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光纤与半导体光源耦合

§6-6 光纤与半导体光源耦合

光纤通信中最常用的光源是发光二极管和激光二极管，二者皆是细小如砂粒般的半导体微芯片，当外加电流时，可使二者发光。把光源发射的光功率尽可能多的送入传输光纤，这就是光源和光纤的耦合问题。提高耦合效率有利于允许在系统中使用较低功率的光源，从而减少成本和增加可靠度。

在此实验中我们学习如何利用0.29节距的渐变折射率（GRIN ）杆状透镜将注入式激光二极管（ILD ）和发光二极管耦合到光纤的技术。GRIN 透镜体积小，具有便利的焦距及工作距离和低失真的高质量影像，已被广泛使用于光纤和光源的耦合。

实验中的光源为远红外线组件，注入式激光二极管峰值波长为780nm ，而发光二极管的峰值波长为830nm 。这些组件可发射非可见光辐射，适当的安全手则必须遵守，以避免可能的伤害。切记：决不可用眼睛直接观察激光或其反射光。

【实验目的】

1、了解发光二极管(LED)和注入式激光二极管（ILD ）的光学特性，比较两者异同。

2、掌握利用GRIN 透镜将半导体光源耦合到光纤的技术。

【实验原理】一、光源的类型

在光纤通信系统中有两种光源最常被使用，即发光二极管（LED ）与注入式激光二极管（ILD ）。两者具有相同的基本结构，皆基于PN 结，但注入式激光二极管较复杂，参见图6.6.1。

两者基本工作原理相同，在正向偏置电压下由电子注入在有源层形成粒子数反转而产生光输出。但注入式激光二极管的光输出功率-驱动电流曲线与发光二极管不同，前者有一阈值电流需先达到，光输出对电流响应才会迅速增加，参见图6.6.2。

一个光源可用从它表面所发射的所有可能方向的光线的光功率分布来说明其特征。光源一般依其

辐射分布可分为两种型式，即朗伯（Lambertian ）光源和准直（collimated ）光源。朗伯光源从每个

图6.6.1 激光二极管基本结构及光场分布

图6.6.2 驱动电流与光输出功率的关系

微分光源单元的所有的方向上发射光，面发射的发光二极管接近朗伯光源。若光源辐射只有垂直于其表面的某一很窄的角度范围则谓之准直光源，氦氖激光即属此类光源。而注入式激光二极管则比较特殊，其辐射远场分布典型的角度为1530???，参见图6.6.1。

通常，光源强度的角度分布可以下式表示：

()()B B m

θθθθ=<0cos m ax ； (1)

0B 为沿0θ=方向的辐射强度，θm ax 是离开光发射法线的最大辐射角度，由光源的几何特性决定。对

一扩散光源，m =1。对准直光源，m 值非常大。图6.6.3显示m =1（典型的发光二极管光源）和m =20（典型的注入式激光二极管光源）在极坐标下的辐射场型的特性。

图6.6.3 典型发光二极管与激光二极管之辐射场型。

光纤系统的辐射极化性与所选用之光源类型有关，其偏振性通常由光源的细节结构决定。发光二极管输出为散乱的偏振性，然注入二极管之极化方向与p-n 接面之平面平行，参见图6.6.1。光源的偏振性可经由在光源前加装一偏振片，然后通过观察探测器的输出而得之。当偏振片旋转时，线性偏振光会显示较大的变化；而杂乱偏振或圆偏振则有较小的变化甚或无变化。

二、耦合效率

光纤与半导体光源之耦合一般可分为两种方法，①直接耦合（butt-coupling ）和②分立式光学组件耦合（butt components coupling ）两种。

(a)直接耦合

(b)利用球面透镜耦合

图6.6.4 光纤与半导体光源耦合示意图

所谓直接耦合即是将光纤端面与半导体光源直接接近，经过精密的调整使光纤输出最大功率,如图6.6.4(a ）所示。对LD 而言，在平行于PN 结方向，光源的发散角2Θ∥仅为15°，只要距离

S 适当，全部光功率都能进入光纤。而在垂直PN 结方向，光源的发散角2Θ⊥约为30°，有部分光功率能进入光纤。对LED 而言，在平行和垂直PN 结方向的发散角都很大，若直接耦合，效率很低。

分立式光学组件耦合，可采用球面透镜、柱透镜和GRIN 透镜等，较常用于包装型式。使用光学组件的目的就是降低光源光束的发散角，提高耦合效率。如图6.6.4（b ）利用球面透镜耦合。

耦合效率定义为

f s P P η= (2)

上式中，f P 为耦合入光纤的功率，s P 为光源发射的功率。

若光纤为直接耦合，则光纤接收到的功率与光源辐射之功率比为：

()()2

0.512N A f s P P m αα=++???? (3) 其中α

一般而言，阶跃折射率光纤（α=∞）或渐变折射率光纤（α=2）的耦合系数与光源数值孔径的平方及光源指向性的增量（m ）成正比。耦合损失为()-1010log P P f s ，图6.6.5为针对不同的m 值，理论耦合损失与NA 之关系。

三、GRIN 透镜耦合器

GRIN 透镜运用平整的光学表面，而不是曲形的表面。透镜性能取决于不断变化的折射率，因而相对应于传统的球形透镜，GRIN 透镜代表着一种创新的的选择。GRIN 透镜是最常被用来做光源与光纤耦合而增加其耦合效率之微小光学组件。此种圆棒状GRIN 透镜其功能上与传统所用的球状透镜是相同的。光能量在GRIN 透镜内之传播方式与在渐变折射率多模光纤中的传播方式相同。

GRIN 透镜之一般特性为①具有不同的焦距以供选择②使用方便，耦合校准容易③体积小，重量轻，价格便宜④影像失真小。

GRIN 透镜其折射率可用下式表示：

)2/1()(2

0Ar

n r n -= (4)

其中n 0为镜轴之折射率，A 聚焦常数（实际上，A a =22?/），r 为透镜中任意一点到轴心的距离。

最常使用的GRIN 透镜长度为1/4节距，这一距离等于光在一正弦周期的1/4所行进之距离。因此，平行光于透镜一边入射会聚焦于透镜另一边。相反，任一点光源入射于1/4节距GRIN 透镜，将于透镜另一边形成平形光束，见图

6.6.6a 。

另一常用的GRIN 透镜为0.29节距，使用于激光二极管至光纤或光纤至探测器的耦合。本实

验使用的GRIN 透镜为n 01599=.与

A mm =-03321

.。由于此透镜长度大于1/4节距，故点光源

经过此透镜会转为会聚光束而非平行光束。参见图6.6.6b 。

表6.6.1为083.μm 波长0.29节距透镜的放大倍率与工作距离的关系。 1为光源与透镜之间距， 2为透镜至接收光纤之距离。此表可作为于寻找激光与光纤之最适位置。

表6.6.1 工作距离与0.29节距 GRIN 透镜之放大率

图6.6.6 GRIN 透镜

其它设备：

1．酒精－清洁光纤被覆层。

【实验内容】

实验一：激光二极管实验

1.将3只SM-13千分尺分别安装到3个423位移平台。将一个平台安装到桌面，而用另外两个平台沿着360-90角度支架构建一个xyz三维微调结构。

2.将激光二极管组件（已经被安装到一个光基座（MH-2PM），并已连上接地腕带线(FK-STRAP)）用1个柱状物(SP-2)和通用钳制器(CA-2)支持，安装到423位移平台系统的Z轴方向，装置图见图6.6.7。

图6.6.7 光纤与半导体光源耦合之装置图

3.连接激光二极管（注入式激光二极管）和505激光驱动电源（FK-DRV）。

4.放置光功率表（815）之探测头于激光窗口前。

5．打开505激光驱动电源开关，将其限制电流调至120 mA (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。激光电流不得超过100毫安；典型的阈值电流（Threshold current）为50毫安，操作电流为65毫安。注意：实验过程不得超过激光二极管之电流规格。

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）。增加激光二极管之电流，直到其电流达到最适操作电流为止。

6.减少激光二极管电流至零。现在缓慢增加电流，记录耦合输出功率与电流之关系。

图6.6.8 505激光驱动电源（FK-DRV）

7.将上所得结果绘成图表。电流为横轴，功率为纵轴，依其上升驱势绘出一直逼近线，将此线往下延伸与横轴相交。此相交点即阈值电流之值，可与理论值比较之。

8.红外线探测卡（F-IRC1）可探测激光输出。将此卡置于一便于观察激光路径的适当距离。量测与二极管接面平行和垂直之光束宽度。由制造商提供之数据此激光发散角度为1530

???。

9.放置一已知极化偏振轴向的偏振片于激光光前，确定此激光的极化偏振状态。

10.将0.29节距的GRIN透镜（FK-GR29）置于耦合器（F-925）之凹槽上。参见图6.6.9。朝向激光

二极管部份，透镜与耦合器需延伸超过约1毫米。，利用支持器（FPH-S）将多模态光纤（F-MLD）剥开部分插入到光纤位置调整器(FP-1) 内，利用GRIN透镜将激光输出与光纤耦合。

图6.6.9 放置0.29节距GRIN透镜于耦合器之凹槽

11.调整耦合状况至最佳化，利用耦合进光纤的光功率和步骤6中所测量的光源出射光功率计算其耦合损失。你会发现当激光窗口愈接近透镜其耦合效果愈佳。本实验的耦合损失约为4dB。

12.降低激光二极管电流至零，关闭电源，拆除连接线。

实验二：发光二极管实验

1.如激光二极管实验步骤1，固定发光二极管（FK-发光二极管）。

2.连接发光二极管与505驱动电源。将电流增加至100毫安，记录二极管输出功率。

3.减少发光二极管电流至零。记录发光二极管的输出功率与二极管电流由零至110毫安（超过最适电流10%）间的关系值。对一典型的发光二极管，该曲线应为一直线。

4.将红外线探测卡置于发光二极管输出路径上。发光二极管于其半导体芯片前有一显微镜；所有输出功率不会被显微镜全部接受，输出会较预期值更为平行。但你所看到的和激光二极管明显不同。

5.放置偏振片于发光二极管的输出路径上，确定发光二极管输出为非极化光束。

6. 如激光二极管实验的步骤10和11使用光纤耦合器（F-925）耦合光纤与发光二极管。利用耦合

进光纤的光功率和步骤3中所测量的光源出射光功率计算其耦合损失。

【思考题】

1.注入式激光二极管之阈值电流为50毫安，实验所测量的值与其有何差异，原因何在？

2.发光二极管功率与输入电流成直线关系，评估理论值与实际值的关系。

3.计算发光二极管与注入式激光二极管的效率。

4.光纤端面紧贴GRIN棒透镜能否提高耦合效率。

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。

3．LD为近红外激光，不能用眼睛直接观察激光或其反射光。

高亮度光纤耦合半导体激光器

高亮度光纤耦合半导体激光器 High Brightness Fiber Coupled Diode Laser 凯普林光电 1 引言光纤耦合半导体激光器以其体积小、光束质量好、寿命长及性能稳定等优势在各领域得到广泛应用，主要作为光纤激光器的泵浦源、固体激光器泵浦源，也可直接应用于激光医疗，材料处理如熔覆、焊接等领域。受光纤激光器向高功率方向发展趋势的影响，半导体激光器也在向高功率、高亮度发展，高亮度半导体激光器具有较高的光功率密度，经合束器合束同样成为高功率光纤激光器理想的泵浦源。目前光纤耦合半导体激光器结构主要有单管耦合激光器、多单管耦合激光器、迷你Bar以及Bar条/叠阵系列，多单管耦合激光器因其具有高可靠性而成为光纤激光器的主流泵浦源之一，本文主要介绍通过多单管光纤耦合技术实现高亮度半导体激光器的技术与实现。 2 多单管结构多单管结构是将多路分立的半导体激光器发出的光束经过整形、重新排列、合束后耦合进入单根光纤，从而可提高激光器输出功率。由于分立半导体激光器芯片必须安装在具有一定大小的热沉上，如果直接将多个半导体激光器的输出光束进行排列并聚焦耦合，通常由于受到每个芯片和其热沉体积的限制，合并光束体积较大，很难获得小芯径高亮度的光纤耦合输出。为减小合并光束的空间体积大小，必须采取一定的措施。为此，凯普林自主研发的多单管耦合结构采用阶梯热沉、聚焦透镜、耦合光纤以及独特的安装方式，光路设计简化了结构的复杂性，减小了组件的体积，大大提高了半导体激光器输出的功率，同时保证了耦合点的合理工作温度，如图1所示。在进行多单管耦合前可对分立半导体激光器芯片进行老化筛选，从而保证了多单管耦合后的可靠性。单管的随机失效特性独立，相比于Bar条、叠阵无热效应干扰，单管的可替换也增加了其耐用性，具有较高的成本优势。

光纤光学与半导体激光器的电光特性实验(精)

光纤光学与半导体激光器的电光特性实验上个世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术取得了突破性的进展。光纤通信具有容量大、频带宽、光纤损耗低、传输距离远、不受电磁场干扰等优点，因此光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。半导体激光器是近年来发展最为迅速的一种激光器。由于它的体积小、重量轻、效率高、成本低，已进入了人类社会活动的多个领域。【实验目的】 1．了解半导体激光器的电光特性和测量阈值电流。 2．了解光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。 3．掌握光纤数值孔径概念、物理意义及其测量方法。 4．对光纤本身的光学特性进行初步的研究。【实验仪器】 GX-1000光纤实验仪，导轨，半导体激光器+二维调整，三维光纤调整架+光纤夹，光纤，光探头+二维调整架，激光功率指示计，一维位移架+十二档光探头（选购），专用光纤钳、光纤刀，示波器，音源等。如右图所示。 1．设备参数：（1）半导体激光器类型：氮化镓，工作电流：0-70mA，激光功率：0-10mW，输出波长：650nm；（2）总输出电压为3.5-4V，考虑保护电路分压，所以管芯电压降为2.2V。（3）光纤损耗率：每千米70%，实验所用光纤长度：200m，计算损耗为93.1%，如激光输出功率为10mW，除去损耗后激光输出的总功率：9.31mW，（计算耦合效率时用到）。（4）信号源频率可用范围:10KH Z-300KH Z。 2．主机功能实验主机面板如下图主机主要由3部分组成：电源模块、发射模块、接收模块。 (1)电源模块主要是为半导体激光器和主机其它模块提供电源。由3部分组成：

①表头：三位半数字表头，用于显示半导体激光器的平均工作电流。该电流可通过表头下的电位器进行调整。 ②电源开关：220VAC电源开关。 ③电流调节旋钮：半导体激光器的工作电流调整钮。 (2)发射模块主要功能为半导体激光器工作状态和频率参数的控制。内含一频率可调的矩形波发生器、一个频率固定的矩形波发生器和模拟信号调制电路。 ①功能状态选择钮：用于选择半导体激光器的工作状态。直流档：半导体激光器工作在直流状态。脉冲频率档：半导体激光器工作在周期脉冲状态下。输出的激光是一系列的光脉冲，且频率可调。调制档：激光器工作在周期脉冲状态下，但频率固定，脉冲宽度受外部输入的音频信号调制。 ②脉冲频率旋钮：用于调节脉冲信号的频率。 ③输出插座：三芯航空插座。连接半导体激光器。 ④输出波形插座：Q9插座。接示波器，用于观察驱动激光器的波形。 ⑤音频输入插座：3.5mm耳机插座。连接音频信号源——单放机。 ⑥音频输入波形插座：Q9插座。接示波器，可用于观察音频信号波形。 (3)接收模块主要功能为光信号的接受、放大、解调和还原。内含光电二极管偏置驱动、高频放大、解调、音频功放电路和扬声器等。 ①输入插座：Q9插座。连接光电二极管。用于探测光脉冲信号。 ②波形插座：两个Q9插座。可分别接示波器，观察波形。前一个为解调前的脉冲信号波形，后一个为解调后的模拟音频信号波形。 ③扬声器开光：用于控制内置扬声器的开和关。在主机后面板上。： 3. OPT-1A型激光功率指示计是一种数字显示的光功率测量仪器，采用硅光电池作为光传感器，针对650nm波长的激光进行了标定，用于测量该波段的激光功率。如图： (1)前面板 ①表头：3位半数字表头，用于显示光强的大小。 ②量程选择钮：分为200uW、2mW、20mW、200mW四个标定量程和可调档；测量时尽量采用合适的量程，如测得的光强为1.732mW，则采用2mW量程。可调档显示的是光强的相对值。 ③调零：调零时应遮断光源，旋动调零旋钮，使显示为零，调零完毕。 (2)后面板 ①电源开关按钮：电源开关（220VAC）。

导体激光器与单模光纤耦合效率的分析

导体激光器与单模光纤耦合效率的分析fH,w ` [ dx#i/Ka# 一、引言] 7% CL.2Q 随着光纤加工工艺和制造技术的日益提高，在光纤通讯与光纤传感中的传输损耗已经降低到了0.154dB/km的极限程度。而光源与光纤的耦合损耗问题越来越显得突出。在光纤通讯中，由于在多模光纤中各传输模的群延迟不同，所以限制了它的应用场合［1］；而在光纤传感中，多模光纤与光源的耦合相对单模光纤来说容易得多，但由于单模光纤具有较高的横向分辨力，在一些特殊的传感测试场合，还必须使用单模光纤［2］。所以，改善和提高半导体激光光源与单模光纤的耦合效率成为国内外研究的焦点。npT(iP`") 由于单模光纤的芯径只有多模光纤的十分之一，即5～10μm左右，加上激光器在垂直于结平面方向有较大的发散光束角，所以，简单的套筒式耦合无法获得较高的耦合效率［3］。况且，激光器与光纤轴线的对中容许误差只有1μm，增大了SLD-SMF光耦合的难度。为了减小SLD-SMF间的光耦合损耗，激光器的模场半径（光点尺寸）应与光纤的模场半径相互匹配起来，也就是说，使激光器的椭圆形模场转换为光纤的圆形模场，这可以通过在SLD-SMF间使用透镜来实现［4］。迄今为止，已有许多种用不同形状的透镜进行模式匹配的方法，如柱状透镜法、半球透镜法、四角锥形半椭圆透镜法、共焦透镜法及柱状透镜与自聚焦透镜组合法等［5，6］；也可以用一些特种加工技术，如通过拉伸被加热的光纤端头使其形成尖锥状或在研磨后熔融光纤的末梢以及用光刻技术［7～11］直接在光纤的端头处加工出各种形状的微透镜。2d"@g* 本文将对一些典型的SLD-SMF光耦合方式进行理论上的分析，并给出一些具有实用价值的数据。并从耦合效率与成本双重角度给出了适合于实际工程应用的几种耦合方式的优选率。2-v?T6<2 i*DP:$c 二、耦合特性的理论分析1 ]_!4{f 当单模光纤的归一化频率V在1.9≤V≤2.4范围内时，对在单模光纤内光能量分布采用高斯场近似，误差在1%以内。所以，采用高斯光束模场分布来分析计算和比较各种耦合方式的耦合效率及实用性是完全可行的。SLD-SMF直接耦合原理如图1所示。图中w0为单模光纤的模场半宽，其值在理论上在计算过程中相当烦琐，在工程实际中常由下式近似［12］：jS9 ,Z" (1) h,34JYq0 (z=0,w∥1=2μm) ^NXQ>Arg b>*'C3!LF 图3耦合效率与两轴相错角度和距离的关系'O(4mysc