（检测技术与自动化装置专业论文）一种光纤输出半导体激光器模块的研制.pdf

河南人学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕上学位论文 摘要 半导体激光器由于具有电光转换效率高、体积小、重量轻、能直接调制以及 性能稳定、可靠、使用寿命长等显著特性，近些年来，它的应用几乎覆盖了整个 光电子学领域，成为当今光电子学的核心器件。然而半导体激光器固有的结构特 点决定了它存在一个严重的不足就是它的光束不对称性，且光束发散角较大。大 多数实际应用中，为了获得较好的光束质量，需要将半导体激光器与光纤耦合输 出，因此，研制光纤输出半导体激光器模块，低成本、高效率地将两者封装起来 成为一个很有意义的研究课题。 近年来，光纤输出半导体激光器模块的研制受到国内外的关注。大功率光纤 输出半导体激光器模块具有很高的技术含量，主要涉及光纤技术、微小光学技术、 微细加工技术、耦合封装和精密机械等关键技术。在大功率半导体激光器与多模 光纤耦合时，为获得最佳的耦合效率不仅应考虑两者的特征参量相互匹配的问题， 即多模光纤的纤芯直径、数值孔径，与大功率半导体激光器耦合时的发光面积、 发散角、输出功率等匹配的问题，还要考虑光纤端头的处理、耦合系统中加各种 透镜等工艺问题，很多情况下需要简化工艺、降低成本，以获得最佳性能价格比。 目前，半导体激光器和光纤的封装形式主要有同轴式、双列直插式和蝶形三 类。本论文在深入研究了各种耦合系统及其应用条件的基础上，设计了一种由圆 柱形透镜和半球端微透镜组成的耦合系统，进一步研制出了一种新型光纤输出半 导体激光器模块，其结构简单、耦合效率高、成本低、对金加工中的同轴度要求 不严格、且能够方便而精确地实现半导体激光器与光纤的五维耦合调整。本文主 要内容如下： 1 分析了半导体激光器的基本结构和空间模式以及光纤传输光的基本理论， 河南人学检测技术j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕 ：学位论文 具体说明了半导体激光束的整形方法和提高光纤数值孔径的方法。分别运用模场 耦合理论和光线耦合理论对半导体激光和光纤的耦合进行了理论分析。 2 归纳了国内外光纤输出半导体激光器模块的产品现状；总结了半导体激光 器和光纤的耦合方式和耦合系统，并把耦合系统分成微透镜光纤耦合系统和分立 式透镜耦合系统分别进行了分析。其中着重分析了微透镜光纤耦合系统中比较常 用的微透镜光纤端面的结构及其耦合特性。 3 设计了一种由圆柱形透镜和半球端微透镜组成的间接耦合系统，对圆柱形 透镜对半导体激光束的准直和半球端微透镜对光纤数值孔径的提高进行了理论分 析，并对光纤柱透镜和半球形端面输出光纤的制作工艺给予了详细介绍。 4 研制了一种新型光纤输出半导体激光器模块。详细说明了该光纤输出半导 体激光器模块的各组成部分，并对该模块的功率特性进行了实验研究和参数测试， 结果表明：我们研制的这种新型光纤输出半导体激光器模块各部件加工工艺成熟， 大大降低了调试和封装的难度问题，因而有利于生产及应用。 关键词：半导体激光器；光纤；球轴承；耦合效率 i i a b s t r a c t h s ：0 i 。磐胍t h e a d v a n t a g e s0 f h 妣】e c 昀嘶c o n v e 咖e 黝哪 烈l n 竺髟“咖黧td i r e c t m o d u l a b j j i 帅d t h ep r o m i n e n t c h a m c t e 淼“ = ：竺：黧叫m 鬻g 刚州s e 腻e e t c hi 叩s 。r e l 二1 茗l ： 三：篡1 竺；! = ，a 竺0 3 2a l i m 嘶引a so r 咂渤- e k 们疵s 二h 嬲二三善c ： = 羔篡冀掣e ? 记s t e 咖引。爵h v e r ，伯e 汕蝴tc 。n s 二= 乏：= ； ：n ：l 裟兰竺8 8 e ? u ? 曲氐洒哕e 垴t s ，m a t 遮t n e 勰二：孑：竺： ：兰翼羔登1 ：逸v e q m g - 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d i m e n s i o na d o u s t m e n tb e t w e e nl da n do p t i c a lf i b e r 1 t h eb a s i ss t m c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fo p t i c a lf i e l do fl da sw e l la st h e 州n c i p l eo f 助e rt r a n s m i s s i o na r e 锄a l y z e d 1 1 1 em e t h o d so fs h a p i n go fs e m i c o n d u c t o r l a s e rb e 锄a 1 1 di m p r o v e m e n to fo p t i c a l 舶e r s n u m e r i c a la p e r c u r ea r ei 1 1 u s t r a t e d t h e t h e o 巧o fc o u p l i n gb e t 、) i r e e nl d 锄do p t i c a l 纳e ri sa n a l y z e ds e p a r a t e l yb y 印p l y i n g m o d ef i e l dt h e o 巧a n do p t i cc o u p l i n gt h e o 2 1 1 1 ea 咖a l i t yo fp a c k a g i n gm o d u l eb e 铆e e nl d 鲫do p t i c a l 胁e ra th o m ea n d a b r o a di sg e n e r a l i z e d t h ec o u p l i n gm o d ea n dc o u p l i n gs y s t e mb e “v e e ns e m i c o n d u c t o r l a s e ra n d 肋e ra r es u m m 撕z e d b o t hm i c r o - l e n s 肋e rc o u p l i n gs y s t e ma n ds e p a r a t e - 1 e n s 6 b e rc o u p l i n gs y s t e ma r ea n a l y z e d t h es t r u c t u r ea n dc o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f m i c r o - l e n s0 p t i c a lf i b e r se n ds u r f a c ec o m m o n l yu s e di i lm i c r o - l e n s 叩t i c a l行b e r c o u p l i n gs y s t e ma r ee m p h a t i c a l l ya n a l y z e d 3 a ni n d i r e c tc o u p l i n gs y s t e mc o m p o s e d0 fc y l i n d e rl e n sa n dh e m i s p h e r i c a l m i c r o - l e n si sd e s i 印e d t h ec o l l i m a t i o nt h e o 巧o fc y l i n d e rl e n sf o rs e m i c o n d u c t o rl a s e r b e a m 锄di m p r o v e m e n tt h e o 巧o fh e mi s p h e r i c a lm i c r o - l e n sf o rn u m e r i c a la p e n u r ea r e a n a l y z e d b e s i d e s ，t h ef a b r i c a t i o no ff i b e rc y l i n d e rl e n sa n dh e m i s p h e r i c a le n ds u r f - a c e o u t p u tf i b e ri si n 仃o d u c e di nd e t a i l 4 an e wl dm o d u l ew i t ho p t i c a ln b e ro u t p u ti sd e v e l o p e da n di t sc o m p o n e n t sa r e 订l u s t r a t e di nd e t a i l t h r o u g he x p e r i m e n ta n dt e s t i n gf 0 rp o w e rp r o p e r t yo ft h em o d u l e ，i t c o m e st ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fe v e wp a r t0 ft h en e w d e v e l o p e dl dm o d u l ew i t ho p t i c a l 6 b e ro u t p u ti sm a t u r es oa st od e c r e a s et h e d e b u g g i n ga n dp a c k a g i n gp r o b l e m s t h e r e f o r e ，i t i s h e l p 向l f o rm 锄u f a c t u r ea 1 1 d a p p li c a t i o n k e yw o r d s ：l d ；o p t i c a lf i b e r ；b a l lb e a r i n g s ；c o u p l i n ge 衔c i e n c y 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 了删姚嘶表罗烈”墨熊爹获鬻、j ， 蕊 麓知“谶，潦荔矽1 飞箩 学位获得者( 学位论文作者) 签名：翌盎然 2 0 曙年乡月西曰 学位论文指导教师签名：么鱼近缮 2 0o ? 年么月，g 目 河南人学榆测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕上学位论文 第一章绪论 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。但是它的 光波导存在较强的不对称性，直接限制了它在许多方面的应用，并且影响了它与 光纤耦合时的耦合效率。因此，半导体激光器和光纤的耦合问题成为一个重要的 研究课题。近年来，光纤输出半导体激光器模块的研制受到国内外的关注。大功 率光纤输出半导体激光器模块具有很高的技术含量，主要涉及光纤技术、微小光 学技术、微细加工技术、耦合封装和精密机械等关键技术。在大功率半导体激光 器与多模光纤耦合时，为获得最佳的耦合效率不仅应考虑两者的特征参量相互匹 配的问题，即多模光纤的纤芯直径、数值孔径，与大功率半导体激光器耦合时的 发光面积、发散角、输出功率等匹配的问题，还要考虑光纤端头的处理、耦合系 统中加各种透镜等工艺问题，很多情况下需要简化工艺、降低成本，以获得最佳 性能价格比。 1 1 半导体激光器和光纤耦合的要求 为了使半导体激光器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【i 】： 1 能够将激光束高效率地耦合到目的物( 如作为信息传输介质的光导纤维) ； 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。 在光纤通信与光纤传感系统中，半导体激光器与光纤的耦合必须满足以下几 个方面的要求： 1 河i 暂大学榆测技术j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 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1 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1 d b 时的位置偏移量。1 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、制作重复性好、生产周期短以 及成本低廉等；此外，还要求耦合系统结构简单、微型化、稳定性好。 1 2 光纤输出半导体激光器模块的产品现状 光纤输出半导体激光器模块因其应用越来越广泛和迫切，目前国内外很多科 研单位和主要的光学公司都投入了较大的研究。国外主要有以下公司进行研发和 生产：德国j e n o p t l kl a s e rd i o d e 公司、德国l i m o 公司、德国u n i q u e m o d e 公司、 2 河南人学检测技术与自动化装置业2 0 0 5 级硕t ：学位论文 美国a p o l l oi n s t m m e n t s 公司、美国c o h e r e n t 公司、n e w p o r t 公司子公司 s p e c 仃a p h y s i c s 公司。国内研发和生产单位主要有：中科院半导体所海特光电有限 公司、中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室。基本的耦 合技术是半导体激光器阵列( l d a ) 微光学准直、光束整形及精密对准耦合技术。 核心技术是微光学元件的制作、检测技术及光束变换技术。封装形式主要有同轴 式、双列直插式和蝶形三类。 近年来，除了c o h e r e n t 、s d l ( j ，d ，s u n i p h a s e ) 、s p e c 仃a - p h y s i c s 等多年来 一直从事高功率激光耦合产品的公司外，新生了很多专门致力于生产大功率激光 耦合产品的产业公司。同时越来越多的通信光电子制造商涉足大功率激光产业， 且取得了飞速的发展。诸如：e a g l e y a r d 、o s r a m 、f b h 、l a s e nj e t 、b o o l ( h a m 等。 表1 1 是国外一些厂商产品性能指标简表 2 1 。 表1 1国外一些厂商产品性能指标简表 中心波长 输出光纤 输出光纤 厂商名称输出功事雨教僵孔径 ，岫教t ，十 直径，岬 却m 升心8 b i o ，9 8 0，l o ，抛1 镜7 ，1 91 1 0 0 5 0 0 ，8 0 00 2 2 0 l 嘲舳 b 冉1 4 0 i 口 lo 0 2 2 c e o 7 铊，日惦，8 1 2 1 6i6 0 0o 2 2 狐n o l 7 r 取8 恐l咖 0 2 2 1 4 l 6 2 5 2 2 1 0 0 6 ，6 ， b w 陀k 8 1 0 ，o 9 l o _ 2 2 ，o 4 1 8 3 02 0 0 4 国内大功率半导体激光光纤耦合产品尚无大批量应用。与国外产品的主要差 距在于器件的材料和加工工艺上。国外半导体激光器及光纤在材料性能上占有显 著优势，其主要性能如功率稳定性、光电指标、使用寿命都远远优于国内产品p j 。 另一方面在产品商品化上，在冲击振动、高低温及湿度变化大的环境中工作等方 面均存在很大差距。另外，应用微透镜列阵进行大功率半导体激光器的光纤耦合， 国内在光学镜片制造技术方面也远远落后于国外。尤其用于大功率列阵耦合的微 透镜，只有美国一些公司和德国的l i m o 等公司可以提供相应的产品【4 j 。国内应该 河南大学检测技术j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕l 学位论文 在基础制造工业方面拉近与欧美之间的差距，高端激光耦合产品才能获得持续、 稳定、成熟的发展。 1 3 光纤输出半导体激光器模块的耦合系统 按照半导体激光器和光纤之间是否存在其它光学器件，可以将耦合系统分为 两种：直接耦合系统和间接耦合系统。直接耦合包括光纤直接耦合和光纤微透镜 直接耦合两种【5 】。光纤直接耦合就是把端面已处理的平头光纤直接对向半导体激光 器的发光面。影响耦合效率的主要因素是：光源的发光面积和光纤芯径总面积的 匹配以及光源发散角和光纤数值孔径角的匹配【6 】。图1 1 为光纤直接耦合示意图。 光纤微透镜直接耦合就是为提高耦合效率，采用一定加工工艺把光纤端面制作成 一定大小和形状的微透镜直接对向大功率半导体激光器的发光面，如半球微透镜 耦合、圆锥微透镜耦合、锥端球面微透镜耦合、双曲面微透镜耦合等【_ 丌。 图1 1 光纤直接耦合( 损耗为7 d b ) 间接耦合系统又可分为单透镜耦合系统和透镜组耦合系统，分别如图1 2 和图 1 3 所示。单透镜是由一个透镜来完成高斯光束的变换，目前己用于半导体激光器 和光纤耦合的有球透镜、平凸透镜和自聚焦透镜三种 8 】。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 9 】。图1 4 是常用的一种组合透镜间接 耦合系统【l0 1 。利用组合透镜可将耦合效率大幅度提高，通常可达到7 5 以上，但 装配时需要用专用精密夹具来精密调整，增加了工作难度，并且封装阶段要求较 高。 4 河南人学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕上学位论文 球透镜 图1 2 单透镜耦合示例：球透镜耦合 【e n s l 【e h 5 2 光纤 l d _ ，一 一 二 ， 、， 一 图1 3 透镜组耦合典型结构示例：双透镜共焦耦合 图l - 4 组合透镜间接耦合系统 本论文的第三章，将详细分析一种由圆柱形透镜和半球端微透镜组成的耦合 系统，如图1 - 5 。半球端微透镜耦合是在光纤端面加球透镜后，增大了系统的数值 孔径来进行耦合【1 1 1 。加球透镜的做法有很多种，常用的有：直接把光纤端面烧成 一定曲率半径的半球形，或光纤端面磨平后再粘半球透镜【1 2 】。 河南大学枪测技术j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕一 ：学位论文 图1 5 由圆柱形透镜和半球端微透镜组成的耦合系统 1 4 论文的研究内容和意义 本论文在深入研究了各种耦合系统及其应用条件的基础上，设计了一种由圆 柱形透镜和半球端微透镜组成的耦合系统，进一步研制出了一种新型光纤输出半 导体激光器模块，其结构简单、耦合效率高、成本低、对金加工中的同轴度要求 不严格、且能够方便而精确地实现半导体激光器与光纤的五维耦合调整。本文主 要内容如下： 1 分析了半导体激光器的基本结构和空间模式以及光纤传输光的基本理论， 具体说明了半导体激光束的整形方法和提高光纤数值孔径的方法。分别运用模场 耦合理论和光线耦合理论对半导体激光和光纤的耦合进行了理论分析。 2 归纳了国内外光纤输出半导体激光器模块的产品现状；总结了半导体激光 器和光纤的耦合方式和耦合系统，并把耦合系统分成微透镜光纤耦合系统和分立 式透镜耦合系统分别进行了分析。其中着重分析了微透镜光纤耦合系统中比较常 用的微透镜光纤端面的结构及其耦合特性。 3 设计了一种由圆柱形透镜和半球端微透镜组成的间接耦合系统，对圆柱形 透镜对半导体激光束的准直和半球端微透镜对光纤数值孔径的提高进行了理论分 析，并对光纤柱透镜和球形端面输出光纤的制作工艺给予了详细介绍。 4 研制了一种新型光纤输出半导体激光器模块。详细说明了光纤输出半导体 6 河南人学检测技术j 白动化装置专业2 0 0 5 级硕七学位论文 激光器模块的各组成部分，并对该模块的功率特性进行了实验研究和参数测试， 结果表明：我们研制的这种新型光纤输出半导体激光器模块各部件加工工艺成熟， 大大降低了调试和封装的难度问题，因而有利于生产及应用。 河南人学枪测技术j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕i ：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【m 】，北京，国防工业出版社，1 9 9 9 【2 】牛岗，樊仲维，王家赞，潘树志，大功率半导体激光光纤耦合技术进展【j ， 激光与光电子学进展，2 0 0 4 ，4 1 ( 3 ) ：3 4 3 8 【3 】陈少武，韩勤等，大功率半导体激光器光纤耦合模块的耦合光学系统 j 】， 半导体学报，2 0 0 2 ，2 2 ( 1 2 ) ：1 5 7 2 【4 】 g a i f r et ，f r o mr & db i a s s b o a r d st on a v i g a t i o n 伊a d ef o g b a s e di n s ：t h e e x p e r i e n c eo fp h o t o n e t i c s i x s e a ， i n ：t h e15 t ho p t i c a lf i b e rs e n s o r sc o n f e r e n c e t e c l l n i c a ld i g e s t ，p o n l a n d ，o r ，2 0 0 2 ，1 4 【5 】于海鹰，邹德恕，崔碧峰，沈光地，微透镜光纤在半导体激光器中的应用 研究 j 】，光电器件，2 0 0 5 ，2 6 ( 5 ) ：4 0 0 4 0 5 【6 】ghm ，h i 曲- c o u p i i n gt 印e r e db ) ，p e r b o l i c 胁e rm i c r o l e n sa n dt 印e r a s y i l l m e 仃ye 骶c t 【j 】，l i g h 似a v et e c h i l o l ，2 0 0 4 ，2 2 ( 5 ) ：1 3 9 5 1 4 0 1 【7 】 r o s eah ，r e n zb ， d a ygw ，t w i s t i n ga n d 锄e a l i n go p t i c a lf i b e rf 0 r c u 丌e n ts e n s o r s 【j 】，l i g h 似a v et e c l l l l o l ， 1 9 9 6 ，1 4 ( 1 1 ) ：2 4 9 2 2 4 9 8 【8 】s a m w a t a r im ，s u g i et ，e 衔c i e n tl a s e rd i o d et os i n g l e - m o d ef i b e rc o u p l i n gu s i n g ac 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 【j 】，i e e e ，q u a n t u l ne l e c t r o n ， 1 9 8 l ，q e 1 7 ：1 0 2 1 【9 】b a m a r dc w ，l i tj w y ，m o d et r a n s f o 皿i n gp r o p e n i e so f t a p e r e ds i n g l e m o d e f i b e rm i c r o1 e n s e s 【j 】，a p p l ， o p t ，1 9 9 3 ，3 2 ( 1 2 ) ：2 0 9 0 2 0 9 4 【1 0 】何兴仁，半导体激光器应用与发展趋势预测【j 】，半导体光电，1 9 9 4 ，1 5 ( 3 ) ： 2 1 6 2 2 2 【1 1 】齐悦，2 0 0 5 - 2 0 0 6 年半导体激光器应用市场分析【j 】，新材料产业，2 0 0 6 ，4 ： 8 河南人学检测技术弓自动化装冒争业2 0 0 5 级硕l ：学位论文 2 昏之9 【1 2 】k u 锄gjh ，s h e e nm t ，c h e njm ，e t a l ，r e d u c t i o no f 舶e ra l i 印哪e n ts h i ri n a d d d r o pf i l t e rm o d u l ep a c k a g i n g 【j ， l a s e r s 柚de l e c t r 0 - o p t i e s ，2 0 0 2 ，2 ： 2 3 6 2 3 7 9 河南人学榆测技术与自动化装置擘业2 0 0 5 级硕l j 学位论文 第二章半导体激光和光纤的耦合理论 2 1 半导体激光器的基本结构 半导体激光器是向半导体p n 结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激 辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的1 1 。最早出现的半导 体激光器是同质结的，即和普通的p n 结二极管一样，结两边半导体材料的掺杂类 型不同，但有相同的禁带宽度，如图2 1 。 c u n t m t c l as c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fa g 副虹h o m 巧u n c t i o nl a s e r 凼o d e t h ec l e a v e ds u r f a c e sa c ta sr c f l e c t 咄r n j 丌o r s 图2 1g 认s 同质结半导体激光器结构 半导体激光器的结构多种多样，如图2 - 2 为双异质结( d h ) 平面条形结构，这种 1 0 河南大学检测技术j 自动化装置业2 0 0 5 级硕十学位论文 结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。结构中间有 一层厚0 1 0 3 岬的窄带隙p 型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的p 型 和n 型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片( 衬底) 上，前后两个晶体解理面 作为反射镜构成法布里珀罗( f p ) 谐振腔【2 1 。 c l c a 垤d 硼o c t i 鸭驯r f - a p 心 刀棚 s c h e m a 五ci l l u 8 t 训o ft h ct h c 舢c 1 = u ：陀o fad o u b l eh 毗e r o i u n 甜o n 墨t r i p c n t a c tl a 8 e rd i o d c 。 图2 2 双异质结平面条形结构 8 0 年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃。量子阱结构源 于6 0 年代末期贝尔实验室的江崎( e s a k i ) 和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效 应。当超薄有源层材料厚度小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区， 两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特 点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构【3 】。在此基础上， 根据需要，通过改变超薄层的应变量使能带结构发生变化，发展起来了应变量子 阱结构。这种所谓“能带工程”赋予半导体激光器以新的生命力，其器件性能出 现大的飞跃。具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器( d h ) 1 1 河南大学榆测技术与自动化装置争业2 0 0 5 级硕i ：学位论文 相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性 好、寿命长、激射波长可以更短等等优点。目前，量子阱已成为人们公认的半导 体激光器发展的根本4 1 。图2 3 和图2 4 分别给出了理想超晶格示意图和超晶格能 带示意图。 e 图2 3 理想超晶格示意图图2 4 超晶格能带示意图 2 2 半导体激光器的空间模式 半导体激光器的模式可以分为空间模和纵模( 轴模) 。前者描述围绕输出光束轴 线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强( 或光功率) 的分布，也称为远场 分布；后者则表示是一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率( 或波长) 分量上的分布【5 1 。两者都可能是单模或者出现多个模式( 多模) 。边发射半导体激 光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于异质结平面方向( 称横向) 和平行于结 平面方向( 称侧向) 有不同的波导结构和光场限制情况。横向上都是异质结构成的折 射率波导，而在侧向多是折射率波导，但也可采取增益波导，因此半导体激光器 的空间模式又有横模与侧模之分。图2 5 表示了这两种空间模式。 1 2 河南人学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕士学位论文 图2 - 5 半导体激光器的横模和侧模 由于有源层厚度很薄( 约为o 1 5 “m ) ，总能保证在单横模工作；而在侧向，其 宽度相对较宽，因而视其宽度可能出现多侧模【l 】。如果在这两个方向都能以单模( 或 称基模) 工作，则为理想的t e m 0 0 模，此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。 这种光束的光束发散角最小、亮度最高，能与光纤有效地耦合，也能通过简单的 光学系统聚焦到较小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。相反，若有源区 宽度较宽，则发光面上的光场( 称近场) 在侧向表现出多光丝，在远场的侧向则有对 应的光强分布，这种多侧模的出现以及它的不稳定性，易使激光器的p i 特性曲 线发生“扭折”( k i 啪，使p 一1 线性变坏。 由于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称，其远场光斑呈椭圆状，其长、 短轴分别对应于横向与侧向。在许多应用中需用光学系统对这种非圆对称的远场 光斑进行圆化处理。可以通过外部光学系统来压缩半导体激光器的发散角以实现 相对准直的光束，但这是要以一定的光功率损耗为代价的。如果将从半导体激光 器发出的激光近似视为高斯分布的点光源，可以采取图2 6 所示的准直光学系统。 准直透镜的数值孔径应大于半导体激光器的有效数值孔径，经准直出来的激 光束乃至聚焦后的焦斑仍是椭圆。如需得到小而圆的光点，尚需对准直后的光束 进行圆化处理。用节距为1 4 的自聚焦透镜可方便地对半导体激光器出射光进行准 直，如图2 7 所示。 河南火学检测技术j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 半导 图2 6高斯光束的整形 一，7 图2 7 用自聚焦透镜准直半导体激光束 2 3 光纤传输的基本理论 2 3 1 光纤的结构特点及分类 光纤呈圆柱形，由纤芯、包层与涂层三部分组成，如图2 8 所示， 图2 8 光纤结构 1 4 弋 d 1 土 一千i 监l l 河南人学榆测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕j ：学位论文 纤芯主要采用高纯度的s i 0 2 二氧化硅，并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光 折射率，2 l ；包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂剂，主要是降低包层的 光折射率门2 ；涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强度和可弯曲性旧。 1 按传播模式分类多模光纤和单模光纤。 光是一种频率极高的电磁波，频率约为3 x 1 0 e 1 4h z ，它在波导光纤中传播时， 根据波动光学理论和电磁场理论，当波导光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时， 光在波导光纤中会以几十种或更多的传播模式进行传播。 、多模光纤 多模光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长，一般在5 0 p m 左右，光信号是以多 个模式方式进行传播的，光信号的波长以主纵模为准。不同的传播模式会具有不 同的传播速度和相位，因此经过长距离的传播之后会产生时延，导致光脉冲变宽， 叫做光纤的模式色散或模间色散。由于模式色散影响较严重，降低了多模光纤的 传输容量和距离，多模光纤仅用于较小容量、短距离的光纤传输通信。 计算多模光纤中传播模式的数量的经典公式为= 矿，其中v 为归一化率。 例如，当v ：3 8 时，多模光纤中会存在三百多种传播模式。其中y 2 警m ，其中 口l 为纤芯的半径，a 为光波波长，n a 为光纤的数值孔径，根据全反射的原理，n a 的物理意义就是能使光信号在光纤内以全反射形式传播的接收角阮的正弦值，光 纤的n a 并非越大越好，n a 越大，虽然光纤接收光的能力越强，但光纤的模式色 散也越厉害。因为n a 越大，则其相对折射率差么也就越大，导致模式色散越大， 使传输容量和距离变小，对光纤n a 的取值有规定，c c i t t 建议光纤的 n a = o 1 8 0 2 4 之间。 、单模光纤 当光纤的几何尺寸可以与光波长相比拟时，即纤芯的几何尺寸与光信号波长 相差不大时，一般为5 1 0 u m ，光纤只允许一种模式在其中传播，其余的高次模全 部截止，这样的光纤叫做单模光纤。单模光纤只允许一种模式在其中传播，从而 河南人学柃测技术j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕 ：学位论文 避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤 通信。对于单模光纤，由于光纤的几何尺寸小，使v 的值小于2 4 0 4 8 ，这样n 的 值就为l ，只有一种模式。 2 按工作波长分类短波长光纤和长波长光纤。 短波长的光信号波长在o 6 m o 9 啪之间，长波长的光信号在1 3 1 “m 和 1 5 5 “m 两个窗口之间，长波长光纤因具有衰减低，带宽宽等优点，适用于长距离、 大容量的光纤传输。单模光可在多模光纤中传输，但多模光不能在单模光纤中传 输。 3 按套塑类型分类紧套光纤与松套光纤等。 4 按c c l t t 建议的分类一g 6 5 2 、g 6 5 3 、g 6 5 5 光纤。 g 6 5 2 光纤：非色散位移光纤或常规光纤。可用于1 3 1 0 n m 窗口和1 5 5 0 砌窗 口的光信号波长，在1 3 1 0 n m 窗口，其色散为零，但衰减偏大，在1 5 5 0 n m 窗口， 其存在一定的色散，大约为2 0 p s k m ，n m ，但衰减偏小，现每公里大约为0 1 8 d b 。 g 6 5 2 光纤可用于2 5 g 以下的光信号传输，包括2 5 g 光信号，也可用于d w d m 的传输。但在1 5 5 0 n m 窗口存在一定的色散，用于1 0 g 的光信号传输时，需进行 色散补偿。中国铺设的多为g 6 5 2 的光纤，用于2 5 g 或以下和d w d m 的传输。 g 6 5 3 光纤：色散位移光纤。即把1 3 1 0 l u l l 窗口的零色散位移到1 5 5 0 姗窗口， 适用于1 0 g ，包括1 0 g 的光信号传输，但不能用于d w d m 的传输，会产生四波 混频的非线性效应。现日本铺设的光纤多为g 6 5 3 光纤，主要用于1 0 g 的传输。 g 6 5 5 光纤：非零色散位移光纤。结合g 6 5 2 和g 6 5 3 光纤的特点，也为了能 传输l o g 和d w d m 的光信号，在1 5 5 0 m 窗口，使光纤存在一定的色散，但很小， 不使d w d m 信号产生非线性效应。 掺饵光纤：掺饵光纤主要用于e d f a 上，生产掺饵光纤放大器，掺饵光纤放 大器是现代光通信中的重要部分，也是实现全光网的关键部件，增加无电中继的 传输距离。特点是体积小、增益高、插入损耗小、偏振不敏感、低噪声、交叉串 扰小、工作波长落在1 5 5 0 n m 窗口、与光纤容易对接。 1 6 河南大学枪测技术j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕士学位论文 掺饵光纤放大器的工作原理就是利用泵浦源照射掺饵光纤，使掺饵光纤中的 饵离子由低能位跃迁到高能位，形成粒子数反转分布区，饵离子在衰变的过程中 释放能量，放大1 5 5 0 姗波长段的光信号。泵浦源一般采用9 8 0 r m l 的光源，通过 控制泵浦源的发光电流的大小，来控制光信号的放大增益。掺饵光纤放大器虽放 大了光信号，同时对噪声也进行了放大，引入了噪声。 保偏光纤和色散补偿光纤：由于光信号在传输过程中，引起相位的变化，即 产生偏振效应，通过保偏光纤进行相应的补偿。色散补偿光纤主要补偿光信号在 光纤中传输引起的色散，恢复信号的脉冲宽度。 2 3 2 均匀折射率光纤的光线理论 2 3 2 1 子午光线的传播8 】 通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面，位于子午面内的光线都称为子午 光线。根据光线的反射定律，子午光线的入射光线、反射光线和分界面法线均在 子午面内。根据几何光学可以求出子午光线在光纤内全反射应满足的条件，如图 2 9 所示。图中玎1 ，也分别为芯层和包层的折射率，n o 为光纤周围媒质的折射率。 要使光能完全限制在光纤中传输，则应使光线在光纤一包层分界面上的入射角妒大 于( 或至少等于) 临界角，即： s i n 矽。一等，矽讥= a r c s i n ( 等) ( 2 。) 或 s i i l 吼=( 2 - 2 ) 式中吼= 9 0 。一矽。再利用s i l l 缈= 啊s i n 秒，可得 s i n = ，z is i n 岛= ；彳j 虿( 2 3 ) 1 7 河南人学柃测技术j 自动化装置拿业2 0 0 5 级硕f ：学位论文 由此可知，相应于临界角妒。的入射角，反映了光纤集光能力的大小，通称 为孔径角。与此类似，s i n 则定义为光纤的数值孔径，一般用n a 表示，即 n a = s i n = 厢 j l _ 2 口 t ( 2 4 ) 图2 9 子午光线的全反射 由于子午光线在光纤中的传播路径是折线，所以光线在光纤中的总路径长度 一般大于光纤的长度。由图2 9 中长度为的光纤所示的几何关系可得，其总光路 s 。的长度和总反射次数7 7 分别为 s = 朋= 南 ( 2 - 5 ) 7 7 ：三7 7 ：掣 ( 2 6 ) 7 7 = l 7 7 = = 一 (