半导体激光器与光纤高效耦合特性的研究_图文(精)
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根据大功率LD的光束特点,对楔形透镜光纤的楔角、柱面半径和工作距离等参数进行了优化设计。
将新型透镜光纤与其它不同结构和形状的透镜光纤分别对多种大功率半导体激光器进行耦合测试。测试结果表明,由于新型多有源区大光腔LD的激射光束纵横比得到极大的改善,它与光纤的耦合效率比相同条宽的单有源区LD有显著提高。采用楔角为900的GRIN/sMF结构的新型透镜光纤与隧道结级联大光腔LD的耦合效率比该透镜光纤与常规LD的耦合效率高出一倍以上。
北京工业大学
博士学位论文
半导体激光器与光纤高效耦合特性的研究姓名:于海鹰
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学指导教师:沈光地
20060401
摘要
摘要
大功率半导体激光器(LD,laser dio如因体积小、功耗低、转换效率高而且价格便宜等其他类型的激光器所无法比拟的优势,应用领域越来越宽广,对社会、经济、国防和百姓日常生活影响越来越大。伴随研究和生产水平的不断提高,相信它的应用领域会越来越宽广,发展前途无限光明。
ABSTRACT
Thc application fields o仆噜h-power semiconductorlaser diodes(LDsare wider aIld埘der duc to their unique advamges such as smaU in size, 10w power cons岫ption,high electric to optical energyconVerting emciency a11d che印in cost, which couldn’t be competitiVe by other
The coupling issucs with optical助erS are oRen deal wim in many application fields of high-power LD,such as也e light sources and purnping sources of optical fiberamplifiers in optical flber communications Systems,laser surgery operation in medicine,laser、velding a11d heat processing in materials mechaIlical process and so on.so t}le studies on也e coupling systems wim hi曲efficiency,nlorc practices,high reliability and more economics accordmg to the high-power LDs’chamcteristics have been one of the interesting research俎d Study dots.T0date,mey p勰sed through separated single lens,sepamted combine一1enses a11d 1ensed fibers which imegrated with optical fibers,total mree generations.Lensed fibers are very popular andfirst choice at present because of their simple s仃uctllres,high manufktLlre effБайду номын сангаасciency姐d easy integrated packaging propenies.
在与三种不同条宽的单有源区LD的耦合测试对比中,楔角为llO。的GRIN,MMF结构的新型透镜光纤对85一Hm和100.“m条宽的LD的耦合效率平均达到了80%和70%,最高值可达90%,居国内先进水平。楔角为110。的GRIN,sMF结构的新型透镜光纤对85.岬的LD的耦合效率达到了12.7%。
ABSTRACT
在与光纤耦合方面,利用透镜可以对LD入射光束进行准直、变换和聚焦,使入射光束的模场与光纤模场尽可能匹配。用作LD与光纤耦合的透镜先后经历了分立式单透镜、分立式组合透镜、与光纤集成的透镜光纤三代耦合系统。透镜光纤耦合系统(1ensed舶ers因其结构简单、制作高效、便于集成封装等特点,目前已是耦合应用的首选。
大功率LD的许多应用领域和应用场合都涉及到与光纤的耦合,比如光通信系统中的光源和光纤放大器的泵浦源,医疗方面的激光手术,材料加工方面的焊接和热处理等等。因此根据激光器的特性研制高效、实用、可靠和廉价的耦合系统一直是~个研究的热点。
大功率LD与光纤耦合的效率不高是由于两者的模场形式差异大造成的。前者的模场是非中心对称的椭圆形,后者为圆形。因此,提高大功率LD与光纤的耦合效率可以从LD和光纤两方面进行研究。在LD方面,减小或增加有源区的厚度,都可以减小激射光束的纵横比,改善LD光束的对称性。有多种途径实现LD光束特性的改善,其中采用多有源区隧道结级联大光腔结构的半导体激光器是既增加有源区等效厚度而又保证LD低闽值电流和高斜率效率等特性的最佳途径之一。
本论文围绕本实验室研发的新型隧道再生多有源区980m AlGa舳/G以S/In魄~s量子阱大功率半导体激光器和多种条宽的单有源区980砌AlGaAs/GaAs/InGaAs量子阱大功率半导体激光器的光场外特性、单模阶跃折射率光纤和多模渐变折射率光纤的模场特性进行了深入的理论分析和实验研究。由于大功率GaAs半导体激光器的条形电极宽度较大,光束的纵横比很高,而且由于多采用脊形波导结构,在侧面采用增益引导机制为主,在垂直于结平面是折射率引导机制,使得LD的激射光束在LD光腔内呈柱面波的形式传播。从LD的光外部特性来看,光束截面不但是非对称的、椭圆形光斑,而且在垂直和水平方向上光束束腰不在同一平面上,垂直光腰位于LD的出光面(解理面上,而水平光腰则在LD腔内,即“虚光腰”。因此LD的激射光束存在像散。对该光束作高斯近似,并假设LD激射后水平出光面上光斑的大小不随LD驱动电流的变化而改变,通过测量光束的远场发散角经过计算获得了虚光腰位置和尺寸。
北京工业大学工学博士学位论文
在考虑像散因素的情况下,对激射光束在不同条宽时光束束斑和波前曲率半径随传播距离的变化情况进行了模拟。
对球面透镜和锥形、柱形和楔形等非球面透镜进行了定性分析和比较。在此基础上,结合渐变折射率棒和光纤对入射光束的传输特性,提出了一种新型的大芯径渐变折射率(G刚N光纤与普通单模或多模光纤级联组成的组合式楔形透镜光纤耦合系统,即利用大芯径光纤增大对入射光的接收面积,利用l/4节距(Ditch渐变折射率媒质对光束的聚焦作用实现入射光的准直和聚焦,利用楔形透镜和柱面端面实现对入射光束垂直方向波前曲率半径的变换改变入射光束的模场,从而实现LD入射光束与单模光纤或多模光纤的模式匹配。
foms of laSers,resuhs in meir more and more imponant role for socie吼economics,military aIld hurnaIl’s daily・life.It is believed that the trend will go on as the developmem血research and study lever and their futIlre is expected.
将新型透镜光纤与其它不同结构和形状的透镜光纤分别对多种大功率半导体激光器进行耦合测试。测试结果表明,由于新型多有源区大光腔LD的激射光束纵横比得到极大的改善,它与光纤的耦合效率比相同条宽的单有源区LD有显著提高。采用楔角为900的GRIN/sMF结构的新型透镜光纤与隧道结级联大光腔LD的耦合效率比该透镜光纤与常规LD的耦合效率高出一倍以上。
北京工业大学
博士学位论文
半导体激光器与光纤高效耦合特性的研究姓名:于海鹰
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学指导教师:沈光地
20060401
摘要
摘要
大功率半导体激光器(LD,laser dio如因体积小、功耗低、转换效率高而且价格便宜等其他类型的激光器所无法比拟的优势,应用领域越来越宽广,对社会、经济、国防和百姓日常生活影响越来越大。伴随研究和生产水平的不断提高,相信它的应用领域会越来越宽广,发展前途无限光明。
ABSTRACT
Thc application fields o仆噜h-power semiconductorlaser diodes(LDsare wider aIld埘der duc to their unique advamges such as smaU in size, 10w power cons岫ption,high electric to optical energyconVerting emciency a11d che印in cost, which couldn’t be competitiVe by other
The coupling issucs with optical助erS are oRen deal wim in many application fields of high-power LD,such as也e light sources and purnping sources of optical fiberamplifiers in optical flber communications Systems,laser surgery operation in medicine,laser、velding a11d heat processing in materials mechaIlical process and so on.so t}le studies on也e coupling systems wim hi曲efficiency,nlorc practices,high reliability and more economics accordmg to the high-power LDs’chamcteristics have been one of the interesting research俎d Study dots.T0date,mey p勰sed through separated single lens,sepamted combine一1enses a11d 1ensed fibers which imegrated with optical fibers,total mree generations.Lensed fibers are very popular andfirst choice at present because of their simple s仃uctllres,high manufktLlre effБайду номын сангаасciency姐d easy integrated packaging propenies.
在与三种不同条宽的单有源区LD的耦合测试对比中,楔角为llO。的GRIN,MMF结构的新型透镜光纤对85一Hm和100.“m条宽的LD的耦合效率平均达到了80%和70%,最高值可达90%,居国内先进水平。楔角为110。的GRIN,sMF结构的新型透镜光纤对85.岬的LD的耦合效率达到了12.7%。
ABSTRACT
在与光纤耦合方面,利用透镜可以对LD入射光束进行准直、变换和聚焦,使入射光束的模场与光纤模场尽可能匹配。用作LD与光纤耦合的透镜先后经历了分立式单透镜、分立式组合透镜、与光纤集成的透镜光纤三代耦合系统。透镜光纤耦合系统(1ensed舶ers因其结构简单、制作高效、便于集成封装等特点,目前已是耦合应用的首选。
大功率LD的许多应用领域和应用场合都涉及到与光纤的耦合,比如光通信系统中的光源和光纤放大器的泵浦源,医疗方面的激光手术,材料加工方面的焊接和热处理等等。因此根据激光器的特性研制高效、实用、可靠和廉价的耦合系统一直是~个研究的热点。
大功率LD与光纤耦合的效率不高是由于两者的模场形式差异大造成的。前者的模场是非中心对称的椭圆形,后者为圆形。因此,提高大功率LD与光纤的耦合效率可以从LD和光纤两方面进行研究。在LD方面,减小或增加有源区的厚度,都可以减小激射光束的纵横比,改善LD光束的对称性。有多种途径实现LD光束特性的改善,其中采用多有源区隧道结级联大光腔结构的半导体激光器是既增加有源区等效厚度而又保证LD低闽值电流和高斜率效率等特性的最佳途径之一。
本论文围绕本实验室研发的新型隧道再生多有源区980m AlGa舳/G以S/In魄~s量子阱大功率半导体激光器和多种条宽的单有源区980砌AlGaAs/GaAs/InGaAs量子阱大功率半导体激光器的光场外特性、单模阶跃折射率光纤和多模渐变折射率光纤的模场特性进行了深入的理论分析和实验研究。由于大功率GaAs半导体激光器的条形电极宽度较大,光束的纵横比很高,而且由于多采用脊形波导结构,在侧面采用增益引导机制为主,在垂直于结平面是折射率引导机制,使得LD的激射光束在LD光腔内呈柱面波的形式传播。从LD的光外部特性来看,光束截面不但是非对称的、椭圆形光斑,而且在垂直和水平方向上光束束腰不在同一平面上,垂直光腰位于LD的出光面(解理面上,而水平光腰则在LD腔内,即“虚光腰”。因此LD的激射光束存在像散。对该光束作高斯近似,并假设LD激射后水平出光面上光斑的大小不随LD驱动电流的变化而改变,通过测量光束的远场发散角经过计算获得了虚光腰位置和尺寸。
北京工业大学工学博士学位论文
在考虑像散因素的情况下,对激射光束在不同条宽时光束束斑和波前曲率半径随传播距离的变化情况进行了模拟。
对球面透镜和锥形、柱形和楔形等非球面透镜进行了定性分析和比较。在此基础上,结合渐变折射率棒和光纤对入射光束的传输特性,提出了一种新型的大芯径渐变折射率(G刚N光纤与普通单模或多模光纤级联组成的组合式楔形透镜光纤耦合系统,即利用大芯径光纤增大对入射光的接收面积,利用l/4节距(Ditch渐变折射率媒质对光束的聚焦作用实现入射光的准直和聚焦,利用楔形透镜和柱面端面实现对入射光束垂直方向波前曲率半径的变换改变入射光束的模场,从而实现LD入射光束与单模光纤或多模光纤的模式匹配。
foms of laSers,resuhs in meir more and more imponant role for socie吼economics,military aIld hurnaIl’s daily・life.It is believed that the trend will go on as the developmem血research and study lever and their futIlre is expected.