半导体激光器和光纤的耦合

半导体激光器和光纤的耦合

高树理

(西安建筑科技大学理学院,西安710055)

摘要:半导体激光器与光纤的耦合是提高EDFA性能的关键技术之一,论文详细分析光纤与半导体激光器耦合的各种方法,最后总结出了提高耦合效率的研究方向。

关键词:光纤;半导体激光器;耦合效率

中图分类号:TN248文献标识码:A文章编号:1008-8725(2010)02-0028-03

Coupling of Semiconductor Laser with Fiber

GAO Shu-li

(College of Science,Xi c an University of Archi tecture&Technology,Xi c an710055,China)

Abstract:The coupling of semiconductor laser with fiber is a key technology to obtain EDFA with high perfor-mance.Methods of c oupling of semiconduc tor laser with fiber are analyzed in the paper.The direction of re-search to improve the coupling efficiency is summarized at last.

Key words:fiber;semiconductor laser;the coupling efficiency

0引言

近年来,半导体激光器与光纤的耦合技术得到了迅速发展,而且日趋成熟。按照半导体激光器与光纤之间是否存在光学元件,将耦合方式分为两种,即直接耦合与间接耦合。因为LD

和平面光纤的耦

图2T2中断服务程序流程图

5结束语

文章讨论了传统频率测量方法的原理及误差。

在此基础上,对多周期同步测频技术的原理及其误

差进行了详细分析。由于多周期同步测频技术的测

量精度与被测信号的频率无关,实现了整个测量频

段内的等精度测量,消除了M法中对被测脉冲信号

的计数量化误差,克服了M P T法中高低频两端精度

高而中界频率附近测量误差最大的缺陷。提出了基

于AT89C52实现多周期同步测频方法,利用T2的捕

捉功能和外部中断产生与待测信号同步的闸门时

间,通过T2的定时功能实现了时基信号与待测信号

的同步计数,使得系统只用一个定时器P计数器T2

就实现了多周期同步测频技术,该系统软硬件结构

简单,具有较高的测量精度和较短的系统反应时间。

参考文献:

[1]尹克荣.智能仪表中的频率测量方法[J].长沙电力学院学报,

2002,17(1):74-76.

[2]章军,张平,于刚.多周期同步测频测量精度的提高[J].电测与

仪表,2003,40(6):16-18.

[3]王连符.测频系统测量误差分析及其应用[J].中国科技信息,

2005.

[4]李全利.单片机原理及应用技术[M].北京:高等教育出版社,

2001.

[5]李群芳,黄建.单片微型计算机与接口技术[M].北京:电子工

业出版社,2002.

[6]孙传友,孙晓斌,汉泽西,等.测控系统原理与设计[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2002.

(责任编辑王秀丽)

收稿日期:2009-12-04;修订日期:2009-12-22

作者简介:高树理(1983-),男,西安人,硕士研究生,助教,现在西安建筑科技大学从事光纤激光器的研究工作,E-mail: gaoshuli1983@。

第29卷第2期

2010年2月

煤炭技术

Coal Technology

Vol129,No102

Feb,2010

合效率较低,因此一段时期,采用透镜+平面光纤的方式来提高耦合效率。随着耦合技术的发展通过改进光纤端面结构,直接耦合也可获得较高耦合效率,而与间接耦合相比,直接耦合还具有结构简单的优点。

1 直接耦合

在谐振腔内部和谐振腔外的空间,半导体激光器的光强分布是遵循一定规律的。由文献[2]可知,空间任意一点P (x ,y ,z )处的光强为:

I (x ,y ,z )=A (z )exp{-2[(x X x )2+(y X y )2

]}(1)

其中A (z )是与x ,y 无关,只与z 有关的常数,

X x =K z PX 0x ,X y =K z PX 0y ;X 0x ,X 0y 是高斯光束的束腰,

相当于近场宽度。1.1 LD 和平面光纤

用一个点光源照射光纤的平端面,如图1所示,从光源发出的光以入射角H 射向光纤端面,经折射后以出射角C 射入光纤芯中。到达芯的包层的界面时的入射角为A 。光波在光纤中传播须满足全反射条件,所以只允许那些A >A c 的光线传播(其中A c =sin -1

(n 2P n 1),分别为芯心和包层的折射率),所以从光源出发的,能照射到光纤芯端面上进入光纤的光中只有一部分被光纤接收。这就是说,只有那些对光纤端面的入射角小于某一临界值H c 的光才能被允许在光纤中传播。利用全反射原理,可以求

得H c =(n 2

1-n 2

2)1

2。H c 称为光纤的接收角,它由光

纤内外层折射率决定。

图1 点光源照射光纤的平端面图

可以根据式(1)计算耦合效率。首先计算光纤

端面所在的平面(z =S )激光器的总功率P 0

P 0=2A (s )

Q

]

exp[-2(x X x

)2

]d x

Q

]

exp

[-2(

y X y

)2

]d y (2)

利用换元积分,可得:P 0=Ber f (])(3)

其中B =

2PX y

2

A (s )Q

]

exp[-2(

x X x

)2

]d x (4)

在z =S 的平面内B 为常数。

er f (A )=22P Q

A 0

e -t 2

2

d t 为误差函数。

包含在张角2H c 之内的光功率是

P 0=2A (s )

Q

]

exp[-2(x X x

)2

]d x

Q y

exp

[-2(

y X y

)2

]d y (5)

在上式中x 轴的积分上限所以能从x 0换成]是因为光功率的平行发散角很小之故。积分换元,可得:

P 0=Berf (2

K PX 0y tan H c )(6)再考虑光纤端面上还有反射损耗(4%),则耦合效率为:

G =erf (2

K PX 0y tan H c )er f (])

@96%(7)

由式(7)可见,最大耦合效率与接收角H c 以及近场发光宽度X 0y 有关。以X 0y =0105L m,K =0185L m 的激光器为例,如果用NA =0114(H c =8b )的光纤直接耦合,则耦合效率的最大值为20%左右。对这种耦合进行了实验研究,以1000mW 的980nm 的半导体激光器的输出光,输入到平端光纤,输出功率为80mW,本实验室最好的结果为150mW 。1.2 端面球透镜耦合

这里介绍一种最简单的加透镜的方法就是将光纤的端面做成一个半球形,它可以起到短聚焦的作用。如图2所示。用粗略的计算可以证明,带有球透镜的光纤的等效接收角H c 变为:

H c =sin -1{n 1sin[sin -1(d 2r )+cos -1n 2

n 1

]}-sin -1

(

d 2r

)(8)其中r 为球透镜的半径,d 为光纤芯径。可以看出当r =]时,就变成了平端光纤的情况。通过式(1)可以求得球半径r 和光纤直径d 与等效接收角H c 的关系。

图2 端面球透镜耦合

光纤端面仅作这样一个简单的变动就可以使H c 扩大许多。端面球透镜的制造方法比较容易,一般都用氧气或其他高温火焰将光纤端点烧熔,在显微镜下可以看到它自然的缩成一个小球。端面球透镜耦合方式在实际耦合操作中与直接耦合相同,但在轴向上位置的要求比直接耦合要严格一些。根据文献[2]可知,通过这种方法可以使耦合效率最高达60%。

1.3 尖锥端光纤

应用模式耦合模型,介绍一种近年来发展迅速的低反射高效率的尖锥端光纤和半导体激光器的耦

合技术[3]

,如图3所示。

第2期 高树理:半导体激光器和光纤的耦合 #29#