連續(xù)輸出半導(dǎo)體激光器群并聯(lián)驅(qū)動電源的研制

為了實(shí)現(xiàn)基于光頻調(diào)制相位生成載波解調(diào)的干涉型光纖傳感系統(tǒng),需要對激光光源的頻率進(jìn)行調(diào)制。首先,文章根據(jù)直接電流調(diào)制原理設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種半導(dǎo)體激光器光頻調(diào)制驅(qū)動電源,主要由精密基準(zhǔn)電壓源、內(nèi)部信號發(fā)生器、加法器、恒流源(電壓電流轉(zhuǎn)換、電流放大和電壓負(fù)反饋)、慢啟動電路、紋波抑制電路和過流保護(hù)電路等基本單元組成。接著,建立了測試調(diào)制特性和驗(yàn)證光頻調(diào)制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對半導(dǎo)體激光器光頻調(diào)制驅(qū)動電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,文章設(shè)計(jì)并開發(fā)的半導(dǎo)體激光器光頻調(diào)制驅(qū)動電源不僅能調(diào)制正弦波和三角波等波形,而且驅(qū)動電流連續(xù)可調(diào),非線性失真系數(shù)僅為0.009%。同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動電流穩(wěn)定、防浪涌擊穿、防過載損壞和防靜電擊穿等優(yōu)點(diǎn)。文章的研究工作為基于pgc解調(diào)的干涉型光纖傳感系統(tǒng)的工程化開發(fā)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

應(yīng)用zemax光學(xué)設(shè)計(jì)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(jìn)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(dá)到116.84w,光纖耦合效率達(dá)到97.36%,亮度達(dá)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(shí)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(yán)重程度從大到小分別為垂軸誤差、軸向誤差、角向誤差。

采用射線法,計(jì)算增益隨波長的變化,推導(dǎo)出光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器(fgesl)輸出譜的表達(dá)式.結(jié)合載流子速率方程,對外腔半導(dǎo)體激光器輸出譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.結(jié)果表明:光纖光柵外腔的輸出譜在反射帶寬內(nèi)呈現(xiàn)出多峰結(jié)構(gòu),隨著前端面反射率減小和耦合效率增加,輸出譜相應(yīng)地變得比較穩(wěn)定.

實(shí)驗(yàn)一半導(dǎo)體激光器p-i特性測試實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)儀器 1.zy12ofcom13bg型光纖通信原理實(shí)驗(yàn)箱1臺 2.光功率計(jì)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(shí)驗(yàn)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(gè)和感應(yīng)光子一模一樣的光子，而躍遷到低能級 e1，這個(gè)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

介紹一種單片機(jī)控制的激光二極管群并聯(lián)驅(qū)動電源,系統(tǒng)包括可調(diào)恒流源、過流保護(hù)電路、光功率采樣與放大電路等部分,結(jié)合硬件及軟件,實(shí)現(xiàn)了激光二極管群的可靠保護(hù)與光功率的穩(wěn)定、準(zhǔn)確輸出,并且使這若干個(gè)激光管互不影響。

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(xiàng)創(chuàng)

為了滿足中紅外一氧化碳檢測中分布反饋量子級聯(lián)激光器的驅(qū)動要求,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種專用型脈沖驅(qū)動電源.首先,研制了高穩(wěn)定的供電系統(tǒng)和完善的保護(hù)系統(tǒng),顯著提高了驅(qū)動脈沖的質(zhì)量并保證了電源工作的可靠性;其次,依據(jù)"多級隔離"的思想設(shè)計(jì)了電源各功能電路,很大程度上提高了驅(qū)動電源的抗干擾能力;同時(shí),將深度電壓負(fù)反饋與比例-積分-微分控制算法相結(jié)合,有效提高了輸出電流的穩(wěn)定度.利用該驅(qū)動電源對中科院半導(dǎo)體所研制的波長為4.76μm的分布反饋量子級聯(lián)激光器做了驅(qū)動測試.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在長時(shí)間(200h)運(yùn)行中,系統(tǒng)驅(qū)動電流的穩(wěn)定度為2.5×10-5,線性度為0.004%,滿足分布反饋量子級聯(lián)激光器的驅(qū)動要求,為中紅外一氧化碳的可靠檢測提供了保障.

基于光學(xué)設(shè)計(jì)軟件zemax純非序列,設(shè)計(jì)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(jì)過程中考慮了激光器發(fā)光面的大小,而不是將其看做點(diǎn)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(jìn)行了改進(jìn),通過百萬次光線追跡,測得所設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器與單模光纖快速精確耦合對準(zhǔn),需分析對準(zhǔn)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(zhǔn)誤差,構(gòu)建了五維對準(zhǔn)平臺.然后,針對半導(dǎo)體激光器與單模光纖對準(zhǔn)過程中運(yùn)動誤差的隨機(jī)性問題,運(yùn)用多體系統(tǒng)理論,建立了對準(zhǔn)平臺的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型,并分析了其運(yùn)動過程中的位姿,得到了半導(dǎo)體激光器末端點(diǎn)運(yùn)動誤差模型.最后,利用montecarlo方法,結(jié)合該運(yùn)動誤差模型,對運(yùn)動誤差進(jìn)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(diǎn)的位置在x、y和z三個(gè)方向的運(yùn)動誤差近似為中間高兩邊低的對稱分布.此分析可為對準(zhǔn)過程中運(yùn)動誤差補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)參考.

設(shè)計(jì)一種用于半導(dǎo)體激光器(sl)工作溫度調(diào)節(jié)控制模塊,通過采用雙溫度測試、內(nèi)嵌8位微控制器(mcu)、256級電流輸出等,實(shí)現(xiàn)了智能化、小型化,具有溫度穩(wěn)定性高、成本低等特點(diǎn)。基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖對各部分組成、工作原理和軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析。測試結(jié)果表明本模塊也適用于其它類型半導(dǎo)體器件的工作溫度控制。

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(jìn)行了分析?；趆uygens-fresnel原理計(jì)算了激光光束遠(yuǎn)場發(fā)散角以及光束束腰半徑。運(yùn)用高斯光束與單模光纖耦合理論以及abcd矩陣?yán)碚撨M(jìn)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(gè)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。

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(diǎn)。

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(gè)部分的機(jī)理出發(fā),詳細(xì)分析了影響其可靠性的因素,主要有以下三個(gè)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。

文中提出了一種實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器和多模光纖耦合的實(shí)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(jìn)行準(zhǔn)直整形;用半球端光纖對光束進(jìn)行聚焦后直接實(shí)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(shí)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(shí)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。

根據(jù)雙光纖bragg光柵(fbg)外腔半導(dǎo)體激光器相干失效的物理過程,運(yùn)用速率方程和雙fbg耦合模理論,分析了雙fbg外腔半導(dǎo)體激光器相干失效產(chǎn)生和控制的條件,提出了實(shí)現(xiàn)和控制雙fbg外腔半導(dǎo)體激光器相干失效多模穩(wěn)定工作的方法.雙fbg外腔半導(dǎo)體激光器在相干失效下具有多模的穩(wěn)定工作狀態(tài),相干失效長度縮短,相干失效長度內(nèi)光譜穩(wěn)定.實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明,外腔反射率為3%時(shí),從非相干失效狀態(tài)到相干失效狀態(tài),半峰值全寬度從0.5nm突然展寬到0.9nm.在相干失效狀態(tài)下,功率穩(wěn)定,邊模抑制比大于45db,在0℃~c一70℃工作溫度范圍內(nèi)峰值波長漂移小于0.5nm,最小相干失效長度小于0.5m.雙fbg外腔半導(dǎo)體激光器相干失效的應(yīng)用對提高光纖放大器和光纖激光器的性能具有重要意義.

光纖通信實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1 半導(dǎo)體激光器p-i特性測試實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)室名稱：光纖通信實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)名稱半導(dǎo)體激光器p-i特性測試實(shí)驗(yàn) 指導(dǎo) 教師 王瑋 教師評語 教師簽名： 年月日 實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)器材： ⒈光纖通信原理實(shí)驗(yàn)箱1臺 ⒉光功率計(jì)1臺 ⒊fc/pc-fc/pc單模光跳線1根 ⒋萬用表1臺 ⒌

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(shí)驗(yàn)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(zhǔn)半導(dǎo)體激光二極管列陣的19個(gè)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(dá)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(gè)方向同時(shí)壓縮了激光束的發(fā)散角,有效地實(shí)現(xiàn)了對激光束的整形、壓縮,而且實(shí)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。

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(diǎn),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(jìn)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(diǎn)。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(zhǔn)直、復(fù)合、聚焦,耦合進(jìn)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(jì)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(jìn)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(shí),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(yuǎn)場光場的分布特點(diǎn),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(jìn)行壓縮整形,通過聚焦準(zhǔn)直透鏡將激光束耦合進(jìn)入芯徑為400μm的光纖,實(shí)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(gè)方向同時(shí)壓縮了激光束的發(fā)散角,有效地實(shí)現(xiàn)了對激光束的整形、壓縮,而且性能穩(wěn)定,可靠實(shí)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(jì)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(dá)60.8w,光譜半高全寬(fwhm)為2.4nm。為進(jìn)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(jìn)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(diǎn),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(dá)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(kuò)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(diǎn),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(jìn)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。

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(shí)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。