微透镜光纤在半导体激光器中的应用研究
半导体激光器的发展及其应用
浅谈半导体激光器及其应用摘要：近十几年来半导体激光器发展迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。
由于半导体激光器的一些特点，使得它目前在各个领域中应用非常广泛，受到世界各国的高度重视。
本文简述了半导体激光器的概念及其工作原理和发展历史,介绍了半导体激光器的重要特征,列出了半导体激光器当前的各种应用,对半导体激光器的发展趋势进行了预测。
关键词：半导体激光器、激光媒质、载流子、单异质结、pn结。
自1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来,半导体激光器发生了巨大的变化,极大地推动了其他科学技术的发展,被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。
近十几年来,半导体激光器的发展更为迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。
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。
由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点,使得它目前在光电子领域中应用非常广泛,已受到世界各国的高度重视。
一、半导体激光器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、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、铝镓砷、铟磷砷等。
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展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。
微透镜变化对半导体激光器光束匀化效果的影响
－ 峰一 １ 黜 一一２
一 ～３
１ ｎｔ ｅ透 镜子透 镜对 组
成 的通道 内完 成 光 束 传 输 ， 如
图 １中 箭 头 １和 箭 头 ２所 示 ，
其 中 Ｐ为 微 透 镜 的孔 径 ， 厂为
焦距 。根据 公式 （ １ ） 可知 ， 其中 Ｓ为 目标 平 面 处 的光 斑 尺 寸 ，
摘 要 ： 为 了实 现 高 均 匀 性 的半 导体 激光 器 泵 浦 光 源 ， 研 究 了 成像 型 光束 积分 器 中微 透 镜 的变 化 对 泵 浦
光 均 匀 性 的 影 响 。详 细 讨 论 了微 透 镜 数 值 孔 径 与 入 射 光 束 的 角 度 匹 配 的 问题 。推 导 了高 斯 光 束 经 成 像 型 光 束
Ｆｉ ｇ． １ Ｆｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ｏ ｆ ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ ｂｅ ａ ｍ ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｗｉ ｔ ｈ ｎ ｏｎ — ｃ ｏ ｌ ｌ ｉ ｍａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｅ ａ ｍ
图１ 非 准 直 光 入 射成 像 型 微 透 镜 阵 列 光 束积 分 器 原 理 框 图
积分器的光场分布模型 ， 分 析 了微 透 镜 的 边 缘衍 射对 光 斑 均 匀 性 的影 响 ， 明确 了微 透 镜 孔 径 大小 的 取 值 范 围 ， 并利用 Ｚ Ｅ ＭＡＸ进 行 了系 统 仿 真 及 实 验 验 证 。结 果 表 明 ， 经 优 化 后 的成 像 型 光 束 积 分 器 实 现 了不 均 匀 性 为
标平 面处光斑 均匀性 的影 响是 本文重 点解 决 的问题 。
成像 型光 束匀化 器是 由两 列微透 镜 阵列和一 个积 分透镜 组成 Ⅲ ５ ］ 。在 两列微 透镜 中 ， 前 列任 意一微 透镜 与
基于像散曲面微透镜的半导体激光准直研究
基于像散曲面微透镜的半导体激光准直研究在当今科技快速发展的时代，半导体激光准直技术一直备受关注。
而像散曲面微透镜作为一种重要的光学元件，在半导体激光准直研究中发挥着重要作用。
本文将围绕基于像散曲面微透镜的半导体激光准直研究展开深入探讨，从简单到复杂，由浅入深地解析该主题。
一、基础概念介绍在开始深入探讨基于像散曲面微透镜的半导体激光准直研究之前，我们先来了解一下一些基础概念。
半导体激光准直技术是指利用半导体激光器产生的激光，经过一系列光学元件的处理，使其输出的光束成为平行光或近乎平行光。
而像散曲面微透镜则是一种特殊设计的微透镜，能够将入射光线聚焦成不同形状的像，具有像散性质。
这两个概念是我们深入探讨半导体激光准直研究时必不可少的基础。
二、技术原理分析在半导体激光准直研究中，像散曲面微透镜的应用极为重要。
这种微透镜通过其特殊设计的曲面，可以对激光进行精确的调控，使其具有更好的聚焦性能和准直性能。
通过对像散曲面微透镜的曲率和折射率进行优化设计，可以达到更高的准直效果。
这种微透镜的应用，为半导体激光准直技术的研究和发展提供了重要支持。
在实际应用中，研究人员不断探索不同材料、不同结构的像散曲面微透镜，以提高半导体激光的准直精度和稳定性。
三、实验技术及关键问题在实际的半导体激光准直研究中，涉及到许多实验技术和关键问题。
如何选择合适的半导体材料和激光器结构，以获得稳定高效的激光输出；如何设计和加工像散曲面微透镜，使其能够精确控制光线的传播方向和焦点位置；如何在实际系统中解决像散曲面微透镜的组装和调节等关键问题。
这些都是影响半导体激光准直研究成果的重要因素，需要研究人员不断努力和探索。
四、个人观点和理解从我个人的观点来看，基于像散曲面微透镜的半导体激光准直研究是一项非常值得深入探讨的课题。
随着科技的不断进步和社会的需求不断增长，半导体激光准直技术在通信、激光显示、光刻、激光雷达等领域有着广泛的应用前景。
而像散曲面微透镜作为关键的光学元件，其设计和优化对半导体激光准直技术具有重要意义。
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。
(整理)微光学器件总结
大作业丁武文2008010646 精85 折射微光学元件：1.折射微透镜：椭圆微透镜的制备及在半导体激光器（LD）光束整形中的应用[1]基础：LD发射光束具有以下两个特点：（2）x与y方向上的光束发散角不同；（2）光斑是椭圆形的。
传统的耦合技术是将LD基片与光纤端面直接相连, 称为平接连接法。
由于LD和光纤之间数值孔径的巨大差异，平接连接的耦合效率只能达到10%。
目前已有几种提高LD和光纤之间耦合效率的方法，这些方法可分为两类。
第一类是将光纤一端做成半球形或圆锥形，相当于一个透镜。
LD和透镜话光纤的耦合效率是2.5dB~6.4dB。
另一类是利用梯度折射率光纤，光纤中不同部位的折射率不同，使得光纤像一个自聚焦透镜。
使用这种方法的耦合效率大约是0.84 dB～3dB，工作距离低于4 500 μm。
这里提到的方法是用椭圆微透镜耦合的方案。
利用椭圆微透镜具有双焦距的特性，同时对LD光束进行准直、整形，使发散光束成为适合光纤传输的圆光束，提高了耦合效率。
微透镜的设计及制备：按需滴定法成形是使用脉冲式点胶机将PMMA溶液按照所需体积滴在玻璃基板上，溶液是光学级纯度的PMMA溶于MMA单体所得的混合预聚溶液，实验装置如图1 所示。
在实验前对作为基板的石英玻璃板进行预处理: 先将石英基板放在超声波清洗器中用蒸馏水清洗10 min，晾干后再用分析纯的无水乙醇在超声波清洗器中清洗10 min。
将清洗干净的石英基板放在含氮气氛的真空干燥箱中烘干使基板对水的接触角为10°，对PMMA溶液基本不浸润。
然后在基板上用MMA溶液按所设计的透镜大小做一些椭圆形的区域，该区域对PMMA溶液完全浸润( 如图2所示) 。
我们将溶液滴在这些椭圆形区域上，液滴在表面张力的作用下形成椭圆形的微透镜。
在滴定完成后，样品应立即放入一个小密闭容器中以减小MMA单体的挥发和透镜的收缩率。
然后放入烘箱，升温至100 ℃，这时PMMA和MMA 单体快速聚合，等聚合完全后将炉温升到180 ℃，透镜处于熔融状态，但又具有很高的粘度，能够保持住形状，在表面张力的作用下微透镜表面还可进行自修复形成椭圆形微透镜。
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）。
半导体激光器的原理和应用
半导体激光器的原理和应用简介•半导体激光器是一种基于半导体材料制造的激光发射器件。
它具有小体积、低功耗、高效率等特点，被广泛应用于光通信、光存储、医疗设备等领域。
原理•半导体激光器的工作原理是利用半导体材料的能带结构来实现光放大和放射。
•当半导体激光器正向偏置时，载流子从p区注入n区，发生复合过程，产生光子。
这些光子在具有多边反射结构的激光腔内来回反射，逐渐增强并形成激光。
•半导体激光器的激光波长与半导体材料的能带结构、材料组分等相关。
分类按材料•目前常见的半导体激光器主要有以下几种类型：1.GaAs激光器：使用III-V族化合物半导体GaAs作为材料。
2.InP激光器：使用III-V族化合物半导体InP作为材料。
3.GaN激光器：使用III-IV族氮化物半导体GaN作为材料。
按结构•半导体激光器的结构主要包括以下几种类型：1.边发射激光器：激光从半导体材料的边缘发射。
2.表面发射激光器：激光从半导体材料的表面垂直发射。
3.VCSEL激光器：采用垂直腔面发射的设计，适用于光纤通信等应用。
应用•半导体激光器由于其小体积、低功耗等特点，被广泛应用于以下几个领域： ### 光通信•半导体激光器已成为光通信领域中主要的光源设备，用于光纤通信、光纤传感等。
•半导体激光器的优势在于其尺寸小、功耗低，而且具备高效率、长寿命、波长可调节等特性，非常适合光通信应用。
光存储•半导体激光器在光存储器件中有重要的应用。
例如，DVD、蓝光光驱等设备就采用了半导体激光器作为读写光源。
•半导体激光器的小尺寸、低功耗和高速度的特点使其成为光存储设备的理想选择。
医疗设备•半导体激光器在医疗设备中也有广泛应用。
例如，激光手术刀、激光疗法等。
•半导体激光器能够以高精度、高效率地输出激光功率，用于进行精确的医疗操作，减少损伤和恢复时间。
发展趋势•随着科技的进步，半导体激光器在性能和应用方面不断发展。
发展趋势包括以下几个方面： ### 波长范围•半导体激光器的波长范围正在不断扩展，从可见光到红外光，甚至到紫外光。
基于micro-led微透镜阵列的光学设计及应用研究
基于micro-led微透镜阵列的光学设计及应用研究1. 引言1.1 概述本文主要研究基于micro-LED微透镜阵列的光学设计及应用。
随着科技的发展和人们对高质量显示和光通信等领域需求的增加，微LED技术作为一种新的光电子器件逐渐受到关注。
而微透镜阵列作为提高光学系统性能的关键元件之一，在微LED技术中也扮演着重要角色。
1.2 文章结构本文共分为五个部分。
首先，在引言中对研究主题进行了概述，并介绍了文章的结构组成。
其次，在第2部分中，将对微LED技术进行概述，并介绍微透镜阵列的背景知识。
第3部分将探讨光学设计方法的研究，包括光学系统基本理论、基于微透镜阵列的设计原理分析以及常用优化算法的应用。
在第4部分中，将详细探讨基于micro-LED微透镜阵列的光学应用研究，包括显示器件中的设计与模拟研究、光通信中微LED与微透镜结合的应用探索以及生物医学领域中基于微透镜阵列的激光成像技术研究。
最后，在第5部分中，将对研究进行总结，并提出存在的问题和下一步的研究展望。
1.3 目的本文的目的是探索基于micro-LED微透镜阵列的光学设计及应用。
通过对微LED技术、微透镜阵列以及光学设计方法进行深入研究，旨在为相关领域的技术发展提供理论支持和实践指导。
同时，通过具体的案例研究和应用探索，期望能够开拓micro-LED与微透镜结合在显示器件、光通信和生物医学领域等方面的新应用，并为相关产业提供创新思路和技术解决方案。
2. 微LED技术概述:2.1 微LED原理:微LED是一种基于发光二极管(LED)的新型显示技术。
它采用微米级的LED芯片作为显示像素，通过控制电流使其发出所需颜色的光。
微LED具有高亮度、高对比度、高刷新率和低功耗等优点，被认为是下一代显示技术的发展方向。
微LED原理是通过外加电压在特定材料中产生电子-空穴复合效应，从而导致LED芯片发射光线。
当正向电压施加到p端（带阳性杂质）,负向电压施加到n 断（带阴性杂质），会形成一个类似于pn结构的二极管。
半导体激光器应用
半导体激光的医学应用半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。
半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其临床应用覆盖了其他类型激光的应用范围。
主要应用于光谱技术、干涉技术、临床标本或组织的检测和诊断、临床治疗。
1 医学中的监测和诊断激光在基础医学最成功的应用是为分析细胞学提供了最先进的仪器。
毫无疑问，半导体激光的发展将为激光医用仪器的微型化拓宽道路。
1.1 激光多普勒技术激光多普勒技术在许多场合都得到应用，但所用仪器都有体积大、需水冷、易受干扰等缺点。
而半导体激光技术的引入，如：利用%个稳频的半导体激光器可以产生测速时所需要的光频移F"G，利用光外差技术可以去掉光频移的波动并从散射光信号中得到多普勒频率；用半导体激光器泵浦的H4：IJK环行激光器通过不同折射率及长度的光纤产生测速时所需范围内光频移，并用正交信号去辨别流向等。
这些技术消去了以前必不可少频移元件L如声光调制盒M，使得仪器体积大大缩小、抗干扰能力增强，而且使入射激光束功率也有很大提高。
（1）激光多普勒测速仪通过记录激光照射下血细胞因运动而产生的散射光的频移，从而推算被检测组织的血流量。
常见以He-Ne等激光器为光源，光纤作为光源和探测器的联结器，激光管的升温使得输出信号产生波动，多普勒信号也会被光纤的移动所干扰。
用半导体激光二极管制作的多普勒测速仪体积小，价格便宜，而且更重要的是性能更加稳定，克服了其它激光易产生的干扰情况（2）激光多普勒成像，可进行血流探测，活体人血成像，多散射光子程长分布的探测，介质内部悬浮液的激光多普勒显微探测，人视网膜血流的彩色多普勒BT&成像等多方面的应用与研究。
半导体激光波长范围宽，可满足仪器不同波段的需求，同时又具备体积小、价格低、性能稳定的优点，将是今后该领域发展的主要方向。
1.2 激光共聚焦扫描显微镜激光扫描显微镜是激光技术、显微技术、光度技术以及计算机图像分析技术相结合的产物。
微腔半导体激光器研究进展
微腔半导体激光器研究进展微腔半导体激光器研究进展杨建波1012030902摘要：激光器中微腔的引入可以使凝聚态物质中腔量子电动力学效应得以实现，同时不仅使激光器的尺寸得到大幅度的减小，而且可控制自发辐射，使激光器的性能得到重大的改进。
关键词：微腔激光器; 自发辐射; 谐振腔1引言1.1微腔物理的发展在1960年激光发明以前，人们使用的光都是由自发辐射方式产生的光。
激光发明后，大量研究者的注意力集中在受激辐射上，可是长期以来，人们普遍认为自发辐射是激发态原子不可避免要发生的普遍现象，往往误认为自发辐射是无法控制的非可逆过程[1,2]。
实际上，自发辐射并不是物质的固有性质，而是真空场涨落相互作用的结果。
如果将以原子方式存在的物质置于至少在一个方向上的尺寸与波长同数量级的一个腔内，自发辐射性质就会改变，并受腔的控制，人们把这一研究称之为“腔量子电动力学”[3]。
近几年来，微腔物理、微腔效应的研究，微腔激光器、微腔结构的制作与性能的研究已成为为国际上的一大热点。
微腔物理是别具特色、内容丰富、既具有重大的理论意义，又可成为高新技术新的成长点的交叉前沿学科。
一方面通过微腔物理的研究，可探索和加深对微观世界量子性等基本问题的认识，同时有可能不断开拓出一些全新的研究领域，并对新型工程技术领域产生重大的影响[4]。
激光器中微腔的引入可以使凝聚态物质中腔量子电动力学效应得以实现，并提供丰富的例证，同时不仅使激光器的尺寸得到大幅度的减小，而且可控制自发辐射，使激光器的性能得到重大的改进。
1.2微腔半导体激光器的发展微腔半导体激光器是90 年代初期出现的一种新型结构的半导体激光器, 是目前国内外半导体激光器研究领域的前沿课题。
这种激光器的最大特点是具有低阈值、高效率和稳定的单模输出, 是半导体激光器的一次变革。
半导体微腔激光器由美国贝尔实验室的SamMccall 等人首先提出后，其发展速度非常快，世界各发达国家如美国、英国、日本、俄国等都争先开展这方面的研究工作，并取得了一定的成果。
基于ZEMAX研究微球透镜的耦合效率
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 基于ZEMAX研究微球透镜的耦合效率摘要半导体激光器与光纤耦合技术作为一种重要技术，已经发展到一个比较成熟的阶段，广泛应用于光纤通信、光纤传感等．本文以半导体激光器的光束特性和光纤的传输特性，以及半导体激光器和光纤耦合方式的概括，微球透镜特性的论述为知识基础，基于光学设计软件ZEMAX，在微球透镜的折射率、色散系数，激光器发射光场的参数等条件都确定的情况下，着重分析微球透镜与激光器之间距离的变化对耦合效率的影响。
通过ZEMAX软件模拟分析，可以找出激光源与球透镜表面的距离的最佳位置使得此处会出现所有不同位置的耦合效率的最大值。
关键词半导体激光器微球透镜光纤耦合ZEMAX最大耦合效率7086毕业设计说明书（论文）外文摘要1 / 17TitleResearching the micro-ball lens’coupling efficiency based on ZEMAX.AbstractSemiconductor lasers and fiber coupling technology has developed into a more mature stage as an important technology. And it has been widely used in optical fiber communication, optical fiber sensing and so on.This article is based on the beam characteristics of the semiconductorlaser and fiber transmission, the epitome of semiconductor lasers and fiber-coupled way, and the discussion of micro-ball lens characteristics.Depending on the optical design software, ZEMAX, we analyzed theinfluence of the distance between the micro-ball lens and the laser on the coupling efficiency, in the condition that the refractive index and dispersion---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------coefficient of the micro-ball lens, and the laser emission of light field parameters are identified. By ZEMAX software’s analysis, we can find out the best position to make here be the maximum coupling efficiency of all the different locations of the distance between the laser source and the ball lens surface.2、半导体激光器的光束特性半导体激光器的输出光场分布可以分别用远场和近场特性来描述。
光纤透镜的原理与应用
光纤透镜的原理与应用光纤透镜，也被称作光纤微透镜或者透镜光纤，所谓的光纤透镜就是在光纤端面处加工制成某种透镜的形状。
而光纤透镜的作用就是在光纤或光学系统中起到光路改变或者模式转换的作用。
在不同的应用领域光纤透镜也有不同的要求，通常光纤透镜的形状分为斜面、楔形（双斜面，或则四斜面）、球面、圆锥形等，如图1所示。
而从光纤透镜的组成形式上区分，则可以分为单光纤透镜和光纤透镜组合。
本文主要针对不同类型的光纤透镜，分别介绍一下它们的原理与应用情况。
（图1）斜面形光纤透镜，主要分为两类：一类斜面角度为6°～10°，用于防止光纤表面反射光在返回光路时造成干扰或损伤；另一类斜面角度为40°～50°甚至更大，这类斜面形光纤透镜可以使光路发生改变甚至使光路产生大角度的全反射，也可以增大光纤受光面积，使更多的光进入到光纤中。
主要应用于光纤激光，光纤通讯，传统光学、光纤传感等领域。
楔形光纤透镜，大多数利用楔形光纤透镜组合，进行光路耦合。
其中光纤透镜组合常用的有采用楔形光纤透镜前端制作成微柱面形光纤透镜，还有制作成四斜面形光纤透镜，以及斜楔面形光纤透镜等多种，我们统称这类光纤透镜为楔形光纤透镜。
因为很多LD输出光束的光斑是椭圆形的，而且椭圆的长短轴之比值与输出功率成正比，一般该比值为3~5，大功率LD可大于10，最高的可达50以上。
显然这样的光束很难耦合到光纤中，为了适应LD输出光束的形状，就可以采用楔形光纤透镜，两个大楔面对应LD发散角度较大的方向，这样就可以增加LD耦合进光纤的效率。
普通楔形透镜需在端面镀增透膜从而使得反射光降到最低，而斜楔面形光纤透镜因其特殊的几何形状，使得光纤透镜与LD间在不影响光路传输的前提下形成了折射角度，从而避免了反射光对LD 造成的影响，也消除了反射光造成的噪声干扰。
相比普通楔面形光纤透镜镀增透膜工艺，降低了镀膜工艺带来的成本问题，及镀膜工艺可控性差导致的不稳定性。
半导体激光器在光纤通信中的应用
光纤 光纤 信号 信号 输入 输入 复用 复用 编码 编码 调制 调制 光源 光源 控制 控制 （a）直接调制光发射机框图 （a）直接调制光发射机框图 电信号输入 电信号输入 控制 控制 复用 复用 光源 光源 驱动 驱动 （ b ）外腔调制光发射机框图 （ b ）外腔调制光发射机框图 编码 编码 外调 外调 制器 制器 光隔 光隔 离器 离器 光纤 光纤 输出光信号 输出光信号 耦合器 耦合器 输出 输出 光信号 光信号
高频 载波
• 入射的信号光电场为 • ES(t)＝Acosωt， • A:信号光电场振幅;ω:信号光的频率。 • 平均光功率为: P E 2 t A2 2 S S 光探测器输出的电流为
e 2 e 2 I S PS ES t A h 2h
α为光电变换比例常数，η为量子效率。
迄今为止，所有实用化的光纤系统都是采用 非相干的强度调制-直接检测(IM/DD)方式，这类 系统成熟，简单，成本低，性能优良，已经在电 信网中获得广泛的应用，并仍将继续扮演主要的 角色。
IM/DD方式 （Intensity Modulation with Direct Detection）
LD 基带信号m(t ) 调 制 器 发送机 光纤 接收机 光探测器 放大器 恢复原信号
激光器频率在接近脉冲前沿时漂向高值， 而在脉冲的后沿处漂向低值，这种与时间有关 的频率漂移现象就叫做“啁啾”（Chirp）。
1 d 1 1 (t ) c GN ( N N 0 ) 2 dt 4
5 码型效应
当用脉冲序列对半导体激光器进行强度调制时，由 于瞬态效应，输出光脉冲会出现码型效应。
光栅
激光 输出
I1 P N 有源段
相位控制段 I2
半导体激光器-球透镜-光纤耦合系统分析
η=
∫∫ψ
Σ
L2
( x, y )ψ ( x, y )dxdy
* F
* * ∫∫ψ L 2 ( x, y)ψ L 2 ( x, y)dxdy.∫∫ψ F1 ( x, y)ψ F1 ( x, y)dxdy
(8)
三
实际系统的理论分析
对一个理想的同轴耦合系统，通过对(8)式进行简单的数值计算即可得到系 统的耦合效率， 不过就实际器件的研究而言，我们并不特别关心理想同轴情况下 的耦合效率， 我们更为关心的是器件在生产过程中所容许的制作误差，即所谓的 容差。 因此， 下面我们基于上述的理论模型对各种各样的实际系统误差对耦合效
ψ f ( x, y ) =
x2 y 2 2 1 exp − 2 + 2 π wf w f w f
(5)
w f 为束腰半径，因此，同理我们可以得到在主平面后光纤模式的远场分布为：
ψ F 1 ( x, y ) =
其中
x2 2 1 y2 + iφF 1 ( x, y ) . exp − + 2 2 π wF 1 wF 1 wF 1
ψ l ( x, y ) =
2
π
x2 1 y2 + 2 . exp − 2 wlx .wly wlx wly
(1)
假设激光光场到主平面的传输 wlx , wly 分别为 x(慢轴)和 y(快轴)方向的束腰半径。 为夫琅和费衍射(实际情况也基本如此)，则通过夫琅和费衍射积分可得在主平面 前激光远场分布为：
π ( x 2 + y 2 ) x 2 + y 2 ( x 2 + y 2 )2 φL1 ( x, y ) = − + 1 − 4.l λ .le 8.le e
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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
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
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SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 26 No. 5
由于大多数 LD 的输出光束的光斑是椭圆形 的 ,而且椭圆的长短轴之比值与输出功率成正比 ,一 般该比值为 3～5 ,大功率 LD 可大于 10 ,最高可达 50 以上 。显然 ,这样的光束耦合到光纤中是很困难 的 。为了校正 LD 的椭圆光束 ,可采用楔形微透镜 光纤[6 ,7] 。LD 与楔形微透镜光纤耦合的原理图见 图 4 所示 。透镜光纤的两个楔形面对应着 LD 光束 发散角较大的方向 。楔形透镜光纤相当于一个圆柱 透镜与锥形光纤的组合 。将柱透镜与 LD 的 p2n 结 平行放置 ,LD 的光束穿过柱透镜时 ,垂直于 p2n 结 方向的光将被压缩 ,而平行于 p2n 结方向的光不变 , 使得整个光斑接近圆形 。柱透镜楔形的前端被做成 弧面 ,以便提高耦合效率 。
图 2 VCSEL 不同输出功率时远场测量与计算结果比较
通过对 LD 和光纤模场特性的上述分析可知 , 当 LD 作光源时 ,光束直径可以在数十分之一微米 到数十微米之间变动 ,往往与 SM F 的模场直径不 相匹配 ,但是与 MM F 的模场接近 ; 用作泵浦源的 LD 一般采用的是边发射型 LD ,其光场是椭圆形的 (见图 1) ,与光纤的圆形模场的失配更严重 ,而且 LD 的光束发散角大于光纤的接收角度 。根据计 算 ,将 LD 与 SM F 直接耦合时 ,耦合效率的理论极 限只有约 20 %[3] 。有人对边发射 LD 与 SM F 的直 接耦合进行实验 ,测试得到的结果是耦合效率只有 8 %[4] 。即使是光束接近圆形的 LD ,耦合损耗仍高 达 8 dB[5] 。这使得 LD 与单模光纤的直接耦合变得 不 切实际 ,能量损耗太大 。解决办法是在LD与光
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激光器 ,输出功率要求不高 ,但光束质量要求高 。作 为泵浦源的 LD ,要求其工作波长在 980 nm 和 1 480 nm 附近 ,一般采用宽发射面大功率半导体激光器 , 要求输出功率足够大 。由于应用场合的不同 ,LD 特性各异 ,输出光束形式也就不一样 ,因此带来耦合 系统形式的不同 。
单模光纤的纤芯直径一般在 5～10μm ,典型值
为 8μm ,其模场直径 ( M FD) 比纤芯直径略大 ,典型
值为 9μm 。多模光纤的纤芯直径一般在 50～100
μm ,典型值为 50μm 和 62. 5μm 。
除此之外 ,光纤的数值孔径 ( NA) 也是一个耦
合中的重要参数 ,它决定了光纤对入射光线的最大
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《半导体光电》2005 年 10 月第 26 卷第 5 期
于海鹰 等 : 微透镜光纤在半导体激光器中的应用研究
Key words : microlens ; lensed fiber ; op tical co upling model
1 引言
半导体激光器 (LD) 因其体积小 、功耗低 、重量 轻 、效率高 、可靠性好 、价格便宜等特点 ,已被广泛应 用于光纤通信 、光纤传感 、激光加工 、信息存储/ 读 取 、生物医学等众多领域 。对于不同的应用场合 ,对 LD 的光输出耦合方式有不同的要求 ,许多情况下 需要与光纤耦合 ,把光能量输送出去 。因此 ,在 LD 和光纤之间实现有效的光功率耦合是十分必要的 。
=
a2 ·a3 … an = an
(4)
a1 a2 a n- 1
a1
上式说明 ,有圆锥透镜的光纤的数值孔径比平端光
纤增加了 an/ a1 倍 ,即光纤的接收孔径角比原来增 大了 an/ a1 倍 ,意味着光耦合的效率得到了相应的 提高 。
图用于与光束截面为圆形或近 似圆形的 LD ,如 VCSEL 等的耦合 ,效果极佳 ,耦合 效率可做到 90 %以上 。 2. 2 楔形微透镜光纤特性
SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 26 No. 5
光电器件
Oct. 2005
微透镜光纤在半导体激光器中的应用研究
于海鹰 , 邹德恕 , 崔碧峰 , 沈光地
( 北京工业大学 北京市光电子技术实验室 ,北京 100022)
摘 要 : 对几种典型的半导体激光器与光纤的耦合特性进行分析 ,提出提高耦合效率所采用 的微透镜光纤的结构 。介绍熔拉型 、化学蚀刻型 、研磨抛光型 、切削型 、自聚焦光纤型和铸模型等微 透镜光纤的制作原理和工艺以及目前达到的指标 ,并对各种形式的透镜光纤进行了评价 。提出了 提高耦合效率和失调容差 、降低插损的新思路 。
纤 。为了将不同模场的光束高效耦合到光纤中 ,光
纤透镜采用了不同的形式 ,常用的有锥形 、楔形 、斜 面 、球面 、椭球面等 ;在组成形式上 ,又有单透镜和组
合透镜之分 。
2. 1 锥形微透镜光纤特性
锥形微透镜光纤是最常见的透镜光纤形式 。将
光纤的前端采用腐蚀或熔融拉伸工艺做成如图 3 所
示的圆锥形 ,前端的半径为 a1 ,未形变光纤的半径
径 、数值孔径 、截止波长和偏振等特性 。
对于边发射型的半导体激光器 ,由于要降低阈
值电流密度和改善模式特性 ,LD 的有源层必须很 薄 ,一般仅有 0. 1μm 左右 ,而有源层的宽度与 LD
的输出功率大小成正比 ,一般在微米数量级 。激射
光束通过如此狭小的孔势必要产生散射 ,而且光强
的分布也不对称 。
入射角度 。对于弱导光纤 ,如硅光纤 ,由于 n1 和 n2
差值很小 ,数值孔径的表达式为
N A = sinθa = n1 2 - n2 2 = n 2Δ (3) 式中 ,Δ为光纤的相对折射率 。对于 SM F ,典型 N A 值在 0. 1～0. 17 ,即接收全角为 10°～18°。MM F 的 N A 值在 0. 2～0. 3 ,具有更大的接收角 。
激光器的正常工作 ; (3) 大失调容差 。意味着耦合系统封装时允许
较大的位置失调 ,因而可以采用结构简单 、定位精度
相对不高的低成本封装技术 ;
(4) 制作简便 。耦合技术是一项实用技术 ,从
商业角度考虑 ,制造工艺要简单 ,产品一致性要好 ,
成本要低 。此外 ,还要小型化 ,高可靠性 。
微透镜光纤可以将 LD 的光束有效地耦合进光
( Optoelectronic Technology Laboratory of Beijing , Beijing Technology University , Beijing 100022 ,CHN)
Abstract : Thro ugh analyzing t he different t ypical co upling p roperties of semico nductor laser to optical fiber ,t he st ruct ures of lensed fiber is p resented to enhance t he co upling efficiency largely. The p rinciples and p rocesses to fabricate lensed fiber s , such as f used2drawn taper , chemical etched taper , grinding and polishing ,micro machining , GRIN fiber lens and molding lens , and t he characteristics of t hese lensed fibers are int roduced. Furt hermore ,t hese lensed fiber s are app reciated. A new scheme to enhance t he co upling efficiency and alignment tolerance and reduce t he insert lo ss for LD and fiber is reported.