光纤与半导体光源耦合

§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 m

θθθθ=<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

LD

θS

光纤

LD

θ

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：

()()2

0.512NA 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 2.00

1.04

0.78

【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 4

F-CL1

光纤切割刀

1

图6.6.6 GRIN 透镜