光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器輸出譜特性

半導(dǎo)體激光器輸出特性的影響因素 半導(dǎo)體激光器是一類非常重要的激光器，在光通信、光存儲等很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng) 用。下面我將探討半導(dǎo)體激光器的波長、光譜、光功率、激光束的空間分布等四個方面的 輸出特性，并分析影響這些輸出特性的主要因素。 1．波長 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長是由導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶時所釋放出的能量決定的，這個能 量近似等于禁帶寬度eg(ev)。 hf=eg f(hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長 且c=3×108m/s，h=6.628×10-34j·s，lev=1.60×10-19j 得 決定半導(dǎo)體激光器輸出光波長的主要因素是半導(dǎo)體材料和溫度。 不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度eg，因而有不同的發(fā)射波長λ：gaalas-gaas材料 適用于0.85μm波段，ingaasp-inp材料適用于1.3~1.55μm波段。

提出了優(yōu)化由兩個均勻布拉格光纖光柵組成的980nm半導(dǎo)體激光器波長鎖定器的方法以滿足光纖放大器對半導(dǎo)體激光器的性能要求。運用耦合模理論推導(dǎo)了雙布拉格光纖光柵(fbg)的透射率和反射率的解析表達式和波長鎖定器增益方程。研究了兩光柵之間的距離、光柵到激光器前端面的距離、光柵折射率、光柵折射率周期、光柵柵長和溫度對激光器增益曲線的影響,并通過優(yōu)化這些參數(shù)來達到最佳的鎖模性能。測量了帶雙fbg波長鎖定器的非致冷半導(dǎo)體激光器的輸出光譜和出纖功率。實驗結(jié)果表明:高功率非致冷980nm半導(dǎo)體激光器在0～70℃時的波長漂移為0.5nm,邊模抑制比達45db以上,半峰值全寬度<1nm。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的980nm半導(dǎo)體激光器fbg波長鎖定器可滿足光纖放大器對非致冷半導(dǎo)體激光器大功率、長壽命、高可靠性、小尺寸等性能的要求。

光纖通信實驗報告 1 半導(dǎo)體激光器p-i特性測試實驗 實驗室名稱：光纖通信實驗室實驗日期：2011年04月26日 學(xué)院 信息科學(xué)與工 程學(xué)院 專業(yè)、班級 電子信息工 程0802 姓名黃俊 實驗名稱半導(dǎo)體激光器p-i特性測試實驗 指導(dǎo) 教師 王瑋 教師評語 教師簽名： 年月日 實驗?zāi)康模?⒈學(xué)習(xí)半導(dǎo)體激光器發(fā)光原理和光纖通信中激光光源工作原理 ⒉了解半導(dǎo)體激光器平均輸出光功率與注入驅(qū)動電流的關(guān)系 ⒊掌握半導(dǎo)體激光器p（平均發(fā)送光功率）-i（注入電流）曲線的測試方法 實驗內(nèi)容： ⒈測量半導(dǎo)體激光器輸出功率和注入電流，并畫出p-i關(guān)系曲線。 ⒉根據(jù)p-i特性曲線，找出半導(dǎo)體激光器閾值電流。 實驗器材： ⒈光纖通信原理實驗箱1臺 ⒉光功率計1臺 ⒊fc/pc-fc/pc單模光跳線1根 ⒋萬用表1臺 ⒌

2010年1月,西安炬光科技有限公司在國內(nèi)首次推出連續(xù)半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊fc(fibercoupled)系列產(chǎn)品。這是一款融合了炬光科技多項創(chuàng)

基于光學(xué)設(shè)計軟件zemax純非序列,設(shè)計了一種半導(dǎo)體激光器與單模光纖的高耦合效率系統(tǒng).設(shè)計過程中考慮了激光器發(fā)光面的大小,而不是將其看做點光源;在現(xiàn)有的非球面鏡透鏡單模光纖耦合系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行了改進,通過百萬次光線追跡,測得所設(shè)計系統(tǒng)的耦合效率大于54%.用zemax和origin軟件分析了單模光纖與耦合系統(tǒng)對接出現(xiàn)誤差情況下對耦合效率的影響,分別給出了各種對接誤差情況下的耦合效率變化曲線,為耦合系統(tǒng)的工程安裝提供理論分析和技術(shù)支持.

為了實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器與單模光纖快速精確耦合對準,需分析對準平臺的擾動特性.首先,基于半導(dǎo)體激光器與單模光纖的對準誤差,構(gòu)建了五維對準平臺.然后,針對半導(dǎo)體激光器與單模光纖對準過程中運動誤差的隨機性問題,運用多體系統(tǒng)理論,建立了對準平臺的拓撲結(jié)構(gòu)模型,并分析了其運動過程中的位姿,得到了半導(dǎo)體激光器末端點運動誤差模型.最后,利用montecarlo方法,結(jié)合該運動誤差模型,對運動誤差進行了概率分析.結(jié)果表明:在不考慮靜止誤差的情況下,半導(dǎo)體激光器末端點的位置在x、y和z三個方向的運動誤差近似為中間高兩邊低的對稱分布.此分析可為對準過程中運動誤差補償提供數(shù)據(jù)參考.

實驗一半導(dǎo)體激光器p-i特性測試實驗 一、實驗?zāi)康?1.學(xué)習(xí)半導(dǎo)體激光器發(fā)光原理和光纖通信中激光光源工作原理 2.了解半導(dǎo)體激光器平均輸出光功率與注入驅(qū)動電流的關(guān)系 3.掌握半導(dǎo)體激光器p（平均發(fā)送光功率）-i（注入電流）曲線的測試方法 二、實驗儀器 1.zy12ofcom13bg型光纖通信原理實驗箱1臺 2.光功率計1臺 3.fc/pc-fc/pc單模光跳線1根 4.萬用表1臺 5.連接導(dǎo)線20根 三、實驗原理 半導(dǎo)體激光二極管（ld）或簡稱半導(dǎo)體激光器，它通過受激輻射發(fā)光，（處于高 能級e2的電子在光場的感應(yīng)下發(fā)射一個和感應(yīng)光子一模一樣的光子，而躍遷到低能級 e1，這個過程稱為光的受激輻射，所謂一模一樣，是指發(fā)射光子和感應(yīng)光子不僅頻率 相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，它和感應(yīng)光子是相干的。）是一種閾 值器件。由于受激輻射與

根據(jù)大功率半導(dǎo)體激光二極管列陣與光纖列陣耦合方式,分別從理論和實驗兩方面討論、分析了大功率半導(dǎo)體激光二極管列陣與微球透鏡光纖列陣耦合。將19根芯徑均為200μm的光纖的端面分別熔融拉錐成具有相同直徑的微球透鏡,利用v形槽精密排列,排列周期等于激光二極管列陣各發(fā)光單元的周期。將微球透鏡光纖列陣直接對準半導(dǎo)體激光二極管列陣的19個發(fā)光單元,精密調(diào)節(jié)兩者之間的距離,使耦合輸出功率達到最大。半導(dǎo)體激光二極管列陣與微球透鏡光纖列陣直接耦合后,不僅從各個方向同時壓縮了激光束的發(fā)散角,有效地實現(xiàn)了對激光束的整形、壓縮,而且實現(xiàn)30w的高輸出功率,最大耦合效率大于80%,光纖的數(shù)值孔徑為0.16。

建立了半導(dǎo)體激光器與單模光纖通過球透鏡耦合的光傳輸模型,對雙異質(zhì)結(jié)激光器光束特性進行了分析?；趆uygens-fresnel原理計算了激光光束遠場發(fā)散角以及光束束腰半徑。運用高斯光束與單模光纖耦合理論以及abcd矩陣理論進行了激光器與單模光纖的球透鏡耦合效率分析,給出了最優(yōu)化的耦合封裝工藝參數(shù),以及各個影響耦合效率的參數(shù)容忍度,對半導(dǎo)體激光器與單模光纖的球透鏡耦合封裝具有重要意義。

光纖耦合輸出的高功率激光二極管模塊具有體積小、光束質(zhì)量好、亮度高等特點,在泵浦光纖激光器、材料處理、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。為了進一步提高光纖耦合激光二極管模塊的輸出功率,提出了基于多只激光二極管串聯(lián)的光纖耦合方法。這種方法具有耦合效率高、光學(xué)元件加工簡單等特點。利用兩組反射鏡,將多只高功率激光二極管輸出光束經(jīng)準直、復(fù)合、聚焦,耦合進光纖輸出,根據(jù)激光二極管和光纖的相關(guān)參數(shù)設(shè)計了聚焦透鏡。利用特殊加工的aln材料作為過渡熱沉解決了激光二極管的導(dǎo)熱和相互之間的絕緣問題。采用這種方法將4只輸出波長為980nm的高功率激光二極管輸出光束耦合進數(shù)值孔徑0.22、芯徑100μm的多模光纖中,當(dāng)工作電流為4.0a時,光纖連續(xù)輸出功率為11.6w,耦合效率大于79%。

根據(jù)808nm大功率半導(dǎo)體激光列陣(lda)的遠場光場的分布特點,利用多模光纖柱透鏡和光束轉(zhuǎn)換裝置對808nm半導(dǎo)體激光列陣的發(fā)散角進行壓縮整形,通過聚焦準直透鏡將激光束耦合進入芯徑為400μm的光纖,實現(xiàn)了30w的功率輸出,其中最大耦合效率大于80%,光纖的數(shù)值孔徑(na)為0.22。通過分析其輸出光斑和輸出曲線,表明lda與光纖耦合系統(tǒng)不僅從各個方向同時壓縮了激光束的發(fā)散角,有效地實現(xiàn)了對激光束的整形、壓縮,而且性能穩(wěn)定,可靠實用。

為了使半導(dǎo)體激光泵浦nd∶yvo4固體激光器能獲得大功率、高光束質(zhì)量、線偏振的激光輸出,利用pics3d軟件設(shè)計了ingaas/gaas應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu),制作了發(fā)射波長為880nm的大功率半導(dǎo)體激光器列陣。該激光器列陣激射區(qū)單元寬為100μm,周期為200μm,填充因子為50%,激光器列陣cs封裝模塊室溫連續(xù)輸出功率達60.8w,光譜半高全寬(fwhm)為2.4nm。為進一步改善大功率半導(dǎo)體激光器列陣的光束質(zhì)量,增加半導(dǎo)體激光端面泵浦功率密度,采用階梯反射鏡組對880nm大功率半導(dǎo)體激光器列陣進行了光束整形,利用階梯鏡金屬表面反射率受近紅外波長變化影響小的特點,研制出高穩(wěn)定性、大功率光纖耦合模塊。模塊輸出功率為44.9w,光-光耦合效率達73.8%,尾纖芯徑φ為400μm,數(shù)值孔徑(na)為0.22。

隨著半導(dǎo)體激光光源在激光加工領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴展,以激光二極管陣列制成的光纖耦合模塊由于存在耦合效率低的缺點,已不能滿足激光加工低成本的需求,因此研制高耦合效率的半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊變得十分重要。本文將8只波長為808nm、輸出功率為5w的單管半導(dǎo)體激光器通過合束技術(shù)耦合進光纖,制備了一種高效率的半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊。光纖芯徑為200μm、數(shù)值孔徑(na)為0.22,光纖輸出功率為33.2w,耦合效率超過83%,這種高效率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊,可用于激光打標(biāo)、塑料加工等領(lǐng)域。

文章從高功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的組成和各個部分的機理出發(fā),詳細分析了影響其可靠性的因素,主要有以下三個方面:激光器自身的因素、耦合封裝工藝和電學(xué)因素。通過優(yōu)化原有工藝與采用新技術(shù),提高了模塊的可靠性,拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。

利用光纖柱透鏡和光束轉(zhuǎn)換裝置壓縮半導(dǎo)體激光器列陣(lda)的發(fā)散角,然后通過聚焦透鏡將激光束耦合入芯徑為400μm的微球透鏡光纖。lda與光纖耦合輸出后,實現(xiàn)33w的高出纖功率,最高耦合效率大于80%,光纖的數(shù)值孔徑(na)為0.22。

文中提出了一種實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器和多模光纖耦合的實用化方法。用一段直徑為600μm的裸石英光纖代替柱透鏡對半導(dǎo)體激光器輸出光束進行準直整形;用半球端光纖對光束進行聚焦后直接實現(xiàn)和光纖耦合,來代替聚焦透鏡和光纖耦合的環(huán)節(jié)。研究表明:采用該方法耦合效率在80.0%左右,同時最大程度解決了使用柱透鏡和聚焦透鏡的組合透鏡耦合系統(tǒng)時存在的調(diào)試與封裝困難的問題,且工藝穩(wěn)定,因而有著廣泛的應(yīng)用前景。

針對大功率半導(dǎo)體激光器價格較為昂貴的現(xiàn)狀,我們用一個驅(qū)動電源同時驅(qū)動若干個激光二極管,并使其各自能夠獨立工作,再通過光纖合束器將這若干束激光耦合輸出,從而得到較大的功率和性價比,特別是對大功率激光二極管更能顯著地提高性價比。文章分析了半導(dǎo)體激光器的工作原理和使用要求。提出了對單個半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的基本要求。并根據(jù)對半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的基本要求,結(jié)合系統(tǒng)指標(biāo)的要求,確定驅(qū)動電源的主體電路結(jié)構(gòu),對部分電路作了分析。從實現(xiàn)電流精度角度考慮,設(shè)計并實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的控制系統(tǒng)及外圍電路。從半導(dǎo)體激光器損壞機理角度考慮,設(shè)計并實現(xiàn)高效、可靠的保護電路及抗干擾電路。

應(yīng)用zemax光學(xué)設(shè)計軟件模擬了一種多芯片半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊,將12支808nm單芯片半導(dǎo)體激光器輸出光束耦合進數(shù)值孔徑0.22、纖芯直徑105μm的光纖中,每支半導(dǎo)體激光器功率10w,光纖輸出端面功率達到116.84w,光纖耦合效率達到97.36%,亮度達到8.88mw/(cm2·sr)。通過zemax和origin軟件分析了光纖對接出現(xiàn)誤差以及單芯片半導(dǎo)體激光器安裝出現(xiàn)誤差時對光纖耦合效率的影響,得出誤差對光纖耦合效率影響的嚴重程度從大到小分別為垂軸誤差、軸向誤差、角向誤差。

隨著光纖激光器技術(shù)的飛速發(fā)展,作為光纖激光器泵浦源的高功率,高亮度的大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊越來越受到人們的關(guān)注。提高光纖耦合效率和光纖耦合模塊的可靠性,有效控制大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的溫度成為人們關(guān)注的重點。

采用一種階梯排列結(jié)構(gòu)的單管激光器合束技術(shù)制成了高亮度半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊,可用于泵浦摻y(tǒng)b3+大模場雙包層光纖激光器。利用微透鏡組對各單管半導(dǎo)體激光器進行快慢軸準直,在快軸方向?qū)崿F(xiàn)光束疊加,然后通過兩組消球差設(shè)計的柱面透鏡組分別對合成光束快慢軸方向進行聚焦,耦合進入光纖。實驗中將6只輸出功率為6w的976nm單管半導(dǎo)體激光器輸出光束耦合進芯徑為105μm、數(shù)值孔徑為0.15的光纖中,當(dāng)工作電流為6.2a時,光纖輸出功率達29.0w,光纖耦合效率達到80.1%,亮度超過4.74mw/cm2-str。

采用梯度折射率光纖透鏡耦合法實現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器到單模光纖的高效率耦合,并在這一系統(tǒng)基礎(chǔ)上完善了半導(dǎo)體激光器全光纖耦合的abcd矩陣理論。實驗中,利用梯度折射率光纖的聚焦特性,選取合適的長度,實現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器到單模光纖的高效率耦合,最大耦合效率達80.5%。此全光纖耦合方式具有體積小、制作簡單、成本低等優(yōu)點,對低成本、實用化的尾纖輸出半導(dǎo)體激光器的實現(xiàn)具有重要的意義。

1 貴州大學(xué)實驗報告 學(xué)院：電氣工程學(xué)院專業(yè)：電子信息工程班級：電信091班 姓名燕淵學(xué)號0908040243實驗組 實驗時間2012-12-27指導(dǎo)教師彭建老師成績 實驗項目名稱半導(dǎo)體激光器p-i特性測試實驗 實 驗 目 的 (1）學(xué)習(xí)半導(dǎo)體激光器發(fā)光原理和光纖通信中激光光源工作原理 (2)了解半導(dǎo)體激光器平均輸出光功率與注入驅(qū)動電流的關(guān)系 (3)掌握半導(dǎo)體激光器p（平均發(fā)送光功率）-i（注入電流）曲線的測試方法 實 驗 要 求 根據(jù)本實驗的特點、要求和具體條件，采用教師簡單講解，學(xué)生自己動手操作的形式。 實 驗 原 理 光源是把電信號變成光信號的器件，在光纖通信中占有重要的地位。性能好、壽 命長、使用方便的光源是保證光纖通信可靠工作的關(guān)鍵。 半導(dǎo)體激光二極管（ld）或簡稱半導(dǎo)體激光器，它通過受激輻射發(fā)光，是一種閾 值器件。處于高能級e2