《半导体激光器及光纤耦合技术理论基础综述》6300字

半导体激光器及光纤耦合技术理论基础综述目录TOC\o"1-2"\h\u3168半导体激光器及光纤耦合技术理论基础综述 1271581.1光束质量评价方法 1228691.2单管半导体激光器的基本工作原理及光束特性 3301791.3半导体激光器光束准直的基本原理及方法 535001.4半导体激光器光束合束技术 7205871.5光纤耦合理论 8129421.5.1光纤 8294271.5.2光纤耦合理论 929541.5.3光纤耦合损耗分析 10189131.5.4常用的光纤耦合方法 11半导体激光器与光纤的高效耦合涉及到相关的知识，一是对半导体激光器基本原理有所了解，了解半导体激光器的远场和近场光束的基本特性；二是要对光纤耦合模块设计的关键技术（光束准直、激光光束合束以及光纤耦合）有深入的掌握。1.1光束质量评价方法激光光束质量是激光技术中一个非常重要的表示参数，用于评价出射激光的性能好坏，广泛应用于激光器的设计和制作等方面。一般而言利用激光光束远场发散角这一参数来表征激光光束质量，但是对于激光束而言，均可通过光学透镜系统变换来改变激光光束的远场发散角，所以仅仅采用远场发散角这一参数来衡量光束质量是不够完美的。为了能够完美的评价激光光束质量，研究人员们提出了采用亮度、因子、因子以及光参数积（BPP值）等来表征光束质量，下面详细介绍这几种评价方法。1.1.1亮度激光具有高亮度性、高方向性、高单色性、高相干性和高能量性，当激光在无损耗的光学介质中传输时，激光的亮度将保持不变[9]。激光的高亮度是其能量高度集中的表现，然而激光的亮度除了受到激光器的发射功率的影响外，还与光束的远场发散角和光斑的发光面积有关。其定义表达式如式（1-1）所示：（1-1）上式中B表示激光光束亮度，P表示光源发射激光的总功率，S表示光束光斑面积，Ω表示光源远场发散角。从上面定义式可以看出，激光发射功率一定的条件下，激光光束光斑面积越小，光束的远场发散角越小，则激光光束亮度越高，单位面积的能量也就越高。1.1.2因子光束衍射极限倍数因子即因子，其基本的定义如式（1-2）所示：（1-2）上式中是实际出射光束的远场发散角，是理想情况下光束的发散角，由上式可知光束的远场发散角越大时因子越大，光束质量越差；越趋近于1时，光束质量越好。1.1.3因子因子的表达式如式（1-3）所示：（1-3）上式中和分别表示出射激光光束的实际光斑半径大小和实际远场发散角大小，和分别表示激光光束的理想光束光斑半径大小和理想的远场发散角大小。由表达式可以看出，越大，激光光束的实际光斑或者实际远场发散角远大于理想的光斑和发散角，激光光束质量越差[10]；越接近于1，激光出射光束越接近于高斯光束，光束质量越好；时，激光光束传输达到衍射的极限。可以证明激光通过理想无像差且孔径无穷大的光学系统时，尽管束腰半径和远场发散角发生变化，但是其乘积是个不变量，即因子是一个固定值。通常因子只适合于低评价低能量的高斯型激光光束，用激光光束光斑半径和远场发散角的相互制约来提高对光束质量评价的准确性。但是对于高能量的激光光束，由于其谐振腔是非稳定腔，导致输出的激光光束不是规则的高斯光束，所以不存在所谓的束腰和远场发散角，例如对于超高斯光束，因子就不适用。这便需要采用其他的光束质量评价因子进行客观性的评价。1.2.4光参数积（BPP值）光参数积（BPP）的是出射激光光斑半径与激光光束远场发散半角的乘积，基本定义式如下（1-4）所示[9]：（1-4）若光学系统不存在像差且数值孔径无限大，则经过光学系统变换前后激光光斑半径与远场发散半角的乘积保持不变[10]，即式（1-5）所示：（1-5）上面连个式子中，表示激光光束变换的光斑半径，表示激光光束变换前的远场发散半角，表示经光学变换系统变换后的光斑半径，表示经光学系统变换后的远场发散半角。但是通常情况下，光学系统都会存在像差，所以聚焦前后的光参数积往往不相等，一般聚焦后的光参数积大于聚焦前的光参数积。通常由于半导体激光器有源层结构的不对称性，在快轴和慢轴方向上的光斑大小和远场发散角相差较大，因而需要分开表述，采用和两个参量来分别表示快慢轴方向上的光束质量。1.2单管半导体激光器的基本工作原理及光束特性半导体激光器的工作原理与其余激光器相同，都是利用电子跃迁引发受激辐射从而产生激光的，不同的是半导体激光器是以一定的半导体材料作为工作物质来产生激光的器件，要让半导体激光器发射激光必须满足相应条件：要有足够的粒子数反转即高能态粒子数大于低能态粒子数、有一个合适的谐振腔起反馈作用促进受激辐射光子增生产生激光振荡、满足一定的阈值条件使光子增益大于光子损耗。如下图1-1所示，两个反射光栅充当谐振腔起反馈作用，PN结两边注入电流促进粒子数反转，并且PN结起限制粒子运动的作用，利于提高输出功率。图1-1半导体激光器基本结构半导体激光器的光场分布主要分为近场和远场分布特性，近场分布特性是指光束出射距离与波长具有相同的数量级时（）的光束特性，远场分布特性是指出射光束距离远大于激光波长时（）的光束特性[2]。对于现在常用的半导体激光器，具有非常薄的有源层结构，大大降低了阈值电流密度，但也因其特殊的结构特性，使得出射光束在快慢轴方向上具有一定的差异性，通常在快轴方向上的输出光束远场发散角为25°~50°左右，而在慢轴方向上输出光束远场发散角约为7°~25°左右，因此，输出光束为椭圆形。其光束特性和远场光斑形状如下图1-2中所示：图1-2半导体激光器远场光束特性及光斑图出射激光光束的基本参数表达式如下式（1-6）所示：（1-6）其中表示激光光束在x和y方向的模场半径，表示基模高斯光束在x和y方向的模场半径，表示激光光束在x和y方向上的曲率半径，表示出射激光光束在x和y方向上的远场发散角。目前的半导体激光器按照有源层的结构类型来分，可以分为同质结激光器、单异质结激光器、双异质结激光器、分布式反馈激光器、单量子阱激光器、多量子阱激光器、量子线激光器和量子点激光器等，其基本原理都是为了限制有源层内光子的载流子的运动，提高半导体激光器的效率以及降低阈值电流。例如双异质结半导体激光器是采用两种带隙较宽且折射率较低的半导体材料，形成折射率差，限制有源层内垂直于结平面方向上载流子和光子的运动；量子阱激光器是利用量子效应，将有源层厚度压缩到德布罗意波长范围内，将载流子限制在由势阱形成的有源层中，与双异质结半导体激光器相比较有更低的阈值电流和更高的量子效率；而量子线和量子点半导体激光器则分别是对有源层的二维的三维结构方向上进行限制等。1.3半导体激光器光束准直的基本原理及方法由上所诉，半导体激光器直接输出时，快轴方向发散角远大于慢轴光束发散角，导致出射激光光束特性较差，可以通过对快慢轴方向上的光束进行准直来压缩发散角，改善激光光束特性，提高单位面积激光功率，实现高的光纤耦合效率，便于在工业和军事领域上有更好的应用。常采用透镜对半导体激光器出射光束进行准直，准直的基本原理如下图1-3所示[2]。图1-3半导体激光器光束准直基本原理图通常半导体激光器的快轴和慢轴发散角差异较大，需要单独对快轴和慢轴进行准直，在准直过程中，常用的集中方法有柱状透镜准直、非球面透镜准直、透镜组准直以及自聚焦透镜准直等，不同的准直方法各有利弊。柱透镜准直具有取材广、价格低廉等优点，因而工业上常用柱状透镜进行准直，准直的基本原理如图1-4所示[11]，右图1-4可以看出柱状透镜准直时会存在较大的球面像差，因而对出射光束的发散角以及光强分布造成很大的影响，在对光强要求较高或发散角要求较低的场合往往不适用。图1-4柱状透镜准直原理图非球面透镜是目前准直效果最好的透镜，相比于柱状透镜，其曲面结构参数较多，在矫正球差方面具有独到的优势，但是相对的设计难度也较大，因而透镜价格也高于一般的柱状透镜。基本准直原理如下图1-5所示，曲率半径随光束位置的不同而变化，因而能保证出射光束全部为平行光。图1-5非球面透镜准直原理图自聚焦透镜又名渐变折射率透镜（GRIN），其在垂直于传播方向上的不同距离处的折射率不同[2]，如图1-6所示，自聚焦透镜的折射率满足式（1-7）。（1-7）其中，A为常数，为轴心处的折射率，r为光束距离轴心的距离。图1-6自聚焦透镜准直原理图在实际的设计过程中，由于快轴方向上的发散角远大于慢轴方向上的发散角，考虑到制作成本以及对准直效果的要求，对慢轴准直一般采用柱状透镜进行准直，对快轴准直则采用对球差矫正度较高的非球面透镜进行准直，以上选择可以很好的完成快慢轴方向上的准直。2.4半导体激光器光束合束技术近年来，半导体激光器在应用领域上不断拓宽，但相应的同时对半导体激光器的要求也日渐提高，不但要求有更好的光束特性，同时要求更高的功率输出，光束准直技术可以有效的改善激光光束特性，而合束技术可以很好的提高激光输出功率。半导体激光器的合束技术分为相干合束以及非相干合束两种。相干合束是通过相位调制使得相同波长之间进行干涉实现合束，但是在实际应用中，制作工艺较为繁琐，成本较高，难以广泛应用，主要应用于激光阵列之间的合束。非相干合束常用有三种方式：空间合束、偏振合束以及波长合束[3]。与传统的相干合束相比较，非相干合束对光束参数要求较低并且工艺较为简便，广泛应用于单管合束技术，以下分别作简单的介绍。空间合束较为简单，工艺要求较为简便，成本也较低，就是将光束在空间上按照几何关系紧密的排列在一起，提高光束总的输出功率，这种方法是目前半导体激光器合束技术中最简单的一种方法，不需要过于复杂光束整形或者光束重排，只需确保不同光束的光程相同即可，广泛应用于大功率半导体激光器之间的合束。偏振合束是指偏振态互相垂直的两束半导体激光光束，通过波长偏振器件后实现偏振态一致来实现合束。对于半导体激光光束而言，光场矢量振动方向垂直于结平面，则为TE态偏振光，反之，平行于结平面，则为TM态偏振光，两束准直后的激光光束使其中一束经过半波片将偏振态旋转90度后进行叠加，可以使输出功率提高将近一倍，基本示意图如下图1-7所示。图1-7偏振合束原理图波长合束针对的是多波长激光系统的合束，正如图1-8所示，采用波长合束器进行合束，波长合束可以有效的提高输出功率，但是对工艺要求较高，同时合束后和激光为混合激光，单色性较差，极大的限制了激光器的应用范围。图1-8波长合束示意图1.5光纤耦合理论1.5.1光纤光纤，又名光导纤维，是一种由玻璃或塑料制作而成的光学材料，一般是圆柱体，可作为光传导工具传播信息或者能量。光纤主要用于传递能量和传递光学信息，是一种介质波导的结构，借由折射率差来把光限制在纤芯内并引导光波沿着光纤轴线方向进行传播。如图1-9所示是光纤的基本结构，光纤最里面称作光纤纤芯，其折射率为n1，中间一层称为包层，其折射率为n2，为满足传播的全反射条件，包层折射率略小于纤芯的折射率，最外层为涂敷层，起保护内部结构的作用。光纤按照折射率变化来分，可以分为渐变折射率光纤和阶跃折射率光纤；按照传播模式的不同，可以分为单模光纤和多模光纤[12]。单模光纤的芯径很小，在给定传输波长下只能以单一的模式传输，常用于制备光纤激光器，而多模光纤在给定波长下能同时传输多个模式，常用于制作半导体激光器光纤耦合模块。图1-9光纤基本结构光纤的数值孔径和纤芯直径决定了光纤的基本参数，在耦合模块的设计中，经准直聚焦后的光斑大小应该小于纤芯直径。而数值孔径表示的是光纤的最大接收角，耦合进入光纤的光的入射角应该小于光纤的最大接收角，才能实现较高的耦合输出。光纤的数值孔径（NA）可以用式（1-8）表示：（1-8）式中，为空气的折射率，表示光纤的最大接收角，和分别表示光纤纤芯和光纤包层的折射率。1.5.2光纤耦合理论描述光纤耦合的理论主要有波动光学耦合理论和几何光学耦合理论。几何光学耦合理论实际上就是经典光学理论，为实现高效率的光束耦合，准直聚焦后的光束必须满足以下两个个条件，一是准直聚焦后的光束发散角必须小于光纤的最大接收角；二是准直聚焦后的光束发散角要满足光纤的全反射条件[2]，即光斑最大直径小于纤芯直径。即准直后激光的光参数积要小于光纤的光参数积。（1-9）式（1-9）中，表示准直聚焦后的光束发散角，表示光纤的最大接收角，表示入射光束的直径，表示光纤的纤芯直径，表示准直后激光的光参数积，表示光纤的光参数积，与数值孔径和光纤纤芯直径的关系为（1-10）所示：（1-10）波动光学耦合理论是以波动光学理论来讨论光束传输过程中的模式匹配问题，因为多模光纤中模式较多，讨论起来较为繁琐，所以通常在单模光纤中进行讨论。根据耦合光学理论，耦合效率为式（1-11）所示[7]：（1-11）式（1-11）中，是光场模式，是光纤模式，是传播系数。是传播距离，若两者模式匹配，则会有较高的耦合效率。1.5.3光纤耦合损耗分析光纤耦合损耗是指光信号经光纤传输后，由于光纤的吸收、散射等原因引起的光功率减小，是光纤的一种基本特性，是衡量光纤耦合装置是否良好的指标之一。光纤损耗通常取决于波长，但也根据光纤材料或光纤的弯曲程度而改变，常见的有吸收损耗、弯曲损耗以及散射损耗等。吸收损耗是由于光纤材料对特定波长的光具有吸收作用造成的，例如由熔融石英制备而成的光纤，在波长范围1300nm至1550nm的范围内能进行稳定传输，但是在该波长范围外的光就会被吸收造成损耗。因而对于某些特定的工作波长的激光器，对光纤材料的要求也会相应提高。弯曲损耗是由于光纤内部和外部几何形状的变化所引起的损耗，一般分为两种：宏弯损耗与微弯损耗[13]。宏弯损耗一般是指光纤的物理弯曲，比如将光纤卷曲等，这会造成光纤模场与激光光束模场的不匹配，大量的能量会损耗到周边环境中，且有较大的概率造成光纤永久性损伤。微弯损耗通常发生在光纤的内部，即光纤纤芯内部结构的不平整波坏了光束传播全内反射的条件，使得传播的光泄露到光纤外部，微弯损耗通常是在制造光纤时造成的永久性缺陷。散射损耗是指光在遇到介质表面时是由于折射率发生变化引起的损耗，既可由外部的杂质等外部因素引起的折射率变化，也可以是由玻璃材料的密度、温度等引起的内在变化。散射损耗与波长紧密相关，通常呈负相关。因而储存过程中要尽量避免光纤尖端受到污染，降低散射损耗。1.5.4常用的光纤耦合方法单管半导体激光器与光纤耦合常用的耦合方法通常有直接耦合以及聚焦透镜间接耦合两种方式。直接耦合直接耦合技术是将准直聚焦后的激光光束直接耦合进光纤，包括光纤直接耦合和光纤端面微透镜耦合。光纤直接耦合是把处理好的光