半导体光源与光纤耦合
光耦合器是将 信号转换为 信号再转换为 信号的耦合器件
光耦合器是将信号转换为信号再转换为信号的耦合器件光耦合器（Optocoupler），是一种能够将电信号转换为光信号再转换为电信号的耦合器件。
它是由发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）和光敏三极管（Phototransistor）组成的光电二极管。
通过光耦合器，可以实现电气与光学之间的互联，起到保护和隔离信号的作用。
接下来，我们将会深入解析光耦合器的工作原理、优势以及应用领域。
光耦合器的工作原理相对来说是比较简单的。
首先，当输入电信号通过光电二极管的输入端时，发光二极管将收到的电信号转换为对应的光信号。
这个过程通过半导体材料的电性和光性相互作用而实现。
而后，输出端的光敏三极管将接收到的光信号转换为相应的电信号。
这样，输入信号就成功地转换为输出信号，完成耦合的过程。
光耦合器的最大优势在于其能够实现电学与光学之间的隔离和保护作用。
在许多场景下，通过光耦合器可以有效地提供电气隔离，以避免电气干扰和降低噪声。
此外，光耦合器还具备良好的可靠性和长寿命，能够稳定地工作在较高温度和湿度环境下。
光耦合器的应用领域十分广泛。
首先，光耦合器在电力系统中常用于高压电路的隔离和检测。
由于其能够实现电气隔离和防止电气灾害，因此可以提高电力系统的安全性和稳定性。
同时，在工业自动化领域，光耦合器被广泛应用于逻辑电平转换、信号隔离以及电气与光学接口的转换。
此外，在医疗设备、通信设备等领域中，光耦合器也被广泛应用于信号的隔离传输、光纤通讯以及光电信号的调制与解调等领域。
光耦合器在实际应用过程中，存在一些值得注意的问题。
首先，由于光耦合器本身对于光敏三极管发出的光敏感度有一定要求，因此在使用过程中需要充分考虑光源的强度以及传输距离的限制。
同时，光源的选用也是光耦合器稳定性和性能的重要因素。
其次，针对特定应用场景，需要合理选择光耦合器的类型。
根据输出端的不同，光耦合器可以分为光敏三极管输出、光电晶体管输出、光耦合集成电路输出等类型。
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。
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。
光纤耦合实验报告
篇一：光纤测量实验报告光纤测量实验报告课程名称：光纤测量实验名称：耦合器光功率分配比的测量学院：电子信息工程学院专业：通信与信息系统班级：研1305班姓名：韩文国学号：13120011实验日期：2014年4月22日指导老师：宁提纲、李晶耦合器光功率分配比的测量一、实验目的：1. 理解光纤耦合器的工作原理；2. 掌握光纤耦合器的用途和使用方法；3. 掌握光功率计的使用方法。
二、实验装置：ld激光器，1 ×2光纤耦合器，2 ×2光纤耦合器，tl-510型光功率计，光纤跳线若干。
1. ld激光器半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。
.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。
电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（gaas）、硫化镉（cds）、磷化铟(inp)、硫化锌(zns)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。
本实验用的ld激光器中心频率是1550nm。
2. 光功率计光功率计（optical power meter ）是指用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗的仪器。
在光纤系统中，测量光功率是最基本的，非常像电子学中的万用表；在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表。
通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。
用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。
3. 耦合器光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件，是光纤系统中使用最多的光无源器件之一，在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。
光纤耦合器一般具有以下几个特点:一是器件由光纤构成，属于全光纤型器件;二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输具有方向性。
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。
光纤激光器的基本结构
光纤激光器的基本结构光纤激光器是一种基于光纤的固态激光器，具有高效、稳定、可靠等优点，被广泛应用于通信、制造业、医疗等领域。
它的基本结构包括泵浦光源、光纤放大器、光纤反射镜和激光输出光纤。
下面将详细介绍每个部分的结构和作用。
一、泵浦光源泵浦光源是光纤激光器的核心部件，它的作用是提供能量激发光纤中的掺杂物，使其产生激光。
常用的泵浦光源有半导体泵浦二极管、光纤耦合的激光二极管等。
半导体泵浦二极管是最常用的泵浦光源，它的结构由n型和p型半导体材料组成，两端连接金属电极。
当电流流过二极管时，n型和p型半导体之间的结电场使得电子和空穴结合并释放出能量，这种能量被传递到掺杂光纤中，使其产生激光。
光纤耦合的激光二极管是一种将激光通过光纤耦合到掺光纤中的泵浦光源，它的结构由激光二极管、光纤耦合器和掺光纤组成。
二、光纤放大器光纤放大器是光纤激光器中的另一个关键部件，它的作用是将泵浦光源产生的激光放大。
光纤放大器的结构包括掺杂光纤、泵浦光源和光纤反射镜。
当泵浦光源激发掺杂光纤中的掺杂物时，产生的激光被反射到光纤反射镜上，不断地被反射和放大，最终形成高质量的激光输出。
三、光纤反射镜光纤反射镜是将激光反射回掺杂光纤中的镜子，它的结构包括镜头和反射膜。
当激光经过反射膜时，一部分激光被反射回掺杂光纤中，使其不断地被反射和放大，最终形成高质量的激光输出。
四、激光输出光纤激光输出光纤是将产生的激光传输到需要的地方的光纤，它的结构和普通光纤类似。
激光输出光纤的质量对激光器的输出功率和稳定性有很大的影响，因此要选择高质量的光纤。
总的来说，光纤激光器的基本结构包括泵浦光源、光纤放大器、光纤反射镜和激光输出光纤。
这些部件的结构和作用紧密相连，协同工作，才能产生高质量的激光输出。
光纤耦合原理
光纤耦合原理
光纤耦合是指通过光纤将光信号从一个光学系统传输到另一个光学系统的过程。
在现代通信和光学领域，光纤耦合技术已经成为了不可或缺的一部分。
光纤耦合的原理涉及到光的传输、损耗和耦合效率等多个方面，下面我们将详细介绍光纤耦合的原理。
首先，光纤耦合的原理基于光的全内反射。
光线在两种介质之间传播时，如果
入射角大于临界角，光线将会被完全反射回原介质中。
这种全内反射的特性使得光能够在光纤内部传输，而不会发生大量的能量损耗。
因此，光纤成为了一种理想的光传输介质。
其次，光纤耦合的原理还涉及到光的衍射和色散。
光在光纤中传输时会发生衍
射现象，这会导致光的传输损耗。
另外，不同波长的光在光纤中传播速度也会有所不同，这就是色散现象。
因此，在光纤耦合设计中，需要考虑衍射和色散对光传输的影响，以提高光的耦合效率。
此外，光纤耦合还需要考虑到光的模式匹配。
光在光纤中传输时会呈现出不同
的传输模式，如单模和多模。
在进行光纤耦合时，需要保证光源和接收器的模式能够匹配，以提高耦合效率和光的传输质量。
光纤耦合的原理还涉及到光纤连接器的设计和制造。
光纤连接器是将光纤与光
学器件（如激光器、光纤放大器等）连接起来的关键部件。
光纤连接器的设计需要考虑到光的传输损耗、耦合效率和连接稳定性等因素，以确保光的有效传输和耦合。
总之，光纤耦合的原理涉及到光的传输、全内反射、衍射、色散、模式匹配和
连接器设计等多个方面。
通过合理设计和优化光纤耦合系统，可以提高光的传输效率和质量，从而实现更高性能的光学通信和光学传感应用。
光纤耦合
MATLAB
中 文 论 坛 与 作 者 交 流
【分析】 对于这种半导体激光器，从式(4.111)可得B(θ = 7.5◦ , φ = 0◦ ) = B0 (cos 7.5◦ )L = 0.5B0 ，于是可以求解L，在MATLAB中作出水平方向图。程序代码如下：
1 2 3 4 5 6 7 8
N = 1000; theta = linspace(-pi/2,pi/2,N); B1 = cos(theta); L = log(0.5)/log(cos(7.5/180*pi)); B2 = cos(theta).ˆL; polar(theta,B1) hold on polar(theta,B2,’--r’)
182
MATLAB
中 文 论 坛 与 作 者 交 流
图 4.20
光源耦合进光纤的光功率示意图
。
光纤端面在光源发射面中心之上并且其位置尽可能靠近光源。耦合光纤的光功率可以用 下面的关系式计算： ∫ ∫ P = As dAS Ω f B(AS , ΩS )dΩS ] (4.112) ∫r ∫2π [∫2π ∫θmax B ( dθS rdr = 0m 0 θ , φ ) sin θ d θ d φ 0 0
式中，PF 为耦合进光纤的光功率； PS 为光源发射出的全部光功率。发射效率或耦合效率取决 于和光源连接的光纤类型和耦合实现的过程，例如是否采用透镜或其他耦合改进方案。 实际上，许多光源供应商提供的光源都附带一小段长度（1m或更短）的光纤，以便使其 与光纤链接过程总是处于最佳功率耦合状态，这段短光纤通常称为“尾纤”或“跳线” 。因 此，对于这些带有尾纤的光源与光纤的耦合问题提可以简化成为一种简单形式：即从一根光 纤到另一根光纤的光功率耦合问题。在这个问题中，需要考虑的因素包括光纤的类型（单模 光纤或多模光纤） 、纤芯尺寸、数值孔径、纤芯折射率分布、光纤位置偏差等。
第6章 发光器件与光电耦合器件
图中（d）反光型光电耦合器，LED和光电二极管封装在 一个壳体内，两者发射光轴同接收光轴夹一锐角，LED发 出的光被测物体反射，并被光电二极管接收，构成反光型 光电耦合器。
图中（e）为另一种反光型光电耦合器，LED和光电二极 管平行封装在一个壳体内，LED发出的光可以在较远的位 置上放置的器件反射到光电二极管的光敏面上。显然，这 种反光型光电耦合器要比成锐角的耦合器作用距离远。
6.4.1 光电耦合器件的结构与电路符号
用来制造光电耦合器件的发光元件与光电接收元件 的种类都很多，因而它具有多种类型和多种封装形式。 本节仅介绍几种常见的结构。
1. 光电耦合器件的结构
光电耦合器件的基本结构如图6-28所示，图6-28（a） 为发光器件（发光二极管）与光电接收器件（光电二极 管或光电三极管等）被封装在黑色树脂外壳内构成光电 耦合器件。图6-28（b）者将发光器件与光电器件封装在 金属管壳内构成的光电耦合器件。使发光器件与光电接 收器件靠得很近，但不接触。
本章主要介绍目前已得到广泛应用的注入式半导 体发光器件及光电耦合器件。
6.1 发光二极管的基本工作原理与特性
1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发 光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和 图像显示器。进十年来，发光二极管的发光效率及发光光 谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。
2. 异质结注入发光
为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图2-13（a） 表示理想的异质结能带图。由于p区和n区的禁带宽度不相等，当 加上正向电压时小区的势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就 不断向n区扩散。
对n区电子，势垒仍然较高，不能注入p区。这样，禁带宽的p 区成为注入源，禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区（图213（b））。例如，禁带宽EG2=1.32eV 的p-GaAs与禁带宽EG1＝ 0.7eV p-GaAs与禁带宽EG1＝0.7eV的n-GaSb组成异质结后，nGaAs的空穴注入n-GaAs区复合发光。
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。
大功率半导体激光器合束技术及应用研究
大功率半导体激光束组合技术及其应用研究1.本文概述随着现代技术的发展，大功率半导体激光器在工业加工、医疗、通信等领域显示出巨大的潜力。
单个半导体激光器的输出功率往往难以满足这些领域的需求。
为此，出现了激光束组合技术，该技术将多个激光器的输出组合以实现更高功率的激光输出。
本文主要对大功率半导体激光器的合束技术进行了深入的研究和探索，分析了各种合束技术的原理、特点和应用场景，并对这些技术的未来发展进行了展望。
通过本研究，旨在为大功率半导体激光器的应用提供理论支持和实践指导，促进相关领域的技术进步。
2.半导体激光器的基本理论半导体激光器作为一种重要的光电子器件，其基本理论主要基于固态物理和量子力学。
半导体材料中的电子在受到光和电等外部刺激时会从低能级转变为高能级，形成非平衡电荷载流子。
当这些非平衡载流子通过辐射重新组合并返回到较低的能级时，它们会释放光子，产生激光。
半导体激光器的核心结构包括PN结，其中P型和N型半导体通过扩散形成PN结。
在PN结中，电子和空穴复合并释放能量。
当这种能量以光的形式释放时，就会形成激光。
激光的产生需要三个基本条件：粒子数反转、增益大于损耗和谐振腔的反馈效应。
粒子反转是指在较高能级上的粒子比在较低能级上的多的现象，这是产生激光的先决条件。
大于损耗的增益确保了光在谐振腔中的连续放大。
谐振腔的反馈效应使光在腔内多次反射和放大，最终形成高强度的激光输出。
半导体激光器的波长取决于其活性材料的能带结构。
通过选择不同的半导体材料或调整其组成，可以实现不同波长的激光输出。
通过改变谐振腔的结构和尺寸，还可以控制激光器的波长和输出特性。
在实际应用中，半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、可靠性好的优点，已广泛应用于通信、工业加工、医疗等领域。
随着技术的进步，半导体激光器将在更多的领域发挥重要作用。
3.激光光束组合技术原理高功率半导体激光束组合技术是将多个激光器的输出组合成一个高功率激光输出的技术。
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。
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］。
光纤光学自测题
试题中所用常数取：已知c=3×108m/s一．选择题（从下列各题四个备选答案中选出一个或多个正确答案，并将其代号写在题干前面的括号内。
答案选错或未选全者，该题不得分。
每小题2分，共16分）1．光纤通信的三个工作窗口中，对于常规光纤，最低损耗窗口是______A 0.85μmB 1.31μmC 1.40μmD 1.55μm2．常规单模光纤的三个工作窗口是_______A 0.85μmB 1.31μmC 1.40μmD 1.55μm3．光纤的损耗是由许多不同因素造成的，其中不可能消除的因素是_______A 弯曲损耗B OH—吸收C 过度金属离子吸收D 瑞利散射4．数值孔径NA是光纤的一个重要参数，下列哪些命题是错误的?________A NA越大，光纤的收光能力越大B NA越大，光纤的收光角越大C NA越大，光源与光纤的耦合效益越高D NA越大，多模光纤的模式色散越小5．有关光纤的色散曲线，下列哪一个命题是错误的______A 一个模式都有自己对应的截止频率B 光纤归一化频率V越大，光纤中存在的模式越少C HE11模是唯一不能截止的模式D 紧邻HE11模的高阶模是TE01、TM01、HE21模6．单模光纤不存在以下哪几种色散?______A 68 C 53.3 A 768 C 532四．计算题（要求写出主要计算步骤及结果。
共35分）1．某抛物线分布光纤，n1=1.5，Δ=0.001，纤芯直径2a=50μm，当用波长λ0=0.85μm的光激励时，试求：（共10分）（1）包层折射率n2=？（2）光纤的数值孔径NA=？2．一光信号在光纤中传播了5000m，功率损耗了85%，该光纤的损耗为多少dB/km？（共5分）3.均匀光纤纤芯折射率n1=1.5，工作波长λ0=1.3μm，芯径2a=10μm，若要保证单模传输，则对相对折射率差Δ有何要求？（共8分）4. 一石英光纤，其折射率分布如下：纵向传播常数与归一化频率如下图所示，试计算：（1）该光纤的截止波长；（2）若该光纤工作波长为1?m，将支持哪些模式传输；在忽略模式相互间的作用和光纤总色散的情况下，试分析这些模式在光纤中传输时的先后次序。
LD和LED的P-I曲线测量
LD和LED的P-I曲线测量一、实训目的1、掌握半导体光源P-I特性曲线测量方法，会寻找阈值电流2、掌握半导体光源与光纤的耦合方法3、了解激光二极管LD和发光二极管LED两种半导体光源的特性二、实训主要设备1．LED、LD光源与驱动电源； 2．耦合装置；3．光纤((F-MLD50：100/140多模光纤)； 4．光功率计和光检测器；5．光纤切割刀 6．显微镜7. 1/4节距自聚焦透镜三、实训原理与说明（一）光源类型光纤通信中最长用的光源是半导体激光器LD（Laser Diode）和半导体发光二极管LED （Light Emliilng Diode），它们都属于半导体器件。
LD和LED相比，其主要区别表现在，前者发出的是激光，而后者发出的是荧光，因此，LD的优点是谱线宽度窄，调制速率高，色散小，与光纤的耦合效率高，传输距离长，适用于长距离、大容量的传输系统；但LED 也有一些优点适合于低成本光通信系统：它的输出特性曲线线性好，使用寿命长，成本低，易于制作，对温度不敏感，适用于短距离、小容量的传输系统。
详细的发光原理及特性参见第四章。
本实验使用的光源是红外器件, LD 发射在近于780nm，LED 中心约在830nm。
因为这些器件发射不可见辐射，适当的防护用于保证消除可能的损害。
决不要直接看激光束或它的反射光束。
（二）GRIN 棒状透镜耦合如果切割抛物线渐变光纤的节距长度的1/4，它就能作为一个非常小的透镜（有时称为GRIN 透镜，Graded Index）用于光纤应用。
（图0.11）将光纤输出端面置于短长度光纤的面上，使得光纤中的光在小透镜末被准直，如同在透镜焦点的发散光被准直一样。
因为它的特征是由其长度决定的，这个渐变折射率透镜被认为是1/4节距或0.25 节距透镜。
在某些情况下，不需要光准直，而是需要光纤输出聚焦到一个小探测器上或把光源输出聚焦到光纤芯中。
完成这种情况最容易的方法是稍微增加GRIN 透镜的长度到0.29 节距（图0.11）。
第六章 光纤传感器中的耦合
c (n1 n 2 )
2 2
1
2
r
d
更精确的研究表明
（θc与 d/2r 有关 系，即与曲率半径 大小有关）。 等效接收角存在一 个最佳值，它所对 应的 d/2r 为0.75。 它可使 η实际 达到60％。
０
c
０.75
d 2r
端面球透镜制造方法：
（1）高温烧结：
烧后可自然地结成一个球，由于火焰烧制时气体喷射
实际装置
示 意 图
R
Z
楔形柱透镜 光纤
透镜半径 r：4≦ r ≦5 [μm]
光纤剥出长度 Ls：5≦ Ls ≦20 [mm]
用途：激光器耦合，适用于980nm泵浦激光器等 特点：针对细长形光斑激光器有70%以上高耦合效率
3、凸 透 镜 耦 合
将激光器放在凸透镜的焦点上，使其为平行光， 然后再用另一个凸透镜将平行光聚集到光端面上。
断面分析
12μm玻璃
纤维断面
（扫描电
镜照片）
断面通常由镜面区、模糊区和粗糙区等3个区域组成。 镜面区在断面原点附近，它是光学上的光滑面； 粗糙区断面有许多岔道，且整个样品被分成3个或更多的小块； 模糊区是这两个区域间的过渡地带；
光纤端面检验软件
Fiber QA EFI
PVI系统公司正式发行先进的光纤端面检验软件 FiberQA EFI 。该软件 包可以精确而又可靠地检测并识别所有缺陷，如划痕、屑片、凹点和 颗粒等。 此程序包含以纤芯、包层和环氧树脂环为重点的的全套度量衡标准。 Fiber QA EFI 能使得用户按照自己的需求规定测试极限值。它内含数 据库报表系统，可进行定量评估。
1、端面球透镜耦合
808nm光纤耦合激光器功率
808nm光纤耦合激光器功率808nm光纤耦合激光器功率是一个重要的激光器性能参数，通常用来描述光源的输出功率大小。
在医疗美容、半导体制造和科研领域中，808nm光纤耦合激光器广泛应用于激光照射、激光切割、激光焊接等工艺中。
本文将介绍808nm光纤耦合激光器功率的相关概念、其影响因素以及提高功率的方法。
首先，我们来了解一下光纤耦合激光器的功率概念。
光纤耦合激光器的功率指的是激光器输出端的平均功率，通常以瓦特（W）作为单位进行衡量。
光纤耦合激光器的功率与其泵浦源的功率、光纤的光损耗以及光学系统的效率密切相关。
其次，光纤耦合激光器功率受到多个因素的影响。
首先是泵浦源的功率。
泵浦源是提供能量给激光器介质的光源，在泵浦能量越大的情况下，激光器的输出功率也会相应增加。
其次是光纤的光损耗。
光纤会对传输的激光束进行损耗，导致输出功率下降。
因此，选择光损耗小、传输效率高的光纤对于提高输出功率非常重要。
最后是光学系统的效率。
光学系统包括透镜、反射镜等光学元件，其设计和质量都会直接影响输出功率的大小。
为了提高808nm光纤耦合激光器的功率，可以采取以下方法。
首先是增加泵浦源的功率，例如使用功率更大的二极管激光器来提供泵浦能量。
其次是选择光损耗小的光纤，例如低损耗的光纤材料以及精细加工的光纤连接接头。
此外，还可以通过优化光学系统来提高传输效率，例如使用高透射率的透镜和反射镜，减小反射和散射损耗。
此外，合理的整体激光器设计以及良好的冷却措施也有助于提高功率。
总而言之，808nm光纤耦合激光器功率是一个重要的性能指标，和泵浦源功率、光纤光损耗以及光学系统效率等因素密切相关。
通过增加泵浦源功率、选择光损耗小的光纤、优化光学系统和整体激光器设计等方法，我们可以有效地提高808nm光纤耦合激光器的输出功率。
这对于满足各种实际应用的需求非常重要。
半导体激光器原理及光纤通信中的应用
河北科技大学光电子技术结课论文半导体激光器原理及在光纤通信中的应用学生姓名张青（09L0704216）杨豪杰（09L0704214）刘腾（09L0704208）学生专业电子科学与技术班级 2摘要: 本文就半导体激光器介绍了半导体激光器的工作原理，较详尽地阐述了它在光纤通信中的应用情况。
关键词：半导体激光器谐振腔泵浦源工作物质光纤通信 WDM 激光技术; 半导体激光一、半导体激光器1.什么叫激光激光的英文叫Laser lightamplification by stimulated emission ofradiation. 就是通过受激发射实现光放大。
光通过谐振腔的选模作用和增益介质的放大作用，经过震荡和放大，实现拥有单色性、准直性、相干性非常好的光束，这个就是激光。
激光器有很多种类型，但他的必要组成部分无外乎：谐振腔、增益介质、泵浦源。
2、半导体激光器的工作原理2.1基本条件：（1）有源区载流子反转分布（2）谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡（3）满足阈值条件，使增益>损耗，有足够的注入电流。
2.2工作原理半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。
半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用.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。
理论上认为半导体激光器应该是在直接带隙半导体PN结中．用注入载流子的方法实现由柏纳德——杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电子和空穴复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内振荡并得到放大，最后产生相干激光输出。
基于ZEMAX的激光与多模光纤耦合系统设计
中文 核 心 期 刊
基 于 ＺＥＭＡＸ的激 光与 多模光 纤耦 合 系统设计
石科仁 ，朱长青
（军械 工程 学 院 车辆 与 电气 工 程 系 。石 家庄 ０５０００３）
摘要 ：针对半导体激光器远场光强分布不对称的特 点，利用 ＺＥＭＡＸ软件 的近轴平 面 ｘＹ实现对激光器快 慢轴不同发散 角的模拟。依据 多模光纤的数值孔径和芯径的要求，结合几何光学进行光线追迹分析 ，并 用 ＺＥＭＡＸ进行 了参数优化 ，得到 了耦合 系统的三维视 图，系统像面光斑尺寸满足多模光纤耦合要求。最 后 ，对耦 合 系统 进行 了测 试 实验 。 关键词：半导体激光器；耦合 系统；ＺＥＭＡＸ；几何光学；多模光纤 中 图分类 号 ：ＴＮ３６，０４３５．１ 文 献标 识码 ：Ａ 文章 编 号 ：１００２．５５６１（２０１６）０５．００４３．０３ ＤＯＩ：１０．１３９２１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００２—５５６１．２０１６．０５．０１３
１基 于 ＺＥＭＡＸ 的激 光 器 光 源设 计 我 们课 题 组 购 置 的半 导体 激 光 器 的光 源 宽度 为
（１ｘｌ００）Ｉｘｍ，快 轴 的发散 角 约 为 ３Ｏｏ，慢 轴 发散 角 接 近 ６ｏ．而且 在 近轴像 面 上存 在像差 。基 于此 ，本 文采 用 ＺＥＭＡＸ软 件 的近轴 ＸＹ面设 计 。首先 确定 一个 初始 的 发 散 角 ．让其 与慢 轴 发 散 角 ６ｏ相 同 ．根 据 数 值 孑Ｌ径 计 算 公 式 ＮＡ＝ｎｓｉｎａ。物 空 间 数 值孑Ｌ径 为 ０．０５２３．光 束 类 型选择 高斯 光束 ．波 长选 择 １．０３１ｘｍ。初 始设 定 的光 源 是 发 散半 角 ３。的 圆形光 束 ．出射 腔 面处 尺 寸半 长达 到 ５０１ｘｍ．图 １为光 源 快 轴 的发 散 角初 始 结 构 ．依 据 几 何 关 系 可 以 得 到 光 源 发 光 处 Ａ 点 到 出射 腔 面 Ｄ距 离
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6将调制电流置零，从零开始到50mA为止，每隔5m A测一次接收信号大小（示波器平均值），在接近阈值（大约40mA）之前某处（比如35mA）开始每隔1mA或0.5mA测一次，画出电光特性曲线（I-P），确定LD的阈值电流大小（曲线直线段的延长线与横轴交点）。
2．LED与光纤耦合
1，②，③，④，⑤同上。
⑥将调制电流置零，从零开始到80mA为止，每隔5m A测一次接收信号大小（示波器平均值），画出电光特性曲线（I-P）。
3．耦合效率
在上述耦合过程的前后用光功率计测量 （GRI设计一个模拟信号调制传输实验（选做）
2．耦合效率
耦合到光纤中的光能依赖于光纤的数值孔径，光纤仅能接收被光纤的数值孔径和芯径所限定的光锥内的那些光线，事实上有四个参数决定了耦合效率，它们是光源和光纤的数值孔径，光源的尺寸以及芯径。光源的尺寸和其数值孔径之积是一个常数，光源的数值孔径比光纤的大的情形称为过注入，通过加插透镜减小光源的数值孔径以适应光纤的数值孔径，但是光源在光纤端面上的成像尺寸将同时变大，耦合效率并不能获得提高，一种改善方法是所谓“贴背耦合”，即不用透镜而直接将光纤紧贴光源发射区，这时接收光功率与发射光功率之比为
3调整上述光纤定位器的X，Y，Z旋纽，将红外磷光片置于出纤端面前观察是否接收到光（有无光斑），如有，则将光斑调亮（既调整光纤入端光纤定位器的X，Y旋纽）后移去红外传感片，将光纤出端置于PIN光电管前2mm以内对准小孔位置（不能碰到PIN管）。
4同时观察示波器上该通道的直流耦合信号的直流分量（平均值）是否随着激光器调制电流的变化而变化，如否，则需检查步骤③。
预习与思考
1．光纤端面紧贴GRIN棒透镜能否提高耦合效率。
2．在“贴背耦合”时，阶跃折射率光纤的耦合效率高还是梯度折射率光纤的耦合效率高。
注意事项
1．完成实验后一定要将调制电流调回到零，先按一次激光输出按钮（灯灭），再拨钥匙至off，最后才能关电源。
2．LD，LED器件千万不能用手摸，否则它们将因静电而击坏。
实验目的
1．研究注入型激光二极管和发光二极管与光纤的耦合
2．判断耦合的效果
实验原理
1．光源类型及光发射特性
光纤光学系统使用的半导体光源有两种，发光二极管LED和注入型激光二极管ILD，此类器件及其发光机制的理论请参阅有关资料。任何光源可以用从它的表面所发的所有可能的光线的光功率分布来说明其发光特性，朗伯型光源是指其面单元在所有的方向上发射光，而准直光源是指其发射的光束在空间的发散角非常小。一般，光源亮度的角分布可表示为
其中α为光纤的折射率轮廓因子（梯度折射率光纤为2，阶跃折射率光纤为∞），耦合损耗为 。
最佳耦合是指光源的尺寸和其数值孔径之积与光纤的相匹配时的耦合，一般应使用透镜完成。
左图显示了发散特性不同的光源的耦合损耗随光纤的数值孔径变化的情况，由图可知，在使用相同自聚焦透镜和光纤（数值孔径 ）的情况下，ILD（ ）的偶合损耗要比LED（ ）的小很多（约10dB），LED光源的发散性使其耦合一般为过注入，当然耦合调整过程会容易些。
实验仪器
a)100/140多模光纤
b)ILD和LED装置
c)半导体光源驱动器
d)GRIN棒透镜光纤耦合器
e)红外磷光片
f)光纤定位器
g)光功率计
h)光电探头
i)数字示波器
j)光纤切割刀
注：零件细列及装配指南请执行软件“Newport光学实验计算机辅助平台”。
实验内容及操作要点：
先根据有关资料及辅助软件组装各个单元装置（半导体光源，GRIN棒透镜光纤耦合器，出纤及探测装置等），现以GRIN棒透镜光纤耦合器为例说明：用镊子将0.29节距GRIN棒透镜小心嵌进所示小孔内（或者把上面的金属盖片拿掉后放入，应调整和光源的间距），旋紧固定螺丝。将经过端面处理后的光纤嵌入光纤嵌槽桶后再装入光纤定位器（注意光纤端面和透镜的间距，它实际上和光源物距有关），然后根据下面的操作要点进行。
1．LD与光纤耦合
1打开505激光驱动电源开关，将其限制电流调至120mA (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。
2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），调整GRIN光纤耦合器（F-925）上的光纤定位器的X，Y，Z旋纽，将入纤端面置于GRIN镜后合适位置（离GRIN镜2mm以内中央，不能碰到GRIN镜）。
是离开光发射法线的最大角，由光源的几何形状决定。对漫射光源，m = 1，对准直光源，m为大值，中间为部分准直光源，ILD的辐射远场以典型的15°×30°发散，呈扇形分布。这是由于这些器件的发射面积很小，形成远场衍射，如图为一个m = 1（典型LED）和另一个m =20（典型ILD）在极坐标系中的辐射特性。
3．LD为近红外激光，小心不得直视或反射直视。
a 0.25节距形成平行光b 0.29节距形成会聚光
3．GRIN棒透镜
本实验使用梯度折射率（GRIN）棒透镜将半导体光源耦合进光纤。这种透镜是直径1~3mm，长度几毫米的小玻璃棒，其折射率沿径向分布如下式
是轴上折射率， ， 是分数折射率差， 是芯径。
GRIN棒透镜可以对光束进行准直或聚焦，此处用0.29节距的棒透镜对发散的半导体光源实现聚焦，节距是指光线在梯度折射率介质中沿正弦轨迹运行一周的长度。能够实现准直的为1/4节距的GRIN棒透镜。