半导体激光光纤耦合技术研究

1、编号20141022134本科生毕业设计本科生毕业设计半导体激光光纤耦合技术研究Research on Coupling System between Laser Diode and Fiber学 生 姓 名顾学建专 业测控技术与仪器学 号1022134指 导 教 师王菲分 院光电工程分院2014年6月 长春理工大学光电信息学院毕业设计 摘 要随着光电子器件的迅速发展，半导体激光器的用途越来越广。半导体激光器的光束质量成了制约半导体激光器应用的主要瓶颈。而半导体激光器与光纤的耦合，对半导体激光器的光束质量改善有着重要意义。如何提高半导体激光器的耦合效率成为人们越来越关注的问题。本文介绍了半导体

2、激光器光纤耦合的应用，国内外研究现状及发展趋势。讲述了半导体激光器和光纤的基本知识，介绍了半导体激光光纤耦合的几种常用方法，对影响耦合效率的因素加以分析，并详细阐述大功率半导体激光器列阵光纤的耦合方案。关键字：半导体激光器 光纤耦合 耦合效率ABSTRACTWith the rapid development of optoelectronic devices, semiconductor lasers are used more and more. Semiconductor laser beam quality has become a major bottleneck restricti

3、ng the application of semiconductor laser. The semiconductor coupling optical device and fiber is of great significance to improve the beam quality of semiconductor lasers. How to improve the coupling efficiency of semiconductor laser has become a growing concern.This paper introduces the applicatio

4、n of fiber coupled semiconductor laser status and development trend of domestic and foreign research. Described the basic knowledge of semiconductor laser and optical fiber. This paper introduces several common methods for semiconductor laser to fiber coupling. Analysis of the factors affecting the

5、coupling efficiency .And describes the coupling scheme of high power semiconductor laser array optical fiber.Keywords: Semiconductor Laser Diode Fiber Couple Couple Efficiency目 录第一章 绪论11.1 研究的目的及意义11.2 半导体激光器光纤耦合的应用11.3 半导体激光器光纤耦合的国内外研究现状21.4半导体激光器光纤耦合的发展趋势2第二章 半导体激光与光纤光学42.1

6、0;半导体激光器的光束特性42.2光纤理论52.3光线在均匀折射率光纤中的传播规律8第三章 光纤耦合技术103.1半导体激光光纤耦合的几种常用方法103.2影响光纤耦合效率的因素113.3光纤耦合时需要注意的问题15第四章 大功率半导体激光器及列阵光纤耦合具体方案174.1大功率半导体激光器光纤耦合技术174.1.1直接耦合174.1.2利用光学系统对半导体激光与光纤进行耦合184.2大功率半导体激光器列阵光纤耦合具体方案204.2.1半导体激光器条形巴（LD Bar）204.2.2二维半导体激光器堆栈（LD Stack）214.2.3半导体激光器条形Bar的耦合方案214.2.4光

7、束整形23结 论29参考文献30致 谢31I第一章 绪论1.1 研究的目的及意义近年来，随着半导体激光器在通信，工业，航空，军事等多个领域的广泛应用，以及光纤制造技术和加工工艺的日渐提升，光纤通讯和光纤传感中的传输损耗已经降到接近极限，使得信号的传输能力和保真能力显著提高，而半导体激光器与光纤的耦合损耗问题也越来越重要。由于半导体激光器的光波导存在很大的非对称性，其输出光束光斑不对称，并且具有较大的发散角，使得半导体激光器的直接应用受到限制。因此，更好的将半导体激光器的光束有效耦合到光纤中成为重要的课题，提高耦合效率变得愈发重要。1.2 半导体激光器光纤耦合的应用随着信息化

8、社会的到来，高速率信息流的载入、传输、交换、处理及存储是技术关键。信息技术己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路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。具体说，半导体激光器及光纤的耦合器件主要有一下几方面的应用：一、用于泵浦固体激光器和光纤激光器现在大部分的固体激光器都采用灯泵浦，用高功率半导体激光器及其列阵的光纤耦合模块代替传统的灯泵，无论在价格、体积、重量、安全可靠性还是柔性加工灯方面，都具有明显的优势。二、军事方面的应用半导体激光测距；用于直升飞机、巡航导弹前视防撞雷达；用于对潜通信；用于机载航天激光雷达；半导体激光模拟武器；军用

9、光纤陀螺；激光照明以及激光测距等。三、生物医学上的应用输出波长为805nm左右的半导体激光器很适合人体的手术治疗；激光也可以用于牙科治疗，正确选择激光参数可以对牙齿实施几乎无痛的打针，这种非接触式的激光打孔避免了机械钻孔所带来的疼痛；激光无痛采血仪是近年来开发出来的一种激光由于医学上的仪器。四、加工上的应用高功率半导体激光器列阵的光纤耦合模块，可以直接应用在激光焊接工艺中，还可以应用于打标、切割和材料处理等1-2。1.3 半导体激光器光纤耦合的国内外研究现状近两年来，除了Coherent、SDL(J.D.SUniphase)、Spectraphysics等多年来一直从事高功率激光耦合

10、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Eagleyard、OSRAM、FBH、Lasert Jet、Bookham等。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。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

11、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UMO等公司可以提供相应的产品，国内应该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。大功率激光光纤耦合技术除了用于大功率半导体抽运激光器抽运源外，还有很多直接应用到工业加工、医疗等场合。受需求牵引，其发展很快，而且日益呈现出新技术、新产品形式出现的特点，给国内从事本领域科研和产业化工作的人们带来的启示是。只有产品紧密结合，才能寻找出共同发展之路，才能在日益激烈的国际竞争中占有一席之地。1.4半导体激光器光纤耦合的发展趋势随着半导体激光器及其列阵光纤耦合模块性能的改善，其应用领域越来

12、越广，在激光器市场中的份额日益增大。未来半导体激光器及其列阵光纤耦合模块的发展趋势将重点放在以下几个方面：（1）可以采用多个cm条线列阵叠层形式或采用多根光纤集束进一步提高输出功率。（2）可以减少因菲涅尔反射而造成能量损耗，从而增加输出光功率。（3）因为半导体激光器及其列阵工作时会产生大量的热量，若不及时散失，会使模块温度升高严重影响激光器的正常工作，造成波长漂移，输出功率下降以及光学灾变(COD)。目前的散热措施主要有半导体致冷结合水冷和风冷。（4）加速微光学元件的研制，进一步提高耦合效率。微光学元件具有体积小、重量轻、设计灵活可实现阵列化和易大批量复制等优点己成功地应用到现代光学的各个领域

13、中，尤其是在激光光学领域，它可以改变激光光束波面，实现光束变换，如光束的准直、整形及光学交换和光学互联等。因此在这方面的研究潜力很大，市场也很广阔。（5）更加小型化、轻型化。为适应航空航天及军事上的需要，高功率半导体激光器及其光耦合模块必须向着小型化和轻型化的方向发展，目前主要是减小激励源的体积，同时温控系统也要小。第二章 半导体激光与光纤光学2.1 半导体激光器的光束特性半导体激光器自诞生以来，有着效率高、寿命长、体积小、功率密度高等优点，但是也存在着光束发散角较大 、对环境温度变化较敏感、对驱动电源要求高等缺陷。1、输出模式半导体激光器输出光束特性和其波导结构密切相关的

14、，所谓的模式就是光的电磁场在这种波导结构中的分布。光场在传播方向上的分布称为纵模，而光场在垂直方向上的分布称为横模。实际的半导体激光器为了实现横向的电流限制和光限制，一般做成条形结构。只有条宽很小时才能得到基横模输出。对于基横模输出的光束可以把它看作高斯光束，使分析过程简化。2、发散和不对称典型条状半导体激光器有源区厚度只有零点几微米，有源区宽度却有一至几百微米，这将导致产生一个不对称的束腰，因而输出光束是不对称的。一般在垂直尸N结方向上的发散角在30°-40°之间。在平行PN结平面方向上的发散则同垂直方向相比要小2-6倍。这就导致了半导体激光器输出光束是如图2.1所示椭圆

15、截面。在一些应用中，半导体激光器的这种输出光束的这个特点并不影响使用，但在另外有些应用中则是必须加以校正的3-4。图2.1半导体激光器的远场特性3、像散半导体激光器输出光束存在很大的像散。像散是一种光学像差，是指激光器输出光束在快轴和慢轴方向的发射源点不重合，其中轴向距离z用来衡量激光束像散的严重程度。像散的存在严重的破坏了光束的同心性，使得快轴方向和慢轴方向的光束用一个简单的透镜无法同时聚焦。在平行于结面上，可以认为光是从距半导体激光器出光表面距离z的有源区内部发出的如图2-2(b)所示，在垂直于结面上，光从出光表面开始发射如图2.2 (a)。图2.2（a）垂直于结方向（快轴）的发散角和像点

16、图2.2(b） 平行于结方向的发散角的像点在应用中，像散是需要消除的，一般有两种做法，即或选用无像散的半导体激光器，或用光学系统来校正像散4-7。2.2光纤理论光纤是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆柱形。光纤把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射原理约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的传播特性由其结构和材料决定，结构、材料不同的光纤其性能差别很大。光纤的基本结构是两层圆柱状媒质，内层为纤芯，外层为包层，纤芯的折射率n1比包层n2的折射率稍大。当满足一定的入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播。实际的光纤在包层外面还有一层保护层，其作用是保护光纤免受环

17、境污染和机械损伤。有的光纤还有更复杂的结构，以满足使用中的不同需要。图2.3是光纤的结构简图。图2.3光纤的结构图按照光纤的材料，可以将光纤的种类分为石英光纤和全塑光纤。石英光纤一般是指由掺杂石英芯和掺杂石英包层组成的光纤。这种光纤有很低的损耗和中等程度的色散。目前通信用光纤绝大多数是石英光纤。全塑光纤是一种通信用新型光纤，尚在研制、试用阶段。全塑光纤具有损耗大、纤芯粗(直径100600m)、数值孔径(NA)大(一般为0.30.5，可与光斑较大的光源耦合使用)及制造成本较低等特点。目前，全塑光纤适合于较短长度的应用，如室内计算机联网和船舶内的通信等。 按照光纤剖面折射率分布的不同，可以将光纤的

18、种类分为阶跃型光纤和渐变型光纤。按照光纤传输的模式数量，可以将光纤的种类分为多模光纤和单模光纤，如图2.4。单模光纤是只能传输一种模式的光纤。单模光纤只能传输基模(最低阶模)，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。单模光纤的模场直径仅几微米(m)，其带宽一般比渐变型多模光纤的带宽高一两个数量级。因此，它适用于大容量、长距离通信。光纤传输具有很多优点：一、频带宽频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带宽度就越大。在VHF频段，载波频率为48.5MHz300Mhz。带宽约250MHz，只能传输27套电视和几十套调频广播。可见光的频率达1

19、00000GHz，比VHF频段高出一百多万倍。尽管由于光纤对不同频率的光有不同的损耗，使频带宽度受到影响，但在最低损耗区的频带宽度也可达30000GHz。目前单个光源的带宽只占了其中很小的一部分(多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光纤可达10GHz以上)，采用先进的相干光通信可以在30000GHz范围内安排2000个光载波，进行波分复用，可以容纳上百万个频道。二、损耗低在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1.31um的光，每公里损耗在0.35dB以下若传输1.55um的光，每公里损耗更小，可达0.2d

20、B以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点，一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引入均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。图 2.4单模和多模光纤结构示意图三、重量轻因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4um10um，外径也只有125um，加上防水层、加强筋、护套等，用448根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。四、抗干扰能力强因为光纤的基本成分是石英

21、，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。五、保真度高因为光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引入新的非线性失真。只要激光器的线性好，就可高保真地传输电视信号。实际测试表明，好的调幅光纤系统的载波组合三次差拍比C/CTB在70dB以上，交调指标cM也在60dB以上，远高于一般电缆干线系统的非线性失真指标。六、工作性能可靠一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器)

22、，可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。2.3光线在均匀折射率光纤中的传播规律一、子午光纤传播子午光线经过全反射后仍在原入射平面内，每一次反射后都与光纤轴相交，这是子午光线传输特点。如果光纤是均匀的直圆柱体，则入射于光纤一端的光线只要满足全反射条件，它就会在另一端以相同于入射角的角度出射；如果光线的入射角不满足全反射条件，其能量由于折射将很快损耗摔，无法在光纤中传播。数值孔径NA是与最大入射角相联系的，表征了光纤的集光能力。数值孔

23、径越大光纤的集光能力越强，能够进入光纤的光通量越多。二、斜光线传播图2.5斜光线全反射条件示意图入射到光纤端面的光线，除了子午光线外，还有很多斜光线，它们和光纤中心轴是异面直线。由于斜光线和光纤中心不在一个平面内，因而斜光线在光纤中进行一次全反射，平面的方位就要改变一次。其光路轨迹是空间的螺旋折线，其在光纤端面的投影如图2.5所示，这些螺旋折线与光纤中心轴线是等距的。QK为入射在光纤内的斜光线，QK和光纤中心轴OO是既不平行，又不相交的异面直线。H为K在横截面上的投影。QKH=，是斜光线和光纤轴之间的夹角。KQT=，是斜光线在光纤内壁上的入射角。HQT=，是斜光线在入射点处横截面上的投影QH和

24、法线QT之间的夹角，称为轴倾角。HTOT，则QT垂直于KHT平面。这样，QTH，QKT，QKH均为直角三角形。在QTH中，在QKH中，在QKT中， （2.1）公式（2.1）说明了三个角之间的关系。显然光线在光纤内壁发生全反射的临界角c是不变的，c=n2/n1，而cosc=，这样就可以得到斜光线的全反射条件为： （2.2）如果用光线在光纤端面上的入射角来代替折射角，则可以得到： （2.3）由于cos小于等于1，因此斜光线的数值孔径要比子午光线的数值孔径大。第三章 光纤耦合技术3.1半导体激光光纤耦合的几种常用方法光纤耦合模块采用光学系统对半导体激光器的光束进行准直、整形、变换，进一步耦

25、合到光纤中，一方面从根本上改善了半导体激光器的输出光束；另一方面由于光纤柔软可弯曲，可将激光能量导向到任意方向，极大提高了实际应用范围。半导体激光器与光纤的耦合可以分为两大类8：一种是分离透镜耦合，即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；另一种是光纤直接耦合，即光纤和光源直接耦合，而不经过任何系统。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。下面介绍一下今年来国内外半导体激光光纤耦合的集中常用方法：（1）激光光纤直接耦合这种方式是早期激光光纤耦合的方式，主要用在小功率激光的传输领域。该方式的结构简单，只需要将激光的光

26、轴与光纤的轴线重合即可，但是这种结构无法保证激光光轴与光纤轴线的精确对准，并且存在着耦合效率太低的缺点，有报道的该方法可达到的最大耦合效率仅为24，目前仅在激光的传输领域还有应用。（2）单透镜聚焦耦合单透镜耦合就是在激光器与光纤端面之间只加入一个透镜，利用单个透镜对半导体激光器的光束模场进行整形，使其尽量适应光纤的模场要求，可以取得比较好的耦合效果。在该耦合方法中，只用一个透镜来完成激光束的聚焦。但是由于像差的存在，激光的聚焦效果会受到一些影响。可以通过改变透镜参数的方法来消除像差，但是会增加透镜制作的难度。如果条件许可，可以使用完全消除像差的非球面透镜，但是其制作费用要比普通球面透镜高出几十

27、倍。常用的采用的透镜包括：球透镜、柱透镜、自聚焦透镜(GRIN透镜)和特殊非球面透镜等。（3）组合透镜耦合单片透镜的耦合方法虽然结构简单、便于实际封装，但是由于单片透镜的限制，封装容忍度很低，校准较为困难，需要在耦合效率和调整容忍度之间寻找一个平衡。所以出现了利用以上几种透镜的组合方式来达到提高耦合效率和容忍度的方法。在这些结构中，典型结构是伽利略望远镜系统，由一个凹透镜与一个凸透镜组成，该结构没有共焦点，可以避免双凸透镜系统在共焦点处引起的激光能量过高。但是透镜数量的增多，相应的透镜表面也随之增多，激光束在每个透镜表面都会有光损失，数个透镜表面就可以把激光束的通光率降到很低，所以应尽可能的减

28、少透镜的数量，还需在透镜表面镀增透膜以提高系统的通光率。除此之外，较为常用的组合方式还有：共焦双透镜组合，由一片红宝石球透镜和一片GRIN棒状透镜组成共焦结构；准直透镜与折射率渐变椭圆透镜组合，其中折射率渐变椭圆透镜与光纤胶合在一起；球透镜与ORIN透镜组合，其中GRIN透镜与光纤胶合在一起；半球面GRIN棒透镜与GRIN棒透镜组合，其中GRIN棒透镜与光纤胶合在一起。这些方法提高了耦合的容忍度，耦合效率在40到80之间。（4）光纤微透镜耦合减小透镜焦距可以提高耦合效率，要得到最小的透镜，最好的办法就是直接把光纤端面做成透镜，即光纤微透镜。光纤微透镜是指通过熔融、化学刻蚀、光刻、研磨等方法在光

29、纤端头上加工出不同种类的透镜，用于激光光束的耦合。通过光纤微透镜耦合的主要优点在于；系统简单、封装成本相对较低、耦合效率比较大。缺点在于，由于光纤的尺寸在Itm级，因此光纤微透镜的加工相对困难。但随着近年来微加工技术的不断发展，光纡微透镜的加工成本越来越低。利用光纤微透镜耦合半导体激光光束是现在最普遍和很有效的方法，通常采用的方法主要有：光纤球微透镜，通过对光纤端头加热，使端头处光纤玻璃熔化，由于表面张力的作用，光纤端头处自动形成球状透镜；光纤端头半圆弧微透镜，通常可以采用熔融或者研磨的方法得到；光纤锥微透镜，通过热熔融拉锥的方法得到，耦合效率在40左右：光纤锥形球微透镜水，是对光纤锥微透镜的

30、改进，通过增加一步化学腐蚀的方法，在锥形头上形成球状微透镜，使耦合效率提高到55；光纤微球微透镜，在光纤平端面的中心，芯径处形成一个球状微透镜，耦台效率在56左右；光纤楔形微透镜，对光纤端面研磨，加工出楔角，校正半导体激光光束快轴发散角；光纤椎形圆弧微透镜，对端头的研磨，形成圆锥形，然后在进行一次抛光加工在端头形成微透镜，最大耦合效率为78.3%；光纤楔形圆弧微透镜，在光纤楔形微透镜的基础上经过对光纤端头处的研磨抛光加工而成，更加适用于耦合大功率半导体激光器：光纤金字塔形半椭圆微透镜，通过光纤研磨抛光制造出具有椭圆金字塔形端面的光纤微透镜，通过电弧加热，在端头表面形成圆弧形，可以取得最高54的

31、实验耦合效率。光纤微透镜的耦合效率在50到80之间，相对来说，调整容忍度较小，一般在几微米到几十微米之间。3.2影响光纤耦合效率的因素影响光纤耦合效率因素主要包括激光器发射光束与光纤的不对准导致的损耗的影响，以及光纤本身的影响。（1）空间误差的影响横向误差对耦合效率的影响激光器光束的光轴与光纤光轴的横向偏移误差d如图3.1所示：图3.1横向偏移误差其中，尺为光纤芯径，珊为激光束腰半径。激光经光学系统整形后，虽然满足了光纤耦合条件，但是由于激光光斑与光纤的纤芯轴线的偏移导致激光的部分功率并没有耦合进光纤中，而是辐射到光纤的外面，从而导致了耦合损失。设入射激光光束的入射角满足光线在光纤中全反射的条

32、件，并且耦合进光纤的功率与光斑和纤芯重叠部分的面积成正比。经计算可得到横向偏移误差d与耦合效率的关系式如下： （3.1）其中，纵向误差对耦合效率的影响纵向偏移误差是指激光的束腰不在光纤的端面上，而是与光纤端面有一定的距离，这个距离就称为纵向误差。当激光与光纤耦合存在纵向误差时，使得激光的端面面积大于光纤的接收面积，即破坏了光纤耦合的条件，使得dlaserdcore，从而产生了功率损耗。如图3.2所示：图3.2纵向偏移误差其中，s为聚焦光斑与光纤的纵向偏移误差，为聚焦光斑半径。假设聚焦激光光斑半径与光纤芯径是相等的，耦合进光纤的光功率与光纤和光斑的重叠面积成正比，则光纤耦合效率就等于光纤纤芯的面

33、积与激光光斑面积之比。计算可以得到激光光斑与光纤端面的纵向偏移s对耦合效率影响，表示为： （3.2）其中，c为光纤临界入射角。角度误差对耦合效率的影响当激光束的光轴与光纤的中心轴并不在一条直线上，而是存在一个夹角时，称为激光与光纤之间具有角度误差。如果角度误差足够大，使得聚焦激光束的发散角不再满足耦合条件laser<2arcsin(NA)，这将使光纤损失掉置于最大接收立体角之外的光功率，如图3.3所示：图3.3角度偏移误差对于阶跃型光纤角度误差引起的损耗可以用DMarcuse推导的公式来表示： （3.3）其中，为激光束的束腰半径，n2为光纤的包层折射率。通过以上误差对耦合效率影响的计算，

34、可以得到，横向偏移误差d对耦合效率的影响最大，纵向偏移误差S次之，角度偏移误差对耦合效率的影响最小。在半导体激光器与光纤耦合的过程中，不仅机械对准造成的三维方向上的偏移会对耦合效率产生影响，光纤本身的特性也会对耦合效率产生影响。其中包括了菲涅尔反射以及光纤加工过程中产生的误差对耦合效率的影响。（2）光纤本身特性对耦合效率的影响在半导体激光器与光纤耦合的过程中，不仅机械对准造成的三维方向上的偏移会对耦合效率产生影响，光纤本身的特性也会对耦合效率产生影响。其中包括了菲涅尔反射以及光纤加工过程中产生的误差对耦合效率的影响。菲涅尔反射影响由于激光束通过光纤前的光学系统整形之后，入射角较小，假设激光在光

35、纤是垂直于端面入射的，根据垂直入射的菲涅尔公式： （3.4） （3.5）那么，s波和p波的平均折射率为： （3.6）其中，n为光纤的折射率。假设为1.466，通过公式3.6计算，透过率为96%，约有4%的反射损耗。光纤加工误差影响在光纤端面的制备过程中，要使细而长的光纤中心轴和端面完全垂直是不可能的，总会存在着一定的偏差，因此讨论光纤端面倾斜是对光纤耦合的影响是很有必要的。光线入射斜端面如图3.4所示： 图3.4光线入射端面光路示意图是光纤端面倾斜时的法线与垂直端面法线之间的夹角，称为端面倾斜角和分别是光线在光纤端面的入射角和折射角，甲是光线在光纤的纤芯和包层界面上的全反射角。从图中的几何关系

36、可以看到： （3.7）对上式两边取余弦，得： （3.8）其中， （3.9） （3.10）设c为全反射临界角，可得： （3.11） （3.12）将公式5678代入3.8，可得端面倾斜角和光纤接受角的关系： （3.13）由公式9可知当n0、n1和n2一定时，要想使光纤的接受角增大，则必须减小倾角；反之，倾角越大，接受角越小。所以光纤端面倾斜后其数值孔径将减小，也就是说，光纤端面倾斜越大，耦合效果越差，耦合效率越低。3.3光纤耦合时需要注意的问题如图3.5所示，为了保证激光与光纤的高效耦合，应满足光纤的数值孔径NA的要求。 图3.5半导体光纤耦合条件激光与光纤的耦合应满足光纤的耦合条件，即成像到光纤

37、耦合端面上的激光光束的光斑直径dlaser和发散全角laser应同时满足9-10dlaserdcore (3.14)laser2arcsin(NA) (3.15)此外，光纤耦合时还应减小空间误差，来提高耦合效率。第四章 大功率半导体激光器及列阵光纤耦合具体方案4.1大功率半导体激光器光纤耦合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，很多情况下需要牺牲耦合效率来简化工艺，降低成本，以获得最

38、佳性能价格比。大功率半导体激光器与光纤耦合通常可以采用两种方式，即直接耦合和利用光学系统整形和聚焦后再进行耦合。4.1.1直接耦合1、平端光纤直接耦合11-12图4.1 LD和平端光纤直接耦合平端光纤直接耦合指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。半导体激光器与光纤之间存在严重的模失配， 采用平端光纤直接耦合， 损耗将会很大， 耦合方式效率较低。图4.1为平端光纤直接耦合示意图。2、球形端面光纤直接耦合图4.2 LD和球形端面光纤直接耦合球形端面光纤直接耦合13-14获得球形光纤端面

39、的方法有很多种。一种比较简单的方案是在光纤端面上制造一个树脂的半球透镜;另一种更实用的方案是在光纤的端面烧制出特殊形状的端球，烧制的热源可以采用电弧、 气体火焰或大功率激光器。光纤端面在这些热源的作用下，熔化后再自然冷却，在表面张力的作用下就会形各种弧度的圆球形端面， 圆球的曲率半径与热源的温度和光纤与热源的距离有关。采用球形光纤端面不仅可以提高半导体激光器与光纤的耦合效率， 而且利于实验光路调试。图4.2是 LD和球形端面光纤直接耦合示意图。3、锥形光纤直接耦合图4.3 LD和锥形光纤直接耦合制作锥形光纤的方法有腐蚀、 磨削和加热三种方法，前两种方法将光纤包层制成锥体而保持芯径不变，后一种方

40、法则利用电弧放电加热或者利用熔融拉锥机加热， 使纤芯与包层一起成比例地拉伸成一定长度和锥度的锥体。这两种方法得到的锥形光纤系统有着不同的特性， 利用加热方法制造的锥形光纤其芯层也为锥形结构， 能够获得更高的耦合效率，在增大锥角以获得更大的耦合效率的同时， 最佳工作距离也随之减小。4、锥端球面透镜直接耦合图4.4 LD和锥端球面光纤直接耦合在目前所有耦合方法中， 锥端球面微透镜应用最广，其制作方法是先将光纤端部制成锥形，以减小端面半径，然后，在锥端形成微透镜。锥端球面透镜耦和效率一般可达50% 60%，最大可达 80%左右。4.1.2利用光学系统对半导体激光与光纤进行耦合由于直接耦合方法可控变量

41、的局限性，为进一步提高耦合效率和耦合光束质量，利用光学系统进行耦合在大功率半导体激光器光纤耦合中己占有越来越重要的地位。最常见的是利用自聚焦透镜、圆柱形透镜、双曲面透镜及一些组合透镜组进行耦合。下面对这几种方法进行介绍。1、利用自聚焦透镜自聚焦透镜是利用离子交换技术在圆柱状玻璃基棒内产生径向的折射率分布而制成。它的聚光能力是依靠折射率的渐变分布来实现的，焦距由透镜长度决定。平端自聚焦透镜球差较严重，会聚光斑较大，可把前端研磨成球面，补偿了透镜的球差，耦合损耗可降为ldB左右15。图4.5自聚焦透镜（损耗3db）的耦合示意图2、利用圆柱形微透镜圆柱形微透镜对光束具有一定的会聚作用，能够把半导体激

42、光器发出的光束进行单方向会聚，同时，柱透镜可以用光纤来实现，因而制作简单，成本低廉。尽管圆柱形微透镜具有很大像差，但不影响它在光纤耦合中的应用。图4.6圆柱形微透镜的耦合示意图3、利用双曲面透镜双曲面透镜可以实现快轴和慢轴方向的同时准直和聚焦。如图4.7所示，A面对快轴方向实现准直和聚焦，B面对慢轴方向进行准直和聚焦16。双曲面透镜可以补偿半导体激光器输出光束较大的像散，因此耦合效率较高，光纤输出光功率密度较大，但透镜加工难度较高，增加了成本。图4.7双曲面微透镜4、利用组合透镜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高耦合效率。利用组合透镜可将耦合效率大

43、幅度提高，通常可达到75%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。图4.8组合透镜耦合损耗利用组合透镜可将耦合效率大幅度提高，通常可达到75%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。4.2大功率半导体激光器列阵光纤耦合具体方案4.2.1半导体激光器条形巴（LD Bar）大功率二极管的光束质量很差，在两个方向上的发散性差异很大，如图4.9(a)所示。对于一个数十瓦的条形巴，一组典型的参数为：巴由19个有源区组成，每个有源区宽度为150m，相邻有源区之间的距离为500m。激光在快轴方向上的发散角为40°，

44、慢轴方向上的发散角为6°M平方因子为 （4.1）这样差的光束质量，不仅无法直接应用，而且无法用简单的透镜藕合法直接耦合到一根NA=0.22的光纤中。需要注意的是上述计算中包含了LD发光元之间的间隙对光束质量的影响。如果剔除间隙的影响，则有： （4.2） (a)条形巴（Bar） (b)二维堆栈（Stack）图4.9大功率半导体激光器的结构示意图4.2.2二维半导体激光器堆栈（LD Stack）一般来说，单Bar的连续功率局限在百瓦数量级。为了得到更大功率的激光输出，就必须采用二维堆栈的组装技术。半导体激光器二维堆栈的结构如图4.9(b)所示。多个条形巴平行放置，相邻巴之间的间隔一般在1

45、.5至2.0毫米之间，主要是由于散热的局限，无法更近。目前市场上的产品中条形巴的数目从2个到25个不等，连续输出功率可以达到1000瓦。4.2.3半导体激光器条形Bar的耦合方案1、光纤束法早期的耦合采用的是光纤束的方法，即通过微光学系统将激光器列阵各发光单元相同数目的光纤列阵一一耦合，然后在光纤束出射端再进行集束。这种方法成本低，应用较广。如图4.10所示，图4.10光纤列阵耦合示意图在这种光纤列阵耦合方式中，光纤列阵需要精密排列，排列周期应等于半导体激光器列阵的单元周期，因此需要加工特殊设计的精密V形槽或U形槽列阵，用以排列固定光纤列阵。大功率半导体激光器列阵各个发光单元发出的光束在快轴方

46、向进行准直和压缩后，一对一的耦合到光纤列阵中，然后将光纤列阵用特殊的工艺进行合束，并装配到标准接头中。这类耦合技术的优点是思路简单明了，剔除了LD发光元之间的间隙对整体光束质量的影响，耦合效率高。缺点是光纤束的直径、或对接的光纤的芯径比较粗，光纤输出亮度的极限低。2、整形耦合法图4.11半导体激光器巴的光纤耦合原理框图这种方法是在近几年才发展起来的技术。耦合思路如图4.11所示。首先对半导体激光器bar的光束在快轴和慢轴方向上分别准直。准直后的光束为一线状光束。光束整形器的作用是把这一线状光束进行切割成n条，并重新排列成一个预定的分布，譬如方形。经过重排后的光束在聚焦性能上将得到极大地改善，M

47、2因子将缩小n倍，因此对光纤芯径的要求也将减小n倍，可以用一个透镜聚焦耦合到一根纤细的光纤中去。经验表明，如果在慢轴准直中使用透镜阵列以减少畸变，M2因子还可以有效地减小。和光纤束法相比较，整形耦合法的优点是可以实现更细光纤芯径的耦合，因而实现更高的亮度。假设半导体激光器条形Bar在快轴和慢轴方向上M2因子分别为M2fast和M2slow，则理论上，线性光束可以切割的条数n最大可达到： (4.3)一般可取M2fst为1.5，M2slow为550，则nmax约为19。4.2.4光束整形1、单个条形巴的光束整形为了改善聚焦性能，往往把线形光束截成多截，重新排列成一定的形状如矩形、方形、圆形、椭圆形

48、等，叫做光束的整形，如图4.12所示。准直之后的光束必须先经过整形来改善聚焦性能。图4.12光束整形示意图（1）两步重排整形法要把线形光束分割、排列成矩形分布，首先是把先行光束分裂成n份，在一个方向上实现不等量的移动，称为第一次重排；再在另一个方向上实现不等量的移动，实现第二次重排。如图4.13中两个箭头所示的过程。图4.13两步重排原理示意图典型的两步重排整形法是梯形镜法(step- mirror)。如图4.13所示，线形光束先由数个微小镜片分割并反射，实现第一次光束重排。重排后的光束再经过第二次反射，实现第二次重排。第一次重排的结果是分割后的数节光束在一个方向上实现不同量的平移：第二次重排

49、的结果是实现另一个方向上不同量的平移。最终得到如图4.14中的整形后的输出图案。JOLD等大多数公司提供的产品里使用的都是梯形镜。图4.14梯形镜整形原理另外，属于两次重排整形法的还有棱镜组法(Prism-group)等。一般的耦合效率在70%左右。（2）一步重排整形法上述的两步重排法里，一方面结构复杂，不利于小型化和模块化;另一方面，由于每一次反射都损失一些光能量，致使整形后的效率受到影响。在近期发展起来的一步重排整形法相比之下很有特色。（A）45°倾斜柱透镜阵列旋转整形法。（a）倾斜柱透镜旋转成像原理 （b）45°倾斜柱透镜阵列实现光束整形图4.15 45°柱

50、透镜旋转整形法由于倾斜的柱透镜成象可以实现旋转功能，如图4.15(a)中所示。可以证明，如果柱透镜的旋转角为q，则象的旋转的角度为2q。使用45°放置的柱透镜，一个水平的线状物AB所成的象为一个垂直的线状A'B'。在此思路的启示下，Limo公司设计制造了45°倾斜的柱透镜阵列。如图4.15(b)中所示。水平分布的条形半导体激光器Bar，在快轴准直后，每个发光元对应45°倾斜的柱透镜阵列中的一个柱透镜。在光经过柱透镜阵列之后，就会出现和发光元数目相等的、已经实现重排了的矩形光分布。和梯度镜法相比较而言，倾斜柱透镜阵列旋转整形法只用一步就实现的光束的整

51、形重排，但排列出的光不再是准直光，而是在垂直方向上发散的一个矩形分布。在Limo的实际产品中，首先使用一个柱透镜在垂直方向上进行准直。最后，使用两个柱透镜分别在水平和垂直方向上聚焦，实现光纤耦合。（3）折射整形法武汉凌云光电有限责任公司的产品采用另一种整形原理，即折射整形法。根据折射原理，光束以一定的角度入射到透明介质(如玻璃等)中，方向将发生改变。如果此介质是平行介质，光束穿过后传播方向不变，但在入射面内位置将发生移动，如图4.16(a)所示。不同的移动量可以通过不同的入射角和介质长度来控制。采用多层透明介质即可实现光束的重排。图4.16(b)所示为一个整形模块的剖面图。利用折射整形法，不仅

52、可以排列出光纤耦合所需要的矩形分布，还可以排列出圆形、椭圆形等其它分布。同时，具有体积小、结构紧凑、损耗小的优点。 （a） (b)图4.16折射光束整形原理图2、二维堆栈的光束整形由于二维堆栈在快轴方向上有多条条形巴组成，典型的，如25条，因此，其在快轴上的光参积(发光尺寸和发散角之乘机，Beam-Parameter-Product，BPP，wQ，)至少要增大25倍。在图4.17(a)中，首先每条巴分别用柱面透镜进行了快轴准直，然后使用一个大面积柱面微透镜列阵进行慢轴准直。为了消除巴之间的不发光面积的影响，使用了一个光束整形镜(Beam shaper l)剔除每条准之光之间的间隙一光束压缩。处

53、理之后的光束形状如图4.17(b)所示，其快慢轴方向上的BPP分别为100mm·mrad和1200mm·mrad。(a)结构示意图 (b)为初步整形之后的光束形状和快慢轴方向上的光参积BPP图4.17使用一个特制的光束整形器剔除条形巴之间的无光区为了耦合这样的光到光纤中去，首先我们必须调整两个方向上的光参积为近似对称，调节技术依然为上面描述过的整形技术，如两步整形法。这里我们使用棱镜组法作为例子。从图4.17(b)中我们知道，经过光束压缩后的光束的快慢轴方向上的理想的BPP分别是100mm·mrad和1200mm·mrad。但由于压缩的效果的限制，快轴方

54、向上的BPP实际大致为130mm·mrad。若想使得快慢轴方向上对称，则由公式3可得n=3。及可以把光束在慢轴方向上切成3份然后在快轴方向重排。我们这里采用两步法的棱镜组法。(a)第一步 (b)第二步图4.18棱镜组法实现光束整形重排原理示意图如图4.18所示的，采用三块直角棱镜叠加在一起组成的重排模块实现一个方向上的重排。两个这样的模块即可实现所需的光束整形。此时的快、慢轴上的BPP分别被调整为390mm·mrad和40Omm·mrad近似于对称。这样的光经过合适焦距的透镜聚焦后，既可以耦合到光纤中，原理如图4.19所示。图4.19二维堆栈的光纤耦合示意图需要指

55、出的是，不论是条形巴还是堆栈，都可以使用偏振合束或波长合束的方法实现多个激光器巴/堆栈的单光纤耦合。图4.20偏振合束的二维堆栈的光纤耦合示意图图4.20所示为一个偏振合束的大功率光纤耦合堆栈的方案。装置有两个光束整形的二维堆栈组成，其中一个堆栈的输出经过一个半波片后偏振方向发生900旋转，使用偏振合束器对两路堆栈输出的光束进行合束，再经过光学聚焦系统实现光纤耦合。这个方案可以使输出功率亮度提高近一倍。其输出可以用于加工。由于其波长的单一性，也可以用作固体激光器的泵浦源。图4.21偏振合束和波长合束结合的二维堆栈的光纤耦合示意图图4.21所示为一个结合偏振合束和波长合束的大功率光纤耦合堆栈的方案。这里的关键点是波长合束器的膜层，合束的通道数目受到膜层的限制。这个方案的优点是可以极大提高输出功率和亮度，但输出光为多个波长的混合。