半导体激光器与自聚焦透镜耦合特性研究
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贵州民族学院
本科毕业论文
论文题目：半导体激光器与自聚焦透镜耦合特性研究
学 院：理学院
专 业：应用物理学
班 级：2006级应用班
姓 名：蒋明杭
学 号：200612010003
指导教师：李林福
完成时间：2010年5月
半导体激光器与自聚焦透镜耦合特性研究
蒋明杭
摘要基于子午光线在自聚焦透镜中传输的轨迹方程,分析了不同自聚焦透镜长度对出射光线的倾角、位置的影响,以及半导体激光器与自聚焦透镜间取不同距离时出射光线与入射光线倾角的关系特性。最后结合实验图表,对自聚焦透镜与半导体激光器耦合时的特性曲线进行了分析。通过理论分析和对实验图表分析,可知自聚焦透镜可以在半导体激光器的耦合中得到较好的应用，自聚焦透镜对半导体激光器光束的大发散角、光斑的大小和长度都有明显的压缩作用，在不同情况下,可以通过选取一定的自聚焦透镜长度来得到更高的耦合效率。
第二章
2.1半导体激光器简介
半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn 结或Pin 结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光器工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓( GaAs) 、砷化铟( InAs) 、锑化铟( InSb) 、硫化镉(cds) 、碲化镉(CdTe) 、硒化铅( PbSe) 、碲化铅( PbTe) 、铝镓砷(AlxGa1 - xAs) 、铟磷砷( InPxAS- x) 等。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入，即给Pn 结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说它是个正向偏置的二极管。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁,而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长分布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3 ～34μm之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙,最常见的是AlGaAs 双异质结激光器，其输出波长为750～890nm。
2.2半导体激光器的应用
半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850mn波长的半导体激光器适用于1Gb局域网，1300mn～1550nm波长的半导体激光器适用于1OGb局域网系统[5]。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统。由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光耦合等方面有重要用途。半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。GaAs/GaAlA双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器(DFB一LD)。半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术。是大容、高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写入和读出。
（3.1）
式中， 是径向坐标， 为纤芯半径。 是光轴上的折射率 与最外层折射率之差。 为正指数。由（3.1）式可以看出。当 时。在 ＜ 处， ；在 处， ，恰为突变折射率情况。当 时，折射率的变化由中心向外层呈线性下降；当 时，折射率由中心向外呈抛物线型下降(二次曲线)这就是所谓的自聚焦光纤，这时(3.1)式变为：
世界上第一只半导体激光器是1962 年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，覆盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由散法到液相外延法(LPE) ，气相外延法(VPE) ，分子束外延法(MBE) ，MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积) ，化学束外延(CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺。其激射阈值电流由几百毫安降到几十毫安 ，直到亚毫安，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时。从最初的低温(77K) 下运转发展到室温下连续工作， 输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件) 它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高(已达10%以上，最大可达50%)，便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大。目前,固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代。半导体激光器最大的缺点是：激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般在几度到二十度之间)，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差[3][4]。但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高。目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用。
（3.2）
其中 ,称为聚焦常数。
图2子午光线在光纤中的传输
在自聚焦光纤中，光的传播曲线是正弦曲线，即光线的传播是呈正弦波式“蛇”形前进的，正弦波的周期 。形成正弦波的原因，是因为折射Leabharlann Baidu是连续变化的，光纤中心轴附近折射率较高，光在中心的传播速度要低于边缘部分。也就是说，这种光纤有聚光性能：射向边缘部分的光线总是向轴线方向偏折。光线就是利用这种折射率的连续变化，在光纤内部反复聚焦和发散而向前传播的。
图1光纤的折射率分布
光纤的光线理论研究表明。对于二阶跃折射率光纤，子午光线(位于通过光纤中心轴所在平面上的光线)以大于临界角人射时，光线将在纤芯中以全反射形式传播，光线是呈“之”字形前进的(见图2(a))。对于渐变折射率光纤，光不能沿直线前进，而是沿着曲线传播的(见图2(b))。渐变折射率随半径的变化可写为[8]：
关键词自聚焦透镜半导体激光器耦合特性耦合效率
A STUDY ON THE COUPLING CHARACTEIUSTIC OF SEMICONDUCTOR LASER AND SELFOC LENS
Jiang Ming-Hang
AbstractThis paper is based on the radial rays in the self-focusing lens in the transmission path equations of the different self-focusing lens length of the exit light angle, position of the semiconductor laser with self-focusing lens between the for different distance emitted light and incident light the relationship between the characteristic angle. Finally, test charts, on the self-focusing lens and the semiconductor laser coupling characteristic curves were analyzed. Through theoretical analysis and experimental analysis of the chart, we can see from the focusing lens of the light transmission has a special feature that the coupling ofsemiconductor lasers to get better application; self-focusing lens, a large semiconductor laser beam divergence angle, spot size and the length of compression are obvious; in different situations, you can choose a certain length from the focusing lens to obtain a higher coupling efficiency.
3.2自聚焦透镜的原理分析
自聚焦透镜与光纤的导光原理密切相关。先从渐变折射率光纤(亦称梯度折射率光纤)的导光问题谈起。通常所说的光纤一般指阶跃折射率光纤。与阶跃折射率光纤相比，渐变折射率光纤的折射率在径向是逐渐变化的。中间大，边缘小(见图1)。当纤芯的直径是入射光波长的很多倍时,可以用几何光学的方法来研究其传光原理，这就是所谓光线理论[7]。
Key wordsSelfoc Lenssemiconductorlasercharacteristic of coupling
第一章
激光器的发明、光纤的应用是人类科学技术史上的一项卓越成就，目前，光纤在生产生活的很多方面都发挥了巨大作用。如何使激光器与光纤连接起来（光纤耦合），如何提高半导体激光器的耦合效率，成为了人们越来越关心的问题。目前，对于半导体激光器的耦合主要有以下几种方式：组合透镜耦合、非球面透镜耦合和自聚焦透镜耦合。组合透镜耦合方式的耦合系统比较复杂，光学器件多，调整难度大，各透镜的损耗及像差造成整个系统的耦合效率不高；非球面透镜的加工精度要求高，因而成本较高，加工时微小的偏差都会造成耦合系统耦合效率的下降[1]；自聚焦透镜又称渐变折射率透镜。与普通的透镜相比，自聚焦透镜有其独特的优点：直径很小，可使光学系统的结构微型化；端面是平面，便于光学加工；长度的改变可使透镜的焦距和特性发生变化。除此之外它还具有成本低、调整方便、聚焦光斑尺寸小、制作相对简便、易于耦合组装、耦合效率高等特点[2]，并可根据实际需要来选取部分性能参数，因而在与发散角较大的半导体激光器耦合中受到重用。但这并不意味着可以制作一个能适用于任何半导体激光器耦合的自聚焦透镜，而是在两者之间存在着一定的匹配关系，即耦合特性。而不同自聚焦透镜长度对出射光线的倾角、位置也有影响,以及半导体激光器与自聚焦透镜间取不同距离时出射光线与入射光线倾角的关系特性又如何。又由于激光束的光强分布在垂直和平行于结平面的方向上呈明显的非线性变化，所以在耦合对准中，耦合装置的横向、纵向位置偏移会直接影响耦合效率。因此提高耦合效率变得越来越重要。
第三章
3.1自聚焦透镜简介
对自然界中普遍存在的变折射率介质(又称为非均匀介质)中光的传播问题，很早就有人进行了研究。1854年，麦克斯韦首先设计了应用于光学系统中的一种折射率对某一点呈对称分布的“鱼眼透镜”。1905年，伍德设计了一种折射率和径向距离有关的伍德透镜．但由于制作工艺问题没有解决而没有得到实质性进展。本世纪五十年代以来，随着光学纤维技术的迅猛发展。对变折射率透镜的研究才有了实质性突破[6]。1968年，日本北野一郎等人首先采用离于变换工艺制成变折射率透镜，称为自聚焦透镜(SML)又称渐变折射率透镜(GRNLens) ,它是梯度光纤。光在自聚焦透镜内沿子午线传播,各子午面内的折射率是相同的,且对光纤轴对称。
本科毕业论文
论文题目：半导体激光器与自聚焦透镜耦合特性研究
学 院：理学院
专 业：应用物理学
班 级：2006级应用班
姓 名：蒋明杭
学 号：200612010003
指导教师：李林福
完成时间：2010年5月
半导体激光器与自聚焦透镜耦合特性研究
蒋明杭
摘要基于子午光线在自聚焦透镜中传输的轨迹方程,分析了不同自聚焦透镜长度对出射光线的倾角、位置的影响,以及半导体激光器与自聚焦透镜间取不同距离时出射光线与入射光线倾角的关系特性。最后结合实验图表,对自聚焦透镜与半导体激光器耦合时的特性曲线进行了分析。通过理论分析和对实验图表分析,可知自聚焦透镜可以在半导体激光器的耦合中得到较好的应用，自聚焦透镜对半导体激光器光束的大发散角、光斑的大小和长度都有明显的压缩作用，在不同情况下,可以通过选取一定的自聚焦透镜长度来得到更高的耦合效率。
第二章
2.1半导体激光器简介
半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn 结或Pin 结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光器工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓( GaAs) 、砷化铟( InAs) 、锑化铟( InSb) 、硫化镉(cds) 、碲化镉(CdTe) 、硒化铅( PbSe) 、碲化铅( PbTe) 、铝镓砷(AlxGa1 - xAs) 、铟磷砷( InPxAS- x) 等。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入，即给Pn 结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说它是个正向偏置的二极管。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁,而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长分布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3 ～34μm之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙,最常见的是AlGaAs 双异质结激光器，其输出波长为750～890nm。
2.2半导体激光器的应用
半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850mn波长的半导体激光器适用于1Gb局域网，1300mn～1550nm波长的半导体激光器适用于1OGb局域网系统[5]。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统。由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光耦合等方面有重要用途。半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。GaAs/GaAlA双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器(DFB一LD)。半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术。是大容、高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写入和读出。
（3.1）
式中， 是径向坐标， 为纤芯半径。 是光轴上的折射率 与最外层折射率之差。 为正指数。由（3.1）式可以看出。当 时。在 ＜ 处， ；在 处， ，恰为突变折射率情况。当 时，折射率的变化由中心向外层呈线性下降；当 时，折射率由中心向外呈抛物线型下降(二次曲线)这就是所谓的自聚焦光纤，这时(3.1)式变为：
世界上第一只半导体激光器是1962 年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，覆盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由散法到液相外延法(LPE) ，气相外延法(VPE) ，分子束外延法(MBE) ，MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积) ，化学束外延(CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺。其激射阈值电流由几百毫安降到几十毫安 ，直到亚毫安，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时。从最初的低温(77K) 下运转发展到室温下连续工作， 输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件) 它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高(已达10%以上，最大可达50%)，便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大。目前,固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代。半导体激光器最大的缺点是：激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般在几度到二十度之间)，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差[3][4]。但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高。目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用。
（3.2）
其中 ,称为聚焦常数。
图2子午光线在光纤中的传输
在自聚焦光纤中，光的传播曲线是正弦曲线，即光线的传播是呈正弦波式“蛇”形前进的，正弦波的周期 。形成正弦波的原因，是因为折射Leabharlann Baidu是连续变化的，光纤中心轴附近折射率较高，光在中心的传播速度要低于边缘部分。也就是说，这种光纤有聚光性能：射向边缘部分的光线总是向轴线方向偏折。光线就是利用这种折射率的连续变化，在光纤内部反复聚焦和发散而向前传播的。
图1光纤的折射率分布
光纤的光线理论研究表明。对于二阶跃折射率光纤，子午光线(位于通过光纤中心轴所在平面上的光线)以大于临界角人射时，光线将在纤芯中以全反射形式传播，光线是呈“之”字形前进的(见图2(a))。对于渐变折射率光纤，光不能沿直线前进，而是沿着曲线传播的(见图2(b))。渐变折射率随半径的变化可写为[8]：
关键词自聚焦透镜半导体激光器耦合特性耦合效率
A STUDY ON THE COUPLING CHARACTEIUSTIC OF SEMICONDUCTOR LASER AND SELFOC LENS
Jiang Ming-Hang
AbstractThis paper is based on the radial rays in the self-focusing lens in the transmission path equations of the different self-focusing lens length of the exit light angle, position of the semiconductor laser with self-focusing lens between the for different distance emitted light and incident light the relationship between the characteristic angle. Finally, test charts, on the self-focusing lens and the semiconductor laser coupling characteristic curves were analyzed. Through theoretical analysis and experimental analysis of the chart, we can see from the focusing lens of the light transmission has a special feature that the coupling ofsemiconductor lasers to get better application; self-focusing lens, a large semiconductor laser beam divergence angle, spot size and the length of compression are obvious; in different situations, you can choose a certain length from the focusing lens to obtain a higher coupling efficiency.
3.2自聚焦透镜的原理分析
自聚焦透镜与光纤的导光原理密切相关。先从渐变折射率光纤(亦称梯度折射率光纤)的导光问题谈起。通常所说的光纤一般指阶跃折射率光纤。与阶跃折射率光纤相比，渐变折射率光纤的折射率在径向是逐渐变化的。中间大，边缘小(见图1)。当纤芯的直径是入射光波长的很多倍时,可以用几何光学的方法来研究其传光原理，这就是所谓光线理论[7]。
Key wordsSelfoc Lenssemiconductorlasercharacteristic of coupling
第一章
激光器的发明、光纤的应用是人类科学技术史上的一项卓越成就，目前，光纤在生产生活的很多方面都发挥了巨大作用。如何使激光器与光纤连接起来（光纤耦合），如何提高半导体激光器的耦合效率，成为了人们越来越关心的问题。目前，对于半导体激光器的耦合主要有以下几种方式：组合透镜耦合、非球面透镜耦合和自聚焦透镜耦合。组合透镜耦合方式的耦合系统比较复杂，光学器件多，调整难度大，各透镜的损耗及像差造成整个系统的耦合效率不高；非球面透镜的加工精度要求高，因而成本较高，加工时微小的偏差都会造成耦合系统耦合效率的下降[1]；自聚焦透镜又称渐变折射率透镜。与普通的透镜相比，自聚焦透镜有其独特的优点：直径很小，可使光学系统的结构微型化；端面是平面，便于光学加工；长度的改变可使透镜的焦距和特性发生变化。除此之外它还具有成本低、调整方便、聚焦光斑尺寸小、制作相对简便、易于耦合组装、耦合效率高等特点[2]，并可根据实际需要来选取部分性能参数，因而在与发散角较大的半导体激光器耦合中受到重用。但这并不意味着可以制作一个能适用于任何半导体激光器耦合的自聚焦透镜，而是在两者之间存在着一定的匹配关系，即耦合特性。而不同自聚焦透镜长度对出射光线的倾角、位置也有影响,以及半导体激光器与自聚焦透镜间取不同距离时出射光线与入射光线倾角的关系特性又如何。又由于激光束的光强分布在垂直和平行于结平面的方向上呈明显的非线性变化，所以在耦合对准中，耦合装置的横向、纵向位置偏移会直接影响耦合效率。因此提高耦合效率变得越来越重要。
第三章
3.1自聚焦透镜简介
对自然界中普遍存在的变折射率介质(又称为非均匀介质)中光的传播问题，很早就有人进行了研究。1854年，麦克斯韦首先设计了应用于光学系统中的一种折射率对某一点呈对称分布的“鱼眼透镜”。1905年，伍德设计了一种折射率和径向距离有关的伍德透镜．但由于制作工艺问题没有解决而没有得到实质性进展。本世纪五十年代以来，随着光学纤维技术的迅猛发展。对变折射率透镜的研究才有了实质性突破[6]。1968年，日本北野一郎等人首先采用离于变换工艺制成变折射率透镜，称为自聚焦透镜(SML)又称渐变折射率透镜(GRNLens) ,它是梯度光纤。光在自聚焦透镜内沿子午线传播,各子午面内的折射率是相同的,且对光纤轴对称。