光纤与半导体光源耦合
光纤光学与半导体激光器的电光特性实验(精)
光纤光学与半导体激光器的电光特性实验上个世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术取得了突破性的进展。
光纤通信具有容量大、频带宽、光纤损耗低、传输距离远、不受电磁场干扰等优点，因此光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。
半导体激光器是近年来发展最为迅速的一种激光器。
由于它的体积小、重量轻、效率高、成本低，已进入了人类社会活动的多个领域。
【实验目的】1．了解半导体激光器的电光特性和测量阈值电流。
2．了解光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。
3．掌握光纤数值孔径概念、物理意义及其测量方法。
4．对光纤本身的光学特性进行初步的研究。
【实验仪器】GX-1000光纤实验仪，导轨，半导体激光器+二维调整，三维光纤调整架+光纤夹，光纤，光探头+二维调整架，激光功率指示计，一维位移架+十二档光探头（选购），专用光纤钳、光纤刀，示波器，音源等。
如右图所示。
1．设备参数：（1）半导体激光器类型：氮化镓，工作电流：0-70mA ，激光功率：0-10mW ，输出波长：650nm ；（2）总输出电压为3.5-4V ，考虑保护电路分压，所以管芯电压降为2.2V 。
（3）光纤损耗率：每千米70%，实验所用光纤长度：200m ，计算损耗为93.1%，如激光输出功率为10mW ，除去损耗后激光输出的总功率：9.31mW ，（计算耦合效率时用到）。
（4）信号源频率可用范围:10KH Z -300KH Z 。
2．主机功能实验主机面板如下图 GX1000光纤实验仪发射接受北 京 方 式 科 技 有 限 责 任 公 司电流 mA电流调节直流调制脉冲频率输出 波形音频输入 波形输入 波形 波形解调电源开关表头功能状态旋钮主机主要由3部分组成：电源模块、发射模块、接收模块。
(1)电源模块 主要是为半导体激光器和主机其它模块提供电源。
由3部分组成：①表头：三位半数字表头，用于显示半导体激光器的平均工作电流。
该电流可通过表头下的电位器进行调整。
光源-光纤的耦合和光纤连接器
B 0,max
0
0
cos sindddsrdr
pB0
rm 0
2p
0
sin20,maxdsrdr
pB0
rm 0
2p
0
NA2dsrdr
对于阶跃光纤，NA是常数与s和r无关，于是：
p P LE ,Байду номын сангаасD te p 2rs2B0N2 A
因此：
PLED ,stepPsrasN2PAs2,NA2,
ra
5.3 光纤与光纤的连接
多模光纤的连接 单模光纤的连接
多模光纤的连接
假设所有模式功率均匀分布，光纤-光纤的功率耦合与两根光 纤共有的模式数成正比。由此光纤-光纤的耦合效率为：
Rn n1 1 n n23 3..6 60 0 1 1..4 48 8 20.174
这相当于17.4%的发射功率反射回光源，与这一R值相对应的 耦合功率由下式给定：
P couple1d RP emitted
由反射造成的功率损耗为：
L1l0 o P P g c eo mui p t tle e1 d dl0 o1g R ()0.8d 3B
有：
p P
B rs 00
02pN2A dsrdr
PLED,graded
2p 2B0
rs 0
n2 (r) n22
rdr
2p
2rs2
B0n121
2
2
rs a
2Ps
n121
2
2
rs a
a
n (r) n n 1 11 (1 2 2 ()r1 //2 a ) n 1 1 (/1 2 )n 20 r r a a
LED发射的光耦合入多模光纤之后，由于非传播模式的能量 衰减，将在开始的~50 m存在注入模式达到稳态的过程。
半导体激光器原理及光纤通信中的应用
半导体激光器原理及光纤通信中的应用
半导体激光器是一种利用半导体材料的电子和空穴复合产生光子的器件。
它是一种高效、小型化、低成本的光源，被广泛应用于光通信、激光打印、医疗、材料加工等领域。
半导体激光器的工作原理是利用半导体材料的PN结，在外加电压的作用下，电子和空穴在PN结的结界面处复合，产生光子。
这些光子被反射回来，形成光的共振，从而形成激光。
半导体激光器的优点是功率密度高、发射波长可调、寿命长、体积小、功耗低等。
在光纤通信中，半导体激光器是一种重要的光源。
它可以将电信号转换为光信号，通过光纤传输到接收端，再将光信号转换为电信号。
半导体激光器的发射波长与光纤的传输窗口相匹配，可以实现高速、长距离的光纤通信。
同时，半导体激光器的小型化和低功耗也使得光纤通信设备更加紧凑和节能。
除了光纤通信，半导体激光器还被广泛应用于激光打印、医疗、材料加工等领域。
在激光打印中，半导体激光器可以实现高速、高分辨率的打印，同时也可以实现彩色打印。
在医疗领域，半导体激光器可以用于激光治疗、激光手术等，具有精准、无创、无痛等优点。
在材料加工领域，半导体激光器可以用于切割、焊接、打孔等，具有高效、精准、无污染等优点。
半导体激光器是一种重要的光源，被广泛应用于光通信、激光打印、
医疗、材料加工等领域。
随着科技的不断发展，半导体激光器的性能和应用也将不断提升和拓展。
绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术研究
绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术研究摘要：近年来，随着我国经济的高速发展和科技的进步，光电器件与材料相关领域的研发不断取得新进展，性能得到明显强化，在各大领域得到广泛应用。
为进一步提高半导体激光功率，可以采用激光器单管合束及光纤耦合技术。
基于此，分析研究绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术，对提高仪器总功率以及将其应用于更多领域有重要的现实意义。
关键词：绿光半导体激光器；单管合束；光纤耦合前言：利用合束技术可以使多个半导体激光器在光纤中进行耦合，由此形成半导体激光器的光学器件，保证激光的输出功率，提高激光束的质量。
目前，国内外已广泛使用多种红外波段的半导体激光器，广泛用于彩色显示、激光印刷、高密度光盘存储等领域，但目前对于可见光波段激光耦合模块尤其是绿光波段的研究还很少，因此，对绿光高功率半导体激光器光纤耦合模块进行深入研究，是当前光电器件与材料相关领域研发重点之一。
1半导体激光器光纤耦合模块研究半导体激光器技术已经相对成熟，由于其具有光束不均匀性、单元功率低等特点，在一定程度上限制其应用领域。
为保证半导体激光器的功率输出，需要对激光器进行多层叠加，这会一定程度上限制光束质量。
随着半导体耦合技术的不断发展和进步，通过使用半导体激光器进行合束，可以有效提升光束的质量，实现激光远距离柔性传输。
最早的光纤是20世纪50年代研制出来的，后来被人们逐渐推广使用。
在20世纪70年代，就有国外公司利用化学气相沉积法得到了损耗较低的光纤，随着半导体激光器的迅速发展和光纤耦合技术的发展，人们对不同类型的半导体激光器进行了大量的研究，并取得了大量的成果。
2半导体激光器非相干合束技术目前，半导体激光器的合束技术方法有两种：相干合束和非相干合束。
半导体激光器利用光束准直技术和聚焦耦合技术，使多个光束单元的耦合成为可能。
在相干合束技术的应用中，采用了相位控制方法，使激光阵列各发光元件产生同一波长的光束，从而达到相干合束。
808nm光纤耦合半导体激光泵浦源
808nm光纤耦合半导体激光泵浦源808nm光纤耦合半导体激光泵浦源是一种利用光纤耦合技术，将激光器的输出光束耦合到光纤中进行激光泵浦的一种光纤耦合激光器源。
它具有方便性、高效性和稳定性等特点，在现代光通信和光电器件领域有着广泛的应用。
本文将从原理、结构和应用领域等方面介绍808nm 光纤耦合半导体激光泵浦源。
808nm光纤耦合半导体激光泵浦源的原理是利用半导体激光器产生808nm波长的光束，通过透镜将光束聚焦到光纤的输入端，然后通过光纤传输到输出端，从而实现对目标物质的泵浦。
在光纤耦合激光器源中，光纤起到了光束传输的作用，避免了传统激光器泵浦源中存在的激光束扩散、气动光损耗等问题，提高了光能利用率和泵浦效率。
808nm光纤耦合半导体激光泵浦源的结构主要包括激光器、透镜、光纤和输出端。
激光器是光源，产生波长为808nm的激光光束。
透镜起到聚焦和耦合的作用，通过调整透镜的位置和焦距，实现光束的聚焦和耦合效果。
光纤作为传输媒介，将激光光束从输入端传输到输出端。
输出端通常配备有滤光片和准直透镜，用于过滤杂散光和调整激光的准直性。
808nm光纤耦合半导体激光泵浦源的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：首先，光通信领域。
808nm光纤耦合半导体激光泵浦源可以作为光纤放大器的泵浦源，用于放大光信号，提高光通信系统的传输距离和信号质量。
另外，它还可以用于光纤激光器的泵浦源，产生窄线宽、高功率的激光光束，用于光纤光通信系统中的光谱分析、光纤传感器等应用。
其次，光电子器件领域。
808nm光纤耦合半导体激光泵浦源可以用于激发固体或半导体材料中的光电子材料，产生特定波长的光激发物质的电子跃迁过程，实现电子的能级转移和激发态的产生，从而实现激光器、光电二极管、光电晶体管等光电子器件的制备。
再次，生物医学领域。
808nm光纤耦合半导体激光泵浦源可以用于激发生物标记物（如荧光染料）的荧光发射过程，实现生物体内的光学成像、光热治疗、光动力疗法等应用。
单模光纤耦合半导体激光器
单模光纤耦合半导体激光器【原创版】目录1.单模光纤耦合半导体激光器的概念2.单模光纤耦合半导体激光器的特点3.单模光纤耦合半导体激光器的应用领域4.市场上的相关产品及生产厂家5.德国 INGENERIC 微透镜在单模光纤耦合半导体激光器中的应用正文一、单模光纤耦合半导体激光器的概念单模光纤耦合半导体激光器是一种将半导体激光器和单模光纤进行耦合的光源设备。
它可以将半导体激光器产生的光信号通过单模光纤进行传输，具有光束质量好、传输效率高、信号干扰小等优点。
在工业生产、科研实验、光通信等领域有广泛的应用。
二、单模光纤耦合半导体激光器的特点1.高稳定性：单模光纤耦合半导体激光器具有优良的光学稳定性，能够在各种环境下保持稳定的输出性能。
2.高效率：通过光纤耦合，可以有效提高激光器的输出效率，减少能量损耗。
3.多功能：单模光纤耦合半导体激光器可以提供从紫外到近红外多个波长，多种输出功率水平，连续或调制脉冲等多种工作方式，满足不同应用场景的需求。
4.优良的光束质量：单模光纤耦合半导体激光器具有优异的光束质量，可以实现点状到线形、面型等多种光斑模式。
5.保护性能：具有过饱和保护和温度控制等功能，可以有效保护激光器免受损坏。
三、单模光纤耦合半导体激光器的应用领域单模光纤耦合半导体激光器在光通信、光纤传感、激光加工、医疗美容、科学研究等领域具有广泛的应用。
四、市场上的相关产品及生产厂家目前，国内外有许多厂家生产单模光纤耦合半导体激光器，如陕西福雷光电科技有限公司、上海屹持光电有限公司等。
这些厂家生产的产品性能稳定，质量可靠，得到了市场的认可。
五、德国 INGENERIC 微透镜在单模光纤耦合半导体激光器中的应用德国 INGENERIC 公司生产的微透镜阵列具有卓越的形状精度，可以用于光纤耦合的光束转换、激光的均匀化以及相同波长激光堆的有效组合。
光纤耦合半导体激光器
光纤耦合半导体激光器光纤耦合半导体激光器是一种将激光器和光纤相结合的器件。
它利用光纤的优良传输特性，将激光器的输出光束耦合到光纤中进行传输。
光纤耦合半导体激光器具有小尺寸、高功率、高效率、稳定性好等特点，被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
光纤耦合半导体激光器的基本构造是将半导体激光器和光纤通过耦合器件进行连接。
半导体激光器是产生激光的核心部件，它由半导体材料制成，具有电流驱动特性。
光纤则是将激光束传输到目标位置的通道，它由光纤材料制成，具有光信号传输特性。
耦合器件起到连接和耦合两者的作用，通常采用透镜、光纤接口等结构。
在光纤耦合半导体激光器中，激光器产生的激光束首先经过调制器进行调制，这样可以对激光进行控制，满足不同应用需求。
然后，通过耦合器件将激光束耦合到光纤中。
耦合的目的是将激光能量高效地传输到光纤中，并保持高质量的传输。
耦合效率的高低直接影响到激光器的输出功率和稳定性。
光纤耦合半导体激光器的优点之一是可以将激光束传输到较远的距离，而不会因为传输损耗而降低功率。
这是因为光纤具有低损耗、低色散的特性，可以有效地保持激光束的质量。
此外，光纤耦合半导体激光器还具有较小的尺寸和重量，适合在空间有限的环境中使用。
光纤耦合半导体激光器在通信领域有着广泛的应用。
它可以用于光纤通信系统中的光源，将激光信号传输到光纤中进行信号传输。
由于光纤耦合半导体激光器具有高功率、高效率的特点，可以提供稳定的信号传输。
此外，光纤耦合半导体激光器还可以用于光纤传感系统中，实现对温度、压力等参数的测量和监测。
在医疗领域，光纤耦合半导体激光器也有着重要的应用。
它可以作为医疗设备中的光源，用于激光治疗、激光手术等。
光纤耦合半导体激光器具有小尺寸、高功率的特点，可以在医疗器械中实现紧凑的设计。
光纤耦合半导体激光器还可以用于材料加工领域。
它可以作为激光切割、激光焊接等加工过程中的光源。
光纤耦合半导体激光器具有高功率、高效率的特点，可以提供稳定的激光能量，实现高质量的材料加工。
光纤传感原理-半导体光源
光纤传感是一种基于光学原理的传感技术，而半导体光源是其中关键的组成 部分。
半导体光源的概述
半导体光源是一种在光纤传感系统中产生光信号的关键组件。它通常由半导 体材料制成，如LED或激光二极管。
工作原理
半导体光源通过注入电流激发半导体材料中的电子，从而产生光。不同的材 料和注入电流可以产生不同的波长和功率。
用于工业测量、光纤传感和传感器系统，提供准确和稳定的光信号。
优点与局限性
优点
• 小型化 • 高效能 • 寿命长
局限性
• 价格较高 • 温度敏感 • 光衰减
市场前景
1
2018年
光纤传感市场规模达到80亿美元。
2
2025年
预计光纤传感市场规模将达到推动光纤传感市场的进一步增长。
总结
半导体光源是光纤传感技术不可或缺的一部分。它在通信、医疗和工业领域 有广泛的应用，并具备小型化、高效能、寿命长等优点。
组成和结构
LED（发光二极管）
由半导体晶片构成，通过电子与空穴的复合释放光。
激光二极管
利用激光效应，通过光的受激辐射产生高强度、单色性强的激光光线。
应用领域
1 通信
用于光纤通信系统中的光源，具有高效、可靠和快速传输的优势。
2 医疗
在医疗设备中作为光源，用于诊断和治疗，如光导导管、光动力疗法等。
3 工业
第六章 光纤传感器中的耦合
4 50
90
TEM 00
直接耦合的理论极限
在基横模输出的情况下，垂直于光轴的平面内之光场 分布是高斯分布，空间某点光强可表为
2
2 2 B e dt B A(s) e 2 2
y0 t2 2 0
y 0
dx
2 Berf y
oy 0
p Berf ()
0
2 p Berf w y
oy 0
上面的结果是理论值
这一部分光功率还不能完全进入光纤，因为光纤端面上还有反 射损耗。 一般玻璃的正入射反射损失为4％，现取端面损失为10％，则 耦合效率为
x I ( x, y, z ) A( z ) exp 2
式中 A(z)是与x、y无关的常数。
x
y
2 2 y
z
x
ox
z
y
oy
ωox、ωoy为高斯光束的腰宽，即谐振腔镜面上发光区在 x、y
q0 q0
二、实际光纤耦合装置
1、如何切断光纤
将光纤按一定曲率弯 曲固定在模具上，用金 刚石刀划一刻痕； 而后按原有曲率拉断 即可得到光亮如镜之端 面。
切断光纤实际装置
这种技术包括在光纤表面刻痕，然后牵拉，直至将 它拉断。 断面从刻痕的位臵开始，若加力的大小控制得当， 则断面能达到如镜面般的光洁度。
8°斜 面 抛 磨 光 纤
用 途： 激光器与 光纤的耦合，光纤 与光纤的耦合等。
光纤耦合半导体激光器原理
光纤耦合半导体激光器原理光纤耦合半导体激光器是一种将激光器与光纤相结合的器件，它利用光纤对激光的传输特性进行耦合，实现高效的光纤传输。
本文将从光纤耦合半导体激光器的原理、结构和应用等方面进行介绍。
光纤耦合半导体激光器的原理主要依托于半导体激光器的特性。
半导体激光器是一种利用半导体材料的电特性和光特性相互作用产生激光的器件。
其基本原理是通过施加电流，使半导体材料中的载流子在PN结区域发生复合，从而产生光子的放射，形成激光。
而光纤则是一种用来传输光信号的导光介质，具有高带宽、低损耗、抗电磁干扰等优点。
将半导体激光器与光纤耦合在一起，可以实现激光信号的高效传输和控制。
光纤耦合半导体激光器的结构包括激光器芯片、耦合透镜、光纤和光纤连接部件等。
激光器芯片是半导体激光器的核心部件，它由P 型、N型和活性层等材料组成，并通过电极进行电流的注入。
耦合透镜用于将激光器芯片中的激光束聚焦到光纤的末端，实现激光与光纤之间的耦合。
光纤连接部件则用于固定和保护光纤，以及保证光信号的稳定传输。
光纤耦合半导体激光器的应用非常广泛。
首先，在通信领域，光纤耦合半导体激光器可以用于光纤通信系统中的光源，实现高速、远距离的光信号传输。
其次，在工业应用中，光纤耦合半导体激光器可以用于激光加工、激光打标等领域，实现精确、高效的激光加工。
此外，在医疗领域，光纤耦合半导体激光器可以用于激光治疗、激光手术等，实现非接触式的医疗操作。
光纤耦合半导体激光器相比其他激光器具有许多优点。
首先，由于光纤的导光特性，光纤耦合半导体激光器可以实现长距离的光信号传输，同时光纤的柔性和抗干扰性也使得激光信号的传输更加稳定可靠。
其次，光纤耦合半导体激光器的结构简单紧凑，易于集成和应用。
此外，激光器芯片的制造工艺成熟，生产成本相对较低。
总结起来，光纤耦合半导体激光器是一种将激光器与光纤相结合的器件，利用光纤对激光的传输特性进行耦合，实现高效的光纤传输。
该器件具有结构简单、性能稳定、应用广泛等优点，被广泛应用于通信、工业、医疗等领域。
半导体激光器与光纤高效耦合特性的研究_图文(精)
将新型透镜光纤与其它不同结构和形状的透镜光纤分别对多种大功率半导体激光器进行耦合测试。测试结果表明,由于新型多有源区大光腔LD的激射光束纵横比得到极大的改善,它与光纤的耦合效率比相同条宽的单有源区LD有显著提高。采用楔角为900的GRIN/sMF结构的新型透镜光纤与隧道结级联大光腔LD的耦合效率比该透镜光纤与常规LD的耦合效率高出一倍以上。
北京工业大学
博士学位论文
半导体激光器与光纤高效耦合特性的研究姓名:于海鹰
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学指导教师:沈光地
20060401
摘要
摘要
大功率半导体激光器(LD,laser dio如因体积小、功耗低、转换效率高而且价格便宜等其他类型的激光器所无法比拟的优势,应用领域越来越宽广,对社会、经济、国防和百姓日常生活影响越来越大。伴随研究和生产水平的不断提高,相信它的应用领域会越来越宽广,发展前途无限光明。
ABSTRACT
Thc application fields o仆噜h-power semiconductorlaser diodes(LDsare wider aIld埘der duc to their unique advamges such as smaU in size, 10w power cons岫ption,high electric to optical energyconVerting emciency a11d che印in cost, which couldn’t be competitiVe by other
The coupling issucs with optical助erS are oRen deal wim in many application fields of high-power LD,such as也e light sources and purnping sources of optical fiberamplifiers in optical flber communications Systems,laser surgery operation in medicine,laser、velding a11d heat processing in materials mechaIlical process and so on.so t}le studies on也e coupling systems wim hi曲efficiency,nlorc practices,high reliability and more economics accordmg to the high-power LDs’chamcteristics have been one of the interesting research俎d Study dots.T0date,mey p勰sed through separated single lens,sepamted combine一1enses a11d 1ensed fibers which imegrated with optical fibers,total mree generations.Lensed fibers are very popular andfirst choice at present because of their simple s仃uctllres,high manufktLlre effБайду номын сангаасciency姐d easy integrated packaging propenies.
高亮度蓝光半导体激光器光纤耦合技术
DOI: 10.12086/oee.2021.200372高亮度蓝光半导体激光器光纤耦合技术段程芮1,2，赵鹏飞2，王旭葆1*，林学春2*1北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院，北京 100124； 2中国科学院半导体研究所全固态光源实验室，北京 100083摘要：随着蓝光半导体激光器的发展和应用范围的拓宽，利用合束技术来获得高亮度的蓝光光源已经成为研究的热点。
为了获取高亮度的蓝光输出，本文应用光学设计软件进行模拟仿真，将48只波长为450 nm 、输出功率为3.5 W 的单管半导体激光器通过快慢轴准直和空间合束，聚焦耦合进105 μm/0.22NA 的光纤中，可获得功率为144.7 W 、亮度为11 MW/(cm 2⋅str)的蓝光输出，耦合效率为93.78%，整体系统的光-光转换效率为86.13%。
关键词：蓝光；高亮度；光纤耦合；合束技术中图分类号：TN248.4 文献标志码：A段程芮，赵鹏飞，王旭葆，等. 高亮度蓝光半导体激光器光纤耦合技术[J]. 光电工程，2021，48(5): 200372Duan C R, Zhao P F, Wang X B, et al. Fiber coupling technology of high brightness blue laser diode[J]. Opto-Electron Eng , 2021, 48(5): 200372Fiber coupling technology of high brightness blue laser diodeDuan Chengrui 1,2, Zhao Pengfei 2, Wang Xubao 1*, Lin Xuechun 2*1Institute of Laser Engineering, Faculty of Materials and Manufacturing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2Laboratory of All-Solid-State Light Sources, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, ChinaAbstract: With the development and application of blue semiconductor lasers, it has become a research hotspot to obtain high brightness blue light source by beam combining technology. In order to obtain high brightness blue light output, 48 single tube semiconductor lasers with wavelength of 450 nm and output power of 3.5 W are focused and coupled into 105 μm/0.22 NA fiber by fast slow axis collimation and spatial beam combination. The blue light withpower of 144.7 W and brightness of 11 MW/(cm 2⋅str) is obtained. The coupling efficiency is 93.78%, and the optical to optical conversion efficiency of the whole system is 86.13%.Keywords: blue light; high brightness; fiber coupling; beam combining technologyDetectorMirrorSAC FACDetector DetectorMirrorSAC FACPBSCoupling lens Fiber——————————————————收稿日期：2020-10-16； 收到修改稿日期：2021-03-18 基金项目：国家重点研发基金资助项目(2017YFB0405001)作者简介：段程芮(1996-)，女，硕士研究生，主要从事高功率固体激光技术与系统方面的研究。
半导体耦合激光器的性能分析及应用研究
半导体耦合激光器的性能分析及应用研究随着现代电子技术的发展，半导体激光器作为一种重要的光源成为了现代光通信技术的核心之一。
半导体耦合激光器（Semiconductor Laser Diode Coupled）采用了半导体与其他材料或器件之间混合的结构，因此具有半导体激光器结构的基础上，还可以使用其它材料和结构进行耦合，从而大大扩展了其应用范围。
本篇文章将重点围绕半导体耦合激光器的性能分析及其应用研究展开，旨在给读者提供一个全面了解半导体耦合激光器的机会。
一、半导体耦合激光器的性能分析1.1 工作原理半导体耦合激光器是一种复合激光器，其结构是将半导体谐振腔与光纤或者波导进行耦合。
在此结构中，激光器输出光从单模光纤或波导中发射出来，具有高品质因子、较低阈值电流和高转换效率等优点。
同时，由于半导体耦合激光器采用了腔耦合结构，在设计中可以灵活控制其性能。
1.2 性能参数半导体耦合激光器的性能参数主要包括发射功率、工作电流、谐振腔和光学带宽等。
其中，发射功率与工作电流直接相关，当工作电流增加时，其发射功率也会相应增加。
谐振腔可以影响激光器的频谱特性，而光学带宽则会决定其最大传输速率。
1.3 器件温度和外界环境的影响半导体耦合激光器采用的是半导体材料，因此其性能受到温度的影响比较大。
器件在高温环境下工作可能会导致器件性能的衰减，同时，温度的变化还会引起波长漂移和发射功率的变化等问题。
二、半导体耦合激光器的应用研究2.1 光通信领域中的应用半导体耦合激光器作为一种具有较高品质因子的激光器，被广泛应用于光通信领域中。
在光纤通信中，半导体耦合激光器可用于主板间和机架间的传输；在无线通信领域，该器件可以用于光调制器和光探测器间的光连接。
2.2 显示技术中的应用半导体耦合激光器的高发射功率和低阈值电流等特性，使得其在显示领域的应用受到了广泛关注。
其中，半导体耦合激光器可以用于投影显示领域，提高显示器的分辨率和显示色彩的数目。
光电耦合器工作原理
光电耦合器工作原理引言概述：光电耦合器是一种将光信号转换为电信号或者将电信号转换为光信号的设备，广泛应用于光通信、光电传感、光电继电等领域。
其工作原理主要基于光电效应和电光效应，通过光信号和电信号之间的相互转换实现信号传输和控制。
下面将详细介绍光电耦合器的工作原理。
一、光电效应1.1 光电效应是指当光线照射到半导体材料表面时，激发出电子-空穴对，从而产生电荷载流子。
1.2 光电效应的主要机制包括内光电效应和外光电效应，内光电效应是指光子直接激发半导体内部电子，外光电效应是指光子激发半导体表面电子。
1.3 光电效应的产生使得光信号能够被转换为电信号，从而实现光电转换功能。
二、电光效应2.1 电光效应是指当电场作用于半导体材料时，使其产生折射率变化，从而改变光的传播路径和速度。
2.2 电光效应的主要机制包括线性电光效应和非线性电光效应，线性电光效应是指电场和光场的关系呈线性关系，非线性电光效应是指电场和光场的关系呈非线性关系。
2.3 电光效应的产生使得电信号能够被转换为光信号，从而实现电光转换功能。
三、光电耦合器的结构3.1 光电耦合器通常由光源、光电转换器、电子控制器和光纤组成，光源负责发射光信号，光电转换器负责将光信号转换为电信号，电子控制器负责控制信号的传输和处理，光纤负责传输光信号。
3.2 光电转换器普通采用半导体材料或者光电二极管，能够将光信号转换为电信号并放大。
3.3 电子控制器可以根据需要对信号进行放大、滤波、调制等处理，以满足不同应用场景的需求。
四、光电耦合器的工作原理4.1 当光源发出光信号时，光信号经过光纤传输到光电转换器处，被转换为电信号。
4.2 电信号经过电子控制器处理后，可以被发送到目标设备进行控制或者传输。
4.3 当电信号需要被转换为光信号时，电子控制器将电信号转换为光信号，并通过光纤传输到目标设备。
五、光电耦合器的应用5.1 光电耦合器广泛应用于光通信领域，可以实现光信号的传输和控制。
光纤通信中的光放大器与光纤耦合技术分析
光纤通信中的光放大器与光纤耦合技术分析光纤通信是现代通信领域中一种关键的传输技术，它以光纤作为信号的传输介质，具有高带宽、低能耗、抗干扰等优点。
在光纤通信系统中，光放大器和光纤耦合技术是实现高速、高质量光信号传输的重要组成部分。
1. 光放大器技术分析光放大器是一种能增强光信号强度的设备，它将入射的光信号经过放大处理后输出，以实现信号的传输和延长传输距离。
常见的光放大器包括半导体光放大器(SOA)、光纤放大器(EDFA)和拉曼放大器(Raman Amplifier)。
a) 半导体光放大器(SOA)半导体光放大器是利用半导体材料的电光特性将光信号转化成电子信号，然后再将电子信号转化成光信号的放大器。
它结构简单、功耗低，但存在信号失真、光噪声等问题，适用于低速率短距离通信。
b) 光纤放大器(EDFA)光纤放大器是利用光纤内掺杂掺铕等稀土元素的光纤作为放大介质，通过受激辐射将入射信号放大的放大器。
它具有宽带、高增益、低噪声等优点，适用于高速、长距离通信。
c) 拉曼放大器(Raman Amplifier)拉曼放大器是利用拉曼散射效应实现的一种光放大器，通过光信号与光纤内的分子进行能量交换，使光信号得到放大。
拉曼放大器具有高增益、自由谱宽可调等特点，但成本较高，适用于特定应用领域。
2. 光纤耦合技术分析光纤耦合技术是将光信号传输到光纤中的重要手段，它涉及到光源与光纤的连接方式和耦合效率的提高。
a) 直连耦合技术直连耦合技术是指光源与光纤直接相连的方式，常见的有末端面对接耦合和光纤包层剥离耦合。
直连耦合技术操作简单，但光纤的末端面质量、对准精度和耦合效率对光信号的传输稳定性有重要影响。
b) 插入损耗技术插入损耗是光纤耦合过程中不可避免的损耗，主要包括衰减和反射损耗。
降低插入损耗可以采取一系列措施，如优化光纤端面质量、加强光纤耦合连接力度、使用低反射涂层等。
c) 光纤光柱整形技术光纤光柱整形技术是指通过适当的光学元件对光纤的输出光柱进行整形，使其更好地匹配到接收器或光纤连接器的光接收窗口，提高光纤耦合效率。
6第六章 光源及与光纤的耦合
镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 μm波段 铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.3~1.55 μm波段
6.1.4 半导体激光器 2. LD的PI特性
LED
LD
当I<Ith 时激光器发出的是自发辐射光； 当I>Ith 时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。
P( f ) 1 | H ( f ) | P(0) 1 (2f e ) 2
发光二极管截止频率的定义：
少数载流子寿命
1 | H ( f c ) | 2
6.1.3 半导体发光二极管
6.1.3 半导体发光二极管 LED技术参数
6.1.4 半导体激光器
基本工作原理：半导体激光器是向半导体PN结注入电流，
克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。
6.1.3 半导体发光二极管
LED多采用双异质结结构
双异质结AlGaAs/GaAs结构图
6.1.3 半导体发光二极管 LED结构
（1）面发光（surface emitting）
透镜
尺度与光纤接近 100mA
~mW
N-P-P双异质结构 水平、垂直发散角120度
第六章 光源及与光纤的耦合
6.1 光源
6.2 光源与光纤的耦合
6.1 光源 6.1.1 光纤通信对光源的要求（LED、LD）
基于ZEMAX的多光束半导体激光器光纤耦合设计
基于ZEMAX的多光束半导体激光器光纤耦合设计刘畅;别光【摘要】基于ZEMAX模拟了一组多光束半导体激光器的光纤耦合模块,采用14支波长为808 nm的输出功率为60 W的线列阵激光二极管作为耦合光源,采用偏振技术实现多光路的合束,最终耦合进入芯径400μm , NA为0.22的光纤中,最终输出功率超800 W ,耦合效率达97%,实现了高效耦合,并对光纤对接过程中的耦合效率进行了分析.%The paper simulate the actual situation of fiber coupling of multiple beam semiconductor based on ZEMAX, using fourteen pieces of mini-bar that its output power is 60W are arranged in two stack arrays as laser source by po-larization multiplexing. The beam could be coupled into the fiber of 400μm core di ameter with 0.22 numerical aperture. The output power is more than 800W and the coupling efficiency is about 97%. It is analysed that the system coupling efficiency can be affected by alignment error of fiber and optical elements.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(038)005【总页数】4页(P22-25)【关键词】ZEMAX;偏振合束;耦合效率;误差分析【作者】刘畅;别光【作者单位】长春中国光学科学技术馆,长春 130117;长春中国光学科学技术馆,长春 130117【正文语种】中文【中图分类】TN248随着“超晶格”概念的出现，低维物理理论以及MBE、MOCVD等外延新工艺技术的发展，量子阱结构半导体激光器由此产生，这使得大输出功率的半导体激光器开始了它的实用化之路，如在民用方面的光通信、激光存储、激光打印机、激光测量、激光光谱以及泵浦光源等；在军用方面的激光武器、激光制导、激光引信等［1-3］。
光电耦合器工作原理
光电耦合器工作原理光电耦合器是一种将光信号转换为电信号或者将电信号转换为光信号的器件。
它由一个光源、一个光敏元件和一个耦合介质组成。
光源发出的光经过耦合介质传输到光敏元件上，光敏元件将光信号转换为电信号输出，或者将电信号转换为光信号输出。
光电耦合器的工作原理是基于光电效应和光导效应。
光电效应是指在光照射下，某些物质会发生光电子的发射或者光电子的吸收现象。
光导效应是指在光照射下，光信号可以在光导介质中传输。
光电耦合器的光源通常采用发光二极管（LED）或者激光二极管（LD）。
LED 是一种能够将电能转换为光能的半导体器件，它通过电流的注入使得半导体中的电子和空穴复合，产生光子发射。
LD是一种能够实现激光发射的半导体器件，它通过电流的注入使得半导体中的电子和空穴发生辐射复合，产生激光光子。
光敏元件通常采用光电二极管（PD）或者光电晶体管（PT）。
光电二极管是一种能够将光能转换为电能的半导体器件，它在光照射下产生电流输出。
光电晶体管是一种能够将光能转换为电能的半导体器件，它在光照射下产生电流放大输出。
耦合介质通常采用光纤或者光波导。
光纤是一种能够实现光信号传输的光导介质，它通过光的全反射原理将光信号沿光纤传输。
光波导是一种能够实现光信号传输的光导介质，它通过光的波导效应将光信号沿光波导传输。
在光电耦合器的工作过程中，光源发出的光经过耦合介质传输到光敏元件上。
光敏元件吸收光信号后产生光电子，通过电路将光电子转换为电信号输出。
或者光敏元件接收电信号后，通过电路将电信号转换为光信号输出。
光电耦合器具有高速、低噪声、小尺寸、可靠性高等优点，广泛应用于通信、计算机、工业自动化等领域。
在通信系统中，光电耦合器用于光纤通信的发送和接收，实现光信号的传输和转换。
在计算机系统中，光电耦合器用于光纤网络的连接和数据传输，提供高速、稳定的数据传输能力。
在工业自动化系统中，光电耦合器用于光电隔离和信号转换，实现不同电平之间的隔离和转换。
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§6-6 光纤与半导体光源耦合光纤通信中最常用的光源是发光二极管和激光二极管，二者皆是细小如砂粒般的半导体微芯片，当外加电流时，可使二者发光。
把光源发射的光功率尽可能多的送入传输光纤，这就是光源和光纤的耦合问题。
提高耦合效率有利于允许在系统中使用较低功率的光源，从而减少成本和增加可靠度。
在此实验中我们学习如何利用0.29节距的渐变折射率（GRIN ）杆状透镜将注入式激光二极管（ILD ）和发光二极管耦合到光纤的技术。
GRIN 透镜体积小，具有便利的焦距及工作距离和低失真的高质量影像，已被广泛使用于光纤和光源的耦合。
实验中的光源为远红外线组件，注入式激光二极管峰值波长为780nm ，而发光二极管的峰值波长为830nm 。
这些组件可发射非可见光辐射，适当的安全手则必须遵守，以避免可能的伤害。
切记：决不可用眼睛直接观察激光或其反射光。
【实验目的】1、 了解发光二极管(LED)和注入式激光二极管（ILD ）的光学特性，比较两者异同。
2、 掌握利用GRIN 透镜将半导体光源耦合到光纤的技术。
【实验原理】 一、光源的类型在光纤通信系统中有两种光源最常被使用，即发光二极管（LED ）与注入式激光二极管（ILD ）。
两者具有相同的基本结构，皆基于PN 结，但注入式激光二极管较复杂，参见图6.6.1。
两者基本工作原理相同，在正向偏置电压下由电子注入在有源层形成粒子数反转而产生光输出。
但注入式激光二极管的光输出功率-驱动电流曲线与发光二极管不同，前者有一阈值电流需先达到，光输出对电流响应才会迅速增加，参见图6.6.2。
一个光源可用从它表面所发射的所有可能方向的光线的光功率分布来说明其特征。
光源一般依其辐射分布可分为两种型式，即朗伯（Lambertian ）光源和准直（collimated ）光源。
朗伯光源从每个图6.6.1 激光二极管基本结构及光场分布图6.6.2 驱动电流与光输出功率的关系微分光源单元的所有的方向上发射光，面发射的发光二极管接近朗伯光源。
若光源辐射只有垂直于其表面的某一很窄的角度范围则谓之准直光源，氦氖激光即属此类光源。
而注入式激光二极管则比较特殊，其辐射远场分布典型的角度为1530︒⨯︒，参见图6.6.1。
通常，光源强度的角度分布可以下式表示：()()B B mθθθθ=<0cos max ； (1)0B 为沿0θ=方向的辐射强度，θmax 是离开光发射法线的最大辐射角度，由光源的几何特性决定。
对一扩散光源，m =1。
对准直光源，m 值非常大。
图6.6.3显示m =1（典型的发光二极管光源）和m =20（典型的注入式激光二极管光源）在极坐标下的辐射场型的特性。
图6.6.3 典型发光二极管与激光二极管之辐射场型。
光纤系统的辐射极化性与所选用之光源类型有关，其偏振性通常由光源的细节结构决定。
发光二极管输出为散乱的偏振性，然注入二极管之极化方向与p-n 接面之平面平行，参见图6.6.1。
光源的偏振性可经由在光源前加装一偏振片，然后通过观察探测器的输出而得之。
当偏振片旋转时，线性偏振光会显示较大的变化；而杂乱偏振或圆偏振则有较小的变化甚或无变化。
二、耦合效率光纤与半导体光源之耦合一般可分为两种方法，①直接耦合（butt-coupling ）和②分立式光学组件耦合（butt components coupling ）两种。
光纤LDθS光纤LDθ透镜(a)直接耦合(b)利用球面透镜耦合图6.6.4 光纤与半导体光源耦合示意图所谓直接耦合即是将光纤端面与半导体光源直接接近，经过精密的调整使光纤输出最大功率,如图6.6.4(a ）所示。
对LD 而言，在平行于PN 结方向，光源的发散角2Θ∥仅为15°，只要距离S 适当，全部光功率都能进入光纤。
而在垂直PN 结方向，光源的发散角2Θ⊥约为30°，有部分光功率能进入光纤。
对LED 而言，在平行和垂直PN 结方向的发散角都很大，若直接耦合，效率很低。
分立式光学组件耦合，可采用球面透镜、柱透镜和GRIN 透镜等，较常用于包装型式。
使用光学组件的目的就是降低光源光束的发散角，提高耦合效率。
如图6.6.4（b ）利用球面透镜耦合。
耦合效率定义为f s P P η= (2)上式中，f P 为耦合入光纤的功率，s P 为光源发射的功率。
若光纤为直接耦合，则光纤接收到的功率与光源辐射之功率比为：()()20.512NA f s P P m αα=++⎡⎤⎣⎦ (3) 其中α图6.6.5 用公式(2)绘出不同m 值，光纤数值孔径与耦合损失的关系。
一般而言，阶跃折射率光纤（α=∞）或渐变折射率光纤（α=2）的耦合系数与光源数值孔径的平方及光源指向性的增量（m ）成正比。
耦合损失为()-1010log P P f s ，图6.6.5为针对不同的m 值，理论耦合损失与NA 之关系。
三、GRIN 透镜耦合器GRIN 透镜运用平整的光学表面，而不是曲形的表面。
透镜性能取决于不断变化的折射率，因而相对应于传统的球形透镜，GRIN 透镜代表着一种创新的的选择。
GRIN 透镜是最常被用来做光源与光纤耦合而增加其耦合效率之微小光学组件。
此种圆棒状GRIN 透镜其功能上与传统所用的球状透镜是相同的。
光能量在GRIN 透镜内之传播方式与在渐变折射率多模光纤中的传播方式相同。
GRIN 透镜之一般特性为①具有不同的焦距以供选择②使用方便，耦合校准容易③体积小，重量轻，价格便宜④影像失真小。
GRIN 透镜其折射率可用下式表示：)2/1()(20Ar n r n -=(4)其中n 0为镜轴之折射率，A 聚焦常数（实际上，A a =22∆/），r 为透镜中任意一点到轴心的距离。
最常使用的GRIN 透镜长度为1/4节距，这一距离等于光在一正弦周期的1/4所行进之距离。
因此，平行光于透镜一边入射会聚焦于透镜另一边。
相反，任一点光源入射于1/4节距GRIN 透镜，将于透镜另一边形成平形光束，见图6.6.6a 。
另一常用的GRIN 透镜为0.29节距，使用于激光二极管至光纤或光纤至探测器的耦合。
本实验使用的GRIN 透镜为n 01599=.与A mm =-03321.。
由于此透镜长度大于1/4节距，故点光源经过此透镜会转为会聚光束而非平行光束。
参见图6.6.6b 。
表6.6.1为083.μm 波长0.29节距透镜的放大倍率与工作距离的关系。
1为光源与透镜之间距，2为透镜至接收光纤之距离。
此表可作为于寻找激光与光纤之最适位置。
表6.6.1 工作距离与0.29节距 GRIN 透镜之放大率1(mm)2(mm)M 0.50 3.33 1.96 1.00 2.05 1.31 1.50 1.42 0.98 2.001.040.78【实验仪器】项目 型号 说明数量 1 F-MLD-50 100/400MM 多模光纤 50M 2 SG-22-2 2×2光学平台 1 3 l815-C 光功率表 1 4 818-SL 低功率探测器 4F-CL1光纤切割刀1图6.6.6 GRIN 透镜其它设备：1．酒精－清洁光纤被覆层。
【实验内容】实验一：激光二极管实验1.将3只SM-13千分尺分别安装到3个423位移平台。
将一个平台安装到桌面，而用另外两个平台沿着360-90角度支架构建一个xyz三维微调结构。
2.将激光二极管组件（已经被安装到一个光基座（MH-2PM），并已连上接地腕带线(FK-STRAP)）用1个柱状物(SP-2)和通用钳制器(CA-2)支持，安装到423位移平台系统的Z轴方向，装置图见图6.6.7。
图6.6.7 光纤与半导体光源耦合之装置图3.连接激光二极管（注入式激光二极管）和505激光驱动电源（FK-DRV）。
4.放置光功率表（815）之探测头于激光窗口前。
5．打开505激光驱动电源开关，将其限制电流调至120 mA (已调好)，注意此时激光驱动电源的钥匙处于关闭（off）状态，电流示值为零。
激光电流不得超过100毫安；典型的阈值电流（Threshold current）为50毫安，操作电流为65毫安。
注意：实验过程不得超过激光二极管之电流规格。
将激光驱动电源的钥匙拨向开（on）的位置，慢慢将电流从零调至42mA，按一下（注意只能按一次）激光输出按钮（output/on，灯亮）。
增加激光二极管之电流，直到其电流达到最适操作电流为止。
6.减少激光二极管电流至零。
现在缓慢增加电流，记录耦合输出功率与电流之关系。
图6.6.8 505激光驱动电源（FK-DRV）7.将上所得结果绘成图表。
电流为横轴，功率为纵轴，依其上升驱势绘出一直逼近线，将此线往下延伸与横轴相交。
此相交点即阈值电流之值，可与理论值比较之。
8.红外线探测卡（F-IRC1）可探测激光输出。
将此卡置于一便于观察激光路径的适当距离。
量测与︒⨯︒。
二极管接面平行和垂直之光束宽度。
由制造商提供之数据此激光发散角度为15309.放置一已知极化偏振轴向的偏振片于激光光前，确定此激光的极化偏振状态。
10.将0.29节距的GRIN透镜（FK-GR29）置于耦合器（F-925）之凹槽上。
参见图6.6.9。
朝向激光二极管部份，透镜与耦合器需延伸超过约1毫米。
，利用支持器（FPH-S）将多模态光纤（F-MLD）剥开部分插入到光纤位置调整器(FP-1) 内，利用GRIN透镜将激光输出与光纤耦合。
图6.6.9 放置0.29节距GRIN透镜于耦合器之凹槽11.调整耦合状况至最佳化，利用耦合进光纤的光功率和步骤6中所测量的光源出射光功率计算其耦合损失。
你会发现当激光窗口愈接近透镜其耦合效果愈佳。
本实验的耦合损失约为4dB。
12.降低激光二极管电流至零，关闭电源，拆除连接线。
实验二：发光二极管实验1.如激光二极管实验步骤1，固定发光二极管（FK-发光二极管）。
2.连接发光二极管与505驱动电源。
将电流增加至100毫安，记录二极管输出功率。
3.减少发光二极管电流至零。
记录发光二极管的输出功率与二极管电流由零至110毫安（超过最适电流10%）间的关系值。
对一典型的发光二极管，该曲线应为一直线。
4.将红外线探测卡置于发光二极管输出路径上。
发光二极管于其半导体芯片前有一显微镜；所有输出功率不会被显微镜全部接受，输出会较预期值更为平行。
但你所看到的和激光二极管明显不同。
5.放置偏振片于发光二极管的输出路径上，确定发光二极管输出为非极化光束。
6. 如激光二极管实验的步骤10和11使用光纤耦合器（F-925）耦合光纤与发光二极管。
利用耦合进光纤的光功率和步骤3中所测量的光源出射光功率计算其耦合损失。
【思考题】1.注入式激光二极管之阈值电流为50毫安，实验所测量的值与其有何差异，原因何在？2.发光二极管功率与输入电流成直线关系，评估理论值与实际值的关系。