（检测技术与自动化装置专业论文）半导体激光器与变芯径光纤耦合技术的研究.pdf

河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 摘要 半导体激光器由于其固有的各种优点，使它成为目前应用最广泛的激光器， 它的出现，使作为“信息基础设施”主体的光纤通信成为现实并得以发展。然而由于 其输出光场不同于一般激光器的圆形光场，而是椭圆形光场，从而使其与光纤的 耦合问题成为一个重要的研究课题。 、 目前，许多文献里提出了各种各样的耦合方法，它们也有着各自的优点：有 些适用于单模光纤的耦合；有的适用于多模光纤的耦合。需要根据激光器远场光 斑的特性和光纤的数值孔径来决定。 本论文通过对国内外各种耦合技术的调研和比较，主要进行了以下几项工作： 1 分析了光纤传输光的基本理论和半导体激光器输出光场的特点，对耦合理 论和耦合模型进行了详细的阐述。 2 对光纤耦合激光的常用方法进行了分类和比较，指出了这些方法的优缺点。 3 提出了在耦合系统中采用带有球形端面的变芯径光纤，在光纤熔接机上将 大芯径石英光纤的一端熔成球形用于与半导体激光器的耦合，另一端在光纤拉锥 机上拉制成变芯径光纤，用于与其它光学系统的连接。 4 把自行设计的带球形端面的变芯径光纤用于与半导体激光器的耦合，结果 表明：耦合效率达到7 5 左右，同时理论上可以增加耦合系统的失调容差，从而 减小了调试和封装的难度。 关键词：半导体激光器；球透镜；变芯径光纤；耦合效率 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e rd i o d e ( l d ) h a sb e e nt h em o s t p o p u l a r l a s e rb e c a u s eo fi t so b v i o u sa d v a n t a g e s a f t e ri ta p p e a r e d ，t h ef i b e rc o m m u n i c a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u ta n dr a p i d l yd e v e l o p e d ， w h i c hh a sb e e nc o n s i d e r e da st h eb a s i ci n s t r u m e n t so fi n f o r m a t i o n ，h o w e v e lt h eo u t p u t o p t i c a lf i e l do f l di se l l i p t i ci n s t e a do f c i r c u l a r , s oh o wt oc o u p l el d t oo p t i c a f i b e ri s a l li n t r a c t a b l ep r o b l e m ， a t p r e s e n t , a l o to f c o u p l i n gm e t h o d sh a v eb e e np r e s e n t e d i nm a n y p a p e r s e a c h h a s i t sm e r i t ：s o m ea r ea p p l i e dt os i m p l em o d e f i b e r ；o t h e r sa l ea p p l i e dt om u l t i - m o d ef i b e r t h e ya r ed e p e n d e do nt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h el d s o p t i c a l f i e l da n dt h ef i b e r s n u m e r i c a la p e r t u r e ( n a ) t h i sa r t i c l ei n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e g m e n t s ： 1 t h eb a s i ct h e o r i e sa r eo f f e r e dw h i c hi n c l u d et h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o nt h e o r yi n f i b e ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f l d l s o p t i c a lf i e l d 2 t h ec o u p l i n gm e t h o d sa r e c o m p a r e d a n dc l a s s i f i e d 3 an e w c o u p l i n gs y s t e m i sp r e s e n ti nt h i sa r t i c l e as e c t i o nl a r g ec o r es i l i c ao p t i o n f i b e ri su s e di nt h i ss y s t e m ，o n ee n dc o u p l e dw i t hs e m i c o n d u c t o rl a s e ri sf u s e di n t oa s p h e r e ，t h eo t h e re n dc o u p l e dw i t ho t h e ro p t i c a ls y s t e m si sp u l l e di n t og r a d e d c o r ef i b e r 4 t h en e w c o u p l i n gs y s t e mi su s e dt oc o u p l el d r e s u l t sp r o v e dt h a tt h ec o u p l i n g e f f i c i e n c yi sa b o u t7 5 a n dt h e o r e t i c a l l yt h et o l e r a n td i s t u r b a n c eo f t h ec o u p l i n g s y s t e m i si n c r e a s e d ，s ot h ed i f f i c u l to f d e b u g g i n ga n d e n c a p s u l a t i o ni sr e d u c e d k e y w o r d s ：l a s e rd i o d e ；s p h e r i c a lf e n s ；g r a d e d c o r et 胁c r ；c o u p l i n g e f f i c i e n c y 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硬士学位论文 第一章绪论 信息技术已成为当今全球性的战略技术。以光电子和微电子为基础所支持的 通信和网络技术已成为高技术的核心，正在深刻影响着国民经济、国防建设的各 个领域。其中，半导体激光器起着举足轻重的作用。半导体激光器以其转换效率 高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制以及与其它半导体器件集成的能力 强等特点而成为信息技术的关键器件。其发展速度之快、应用范围之广、波长覆 盖范围之宽都是其它任何类型的激光器所不能比拟的。【1 】 同时，随着光纤的出现和发展，从阶跃折射率光纤到复杂折射率分布的光纤， 从单纯传光作用到传感各种物理量的优良传感器，大大促进了光学技术的进步。 光纤的出现使得通信、传感等领域发生了重大的变化。 而光纤与半导体激光器的结合更使半导体激光器得到了更广泛的应用，例如 在通信领域，如何使激光器的输出光能更稳定、更长距离的传输，在二极管激光 器泵浦固体激光器中如何使半导体激光器的输出光功率能更有效的传输到激光 增益介质上，从而得到更高的泵浦效率，这些都涉及到半导体激光器与光纤的耦 合问题。因此，半导体激光器到光纤的耦合，一直是光纤通信传输系统以及光电 子器件领域的一项关键技术。耦合技术的进步直接影响着整个光纤系统的性能。 如何改进耦合技术，提高耦合效率，从而提高光器件的性能价格比，也就成为光 电领域研究的热门课题。 1 1 耦合技术的发展 与其它种类型的激光器所不同的是，一般端面发射半导体激光器输出的是椭 圆对称的高斯光束，其发散角大且在各方向上不相同。因此，将这样一个非圆对 称的光场有效地祸合到光纤的圆对称波导中是比较困难的。为了使半导体激光器 l 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 输出的高斯光束能够高质量、高效率地传输到目的物上，光学耦合系统是必不可 少的。通常，光学耦合系统具有如下主要功能： ( 1 ) 能够将激光束高效率地耦合到目的物。 ( 2 ) 对半导体激光器的输出光束进行整形，压缩光束发散角或光束束腰半径， 改善远场对称性和光斑形状。 光纤和l d 耦合技术的发展，大致过程是：【2 】 l d + 平端光纤 l d + 透镜+ 平端光纤 l d + 球端面光纤( 微透镜光纤) l d + 自聚焦透镜+ 光隔离器+ 光纤 i _ d + 双曲线端面光纤和尖锥端面光纤 多年来，半导体激光器与光纤的耦合一直是一个重要的研究内容，提出了各 种形式的耦合系统。1 3 - 9 1 按照半导体激光器和光纤之间是否存在其它光学器件， 可以将耦合方式分为两种：间接耦合和直接耦合。l l o 间接耦合又可分为单透 镜和透镜组，分别如图1 1 和图l 一2 所示： 球透镜 瞥净兰 图卜1 单透镜耦合示例：球透镜耦合 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 e n 5 1 【e n s 2 光纤 l d 、 图1 2 透镜组耦合典型结构示例：双透镜共焦耦合 单透镜是由一个透镜来完成高斯光束的变换，目前已用于半导体激光器和光 纤耦合的有球透镜、平凸透镜和自聚焦透镜三种。透镜组也叫复合透镜，有两 个或多个透镜构成，在许多光纤耦合系统中，常利用柱透镜、球透镜、自聚焦透 镜及锥形光纤等相互组合来提供耦合效率。图1 3 是常见的一种透镜组合示意图。 图l 一3 组合透镜耦合示意图 虽然间接耦合可以利用各种组合方式，从多个方面提高耦合效率和改善耦合 性能，但是由于其结构复杂且可靠性差，很难推广使用。同间接耦合相比，直接 耦合有着结构简单、耦合效率高且成本低等优点。直接耦合的关键器件是光纤微 透镜。一般是采用熔融拉锥或腐蚀的方法，对光纤端面进行微加工，增大光纤的 数值孔径，使光纤的输出模场和半导体激光器的模场匹配，进而提高耦合效率。 几种常见的制作光纤微透镜的方法和耦合效果比较将在第四章详细论述。 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 1 2 耦合要求 一个优秀的半导体激光器与光纤的耦合系统应该满足以下要求：【l 】 ( 1 ) 高耦合效率( 或低耦合损耗) 。就一定的输出光功率而言，耦合效率愈高， 半导体激光器输出光的利用率愈高，这样就可以得到更长的通信系统无中继距离 和更高的光纤传感系统探测灵敏度。 ( 2 ) 弱的光反馈。由于光学耦合系统中至少存在两个光学界面，因而进入耦 合系统的光束就会在光学界面上产生反射，反射光的一部分将返回半导体激光器 的有源区，形成附加的外腔反馈。尽管这种光反馈很弱，但对于内增益很高的半 导体激光器而言。已足以引起输出光功率抖动和激射波长漂移等现象，严重影响 激光器的正常工作。 ( 3 ) 大的l d b 失调容差。光学耦合系统的l d b 失调容差定义为当耦合系统 与半导体激光器之间出现轴向、横向、侧向和角向偏移，从而使其耦合效率从最 大值下降了l d b 时的位置偏移量。l d b 失调容差对于实用化的光学耦合系统来说 是一个重要的衡量指标，因为任何半导体激光器组件中都存在如何将耦合系统与 半导体激光器芯片相对固定( 封装) 的问题，不论采用何种固定方式，都不可避免地 存在由于封装技术不完善及环境因素变化而造成的位置失调现象。一个光学耦合 系统具有较大的失调容差就意味着该系统在封装时允许出现较大的位置失调，因 而可以采用结构简单、定位精度不太高的低成本封装技术。 ( 4 ) 简单可靠的制作工艺。从生产角度考虑，耦合系统必须具有良好的工艺 特性，如工艺过程简单、无需特殊设备、 廉等；此外，还要求耦合系统结构简单、 制作重复性好、生产周期短以及成本低 微型化、稳定性好。 1 3 论文的研究内容 1 从理论论述了阶跃光纤、变折射率光纤中光波传播的各种模式和光纤的光 4 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 波导理论。分析了子午光线、斜光线在光纤中的传播路径。 2 对半导体激光器的输出光场进行了介绍，讨论了分析激光器与光纤耦合效 率的两种方法：模场耦合理论与光线理论。分析了光纤端面的反馈光对激光器输 出功率的影响。 3 综述了半导体激光器与光纤耦合的常用方法，并对其分为两类：一种是间 接耦合，即在激光器与光纤中问加入别的光学原件；一种是直接耦合，即通过对 光纤端面的处理，直接与激光器耦合。 4 提出了在耦合系统中采用带有球形端面的变芯径光纤，大芯径石英光纤的 端在熔接机上熔成球形，提高了光纤接收光的数值孔径，同时理论上也减小了 耦合系统调节的难度，增大了耦合系统的失调容差：变芯径光纤是在拉锥机上拉 制而成，在满足一定锥形的条件下，在锥形部分的不同位置切断，可得到小端不 同芯径的变芯径光纤，然后通过端面的抛光，可以用于要求不同芯径的光学系统。 该系统经过实验验证有较高的耦合效率，而且制作简单，调试方便。 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 参考文献 【1 】黄德修，刘雪峰，半导体激光器及其应用，北京：国防工业出版社，1 9 9 9 2 】韦朝灵，查德开，王新宏，尖锥端光纤和半导体激光器的耦合，中国激光， 1 9 9 8 ，2 5 ( 1 ) ：4 6 【3 s a r u w a t a r im ，s u g i et , e f f i c i e n tl a s e rd i o d e t os i n g l e - m o d ef i b e rc o u p l i n gu s i n ga c o m b i n a t i o no f t w ol e n s e si nc o n f o c a lc o n d i t i o n ，i e e e j ，q u a n t t m ae l e c t r o n ，1 9 8 1 ， q e - 1 7 ：1 0 2 1 4 】张建，h o l l i n g e rf r a n z ，耦合半导体激光进入光纤，激光技术，1 9 9 6 ，2 0 ( 3 ) ： 1 2 9 1 3 2 【5 w a n g x i a o w e i ，x i a oj i a n w e i ，w a n gz h o n g m i n g e ta 1 ，h i 曲b r i g h t n e s sh i g hp o w e r d e n n t yf i b e rc o p l i n go f h i 豳p o w e r l a s e rd i o d e , c h i n e s ej ，s e m i - c o n d u c t o r ，2 0 0 1 ， 2 2 ( 9 ) ：1 1 1 2 1 1 1 5 6 】马惠萍，刘丽华，杨乐民等，光纤耦合问题的研究及球形端面光纤的应用，光 电工程，2 0 0 2 ，2 9 ( 4 ) ：4 6 4 9 7 b a m a r dc w ，l i tj w y m o d et r a n s f o r m i n gp r o p e r t i e so f t a p e r e ds i n g l e m o d ef i b e r m i c r o l e n s e s ，a p p l o p t ，1 9 9 3 ，3 2 ( 1 2 ) ：2 0 9 0 2 0 9 4 8 t o y o c a z us a k a m o t o ，c h a r a c t e f i s f i ca n a l y s i so f l a s e rd i o d e t om u l t i m o d ef i b e r c o u p l i n gu s i n g a p i a n o c o n v e xg r i nl e n s ，a p p l o p t ，1 9 8 7 ，2 6 ( 1 5 ) ：2 9 4 7 2 9 5 1 【9 】冯酷瑶，曾小东等，半导体激光器与半锥形多模光纤耦合效率的分析，西安电 子科技大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 2 2 9 ( 6 ) ：7 6 0 7 6 3 1 0 r o 雪峰，黄德修，一种高效率单模光纤耦合结构的实验研究，9 1 光电子器件与 集成技术年会论文集，清华大学出版社，1 9 9 2 1 1 i n 扬敬，陈健，杨祥林，半导体激光器与单模光纤的耦合研究，南京邮电学院 学报( 自然科学版) ，1 9 9 9 ，1 9 ( 1 ) ：1 4 1 6 6 婀南大学检_ 畏i 技术与自动化装置专业2 9 0 2 级硕士学位论文 第二章光纤传输的基本理论 2 1 引言 光纤是光导纤维的简称，是工作在光波波段的一种介质波导。基本结构是两 层圆柱状媒质，内层为芯层，外层为包层。芯层的折射率比包层的折射率稍大。 当满足一定的入射条件的光波能在芯层中向前传播【i l 嘲。 光波在传播的过程中由于边界条件的限制，会有一系列不连续的场解，即为 模式。光纤分类的方法有多种，按照传输的模式数量可以分为单模光纤和多模光 纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤，能同时传输多种模式的光纤为多模 光纤。两者的主要区别在于芯层的尺寸和芯层一包层折射率差。多模光纤的芯层 直径大，芯层一包层折射率差大；单模光纤的芯层直径小，芯层一包层折射率差 小。按照芯层折射率分布的方式可以分为阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤。前 者芯层折射率是均匀的，在芯层和包层的交界处，折射率发生突变( 即阶跃) ；后者 的折射率是按照一定的函数关系随光纤中心径向距离而变化。按照传输的偏振态， 单模光纤又可进一步分为非偏振态保持光纤( 简称非保偏光纤) 和偏振保持光纤( 简 称保偏光纤) 。保偏光纤又可分为单偏振光纤、高双折射光纤、低双折射光纤和圆 偏振光纤四种。按照制造光纤的材料分有：高纯度熔石英光纤、多组分玻璃光纤、 塑料光纤、红外光纤、液芯光纤和晶体光纤。 分析光波在光纤中的传输特性通常有两种基本方法：光线光学的方法和波动 光学的方法。 2 2 光波导的一般理论正规光波导 2 2 。l 麦克颠韦方程组 7 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 光是电磁波，具有电磁波的通性。与无线电波相比，只不过频率要高的多。 因此，光波在光纤中传播的一些基本性质都可以从电磁场的基本方程中推导出来， 这些方程就是麦克斯韦方程组。真空中的电磁场由电场强度e 和磁感应强度b 两 矢量描述。为描述场与物质的作用，引入电感应强度d 和磁场强度t 以及电流密 度j - - 个矢量。以上各量的相互关系由下述麦克斯韦方程组给出： v 口= 詈+ ， ) v 肚一詈( 2 - - 2 ) vb=0(2-3) vd=口(2-4) 式中p 为场中自由电荷密度，v 为微分算符， v = l 昙o x + f ，昙o v + t 鲁 ( 2 5 ) 7 。譬 又有物质方程 d=se(2-6) b=,uh(2-7) 其中：( 1 ) f 、u 的不同为相应于不同的介质情况；，掣为标量时，表示介质为各 向同性透明无损介质，为复量时表示各向同性有损介质，为张量时表示各向异性 介质；( 2 ) 当占与频率有关时，表示色散，与电场强度有关则表示非线性。 由麦克斯韦方程组( 2 - - 1 ) ( 2 - - 4 ) ，考虑光波在透明介质中的传输问题， 此时有：= t o ，p = o ，j = 0 ，因此v e = 0 ，于是得到： v 2 p 孚) 确占警 c z 叫 v 2 日+ 孚v 日铂占挚 c z 叫 8 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 对于均匀光纤( 占为常数和v s = 0 ) 或占变化缓慢的光纤( 占不为常数，但 v * 0 ) 的情况下，( 2 - - 8 ) ，( 2 - - 9 ) 简化为： v 2 e = 胁占矿a 2 e ( 2 - - 1 0 ) v 2 日= 鳓占可a 2 h ( 2 - - 1 1 ) 单色光波有以下形式： e ( ，) = e 。( r ) e x p 一i k r e x p ( i 删)( 2 1 2 ) 日( ，) = h o ( r ) e x p - i k r l e x p ( i 删)( 2 1 3 ) 即：o o t = f 国，a 2 西2 = 一脚2 ，则( 2 - - 8 ) 和( 2 - - 9 ) 变为 v 2 e + v ( e 旦1 ：一七2 e 占 v 2 h + 里v x 日：一k 2 h 占 相应( 2 1 0 ) ，( 2 1 1 ) 变为： v 2 f + 2 e = 0 v 2 j ，+ k 2 h = 0 r 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) f 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 式中利用国2 占= c 0 2 胁占。5 ，= 6 , k ；= n 2 瑶= k2 ，其中，占，和n 为光纤材料的 相对介电常数和折射率，k 。= 2 2 0 是真空中的波数，2 0 为真空中的波长。上两 式就是h e l m h o l t z 方程。 2 2 2 模式 由波动方程可知，影响光波传输特性的主要因素是折射率及其空间分布。在 本文中都认为这种分布是线性、时不变、各向同性，即肛竹0 力。根据折射率的 空间分布，将光波导分为正规光波导( 纵向均匀) 和非正规光波导( 纵向非均匀) 。 正规光波导又分为均匀光波导( 横向分层均匀) 和非均匀光波导( 横向非均匀) ： 9 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 融，列) 秭w 蛔胁肛) 】， 卧舻，懈w 蛔m ( 2 - - 2 0 ) 娄繁：- 爿懋差2 泛曩塑叠c ：吲， 峥仁2 泓+ 等泡州讽等 _ 0 ” 河南大学检钡l 技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 盼e x p ( _ 荆 于是上述方程的一个特征解为一个模式。光纤中总的光场分布为这些模式的线性 组合： 阶托和廊雌， 式中a ib 。是分解系数，表示该模式的相对大小。一系列模式可以看成一个光波导 的场分布的空间谱。 - 模式是光波导中的一个基本概念，具有以下特性： ( 1 ) 稳定性：一个模式沿纵向传输时，其场分布形式不变，即沿z 方向有稳 定的分布。 ( 2 ) 有序性：模式是波动方程的一系列特征解，是离散的、可以排序的。 ( 3 ) 叠加性：光波导中总的场分布是这些模式的线性叠加。 ( 4 ) 正交性：一个正规光波导的不同模式间满足正交关系。 2 2 3 模式场的纵向、横向分量 由于光纤的纵向和横向差别很大，因此在求解光纤中的光场时可以分解为纵 向分量和横向分量之和： e = e f + e ：，h = h r + h ： 下标z 和t 分别对应于纵向和横向。微分算符也可以表示为纵向和横向的叠加： v = v 。+ ，：瓦0 式中f ：为z 方向的单位矢量。代入麦克斯韦方程组，并使等式两边纵向和横向分别 各自相等，可得： v ，x 蜀= 一i 6 0 a o h ：( 2 - - 2 2 ) v ，皿= f 陇：( 2 - - 2 3 ) 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 v ，e + ，：孕：一f 掣。e ( 2 - - 2 4 ) v 。也吐掣：f 掣 ( 2 - 2 5 ) 院 以上各式中的前两个表明由相应的纵向分量决定的横向分量随横截面的分布永远 有旋；后两个则表明纵向分量由相应的横向分量决定。 显然，对于三维的模式场同样有： e = p r + p ：， = 啊+ h 。( 2 2 6 ) 刚牛c 刊 旷：， 由后两式，利用v ，p ；= 一，：v ，p ：，f ；p ：p ，】= 一p ，可得 仁二筹i 协即：+ 一f l v , g ，旷，z ， 看出：若p ：，h ：为实数，, l j e ，h t 必为虚数，即纵向和横向分量之间有2 的相位差。 p = e h + = g ，+ e ：) ( j 譬+ | l ? ) = q + f ： ? + q 钟 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 缎硕士学位论文 第一项为实数，代表沿z 方向的传输功率；后两项为纯虚数，方向为横向，说明横 向有功率振荡，但不传输。 根据模式场在空间的方向特性，和包含纵向分量的情况，通常把模式分为三 类： ( 1 ) t e m 模：模式只有横向分量，而无纵向分量，即e ，= h ：= 0 。这类模式不 可能在光纤中存在。 ( 2 ) t e 模或t m 模：模式只有一个纵向分量，即t e 模：e ；= 0 ，但 ：0 ；t m 模：矗：= 0 ，p ：0 ； ( 3 ) h e 模或e h 模：模式的两个纵向分量都不为零，即e ：0 ， ；0 。可以 证明，光波导中不可能存在t e m 模。虽然如此，有时为了简化分析，当 i e ：i i e ，i ，l h 小 砖，那么必有“2 弹：一2 n 2 。 图3 4 阶跃型单模光纤的数学模型和折射率分布 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 在标量近似下，单模光纤的导波本征模审( r ) 可以用b e s s e l 函数来表示 艄_ 群瓯) “o 州 r 0 r 口 ( 3 6 ) 式中，j o 为第一类贝塞尔函数，k o 为第二类贝塞尔函数，g 、。为归一化横向模式 系数。式( 3 - 6 ) 的具体表达形式比较复杂，有时为了计算方便，庐( r ) 1 乜可以采用高 斯形式来近似。当单模光纤的归一化频率y o 7 5 时，有 ( ，) = 啦【- r 2 露j ( 3 7 ) 坼= o ( o 6 5 + 1 6 1 9 v 15 + 2 , 8 7 9 v 6 ) ( 3 8 ) 在知道单模光纤端面上的激光辐射场和单模光纤本征模咖( r ) 的具体形式后，我 们即可以根据下式计算半导体激光器与单模光纤的耦台效率。 盯。=一。-i；一(1一r，)i繇i ca ：b ，c ，一， 式中，局为耦合系统中第，个光学界面的总反射率。式( 3 - - 9 ) 表明，半导体激光 器与单模光纤之问的耦合损耗主要由两方面因素造成：一是各光学界面上的光功 率反射损耗：另一个是单模光纤端面上的激光辐射场_ ! f ，和单模光纤本征模西之间 由于振幅分布和等相位面分布的失配而造成的模式耦合损耗。 3 3 半导体激光器与光纤的光线耦合理论 对于芯径远大于传输波长的多模光纤与半导体激光器的耦合问题，除了用模 式耦合理论方法进行分析外，还可以采用一种更为简单的方法光线追迹法。 如果将半导体激光器发出的高斯光束分解为1 根光线，它们经过耦合系统后，最 终只会有2 根入射角小于多模光纤数值孔径的光线进入到多模光纤芯层区并形成 稳定的传输模式。因此，耦合效率定义为： 3 6 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 铲_ 1 。1 9 瓮( d b ) ( 3 _ 1 0 ) 由于多模光纤的芯层区半径远大于导波波长，因而采用光线追迹法分析半导体激 光器与多模光纤的耦合问题已具有足够的精度。采用光线追迹法计算耦合效率的 大小，主要和光纤端面的受光能力( 即光纤的有效数值孔径) 有关。 3 4 耦合系统有关光反馈的计算1 l 【6 1 来自于光学耦合系统的光反馈是要尽量避免的。光学耦合系统的光反馈可以 用它的有效光功率反射率r e f r 来表征： d r 盯= ( 3 1 1 ) 1 o u t 式中，p 。t 为半导体激光器芯片的输出光功率；p i l l 为从光学耦合系统有效反馈进半 导体激光器的光功率。有时也用反馈系数叩。来表示光反馈 r 。= 一1 0 1 9 ( r ) ( d b )( 3 1 2 ) 式中，r 为场反射系数。 由光学耦合系统与半导体激光器端面构成的复合腔的复合反射率为 r 。= r o + 2 ( 1 一r o ) 尺咿r oc o s q ( 3 - 1 3 ) 式中，r o 为无光反馈时的激光器端面反射率；妒为激光器端面接收的反射光相对 于其输出光的相位延迟。显然，当光学耦合系统沿轴向移动时，复合反射率尺c 因 为妒的不同而发生变化，从而导致耦合系统输出光功率出现如图3 5 所示的抖动。 通常以工作电流不变时关学耦合系统输出光功率的抖动最大值么p 与平均值民之 比( p p o ) 来表示光学耦合系统光反馈量的大小。 当半导体激光器的阈值功率很小时，根据外量子效率的定义可以得到 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 归 10 化 耦p o 舢5 功 斑 o b ：( ，一厶) 堡矾二犁1 坠! ( 3 - - 1 4 ) 。 口一一1 1 n ( r r o ) 2 l 、”7 轴向移动 z 图3 5 由光学耦合系统的光反馈引起的激光器输出功率抖动 式中， v 为光子能量：口为半导体激光器的内部损耗；仇为激光器内量子效率；c 口哒 聃隅面r c 旷1 5 ) 恤。) 。= 4 ( 1 一圻i 面 ( 3 1 6 ) 2 下4 a 事( 1 - r o 可) r 压, # 丽r o 旷1 7 ) 由式( 3 1 7 ) 可以看出( p r ) 与光学耦合系统的等效外腔光功率反射率足 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 有密切关系，因而它直接反映了光反馈的强弱。 此外，还可以用半导体激光器耦合前后的阈值变化来表示光学耦台系统的反 馈。在无附加外腔时，r 。= r ：= r o 。当半导体激光器与光学耦合系统耦合后，外 腔效应使得r = r ，这将导致激光器闽值电流发生变化，其改变量为 峨= 熹l n ( 疋r 。) ( 3 - - 1 8 ) 式中，d 和分别是半导体激光器有源区厚度和宽度；r 为模场限制因子；4 代表 某一温度下增益与电流密度关系曲线的斜率。因此，只要从实验上测定耦合前后 的闽值变化最大值，就可以根据式( 3 1 8 ) 和式( 3 1 3 ) 确定光学耦合系统的 有效反射率尺盯或光反馈系数叩。 3 5 本章小结 本章首先介绍了半导体激光器的特点及其特有的椭圆形模场分布，并以此为 基础分析了半导体激光器与光纤的模场耦合理论和光线耦合理论。当分析半导体 激光器与单模光纤的耦合时，多用模场耦合理论；而分析半导体激光器与多模光 纤耦合时，由于多模光纤中传输的模式较为复杂，多采用光线耦合理论，也能得 到较为准确的结果。最后分析了由于耦合系统的光反馈对半导体激光器功率输出 造成的影响。 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 ( 1 1 黄德修， 2 】黄德修， ( 3 赵发英， 2 1 8 2 2 0 参考文献 刘雪峰，半导体激光器及其应用，国防工业出版社，1 9 9 9 半导体光电子学，电子科技大学出版社，1 9 9 4 张全等，平端光纤与锥形球透镜光纤的耦合，光子学报，2 0 0 3 ，3 2 ( 2 ) 【4 马慧莲，杨建文等，光波导一单模光纤的直接耦合，光通信研究，2 0 0 0 ，9 9 ( 3 ) ： 4 3 4 7 5 】赵勇，李鹏生等，半导体激光器与单模光纤耦合效率的分析，光学技术，1 9 9 9 ， 1 1 ( 6 ) ：7 1 0 6 l i ux fa n d h u a n gd ，e f f i c i e n c ya n do p t i c a lf e e d b a c ko f t r a v e l i n g w a v es e m i c o n d u c t o rl a s e ra m p l i f i e rt os i n g l e - m o d ef i b e rc o u p l i n g ：t h e o r ya n d e x p e r i m e n t ， f i b e ra n d i n t e g r a t e do p t i c s ，1 9 9 3 ，1 2 ( 1 ) ：4 7 5 5 4 0 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 第四章半导体激光器与光纤的耦合方式1 仆l 【1 0 】 激光器与光纤的耦合可以分为两大类：一种是在光源和光纤之间插入光学元 件的方法，如插入透镜，棱镜等；另一种是对光纤进行加工的方法，如在光纤端 面制造球形，锥形和在光纤中制造光栅等。无论哪种方法目的都是对激光器发出 的光场进行整形，使入射光场与光纤本征光场分布达到最大可能的匹配。 4 1 一个或数个小型或微型光学元件构成的耦合系统 耦合系统内部各光学元件之间以及耦合系统与光纤是分立的，此时对半导体 激光器、光学耦合系统和光纤之间的共轴准直要求较高。在进行组件封装时，为 了保证较高的共轴性，通常采用一些形状特殊、加工精度较高的支承件固定各光 学元件，这就使成本较高，并且整体尺寸较大；为减小体积，系统中光学元件的 尺寸一般在毫米量级，因而加工困难，价格昂贵。然而这类耦合系统的一个突出 优点是通过精确设计和加工( 如采用精密的消球差结构和在光学元件端面镀制减反 膜等) 可以最大限度的减低反射损耗、消除像差影响、改善光束非圆对称性，从而 实现高效率耦合。 由分立式光学元件构成的光学耦合系统主要有以下几种形式：套筒、微球透 镜、柱面透镜、自聚焦透镜、棱镜以及由它们组成的组合系统。 4 1 1 套筒 由于半