微光学元件及光纤耦合半导体激光器
光学耦合工艺
光学耦合工艺
光学耦合工艺是一种将光信号从一个光学器件传输到另一个光学器件的技术。
它
是光电子技术中常用的方法之一，可用于光纤通信、光电子器件制造等领域。
光学耦合工艺的基本原理是利用光纤或其他光学元件将光信号从一个器件传输到
另一个器件。
这种传输过程中，光信号通过光束的衍射、折射、反射等现象进行
耦合和传递。
在光纤通信中，光学耦合工艺通常用于将光信号从光纤传输到光电子器件（如光
电探测器）或将光信号从光电子器件传输到光纤。
这需要精确的光学对准和耦合，以确保最大程度地传输光信号。
光学耦合工艺的方法包括直接耦合、斜面反射耦合、微透镜耦合等。
这些方法在
不同应用场景下具有不同的优势和适应性。
在光电子器件制造中，光学耦合工艺用于制造微型光学元件、光纤连接器和光纤
数组等。
通过使用精密的光学加工设备和工艺，可以实现高精度的光学对准和耦合，提高光学器件的性能和可靠性。
总而言之，光学耦合工艺是一种重要的光学技术，用于实现光信号的传输和耦合。
它在光纤通信、光电子器件制造等领域具有广泛的应用。
半导体激光器件中的光纤耦合与光纤通信研究
半导体激光器件中的光纤耦合与光纤通信研究光纤通信是现代通信领域中一种重要的传输方式，其通过利用光纤作为传输介质来传送光信号，具有高速率、大带宽、低失真等优点，被广泛应用于通信领域。
而光纤耦合作为光纤通信中不可缺少的关键技术之一，对于实现高效的传输起着重要作用。
本文将重点研究半导体激光器件中的光纤耦合与光纤通信相关的研究内容。
首先，半导体激光器件是光纤通信系统中产生光信号的重要部件之一。
半导体激光器件是一种通过电流注入来激发半导体材料中的电子与空穴复合产生光子的器件。
在光纤通信系统中，通常采用半导体激光器件作为光源，将电信号转换为光信号进行传输。
半导体激光器件的性能对于光纤通信系统的传输质量和距离有着重要影响。
因此，研究如何提高半导体激光器件的耦合效率和输出功率，对于光纤通信系统的性能优化具有重要意义。
在半导体激光器件的光纤耦合中，主要存在两种方式，即端面耦合和侧面耦合。
端面耦合指的是将半导体激光器件的端面与光纤的端面直接耦合，而侧面耦合则是通过光纤的侧面与半导体激光器件的侧面实现耦合。
两种耦合方式各有优劣，选择何种方式进行光纤耦合需要根据具体的应用需求和性能要求来确定。
在光纤通信系统中，光纤耦合的关键性能参数包括耦合效率和插入损耗。
耦合效率是指通过光纤耦合系统实现的输入功率与输出功率之间的比值，而插入损耗则是指信号在光纤耦合系统中的传输过程中所损失的功率。
提高光纤耦合的效率和减小插入损耗是进行相关研究时的重要目标。
为了提高光纤耦合的效率和减小插入损耗，在研究中可以采取多种方法。
其中一种常见的方法是使用光纤插损测试仪进行耦合参数的测试和优化。
通过测试仪器的测量和调节，可以精确地获取光纤耦合系统的性能参数，并对其进行优化调整。
另外，也可以采用光纤焊接技术来实现光纤与半导体激光器件的精确定位和耦合。
光纤焊接技术可以通过将光纤与器件的端面进行精确对准，并利用高温高能量进行焊接，实现最佳的光传输效果。
此外，光纤通信系统中还存在一些其他与光纤耦合相关的研究问题，例如光纤耦合的稳定性和可靠性。
微透镜光纤在半导体激光器中的应用研究
渐增加 ,见图 2 所示 。中小功率 VCSEL 的激射窗 口孔径 (或有源区直径) 一般为 8～50μm[2] 。
图 1 条形半导体激光器的近场和远场模式
对于光纤 ,同样地 ,在高斯近似条件下 ,基模模 场分布可表示为
Ψf ( x , y)
= exp
-
1 2
x2 + y2
ωf
(2)
式中 ,ωf 为光纤的模场半径 。
素 ,在第四节提出进一步提高耦合效率 ,增大耦合失 调容差 ,降低插入损耗的新思路 。
2 L D 与光纤耦合特性分析
LD 作为光源与光纤连接时 ,为了获得最大光
能量的输出 ,两者的特征参量要尽可能相互匹配 。
对于 LD ,要考虑其发光面积 (腰斑半径) 、发散角 、
输出功率以及偏振态等特性 ,对于光纤 ,则要考虑纤
在现代光纤通信系统中 ,LD 获得了普遍应用 , 既被用作光源 ,也被用作泵浦源 。对于中长距离的 光通信系统 ,对应于 1 300 nm 和 1 550 nm 两个单模 光纤 ( SM F) 的低损耗窗口 ,要求作为光源的 LD 的 输出波长要与之相对应 ,一般采用分布反馈 (D FB)
收稿日期 :2004 - 12 - 06.
关键词 : 微透镜 ; 透镜光纤 ; 光耦合模式 中图分类号 : TN253 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 5868 (2005) 05 - 0400 - 06
Micro2lensed Fibers f or Semiconductor Laser Coupling
YU Hai2ying , ZOU De2shu , CU I Bi2feng , S H EN Guang2di
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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光纤与半导体激光器相结合的器件，可将激光器器件与光纤相互耦合，实现高效的光纤传输和集成应用。
它不仅具备了半导体激光器的小尺寸、高效率、低功耗等特点，还能实现激光光束与光纤之间的高效耦合和传输。
首先，模式匹配是光束通过光纤耦合的关键环节。
激光器芯片的输出模式和光纤的模式必须匹配才能进行有效的耦合。
通常，半导体激光器芯片的输出模式为高斯模式，而光纤的传输模式也为高斯模式。
通过设计激光器芯片和光纤的参数，如直径、焦距等，使得两者的输出模式能够匹配，以确保较高的耦合效率。
其次，光束扩展过程将激光器芯片的较小直径的光束扩展到与光纤直径相匹配的尺寸。
这一过程可以通过使用透镜或光纤连接器等光学元件来实现。
透镜可以将光束进行聚焦和发散，从而实现光束尺寸的调整。
光纤连接器则通过其内部的光学结构来实现光束尺寸的调整和耦合。
最后，耦合效率是衡量光束传输和耦合质量的指标。
耦合效率取决于光纤与半导体激光器芯片之间的距离、角度和位置等因素。
一般情况下，为了最大程度地提高耦合效率，需要将激光器芯片的输出焦点与光纤的输入端对准，并保持二者的光轴一致。
此外，通过调整激光器芯片和光纤之间的距离和角度等，还可以进一步优化耦合效率。
除了以上原理，光纤耦合半导体激光器还需要注意温度的控制和光学元件的稳定性等问题。
激光器芯片的温度对其性能有很大影响，因此需要采用冷却措施来控制温度。
此外，光纤连接器和透镜等光学元件在使用过程中也需要保持稳定的性能，这对于长时间稳定的激光输出至关重要。
总之，光纤耦合半导体激光器通过将半导体激光器芯片与光纤相结合，实现了激光光束的高效耦合和传输。
它的原理涉及模式匹配、光束扩展和耦合效率等关键过程，并需要注意温度控制和光学元件的稳定性等问题。
光纤耦合半导体激光器在光通信、光传感和激光加工等领域具有广泛的应用前景。
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。
常见半导体激光器
常见半导体激光器
半导体激光器是一种利用半导体材料制造的光电子器件。
它在许多应用领域都有广泛的应用，如制造光通信设备、光存储设备、光学传感器和医疗设备等。
常见的半导体激光器有以下几种：
1. 激光二极管（LD）：是一种小型、高效的激光器。
它的工作原理是在有源区域中注入电流，通过特殊的发光机构来实现激光放大和反馈，可以用于制造光纤通信设备和光存储设备等。
2. 垂直腔面发射激光器（VCSEL）：是一种特殊的激光器，可以
实现垂直方向的激光输出，被广泛应用于光通信和光存储设备等领域。
3. 泵浦激光器：它是一种用于将固体激光器和光纤激光器等其
它类型激光器泵浦的激光器。
常用于制造高功率激光器，如工业制造和医疗设备中的激光切割设备。
4. 外腔半导体激光器（ECL）：它是一种通过将外腔加入到半导
体激光器中来控制输出光谱和波长的激光器，被广泛应用于光通信和光存储设备等领域。
5. 量子级联激光器（QCL）：它是一种新型的半导体激光器，具
有高效率、高功率和低阈值等优点，被广泛应用于红外光谱学和空间探测等领域。
以上是几种常见的半导体激光器，它们在不同的领域都有其独特的应用价值。
随着科技的不断发展，半导体激光器的应用前景将越来越广阔。
大功率半导体激光器光纤耦合技术调研报告
大功率半导体激光器光纤耦合技术调研报告1．前言近年来，高功率光纤激光器因其优良的性能日益受到人们的重视和青睐，被广泛地应用于工业加工、空间光通信、医疗和军事等各个方面，其迅速发展在很大程度上得益于大功率高亮度半导体激光器技术的进步，大功率半导体激光光纤耦合技术一直是高功率光纤激光器技术的一项关键核心技术。
相反地，半导体激光器泵浦的高功率光纤激光器（DPFL）的发展也带动了大功率半导体激光器技术，尤其是大功率半导体激光光纤耦合技术的进步。
由于单管半导体激光器（LD）的输出功率受限于数瓦量级，远不能满足高功率光纤激光器泵浦源的要求，要获得更大输出功率须采用具有多个发光单元的激光二极管阵列（LD Array）。
按照结构形式的不同，激光二极管阵列分为线阵列（LD Bar）和面阵列（LD Stack），分别如图1(a)和(b)所示，其中LD Bar的输出功率一般在数十瓦至百瓦量级，而LD Stack的输出功率一般在数百瓦乃至上千瓦。
无论是单管LD还是LD Array，由其固有结构特点决定了半导体激光器具有光束发散角较大，输出光束光斑不对称，亮度不高等问题，给作为高功率光纤激光器泵浦源的实际应用带来很大困难和不便。
一个较好的解决方法是将半导体激光耦合进光纤输出，这样既可以利用光纤的柔性传输，增加使用的灵活性，又可以从根本上改善半导体激光器的输出光束质量。
Fig.1 （a）LD Bar 和（b）LD Stack大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术作为一项高新技术，具有很高的技术含量，涉及半导体材料、纤维光学技术、微光学技术、微精细加工技术和耦合封装技术等关键单元技术。
目前为止，大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术主要采用两条技术路线：光纤束耦合法和微光学系统耦合法。
下面将主要以LD Bar 光纤耦合技术为例，就该两种方法进行详细阐述。
2．大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术2．1光纤束耦合法光纤束耦合法（又称光纤阵列耦合法）是早期使用的一种光纤耦合技术，具有结构简单明了、耦合效率高、各发光元的间隙不影响整体光束质量和成本低等优点。
半导体光纤激光器结构
半导体光纤激光器结构
半导体光纤激光器是一种将半导体激光器与光纤技术相结合的新型激光器。
它具有体积小、功率高、效率高、光束质量好等优点,在通信、工业加工、医疗和军事等领域有着广阔的应用前景。
1. 基本结构
半导体光纤激光器由半导体增益芯片、光纤增益介质和泵浦光源三部分组成。
其中,半导体增益芯片通常采用量子阱结构,可以实现高效率的光电转换;光纤增益介质通常采用掺有稀土离子(如Er3+、Yb3+等)的双包层光纤,用于提供增益;泵浦光源则负责为光纤增益介质提供泵浦能量。
2. 工作原理
半导体激光器产生的激光被耦合进入光纤增益介质,激发其中的稀土离子到高能态。
当稀土离子受到足够的泵浦能量时,就会发生受激辐射,产生与光纤共模相匹配的激光输出。
通过对半导体激光器、光纤结构和泵浦光源的优化设计,可以实现高功率、窄线宽、高光束质量的激光输出。
3. 关键技术
半导体光纤激光器的关键技术包括:高性能半导体增益芯片、高增益光纤材料、高效率光耦合技术、热管理技术等。
其中,光耦合技术对于实现高效率的激光输出至关重要,通常采用夹芯球面透镜或晶圆级封装等方式来提高耦合效率。
半导体光纤激光器凭借其独特的结构优势,在许多领域展现出广阔的应用前景,是未来激光技术的一个重要发展方向。
半导体激光器工作原理和基本结构
半导体激光器与固体激光器旳比较
半导体激光器和固体激光器都是以固体激光材料作为工作物质旳激光器 ； 半导体激光器是电鼓励，直接把电能转化为光能，转换效率高达50%以上。固体激光器是光
鼓励，激活粒子需要吸收光能，然后产生受激振荡；半导体泵浦转化效率一般在15%左右， 灯泵浦鼓励一般在4%左右。 半导体激光器旳主要特点是:体积小、重量轻；功率转换效率高；能够经过变化温度、掺杂量、 磁场、压力等实现调谐；其缺陷是激光旳发散角较大，单色性较差，输出功率亦较小。目前 新型旳半导体激光器已经能够到达较大旳输出功率，而为了得到更大旳输出功率，一般能够 将许多单个半导体激光器组合在一起形成半导体激光器列阵，即在同一片已做好旳P一N结旳 基片上，用光刻腐蚀措施提成好几种单个器件，或将许多单个激光器排列成一定形状，然后 将它们并联或串联起来。目前已经有100WQCW线阵和s000WQCW叠阵(波长780~815五m)旳 产品上市。 固体激光器可作大能量和高功率相干光源。红宝石脉冲固体激光器旳输出能量可达千焦耳级。 经调Q和多级放大旳钕玻璃激光系统旳最高脉冲功率达10瓦。钇铝石榴石连续激光器旳输出 功率达百瓦级，多级串接可达千瓦。固体激光器利用Q开关技术(电光调制)， 固体激光器能 够得到纳秒至百纳秒级旳短脉冲，采用锁模技术可得到皮秒至百皮秒量级旳超短脉冲。因为 工作物质旳光学不均匀性等原因，一般固体激光器旳输出为多模。若选用光学均匀性好旳工 作物质和采用精心设计谐振腔等技术措施，可得到光束发散角接近衍射极限旳基横模(TEM00) 激光，还可取得单纵模激光。
半导体激光器旳应用
• 在医疗和生命科学研究方面应用：
1. 激光手术治疗。半导体激光已经用于软组织切除， 组织接合、凝固和气化。一般外科、整形外科、皮肤 科、泌尿科、妇产科等； 2. 激光动力学治疗。将对肿瘤有亲合性旳光敏物质有 选择旳汇集于癌组织内，经过半导体激光照射使癌组 织产生活性氧，旨在使其坏死而对健康组织毫无损害； 3. 生命科学研究。使用半导体激光旳“光镊”，能够 捕获活细胞或染色体并移至任意位置，已经用于增进 细胞合成、细胞相互作用等研究。
npo近封装光学
npo近封装光学近封装光学（Near Packaging Optics，NPO）是一种新兴的光学封装技术，它将微光学元件与硅基集成电路（IC）封装技术相结合，实现在硅芯片上集成光学功能。
它具有体积小、功耗低、可靠性高等优点，在光通信、生物医学、传感器等领域有着广泛的应用前景。
传统的光学组件通常是通过光纤耦合连接到芯片上，但是这种方式存在光耦合损耗大、稳定性差的问题。
而NPO技术可以将光学元件封装在芯片上，通过光学波导将光信号直接引导到芯片内部，减少了光纤耦合带来的损耗，提高了光学器件的集成度。
NPO技术在光通信领域有着广泛的应用。
传统的光通信系统需要使用大量的光纤进行信号传输，而NPO技术可以将发光二极管（LED）或激光二极管（LD）集成在芯片上，直接将光信号输出到光纤中，从而实现与光纤相连接的芯片封装。
这种光纤封装技术不仅能够提高信号传输效率，还能够降低系统成本和体积。
在生物医学领域，NPO技术可以实现微型化的光学传感器和微型化的光学成像系统。
通过将光学元件封装在芯片上，可以使传感器具有更小的体积和更高的灵敏度。
例如，可以将光学传感器与微流控芯片相结合，实现微型化的细胞分析系统，用于疾病诊断和药物筛选。
此外，NPO技术还可以应用于传感器领域。
传统的传感器通常使用电信号进行检测，但是一些特殊的传感器需要使用光信号进行检测，而光学元件的封装又是一个挑战。
NPO技术可以将光学传感元件封装在芯片上，实现光信号的直接检测。
这种光学封装技术不仅可以提高传感器的灵敏度和稳定性，还可以降低传感器的功耗和体积。
总之，NPO技术作为一种新兴的光学封装技术，具有体积小、功耗低、可靠性高等优点，在光通信、生物医学、传感器等领域有着广泛的应用前景。
随着技术的不断创新和突破，相信NPO技术在光学封装领域将有着更加广阔的发展空间。
大功率半导体激光器空间耦合技术
电子测置大功率半导体激光器空间耦合技术作者/刘小文、任浩、王伟，中国电子科技集团公司第十三研究所摘要：本文应用空间及偏振耦合技术，优化光束空间分布，研制成功大功率半导体激光器光纤耦合模块，实现输出功率234.6W ，耦合效 率为60%，光纤芯径400|jm ，NA 为0.22。
关键词：光纤耦合；半导体激光器；空间耦合引言大功率半导体激光器光纤耦合模块，具有光电转换效率 高、寿命长、体积小、功率密度高等优点[1]。
随着耦合效率 及出纤功率不断提高，使其在医疗、材料加工、医药、航空 航天、光纤激光器泵浦等方面有了更加广阔的应用前景。
然而， 半导体激光器由于其结构特点，存在光束发散角较大，耦合 效率偏低的问题，给实际应用带来很大困难[2]。
通过光束整 形和空间合束是提高半导体光纤耦合模块输出功率的有效途 径，国内外已有很多公司进行了相关研究。
目前德国Dilas 公司有相关产品面世，40〇nm 光纤可实现200W 功率输出。
本文根据理论设计，通过采用微光学透镜系统对光束进 行准直整形、变换和合束，研制成功大功率半导体激光器光 纤耦合模块，有效实现了大功率、高密度输出。
1•理论分析对于大功率半导体激光器光纤耦合模块，为得到最佳的 耦合效率，不仅要考虑特征参量匹配的问题，即多模光纤芯 径、数值孔径N A 与激光器的发光面积、发散角、输出功率 等参量的匹配问题，还要考虑光纤端面、光学整形透镜、耦 合透镜等封装工艺实现问题[3]。
通常大功率激光二极管线列阵有19或25个发光单元， 发光周期一般为150/500n m 或200 /400|im ，如图1所示。
由于半导体激光器特殊的波导谐振腔结构，线列阵各发光单 元的辐射远场光强的分布极不对称，光斑呈狭长的椭圆形， 如图2所示。
光束在垂直于P N 结平面方向（快轴方向）的 发散角FWHM 01通常为30°〜40°，远远大于其在平行于 P N 结平面方向（慢轴方向）的发散角FWHM 0 〃，0 〃通常为6。
半导体激光器分类
半导体激光器分类
半导体激光器是一种利用半导体材料发射激光光束的器件。
它是一种比较常见且应用广泛的激光器。
根据其工作原理和结构特点，可以将半导体激光器分类为激光二极管和垂直腔面发射激光器(VCSL)两大类。
激光二极管是一种利用半导体材料的PN结发射激光的器件。
它是一种比较简单、便宜且易于集成的激光器。
在激光二极管中，当电流通过PN结时，激发了电子和空穴的复合效应，产生了光子，从而形成了激光光束。
激光二极管广泛应用于光通信、激光打印、激光雷达等领域。
垂直腔面发射激光器(VCSL)是一种利用垂直共振腔结构发射激光的器件。
与激光二极管相比，VCSL具有更高的功率和更好的光束质量。
VCSL在光通信、光传感器、光存储等领域有着广泛的应用。
除了激光二极管和VCSL之外，还有一些其他类型的半导体激光器，如量子阱激光器、外腔激光器等。
这些激光器在不同的应用领域具有各自独特的优势和特点。
总的来说，半导体激光器作为一种重要的光电器件，在现代科学技术和工业生产中发挥着重要作用。
随着科技的不断进步和发展，相信半导体激光器在更多领域将会有更广泛的应用和更深入的研究。
光纤光学与半导体激光器的电光特性实验
光纤光学与半导体激光器的电光特性实验一、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．对光纤本身的光学特性进行初步的研究。
二、实验原理1.半导体激光器的电光特性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。
因此对半导体激光器的了解和使用就显得十分重要。
本实验对半导体激光器进行一些基本的实验研究，以掌握半导体激光器的一些基本特性和使用方法。
图1 半导体激光器电光特性当半导体激光器电流小于某值时，输出功率很小，一般我们认为输出的不是激光，只有当电流大于一定值I0，使半导体增益系数大于阈值时，才能产生激光，电流I称之为阈值电流。
半导体激光器的电流与光输出功率的关系如右图，当电流大于I时，激光输出功率急剧增大。
导体激光器的电流与输出功率的关系如图1所示。
激光工作时电流大于I，但也不可过大，以防损坏激光管（本实验加了保护电路，防止功率过载）。
对激光器的调制电流应在I附近，此时光功率对电流变化的灵敏度较高。
2.光纤的结构与分类一般裸光纤具有纤芯、包层及涂敷层（保护层）的三层结构，如图2所示。
①纤芯：由掺有少量其他元素（为提高折射率）的石英玻璃构成，对于单模光纤。
直径约为9.2微米。
而对于多模光纤，纤芯直径一般为50微米。
②包层：由石英玻璃构成，但由于成分的差异它的折射率比纤芯的折射率略微低一些，以形成全反射条件。
直径约为125微米。
③涂覆层：为了增加光纤的强度和抗弯性、保护光纤，在包层外涂覆了塑料或树脂保护层。
其直径约245微米。
激光主要在纤芯和包层中传播。
图2 光纤结构按纤芯径向介质折射率分布的不同，可将光纤分为均匀和非均匀两类。
如图3，均匀光纤的纤芯与包层介质的折射率分别呈均匀分布，在分界面处折射率有一突变，故又称阶跃型光纤；非均匀光纤纤芯的折射率沿径向成梯度分布，而包层的折射率为均匀分布，故又称为梯度折射率型光纤。
半导体激光器与半导体光电器件
半导体激光器与半导体光电器件半导体激光器和半导体光电器件是现代光电技术中两个重要的组成部分。
它们在信息通信、医疗、材料加工等领域有着广泛的应用。
本文将介绍半导体激光器和半导体光电器件的基本原理、结构和应用。
一、半导体激光器半导体激光器是利用半导体材料的能带结构，通过电子与空穴的复合辐射出具有高单色性和高亮度的激光光束的装置。
其工作原理基于反向注入和激光放大效应。
半导体激光器的结构主要由两个半导体材料层组成，即n型和p型半导体。
当在p-n结形成时，通过外界电流注入，载流子在活性层内复合，产生受激辐射。
出射光束经由同轴光纤或反射镜进行耦合和提取，形成激光输出。
半导体激光器具有小型化、高效率、功耗低等优点，广泛应用于光通信、激光雷达、医疗美容以及材料加工等领域。
例如，它们在光存储设备中起到了至关重要的作用，可以实现高密度的数据写入和读取。
二、半导体光电器件半导体光电器件是将光信号转化为电信号或将电信号转化为光信号的器件。
根据其功能，半导体光电器件主要可分为光电二极管、光电探测器和光电发射器。
1. 光电二极管光电二极管是一种将光信号转化为电信号的器件。
它的结构与常规的二极管类似，但添加了响应光的材料。
当光照射到光电二极管上时，光能被吸收并通过光电效应转化为电能。
这种转化可以用于光电测量、光通信和光电传感等应用。
2. 光电探测器光电探测器是一种在低光下将光信号转化为电信号的器件。
它通常由光电二极管和放大电路组成。
光照射到光电探测器上后，产生的微弱电流通过放大电路放大，从而得到较大的输出信号。
光电探测器在低光条件下具有较高的灵敏度，广泛应用于夜视、红外探测等领域。
3. 光电发射器光电发射器是一种将电信号转化为光信号的器件。
它的结构与半导体激光器相似，通过激活半导体材料产生受激辐射，将电能转化为光能。
光电发射器常用于光通信和光纤传输等领域，将电信号转化为光信号后，可以通过光纤远距离传输，并在接收端进行光电转换。
微通道半导体激光器
微通道半导体激光器
首先，微通道半导体激光器的小尺寸使得它可以在微型设备中
得到应用，例如在微型激光雷达、光纤通信和生物医学成像中。
其
小尺寸也意味着它可以实现高集成度，从而提高设备的整体性能。
其次，微通道半导体激光器具有高效率和低功耗的特点。
这意
味着它在工作时能够产生更少的热量，从而减少能源消耗和提高设
备的稳定性。
这对于需要长时间工作的应用场景来说尤为重要。
此外，微通道半导体激光器还具有较高的光输出功率和较窄的
光谱宽度，这使得它在光通信和激光加工领域有着广阔的应用前景。
它可以实现高速、高精度的光通信传输，同时也可以实现微纳米级
别的加工精度。
总的来说，微通道半导体激光器的出现为微纳米加工、光通信
和医疗领域带来了新的可能性，它的小尺寸、高效率和低功耗使得
它在各种应用场景中都有着广阔的前景。
随着技术的不断进步，相
信微通道半导体激光器将会在未来发挥更加重要的作用。
微光学元件及光纤耦合半导体激光器
微光学元件及光纤耦合半导体激光器1、微光学元件简介微光学（Micro-Optics）是未来微光电机系统（Micro-Optical-Electrical-Mechanical System，MOEM S，也称微机械系统，Micro-Electrical-Mechanical System）中三大（另两大组成部分是微电子和微机械）重要组成部分之一，有时也称光学微机械（Optical MEMS）。
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已成功地应用到现代光学的各个领域中，如校正光学系统的像差、改善光学系统的成像质量、减轻系统的重量。
更为广泛的应用是激光光学领域，用于改变激光光束波面，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。
微光学元件按照光传播的途径可简单地分为两大类：衍射光学元件（Diffractive Optical Elements，DOEs）和折射性光学元件（Refractive Optical Element，ROEs）。
衍射型微光学元件中比较常用的一种是二元光学元件（Binary Optical Element，BO Es），以多台阶面形来逼近连续光学表面面形，是微光学元件中比较重要的一类。
相应的微光学元件的设计方法有衍射方法和折射传播的几何光学方法，如Fresnel 波带法、G-S 算法、遗传算法、光线追迹等。
目前比较成熟的商业化软件如CODE V，ZEMAX，OSLO 等都具备微光学元件和系统的优化设计功能。
2、微光学元件的制作方法微光学元件的制作方法归纳起来有两种：机械加工方法和光学加工方法。
机械加工方法主要有[1]：光纤拉制（Drawing of Fiber Lenses）、超精度研磨（Ultraprecision Grin ding）、注模（Moulding）、金刚石车削（Diamond Turning）等。
光学加工方法就是光刻（Photolithogr aphy）。
微透镜光纤耦合
微透镜光纤耦合微透镜光纤耦合技术是一种将微透镜与光纤相结合的技术，通过微透镜的集成，可以实现光纤与光学器件的高效耦合。
这项技术在通信、医疗、工业等领域有着广泛的应用。
在传统的光纤通信系统中，光纤与光学器件之间的耦合一直是一个技术难点。
传统的耦合方式往往需要经过复杂的调节过程，耦合效率低，且容易受到外界环境的干扰。
而微透镜光纤耦合技术的出现，为光纤通信系统的稳定运行提供了新的解决方案。
微透镜光纤耦合技术的原理是利用微透镜将光线聚焦到光纤的端面上，从而实现光线的高效耦合。
微透镜可以通过微加工技术在光纤端面上制作出来，其直径一般在几微米到几十微米之间，具有良好的光学性能和稳定的结构。
通过微透镜的集成，可以实现光纤与光学器件之间的高效耦合，提高光信号的传输效率。
在光通信领域，微透镜光纤耦合技术可以有效提高光纤通信系统的传输效率和稳定性。
传统的光纤耦合方式需要经过精细的调节，而微透镜光纤耦合技术可以实现自动对焦和快速耦合，减少了人为的干扰，提高了系统的稳定性和可靠性。
同时，微透镜光纤耦合技术还可以实现多通道的耦合，提高了系统的传输容量和灵活性。
在医疗领域，微透镜光纤耦合技术可以应用于内窥镜、光学检测等领域。
传统的光学系统往往需要经过复杂的调节和对焦过程，而微透镜光纤耦合技术可以实现远距离的高分辨率成像，提高了医疗诊断的准确性和效率。
同时，微透镜光纤耦合技术还可以实现光学信号的传输和控制，为医疗设备的远程操作提供了新的解决方案。
在工业领域，微透镜光纤耦合技术可以应用于激光加工、光学测量等领域。
传统的光学系统往往需要经过复杂的调节和校准过程，而微透镜光纤耦合技术可以实现高功率激光的精确聚焦和控制，提高了激光加工的精度和效率。
同时，微透镜光纤耦合技术还可以实现光学信号的传输和控制，为工业生产提供了新的技术支持。
总的来说，微透镜光纤耦合技术具有广泛的应用前景，在光通信、医疗、工业等领域都有着重要的意义。
通过不断的技术创新和研发，相信微透镜光纤耦合技术将为人类社会的发展带来更多的机遇和挑战。
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微光学元件及光纤耦合半导体激光器1、微光学元件简介微光学（Micro-Optics）是未来微光电机系统（Micro-Optical-Electrical-Mechanical System，MOEM S，也称微机械系统，Micro-Electrical-Mechanical System）中三大（另两大组成部分是微电子和微机械）重要组成部分之一，有时也称光学微机械（Optical MEMS）。
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已成功地应用到现代光学的各个领域中，如校正光学系统的像差、改善光学系统的成像质量、减轻系统的重量。
更为广泛的应用是激光光学领域，用于改变激光光束波面，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。
微光学元件按照光传播的途径可简单地分为两大类：衍射光学元件（Diffractive Optical Elements，DOEs）和折射性光学元件（Refractive Optical Element，ROEs）。
衍射型微光学元件中比较常用的一种是二元光学元件（Binary Optical Element，BO Es），以多台阶面形来逼近连续光学表面面形，是微光学元件中比较重要的一类。
相应的微光学元件的设计方法有衍射方法和折射传播的几何光学方法，如Fresnel 波带法、G-S 算法、遗传算法、光线追迹等。
目前比较成熟的商业化软件如CODE V，ZEMAX，OSLO 等都具备微光学元件和系统的优化设计功能。
2、微光学元件的制作方法微光学元件的制作方法归纳起来有两种：机械加工方法和光学加工方法。
机械加工方法主要有[1]：光纤拉制（Drawing of Fiber Lenses）、超精度研磨（Ultraprecision Grin ding）、注模（Moulding）、金刚石车削（Diamond Turning）等。
光学加工方法就是光刻（Photolithogr aphy）。
机械加工方法的优点是工艺过程简单，缺点是难于实现阵列型器件和大规模廉价复制，而且不易制作非旋转对称微光学元件，如柱面透镜、任意不规则面型微光学。
光学加工方法的优点是：能实现任意不规则面型透镜（尤其是二元微光学元件更是如此），可以大规模复制、缺点是工艺复杂、对环境要求较高。
光学光刻可实现二元衍射微光学元件和连续面形微光学元件，主要有二元光学方法、掩模移动法、灰阶掩模法、热熔法和梯度折射率方法等。
采用光刻方法加工8台阶二元衍射微光学元件的加工工艺原理，采用三块不同频率的掩模，通过三次甩胶、曝光、显影、刻蚀等工艺实现95%衍射效率的微光学元件。
采用掩模移动法制作连续面形微光学阵列元件，首先根据要求的面形设计掩模，然后在曝光过程中通过移动掩模，实现各部分的不同曝光量，最后通过显影、反应离子刻蚀，将光刻胶的面形传递到光学表面材料上。
灰阶掩模法是根据微光学元件所需面型，对掩模进行灰阶编码，形成相应的光强透过率分布函数，通过一次曝光、显影，即可得到相应的光刻胶面形，最后通过刻蚀，得到光学材料上的面形。
热熔法是通过曝光后光刻胶的表面张力作用的收缩，形成面形。
这几种方法中，热熔法由于面形不容易控制和难于制作不规则面形而应用领域受到限制，二元衍射方法虽然能实现各种复杂面形而得到广泛应用，但受到光刻线宽分辨率的限制而不能制作较大数值的微光学元件；掩模移动法能制作较大数值孔径元件但难于制作不具有中心对称或旋转对称元件。
灰阶掩模法具有设计灵活、能制作任意面形的微光学元件，但是掩模制作过程中数据量较大，难于精确地控制面形。
总的说来，二元衍射方法适合于小数值孔径微光学元件而连续面形方法适合于制作大数值、小口径微光学元件。
[1][url=16094123551-2.shtml][2][/url][url=16094123551-3.shtml][3][/url][url=16094123551-2.shtml][下一页][/url]光子晶体光纤激光器在光子晶体光纤的情况下，有可能采用较大的单模芯径，因为光子晶体光纤的导光机构与标准光纤有着根本的差别。
在光子晶体光纤中，芯是由微结构包层所包围的固体区域，它是由空管包围的一个或多个固体棒拉制光纤时形成的。
多孔区域的折射率比它包围的实心区域的折射率低，从而使该结构形成单模波导。
实验表明：芯经大到30μ m时，限制也非常好。
这一技术已被推广，将掺镱的固体棒放在其它棒之间制作光纤激光器。
德国Friedrich Schiller大学的Jens Limpert和他的同事,已经使他们的光子晶体光纤激光器输出80W，其模场直径大至21μm。
2 含有大孔的“空气包层”包围着光子晶体外芯，该外芯由二极管泵浦(见图2，上)。
还可能通过在芯的附近添加大孔，来制作偏振维持的微结构光纤(见图2，下)。
图2.用于光纤激光器的光子晶体光纤具有双芯结构。
大芯光纤(左上)在外芯中收集泵浦光,在位于中心的内芯中掺有镱或铒。
外芯中的孔使外芯折射率降低到实内芯折射率以下(上图)。
将一对大孔加到该结构中(左下)，产生应力，使光纤具有维持偏振的功能。
最近，悉尼大学的研究人员在制作微结构聚合物光纤型固体染料激光器时，添加了不同寻常的扭曲。
4 Alexander Argyros和和他的同事在商用PMMA预制棒中，钻出了一个由孔组成的图样。
在将它拉制中间状态时，将含有若丹明6G的溶液灌入孔中。
该溶液能部分溶解PMMA的点阵结构，因此，在它被拉成最后的光纤之前,染料分子就渗透到里面去了。
根据他们的设计，最后拉制成的光纤，具有由低密度多孔区包围的18μm纤芯，用此光纤制成的光纤激光器可在脉冲条件下运转。
稀土掺杂光纤激光器的结构示意图稀土掺杂光纤激光器的结构示意图如图1所示。
光纤本身有三层: 掺有稀土元素(通常是镱或铒)的内芯, 具有低折射率的外芯(或称内包层)和聚合体或玻璃外包层。
内包层收集和引导泵浦光，外包层则能将泵浦光限制在内包层内。
要保证光束质量拟采用单模内芯，外芯通常不是圆对称的。
共振腔光学元件是直接制作在内芯内的布拉格光栅。
图1.用于光纤激光器的双芯光纤。
外芯(或称内包层)收集泵浦光,它是为泵浦单模内芯中的稀土离子而设计的。
内芯中的布拉格光栅构成激光腔。
双芯光纤设计已经标准化了，因为大外芯能有效地收集泵浦光，而小内芯则能将激光功率集中在较小的体积里面，以输出高质量的光束。
外芯的几何形状可以选择，以便对内芯进行有效泵浦。
脉冲激光器和连续激光器均采用类似的结构。
实际上，可将光纤绕成一圈或若干圈。
设计的细节与应用和功率要求有关。
光纤通信激光管 VCSEL一、0.85 μm VCSEL 最初在1990年～1995年期间制成的VCSEL是供短波长0.85 μm通信使用.主要是用于局域网(LAN)的多模光纤通信，可能有助于组成Gbit/s的Ethernet.每个激光管均由圆片制成，多个激光管具有不同的激光波长可以方便地排成阵列，供多路通信使用，优于早先使用的发光管LED. 0.85 μm VCSEL是由两层分布布拉格反射体(DBR，Distrbuted Bragg Reflector)和中间空腔层构成.空腔层中心是包含多个量子阱的有源区，注入电流就是经过导流结构进至有源区，整个空腔可以在GaAs衬底上一次处延生长.因此这种激光管可以用圆片制造和测试，而这种制造技术是与发光管LED相似的. 制造0.85 μm VCSEL的关键技术是简单外延和顶面发射，就是说，整个激光管结构的生长只是一步处延，这就可能增加器件的均匀性，并缩短圆片器件的处理和试验时间.而且，从圆片表面外延边的顶部发射可以容许在器件包装前测试圆片.这些是当初0.85 μm VCSEL制造的特点和优点，对于后来制造长波长1.3和1.55 μm VCSEL起到了很好的参考作用.二、1.3 μm VCSEL 为了制成长波长1.3～1.55 μm的VCSEL，就应先考虑合适的材料，具体地说，1.3 μm的VCSEL应选用半导体Ga1-xInxNyAs1-y作为有源区，以与Ga As衬底相匹配.其中In的x和N的y成份还可以适当调整。
如加大In和N的成份，就使直接带隙减小，一般地说，典型的1.3 μm发射需要35%～38%的In和1.5%～2.0%的N.但这样的考虑曾经遇到限制，如利用MOCVD和MBE制成VCSEL，最多只能在1.2 μm获得良好性能.但后来经过精心研究，这种限制得到克服，成功地制成顶部发射的单模VCSEL，波长为1.293 μm，输出功率1.4 mW，能在25℃连续波运用.电注入是通过横向腔的触点，电流就局限于小孔径内.DBR是用GaAs/AlAs层.这样的实验曾证明激光管能够接受数字调制达到10 Gbit/s的速率.另外又有实验把波长再提高到1.55 μm，在较高门限密度进行脉冲运用. 上述GaInNAs的VCSEL材料包含N，因而当波长稍增加时将使功率性能显著降低.为了克服这种困难，最近考虑加入Sb，具有GaInNAsSb有源区的VCSEL，可在波长1.3 μm工作，CW输出功率在20℃为1 mW，甚至可在高温80℃情况下运用.这样的VCSEL结构利用p的DBR和氧化物孔径，对于长波长激光管很有用，甚至同样适合于1.55 μm的运用. 1.3 μm的VCSEL曾经考虑利用InGaAs的量子点(QD，Guantum dots)的有源区.这种利用量子点的办法可能改进光电子器件的性能，提高增益也便于调整激光波长.最近制成的1.3 μm QD-VCSEL能够发射1.25 mW的功率，并在室温条件供CW运用，它的DBR是利用GaAs/AlOx，电流注入和局限于AlOx孔径. 1.3 μm VCSEL的有源区也曾经考虑利用GaA sSb量子阱在GaAs衬底上生长，但因失配较大，很少的量子阱能被利用.最近有报道称1.23 μm VCSEL 利用两个GaAs0.665Sb0.335的量子阱作为有源区，又用GaAs/AlGaAs作为DBR，与AlOx作为电流局限孔径.这样能够得到0.7 mA的门限电流，但输出功率很小，仅0.1 mW.三、1.55 μm VCSEL 对于波长在1.45～1.85 μm范围内的VCSEL，曾将InGa(Al)As/InAlAs用于底部的DBR，并用介质/Au于顶部的DBR，产生InGa(Al)As的量子阱，并与InP衬底格匹配.近来将原有设计再加改进：在有源区的顶上，利用n p p隧道形让电流注入.又生长埋藏的异质结构，以局限横向电流.这样的埋藏隧道连接(BTJ)可以获得高效的电流注入，并导致很低的门限电压和电阻，而且，用了1.5～2.5对的介质镜，直接装在金的散热架上，使反射率高达99.5%～99.8%，而且散热少，对于激光管功率和温度性能有利.最后将衬底除去，以减小光损失，并从衬底边获取激光发射，这样由底部发射的发射波长为1.55 μm的VCSEL如用5 μm孔径，发射单声横向模，在CW运用20℃可得最大功率0.72 mW.如用17 μm孔径，就可发射2 mW，得到的最大激光温度约为110℃. 另一方案是DBR采用AlAsSb和GaAsSb，它们的较大带隙能量差可以导致较大的折射率差，对DBR很适合.在1.55 μm，AlGaAsSb/AlAsSb的折射率差约15%，这几乎相当于Al As/GaAs的折射率差，大于InGaAs/InAlAs的7.8%和InP/InGaAsP的8.5%.不过，它们的导热性能比Ga As和AlAs差得多.用于AlGaAsSb/AlAsSb作为DBR，底部发射的1.55 μm VCSEL只要一次MBE生长就可制成，但这种结构的有源区需要散热措施.这样，可以制成在室温的CW运用，例如在25℃发射0.9 mW，最高温度可以用到88℃. 又一方案是DBR采用InP/空气隙，折射率差很大，但导热率太差，须具备足够有效的导热措施.曾经用这种方案制成1.55 μm VCSEL，可提供1.0 mW的单模输出功率，并能在25℃适合CW运用；再有一个方案是DBR采用GaAs/AlGaAs，折射率差大，导热率也高.但AlGaAs的D BR与InP的有源区的圆片熔合可靠性不是太好，须采用特殊措施加以改进.这就是使有源区在InGaAlAs的DBR顶部形成，有一层空腔作为缓冲层，然后沉积松驰的GaAlAs的DBR，好像是介质镜.这样从顶部发射的VCSEL可以适用于1.53～1.62 μm，在15℃发射1.4 mW的单模输出功率. 最近，结合使用微机械结构，制成了1.55 μm可连续调谐的VCSEL，调谐范围为22 nm，边模抑制比SMSR大于45 dB.而且这样的可调谐1.55 μm VCSEL可以接受数字信号2.5 Gbit/s的调制，并能在900 nm波长范围内运用，在175 μs以内锁定波长.这种可调谐的、而且调谐性能优良的1.55 μm VCSEL在结构和工艺上，近年还在继续不断地改进以期获得更好的性能，满足实际应用的需要.二极管泵浦的光纤放大器和光纤激光器二极管泵浦的光纤放大器和光纤激光器是一类新型固体激光器。