的研究。

6第六章 光源及与光纤的耦合

613半导体发光二极管双异质结algaasgaas结构图led多采用双异质结结构613半导体发光二极管led结构1面发光surfaceemittingnpp双异质结构尺度与光纤接近100mamw透镜水平垂直发散角120度613半导体发光二极管led结构2边发光双异质结发散角30613半导体发光二极管发光二极管的特点发光二极管的特点
镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 μm波段 铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.3~1.55 μm波段
6.1.4 半导体激光器 2. LD的PI特性
LED
LD
当I<Ith 时激光器发出的是自发辐射光； 当I>Ith 时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。
P( f ) 1 | H ( f ) | P(0) 1 (2f e ) 2
发光二极管截止频率的定义：
少数载流子寿命
1 | H ( f c ) | 2
6.1.3 半导体发光二极管
6.1.3 半导体发光二极管 LED技术参数
6.1.4 半导体激光器
基本工作原理：半导体激光器是向半导体PN结注入电流，
克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。
6.1.3 半导体发光二极管
LED多采用双异质结结构
双异质结AlGaAs/GaAs结构图
6.1.3 半导体发光二极管 LED结构
（1）面发光（surface emitting）
透镜
尺度与光纤接近 100mA
~mW
N-P-P双异质结构 水平、垂直发散角120度
第六章 光源及与光纤的耦合
6.1 光源
6.2 光源与光纤的耦合
6.1 光源 6.1.1 光纤通信对光源的要求（LED、LD）

光纤课件ch6..


1 光源的直接调制
直接调制就是将调制信号直接作用在光源上， 把要传送的信息转变为电源信号注入到LD或 LED，获得相应的光信号。这种方法调制的是 光源的发光强度调制(IM)。
直接调制具有简洁、经济、简洁实现等优点， 是光纤通信系统中广泛承受的调制方式。
从调制信号的形式来说，光源的直接调制又可 分为模拟信号调制和数字信号调制
2 LD调制特性
LD的直接调制具有很多突出的特点，它在光纤 通信系统中应用极其广泛。
LD的调制特性如下： (1) 电光延迟 (2) 张驰振荡 (3) 小信号输入的频率响应 (4) 频率啁啾
3 光源的外部调制
光源内调制的优点是电路简洁简洁实现， 但是，在高码速下将使光源的性能变坏， 因此需要对光源的外调制方式。
2 光接收机前端
光接收机前端的作用是将光纤线路末 端耦合到光电检测器的光比特流转 变为时变电流，然后进展预放大， 以便后一级进一步处理。 (1)
一般承受PIN光电二极管或APD雪崩光 电二极管，它们性能的优劣直接影 响整个光接收机的性能
一台性能优良的光接收机，应具有无失真地检测 和恢复微弱信号的力量，这首先要求其前端应 有低噪声，高灵敏度和足够的带宽。
3 输入电路
输入电路由图6-3-3所示电路组成
6.4光接收机
1 光接收机的组成
光接收机的作用是把接收来的光信号转 变为原来的电信号，它的性能的优劣直 接影响整个光纤通信系统的性能。
光纤通信系统有模拟和数字两大类，光 接收机也相应的有两大类，即模拟接收 机和数字接收机。
直接检测数字光纤通信接收机一般由三 个局部组成，即光接收机的前端、线性 通道和数据恢复。如下图：
假设传输的信码为“1”，可是I＜ID， 则发生错误。
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6扩束系统 ❖ 1）开普勒扩束结构
开普勒扩束内部结构如图 4-11 所示，属于非成像系统，由具有正光焦 度的目镜和物镜组成，入射光束在目镜和物镜间会存在一个焦点，当入 射激光功率较大时，容易出现空气击穿的现象，因此不适合在大功率激 光系统中应用。
.
❖ 2）伽利略扩束结构 伽利略扩束结构由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成，因为此结构 为共虚焦点，其轴向间距为正透镜与负透镜焦距绝对值之差，所以整个 光学系统其轴向尺寸较小，结构紧凑，负目镜能够对正物镜进行像差补 偿，使系统形式简单，减少了反射面的光能量损失。另外由于是无焦系 统，可避免发生空气击穿，因此在大功率激光扩束中多采用此结构。
❖ 德国弗朗和菲研究所采用锥形单管半导体激光器制成光纤耦合模块， 50μm 光纤输出功率达 50W，波长为 975nm，亮度达 16.8MW/cm2-str。
❖ 美国Ｏｃｌａｒｏ公司也采用偏振合束 技术 将波 长为９８０ｎｍ的单 管半导体激光器制成光纤耦合模块，１０５μｍ光纤输出功率１００Ｗ ，耦合效率为７３％。通过光纤合束器将多个光纤耦合模块进行合束， 功率可达上千瓦。
.
❖ 可以看出慢轴光束BPP小于5.25 mm·mrad，但是比快轴大很多，因此需 要通过在快轴方向叠加光束来使快慢轴方向BPP相等。
.
5空间合束 ❖ 由于每个 FAC 的高度为 1.5mm，因此使得每两个半导体激光器之间的高
度差为 1.5mm。在 FAC 的装调和固定时会产生指向性误差，通常在 ±0.5mrad 范围内，我们在设计时需要把这个误差考虑进去，因此整个 合束后光源快轴方向的发散角为 3.2mrad。按照上面公式(4-3)计算，快 轴方向上可以排放 4 只半导体激光器，我们在阶梯热沉的每个台阶上各 排列一只单管半导体激光器，每个台阶高度为 1.5mm。每只激光器经过 FAC 和 SAC 准直后，通过一个反射棱镜进行全反射，使 4 只激光器发 出的光束在快轴叠加，如图 4-9 所示。
❖ 北京凯普林光电有限公司研发的 976nm半导体激光器光纤耦合模块可以 通过 105μm 光纤输出功率 50W，为国内的较高水平。
图 1-1 北京凯普林公司的.50W/150um光纤耦合模块产品
表 1.1 国际上单管光束耦合比较表
.
1设计方案
❖ 首先通过微透镜对每个单管半导体激光器进行快慢轴准直，通过空间合 束使准直后的光束在快轴叠加，再利用偏振合束技术对空间合束后的光 束进行偏振合束，最后利用自行设计的扩束聚焦系统将合束后的光束进 行扩束，聚焦进入光纤，极大地提高光纤耦合模块的亮度。其中芯径为 105μm、NA0.2 的光纤耦合模块输出功率15.22W，亮度超过 1.4MW/cm2str。
大功率半导体激光器单管合束 及光纤耦合技术
孙旭晴
.
❖ 主要内容：
❖ 国内外现状 ❖ 单管半导体激光器 ❖ 准直系统 ❖ 空间合束 ❖ 扩束系统 ❖ 实验结果分析
.
国内外现状
国外现状
❖ 德国夫琅禾费研究所采用阶梯镜反射法将两种偏振态的波长为９７５ｎ ｍ的单管半导体激光器进行合束制成光纤耦合模块，１０５μｍ光纤输 出功率达１００ Ｗ，耦合效率达８０％。
.
.
❖ 实验中所使用的 FAC 有效焦距（EFL）为 0.85mm，非球面系数为-0.8， 为椭圆面型；慢轴发散角相对较小，所使用的慢轴准直镜（SAC）面型为 柱面镜，EFLSAC=20mm，具体结构如图 4-6 所示。
.
4校正球差的准直 ❖ 在类似于单管合束这种高光束质量的应用中，对快轴准直后的发散角要
.
.
2光束质量的计算
❖ 为了获得更高的亮度，我们选取光纤芯径为105μm，NA0.2的光纤，即 dF=105um，θF=0.2。
❖
❖ 由于半导体激光合束后的光斑呈方形，且远场分布也呈方形，而光纤的 芯径和 NA 均为轴对称分布，所以聚焦后快慢轴的 BPP 需满足以下条件
.
.
❖ 通常半导体激光器在快慢轴方向光束质量相差很大，以实验中所用到的 808nm 半导体激光器为例，快轴发光尺寸 1.5um，慢轴发光尺寸100um ，相应的发散角为 60°×11°（95%能量），可以由单管半导体激光器 快慢轴方向的尺寸及发散角得出快慢轴的光束质量为
.
.
❖ 快轴合束后的光斑图如4-10所示，叠加后的光束快慢轴尺寸6mm×4.3mm ，发散角为 3.2mrad×4.6mrad，快慢轴的光束质量为
时快轴方向的 BPP 和慢轴方 向的 BPP 最接近，但是此时 快轴发散角为3.2mrad，慢轴 发散角为 4.6mrad，慢轴发 散角是快轴的 1.44 倍，因 此需要设计一套扩束系统， 将慢轴光束进行扩束，使得 快慢轴发散角相等，这样聚 焦后才能在光纤端面获得一 个正方形的光斑.常用的激光 扩束系统分为开普勒扩束结 . 构和伽利略扩束结构两种。
求较高，需要更好的校正球差，就必须采用短焦距、大孔径的非球面快 轴准直柱面镜（FAC）对半导体激光器的快轴准直，图 4-4 是采用 FAC 准直的示意图，准直之后快轴发散角理论可以达到 2.2mrad（95%能量） 。
.
.
.
❖ 利用光学设计软件模拟得到准直后的光束发散角如图4-8所示，准直后快 慢轴发散角分别为2.2mrad×4.6mrad（95%能量），相应的光束质量如表 4.1所示。
通过上面公式可以看出快轴 方向的光束质量较好，但是 发散角很大，在合束中不利 于单管半导体激光器在快轴 方向的叠加，需要使用小焦 距的透镜对激光器进行准直
.Hale Waihona Puke 3准直系统 ❖ 图 4-2 给出的是使用直径 400um 石英光纤对快轴发散角为 60°（95%
能量）的半导体激光器准直结果，准直后发散角大于 2°（95%能量）。
❖ 德国 JENOPTIK 公司采用慢轴整体准直法实现 105 μm 光纤输出 65 W 的 光 纤 耦 合 模 块 ， 波 长 为 976 nm， 亮 度 可 以 达 到9 MW/cm2-str；
.
国内现状
❖ 目前国内单管半导体激光器合束技术还不成熟，长春理工大学采用二级 反射镜法进行单波长光纤耦合，200 μm 光纤输出功率达 12.4 W ， 效 率达 74%。 国外单管半导体激光器合束的输出功率达到几十瓦，最大输 出功率可以达百余瓦。