激光二极管与单模光纤的自动耦合技术
激光二极管、激光模组、光纤耦合激光器模块的关系
激光二极管、激光模组、光纤耦合激光器模块的关系文章标题：深度探讨激光二极管、激光模组、光纤耦合激光器模块的关系在当今的科技发展中，激光技术已经成为了不可或缺的一部分。
激光二极管、激光模组和光纤耦合激光器模块是激光技术中的重要组成部分，它们之间的关系密不可分。
本文将从深度和广度的角度探讨这三者之间的关系，以帮助读者更好地理解激光技术的发展和应用。
一、激光二极管激光二极管是一种半导体激光器件，利用半导体材料的特性来产生激光。
激光二极管是激光技术中的基础部件，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
它的工作原理是通过注入电流使半导体材料发生电子和空穴复合，从而产生光子放大。
激光二极管具有体积小、功耗低、寿命长等优点，因此在激光技术中得到了广泛的应用。
二、激光模组激光模组是指将激光二极管和相关光学元件（如透镜、反射镜等）集成在一起的模块化组件。
激光模组的主要作用是对激光进行调控和整形，以满足不同应用场景的需要。
激光模组通常包括激光二极管驱动电路、温控系统、光学元件等部分。
通过激光模组的设计和优化，可以实现激光的稳定输出、调制和整形，从而满足不同行业对激光的特定需求。
三、光纤耦合激光器模块光纤耦合激光器模块是一种将激光通过光纤耦合传输的模块化组件。
光纤耦合激光器模块在激光通信、激光测量等领域有着重要的应用。
它的主要作用是将激光通过光纤进行传输，通过光纤的柔韧性和低损耗特性，可以将激光输送到远距离，实现高效的激光传输和耦合。
四、激光二极管、激光模组和光纤耦合激光器模块的关系激光二极管、激光模组和光纤耦合激光器模块之间存在着密切的关系。
激光二极管是激光技术的核心部件，它的稳定性和输出质量对整个激光系统的性能起着关键作用。
激光模组则是对激光进行整形和调控的关键环节，它可以根据具体的应用需求对激光进行调制和优化。
而光纤耦合激光器模块则是实现激光传输和耦合的关键部件，它可以将激光输送到远距离，并保持高效的传输质量。
个人观点和理解激光技术在现代科技中有着广泛的应用，激光二极管、激光模组和光纤耦合激光器模块作为激光技术的核心组成部分，在各自的领域都发挥着不可替代的作用。
光纤耦合 单模激光二极管 -回复
光纤耦合单模激光二极管-回复光纤耦合单模激光二极管是一种基于光纤传输的激光器件，具有高度集成化和高传输效率等优势。
本文将一步一步回答关于光纤耦合单模激光二极管的相关问题，帮助读者深入了解这一技术。
第一步：什么是光纤耦合单模激光二极管？光纤耦合单模激光二极管是一种将激光器件与光纤进行有效耦合的技术。
它由一个单模激光二极管和一根光纤组成，通过特殊的结构和设计，实现了高效的激光光纤耦合。
光纤耦合单模激光二极管可在相对较短的波长范围内提供高质量和高功率的激光输出。
第二步：为什么需要光纤耦合单模激光二极管？光纤耦合单模激光二极管具有多种应用场景。
首先，它可以用于光通信系统中，作为高速数据传输的光源。
其次，它广泛应用于光纤传感、医疗设备、材料加工等领域。
光纤耦合单模激光二极管的优势在于其集成化和紧凑的结构，能够满足高度集成化和小型化的需求。
同时，通过光纤的传输，可以实现免疫电磁干扰和远距离传输等优点。
第三步：光纤耦合单模激光二极管的工作原理是什么？光纤耦合单模激光二极管的工作原理涉及到激光器件和光纤之间的耦合过程。
在这个过程中，激光通过激光二极管的激发产生，然后通过特殊的耦合光纤传输到目标位置。
在整个过程中，需要考虑激光的发散角、光纤的损耗和光纤对激光束质量的影响等因素。
第四步：如何实现光纤耦合单模激光二极管的优化？要实现光纤耦合单模激光二极管的优化，需要对其结构和性能进行进一步的设计和改进。
首先，设计适合的光学耦合结构，以确保激光能够高效地耦合到光纤中。
其次，优化激光二极管的发散角和功率输出，以提高光纤耦合的效率和质量。
此外，还需要考虑激光二极管和光纤之间的光学匹配和机械稳定性等问题。
第五步：光纤耦合单模激光二极管存在哪些挑战和应对策略？光纤耦合单模激光二极管在实际应用中面临一些挑战和难题。
首先，激光二极管和光纤之间的匹配问题需要仔细考虑，以确保有效的光纤耦合。
其次，光纤传输的衰减和损耗会影响激光的输出功率和质量，需要通过合适的补偿措施来解决。
激光与光纤耦合技术
(a) 化学腐蚀法加工的圆锥形微透镜
(b)拉丝法加工的圆锥形微透镜 图 2.4 圆锥形微透镜光纤耦合原理图
由图可看出γ2 < γ。如果锥形长度 l >>(an -al)时，则近似地有 :
sin γ n −1 an sin γ 1 a1 sin γ 2 a2 = = = , ...... sin γ 2 a2 sin γ 3 a3 sin γ n an −1
图 2.3 球透镜端面耦合中光纤参数与等效接收角关系
4
由图可看出，通过控制球透镜半径与光纤纤芯直径的比值，可以明显扩大光纤的等效 数值孔径角。制作光纤端面球透镜时，通常使用火焰烧制法和球透镜粘贴法。前者在制作 时，由于火焰有一定的气流喷射，这将对烧制出的球透镜对称性有较大影响。为此，可以 改用高压电容充放电火花的方法来烧制。后者是将去掉包层且加工好的平面端面光纤放入 较其熔点低、熔融的玻璃中，然后将其拉出，依靠表面张力形成球面透镜。 (2)圆锥形微透镜耦合 圆锥形微透镜耦合就是通过化学腐蚀或者拉丝的方法，将光纤的一段加工成类似圆锥 状来进行激光与光纤的耦合。两种方法加工的光纤外形如图分别为 2.4(a)和(b)。以拉丝的 方法制作的圆锥形光纤为例， 分析其特性。 圆锥形微透镜光纤的前端半径为 al ， 光纤本身(末 端)的半径为 an 。光以θ角入射进光纤，在光纤中的传播路径如图 2.4(b)所示。
(2.1)
其中 n1 为光纤纤芯折射率，n2 为光纤包层的折射率。若 r=∞时，式 (2.1)就化简成了
sin = θc
(n
2 1
2 2 − n2 ) ，即平面端面光纤的数值孔径角。图 2.3 为 nl=1.471， n2=1.457 时，利用
1
式 (2.1)，对球透镜端面耦合的等效接收角进行计算，求得的光纤参数 a/2r 与等效接收角 θc 的关系，如图 2.3 所示。
激光二极管与单模光纤的耦合效率研究
Ｖｏ ＿０ Ｎｏ １ ｌ３ ．８
企 业 技 术 开 发
Ｔ ＣＨＮＯＬ Ｅ ＯＧＩ ＡＬ ＤＥＶＥ ＯＰ Ｃ Ｌ ＭＥＮＴ ＯＦ Ｅ Ｅ ＲＩＥ ＮＴ ＲＰ Ｓ
２ １ 年 ９月 ０１
Ｓ ｐ．０１１ ｅ ２
激光 二极 管与单模 光纤 的耦合 效率研 究
耵Ｅｘ ）２，ｄ ｙ／ ｌ，Ｅ（ｙ ｘ ，Ｅ（ｙ ｘ ｌ［ （ｙ ＊ ，ｄ ｙ （ｙ ＊ ）ｄ 盯Ｅ ｘ）ｌ ） ｄ ｘ ｘ （） ３
有效地预测实验结果 ，对实现光信号 的有效耦合将起决 定性 的作用 。关于激光二极管 与光纤 的耦合特性人们做 过很多相关 的研究。 文章 以重叠面积积分计算方法为基础 ，运用 高斯光 束变换的 Ａ Ｃ Ｂ Ｄ定律 ，来研究带尾纤光源与光纤 之间的 耦合效率问题 。依据高斯光束特性 以及实际耦合过程 中 存在 的偏移情况 ，给出激光光源与光纤之间的耦合效率 的计算式和模拟结果。
当高斯光束在均匀介质 中传播时 ，其场分布可表示
为：
Ｅ（ ，，） （ ０ ｘ ｛ｉ ｚ －（ ） ｘｙｚ ＝１ Ｅ ｐ －［ 一 ｚ ＋ ） ｅ ０ ｋ ｑ ］ （） ） ｚ （） ２
２ ｚ ｑ（ Ｊ
式 中， ｚ为附加相移 ，。 （ ） ∞ 为光腰半径。
２ 耦合效率
陈 芳 ’杨 成 林 ２ ，
（． １四川师范大学 成都学 院 ， 四川 成都 ６ １４ ； １７ ５ ２电子科技大学 自动化工程学 院， ． 四川 成都 ６ １３ ） １７ １
摘 要 ： 章 在 重 叠 面积 积 分 计 算 方 法 基 础 上 来研 究光 源与 光 纤 之 间 的耦 合 效 率 问题 。依 据 高斯 光 束 特 性 以 文
一种自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法
一种自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法自由空间激光耦合至单模光纤是现代光通信和激光技术中的重要组成部分。
在光通信系统中，为了保证光信号的传输质量和稳定性，需要将自由空间激光有效地耦合至单模光纤中。
这涉及到一种特殊的装置和方法，以确保激光能够高效地进入光纤，并在其中传输。
本文将深入探讨一种用于实现自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法，并对其进行全面评估和讨论。
1. 装置原理及结构针对自由空间激光耦合至单模光纤的需求，研究人员设计了一种特殊的装置，以实现高效的光耦合。
该装置通常由激光源、聚焦系统、耦合透镜、光纤对准器等组成。
激光源产生高质量的激光光束，聚焦系统将光束聚焦到耦合透镜上，然后通过耦合透镜将光束有效地耦合至单模光纤中。
光纤对准器用于确保光束能够准确地对准光纤的接口，从而最大限度地提高耦合效率。
2. 方法步骤及优化在实际应用中，为了实现高效的自由空间激光耦合至单模光纤，需要遵循一系列方法步骤并进行优化。
需要对激光源进行精确的调节和控制，以确保光束质量和稳定性。
通过精密的聚焦系统将光束聚焦到耦合透镜上，并通过优化聚焦参数来控制光束的大小和形状。
接下来，通过精确调节耦合透镜的位置和倾斜角度，使其能够将光束高效地耦合至单模光纤中。
通过光纤对准器的辅助，对准光束和光纤的接口，以确保光束能够完全地进入光纤中，并最大限度地减少耦合损耗。
3. 个人观点与理解针对自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法，我认为关键在于对光束的精确控制和对光纤的精确定位。
只有在这些方面做到足够的精度和稳定性，才能实现高效的光耦合。
随着光通信和激光技术的不断发展，未来还可以进一步优化装置结构和方法步骤，以实现更加高效和稳定的自由空间激光耦合至单模光纤。
4. 总结与展望通过本文的讨论，我们对一种用于实现自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法有了全面的了解。
在实际应用中，我们需要综合考虑装置结构和方法步骤，通过精密的操作和优化，实现高效的光耦合。
光纤耦合 单模激光二极管
光纤耦合单模激光二极管光纤耦合技术是一种将光纤与其他光学器件相连的关键技术，广泛应用于通信、医疗、工业、军事等领域。
而单模激光二极管是一种能够输出单模光束的光电器件，具有较小的发散角度和高功率输出的特点。
光纤耦合单模激光二极管则将这两种技术相结合，可在光通信、激光器、传感器等领域发挥重要作用。
光纤耦合技术的核心是实现光的高效传输，以确保信号的准确传递和高质量的数据传输。
而单模激光二极管能够输出高质量的单模激光，具有窄的发散角度和较高的功率输出。
将这两者相结合，可以实现光纤与其他光学器件之间的紧密连接，提高光传输的效率和可靠性。
在实际应用中，光纤耦合单模激光二极管的操作步骤如下：首先，需要将单模激光二极管的输出端与光纤的输入端进行定位。
然后，采用一些准确的对位手段，如调节光纤插入深度、调整耦合角度等，以实现最佳的光耦合效果。
接下来，可以通过监测输出功率和检查光谱特性等指标，进一步调整光纤和单模激光二极管之间的耦合状态，以达到最佳的工作状态。
在进行光纤耦合单模激光二极管的时候，需要注意以下几个方面。
首先，要保持光纤和单模激光二极管的端面洁净，避免灰尘和污染物的影响。
其次，需要确保单模激光二极管的工作温度稳定，以免温度变化引起光输出的不稳定性。
此外，还需要合理选择光纤和单模激光二极管的匹配度，以实现最佳的匹配效果。
光纤耦合单模激光二极管具有广泛的应用前景。
在光通信领域，它可以实现高速率的信号传输和长距离的信号传送，提高通信网络的传输质量。
在激光器领域，它可用于光纤激光器的激发和光纤放大器等器件的驱动。
在传感器领域，它可以用于实时监测和控制环境变量，如温度、压力、湿度等。
总之，光纤耦合单模激光二极管是一种非常重要的光学器件，它将光纤耦合技术和单模激光二极管技术相结合，广泛应用于通信、医疗、工业、军事等领域。
在实际应用中，我们需要合理选择光纤和单模激光二极管，精确调节光耦合状态，以实现最佳的光传输效果。
相信随着技术的进一步发展，光纤耦合单模激光二极管将在更多领域中发挥出更大的作用。
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激光器输出功率峰值点附近振动 , 它的频率是原振动信号的两倍 , 经光强处理电路滤波后 只取其平均值 , 所以有振动信号时的功率总是小于不加振动信号时的功率 .另外 , 单片机 输出的是非连续信号 , 其输出电压很难正好落在使激光器输出功率为最大值处 , 而用手调 节可使电压连续变化 , 保证激光功率达到最大值 .
第 4 期 李桂秋等 :激光二极管与单模光纤的自动耦合技术 407
发生了变化 .单片机反复判断处理 , 不断改变送给驱动器的电压 , 直至斜率信号为零 , 输出 电压保持不变 , 激光二极管与光纤的耦合效率达到最大 .
ig .2 curve
(1)
其中 , x 、y 是激光器发光面上两个互相垂直方向上的位移量 , z 是光纤入射端面与激光器
发光面之间的距离 .
首先在显微镜下进行粗调 , 使激光器发光面与光纤入射端面在 X 、Y 方向上的相对位
移量落在微位移驱动器的校正范围内 , 然后调节这两个面在 Z 方向间的距离 , 找到耦合
功率在该方向的最大值点并固定该点不变 , 此时输出功率可表示成 :
数值大约为 31 mA , 为保证激光器激射 , 加在激光器上的电流 I >Ith .由图 5可知 , I 越大激
光器的输出功率越大 , 但此时激光器越容易烧坏 , 而且激光器与单模光纤的模场匹配越 差 , 耦合效率也越低 .因为单模光纤的 HE11 模式的场分量 , 在纤芯和包层里分别按第一类 贝塞尔函数和第二类虚宗量的贝塞尔函数变化 , 这种分布是很接近高斯分布的 .要使激光
第 33 卷 第 Vol .3 3 No
4期 .4
山JO U东RN A大L O F 学SH AN学DO N报G(U自N然IVE科R学SIT版Y) 19D98ec年.119298月
激光二极管与单模光纤的自动耦合技术
李桂秋 王效杰
(山东大学光电系)
凌
宁
姜文汉 代子昌
(中科院光电所)
f(x , x
y)/
π,
(11)
P7 =2kxm
f(x , y
y)/
π.
(12)
由于单模光纤的 P =f (x , y)有唯一的极大值 , 设 x =xk 、y =yk 时P 得到其极大值 ,
在该点处功率分布曲线的斜率
f(xk , x
xk
)=0
、
f(xk , y
xk)=0 , 即 P 6
=P7
=0 .因而将 P 6
实验过程如下 :首先将开关 K 打至光功率计处 , 通过显微镜观察 , 调节机械台 X 、Y 两 个方向的旋钮 , 让激光二极管的发光面与光纤端面在这两个方向上的相对位移量在驱动 器的可调范围内 .再调节激光二极管在 Z 方向的位置 , 找到功率计在该方向上的最大值 点 , 在以后的实验中激光器发光面与光纤端面之间在 Z 方向的相对位置保持不变 .然后 将开关 K 打到斜率信号提取电路一方 , 此时将高频振动信号通过高压放大器加到驱动器 上 , 斜率信号提取电路便得到光功率曲线的斜率 , 该信号送给 A/ D 转换成数字量后再送 给单片机进行判断和处理 , 并以数字量的形式输出给 D/ A 转换器 , 转换后的模拟电压通 过相加器和高压放大器与振动信号一起加到驱动器上 , 光纤与激光二极管的相对位置就
408 山 东 大 学 学 报(自然科学 版) 第 33 卷
器与单模光纤的模场匹配 , 激光器的发射光束也要呈高斯分布 , 激光器工作在基横模时能 满足这种要求 , 而激光器的注入电流越低 , 水平横模数越少 .因此为提高光源与光纤的耦 合效率 , 激光器的注入电流 I 应略大于 Ith .综上原因 , 做校正实验时加在激光器上的电流 选为 36 mA .
摘要 阐述了高频振动爬山法对激光二极管与单模光纤进行耦合的原理 , 给出 了两维校正的实验结果 .高频振动法与微机结合使用可对光源与光纤的耦合进 行自动寻优 , 该方法使系统的校正效果好 , 性能稳定 . 关键词 高频振动 ;激光二极管 ;单模光纤 ;自动耦合 中图分类号 TN253
光纤通信技术是近年来迅猛发展的新兴技术 , 是世界新技术革命的重要标志 , 又是未 来信息社会中各种信息网的主要传输工具 .在光纤通信技术中用光纤作为传输工具必须 要解决光源与光纤 、光纤与光纤 之间的耦合问题 .因为单 模光纤的芯径 一般不超过 10 μm , 定位精度稍有偏差就会降低耦合效率 , 影响光能的传输 .本文采用自适应光学中常用 的高频振动爬山法 , [ 1] 用压电陶瓷微位移驱动器[ 2] 作为校正元件 , 用单片机对 GaAs 与芯 径为 5μm 的单模光纤进行自动耦合 .实验结果表明原理是正确的 , 技术是可行的 , 系统具 有自动操作的特点 , 对准精度高 , 速度快 .
其中 V0 即为相干检波器的乘法因子 :
(
V0 =
+1 sin ωxt -1 sin ωxt
≥0 或 sin ωyt <0 或 sin ωyt
≥0 <0 .
(10)
P4 、P5 再经低通滤波器 , 将正弦信号滤掉 , 便得到 P6 、P7 :
∫ ∫ P6 = kxm
f
(x , x
y)[
π
2π
0 sin ωxt d(ωxt )+ π -sin ωxt d(ωxt)] / 2π =2kxm
见 , 从校正开始到功率稳定所用的时间 t =0 .9 s , 功率稳定性很好 . 为证明耦合功率已达最大值 , 实验中 , 在保持激光器电流不变的情况下 , 用手调节 , 通
过高压放大器给驱动器施加外电压 , 此时无振动信号 , 反复调节使功率计读数达到最大 值 , 得 P2 =25 .8 μW .P1 和 P2 只相差 0 .1 μW , 这说明实验是成功的 .P 2 之所以比 P1 大主
图 5 给出了激光二极管电流 I =0 ～ 50 mA 时校正前后的 P-I 曲线(1)和(2), 坐标标 度为 I =0 .5 V/ cm 、p =10 mV cm , 拐点 A 以后的部分在相同的电流下校正后的光强比校 正前的大 , 校正效果很明显 .拐点 A 所对应的电流即为激光器的阈值电流 Ith , 由图可见其
P = f(x , y)
(2)
对于 x 和y , P 具有单个极大值 .因此最佳耦合位置的寻优是一个多元函数求极值问题 , 可
收稿日期 :1996-12-20
第 4 期 李桂秋等 :激光二极管与单模光纤的自动耦合技术 405
用高频振动法进行处理 , 用两个微位移驱动器改变光纤位置 , 从而使光源与光纤的耦合效
(3)
其中 xi 、yi 为没加正弦信号时光纤在耦合缝中的位置 , xm 、ym 为正弦信号的振辐 , ωx 、ωy
为它们的角频率 .
将(3)式用泰勒级数展开并取前两项有 :
P = f(xi , yi )+(xm sin ωxt x +ymsin ωyt y)f (xi , y i).
(4)
因而在与光纤输出端相连的传感器上探测到的信号送给交流放大器 , 将该信号的直流成
由于系统采用了高频振动法 , 它可使用相干检波器进行相关检测以消除噪声 , 这一方 法本身具有很高的检测灵敏度和很强的抗干扰性能 , 其优越性已在波前校正系统中得到 证明 .[ 1] 对于在固定光纤位置的焊接中电脉冲的干扰 , 利用电磁波的衰减特性 , 将产生电 脉冲的电源离系统远一些 , 可削弱它的干扰 .总之 , 对于电压波动 、外界干扰以及焊接中电 脉冲的干扰等 , 只要采取适当的方法 , 使其在驱动器的可调范围内 , 都可进行实时校正 , 以 确保系统的调整精度 .
实验装置如图 1 所示 .激光二极管装在三维机械调节台上 , 其发光面与调节台的 XY 平面平行 , 通过调节机械台 X 、Y 、Z 三个方向的旋钮 , 激光器在这三个方向上就产生位 移 .光纤装在一个特制的夹具上 , 夹具上装有一段 10cm 长的细铁管 , 细铁管与两个驱动器 所在的平面垂直 , 光纤放在细铁管内 .让细铁管与调节台的 XY 平面垂直 , 这就解决了光 纤轴线的倾斜问题 .如果光纤入射端面切割得非常平整并与其轴线垂直 , 则光纤入射端面 与激光器发光面的法线就互相平行 .光纤夹具与两个压电陶瓷驱动器 PZT 连在一起 , 所 以当给驱动器施加外电压时其产生位移 , 便带动光纤沿 X 、Y 两个方向运动 .利用 δ-V 测试 仪[ 3] 测得两个驱动器的 δ-V 曲线分别见图 2 和图 3 , 它们的变形灵敏度分别为 :Dx =18/ 1 400 =0 .013 μm V , Dy =13/ 1 400 =0 .009 μm V .由此可见 , 压电陶磁驱动器产生的变形 量是微米级的 , 位移分辨率可达到 0 .01μm .
P2 = kxm sin ωxt
f
(x , x
y),
(6)
P3 = kym sin ωyt
f
(x , y
y),
(7)
其中 k 为常数 .
P2 、P3 经过相干检波器后得到 :
P4 = kV0 xm sin ωxt
f(x , x
y
),
(8)
P5 = kV0 ym sin ωyt
f(x , y
y
),
(9)
1 高频振动法的原理
光纤的输出功率 P 取决于激光腔的耦合缝和光纤之间的位置关系 , 当光纤位于耦合
缝的某一位置时 , 耦合效率最大 , 输出功率也最大 .如果在仪器中使激光器发光面与光纤
入射端面互相平行 , 那么这两个面的法线与 Z 轴都互相平行 , 此时输出功率可以表示为 :
P =f (x , y , z)
分滤掉 , 只对交流成分进行放大 , 得到(xi 、yi 仍用 x 、y 来表示):