大功率半导体激光光纤耦合技术

1、文献阅读报告-大功率半导体激光光纤耦合技术 导师：邹永刚 学生：孙旭晴内容 1.什么是光纤 ? 2.半导体激光器类型、特性、优缺点及用途 3.什么是光纤耦合 4.光纤耦合的方式及每种耦合方式的特点 5.发展趋势 6.结论1.什么是光纤光纤（optical fiber），全称为光导纤维，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。808nm大功率半导体激光器980nm大功率半导体激光器v 高功率半导体激光器的输出特性 包括输出功率、转换效率和光束特性，下面介绍技术问题和国内外现有水平（1）输出功率水平 NLight于2004年底，采用GaAs基材料体系，在808nm波段，

2、实现单厘米条输出功率364W的当时最高纪录。电光转换效率大于70%. Jenoptic于2005年将高功率阵列激光器的输出功率水平提高到454W.v (2)电光转换效率v 普通的半导体激光器的电光转换效率为40%-60%，美国国防部（DARPA）于2003年启动了超高效率半导体激光器系统（SHEDS）计划，目标是利用三四年的时间，将高功率半导体激光器及阵列的电光转换效率提高到接近80%。其中厘米条阵列激光器的效率已达到70%。2.半导体激光器的优缺点1962年世界上第一台半导体激光器问世。半导体激光器的优点v 效率高v 寿命长v 体积小v 功率密度高缺陷光束发散角较大 对环境温度变化较敏感对驱

3、动电源要求高半导体激光器的用途固体激光器泵浦激光通信激光模拟激光测距光纤通信光纤陀螺航空航天等重要领域 3.什么是光纤耦合v 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。4.光纤耦合的方式耦合方式光纤微透镜直接耦合光纤直接耦合聚焦后再耦合合利用光学系 统直接耦各种耦合方式及特点v直接耦合v 这种耦合方式影响耦合效率的主要因素是：光源的发光面积和光纤芯总面积的匹配以及光源发散角和光纤数值孔径的匹配。数值孔径是光纤的主要参数，入射到光

4、纤表面的光不能全部被光纤所传输，只是在一定角度范围内的入射光才可以被光纤传输，这个角度就称为光纤的数值孔径。它代表光纤端面接收光能力的大小。NA越大，光纤接收光的能力越强。但是NA太大时，光纤的模畸变加大，会影响光纤的带宽。v 这种耦合方法结构简单，加工容易。光纤微透镜耦合v 这种耦合方法是采用一定的加工工艺把光纤端面制作成一定大小和形状的微透镜，然后直接对准半导体激光器的发光面。图 四把光纤端面加工成半球形的微透镜，相当于增加了系统的数值孔径，可以提高耦合效率。图五中光纤端部常用腐蚀或拉锥方法做成。v 这种锥形的光纤的耦合效率较高，制作工艺较简单，且体积小，价格低。v利用光纤系统耦合v 圆柱

5、形微透镜对光线有一定的汇聚作用，能够把半导体激光器发出的光束进行单方向汇聚，这样使得垂直于pn结方向的（快轴）的光线得以压缩。图六为光线在微透镜中的传播示意图。v 由于微透镜加工起来难度较大，我们可以用光纤来代替，不仅制作简单，而且成本低廉。尽管微透镜具有很大的像差，但是不影响它在光纤耦合中的应用。光纤耦合产品概述v 国外利用微光学系统耦合方法的成熟产品较多，以德国LIMO公司微透镜系统最为突出。图八为LIMO公司的微透镜组，图九为微透镜组前端准直模块示意图。 5.发展趋势 近年来，大功率半导体激光器与多模光纤之间的耦合技术发展迅速，耦合效率越来越高，耦合工艺越来越简单，出现了各种各样的微透镜列阵和耦合方法。 90年代初，高功率半导体激光器光纤耦合电器件已经装备于美国的国防。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显著优势。目前我国在高功率半导体激光器光纤耦合方面也取得了很大成果， 我们实验室提出基于多只激光二极管串联的光纤耦合方法，获得了较高的耦合效率。6结论v 现在半导体激光