雙光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器相干失效研究

提出了優(yōu)化由兩個(gè)均勻布拉格光纖光柵組成的980nm半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)鎖定器的方法以滿足光纖放大器對(duì)半導(dǎo)體激光器的性能要求。運(yùn)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(dá)式和波長(zhǎng)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(zhǎng)和溫度對(duì)激光器增益曲線的影響,并通過(guò)優(yōu)化這些參數(shù)來(lái)達(dá)到最佳的鎖模性能。測(cè)量了帶雙fbg波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:高功率非致冷980nm半導(dǎo)體激光器在0～70℃時(shí)的波長(zhǎng)漂移為0.5nm,邊模抑制比達(dá)45db以上,半峰值全寬度<1nm。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的980nm半導(dǎo)體激光器fbg波長(zhǎng)鎖定器可滿足光纖放大器對(duì)非致冷半導(dǎo)體激光器大功率、長(zhǎng)壽命、高可靠性、小尺寸等性能的要求。

2010年1月,西安炬光科技有限公司在國(guó)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)

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(guò)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。

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(guò)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(guò)百萬(wàn)次光線追跡,測(cè)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(duì)接出現(xiàn)誤差情況下對(duì)耦合效率的影響,分別給出了各種對(duì)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(duì)準(zhǔn),需分析對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)的擾動(dòng)特性.首先,基于半導(dǎo)體激光器與單模光纖的對(duì)準(zhǔn)誤差,構(gòu)建了五維對(duì)準(zhǔn)平臺(tái).然后,針對(duì)半導(dǎo)體激光器與單模光纖對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)誤差的隨機(jī)性問(wèn)題,運(yùn)用多體系統(tǒng)理論,建立了對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型,并分析了其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位姿,得到了半導(dǎo)體激光器末端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)誤差模型.最后,利用montecarlo方法,結(jié)合該運(yùn)動(dòng)誤差模型,對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)誤差近似為中間高兩邊低的對(duì)稱分布.此分析可為對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)參考.

光纖通信實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1 半導(dǎo)體激光器p-i特性測(cè)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(jí) 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(cè)試實(shí)驗(yàn) 指導(dǎo) 教師 王瑋 教師評(píng)語(yǔ) 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(dòng)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(cè)試方法 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： ⒈測(cè)量半導(dǎo)體激光器輸出功率和注入電流，并畫(huà)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(tái) ⒉光功率計(jì)1臺(tái) ⒊fc/pc-fc/pc單模光跳線1根 ⒋萬(wàn)用表1臺(tái) 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(duì)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(duì)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。

建立了半導(dǎo)體激光器與單模光纖通過(guò)球透鏡耦合的光傳輸模型,對(duì)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(chǎng)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(duì)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(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(jiǎn)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(guò)渡熱沉解決了激光二極管的導(dǎo)熱和相互之間的絕緣問(wèn)題。采用這種方法將4只輸出波長(zhǎng)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(chǎng)光場(chǎng)的分布特點(diǎn),利用多模光纖柱透鏡和光束轉(zhuǎn)換裝置對(duì)808nm半導(dǎo)體激光列陣的發(fā)散角進(jìn)行壓縮整形,通過(guò)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(guò)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)為808nm、輸出功率為5w的單管半導(dǎo)體激光器通過(guò)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(guò)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(guò)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。

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(duì)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(duì)光束進(jìn)行聚焦后直接實(shí)現(xiàn)和光纖耦合,來(lái)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(wèn)題,且工藝穩(wěn)定,因而有著廣泛的應(yīng)用前景。

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(chǔ)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(zhǎng)、光譜、光功率、激光束的空間分布等四個(gè)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(zhǎng) 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)是由導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放出的能量決定的，這個(gè)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(zhǎng) 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(zhǎng)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(zhǎng)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。

實(shí)驗(yàn)一半導(dǎo)體激光器p-i特性測(cè)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(dòng)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(cè)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(tái) 2.光功率計(jì)1臺(tái) 3.fc/pc-fc/pc單模光跳線1根 4.萬(wàn)用表1臺(tái) 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(jiǎn)稱半導(dǎo)體激光器，它通過(guò)受激輻射發(fā)光，（處于高 能級(jí)e2的電子在光場(chǎng)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(jí) e1，這個(gè)過(guò)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

采用梯度折射率光纖透鏡耦合法實(shí)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?yán)碚摗?shí)驗(yàn)中,利用梯度折射率光纖的聚焦特性,選取合適的長(zhǎng)度,實(shí)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(dá)80.5%。此全光纖耦合方式具有體積小、制作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn),對(duì)低成本、實(shí)用化的尾纖輸出半導(dǎo)體激光器的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。

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(guò)zemax和origin軟件分析了光纖對(duì)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(duì)光纖耦合效率的影響,得出誤差對(duì)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。

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(lái)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)。

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(chǎng)雙包層光纖激光器。利用微透鏡組對(duì)各單管半導(dǎo)體激光器進(jìn)行快慢軸準(zhǔn)直,在快軸方向?qū)崿F(xiàn)光束疊加,然后通過(guò)兩組消球差設(shè)計(jì)的柱面透鏡組分別對(duì)合成光束快慢軸方向進(jìn)行聚焦,耦合進(jìn)入光纖。實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí),光纖輸出功率達(dá)29.0w,光纖耦合效率達(dá)到80.1%,亮度超過(guò)4.74mw/cm2-str。

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(duì)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(kāi)發(fā)了一種半導(dǎo)體激光器光頻調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源,主要由精密基準(zhǔn)電壓源、內(nèi)部信號(hào)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(dòng)電路、紋波抑制電路和過(guò)流保護(hù)電路等基本單元組成。接著,建立了測(cè)試調(diào)制特性和驗(yàn)證光頻調(diào)制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體激光器光頻調(diào)制驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體激光器光頻調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源不僅能調(diào)制正弦波和三角波等波形,而且驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定、防浪涌擊穿、防過(guò)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(kāi)發(fā)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

針對(duì)808nm大功率gaas/gaalas半導(dǎo)體量子阱激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)光場(chǎng)分布特點(diǎn)，提出了與多模光纖耦合時(shí)對(duì)耦合光學(xué)系統(tǒng)的特殊要求，并根據(jù)低成本、實(shí)用化的要求設(shè)計(jì)制作了專用的耦合光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)耦合光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際性能進(jìn)行了測(cè)試，給出了耦合效率統(tǒng)計(jì)分布圖、耦合偏差曲線和高低溫可靠性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。用設(shè)計(jì)制作出的實(shí)用化耦合光學(xué)系統(tǒng)完成了輸出功率15－30w，光纖束數(shù)值孔徑為0．11－0．22的半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，模塊的使用結(jié)果表明耦合光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、實(shí)用。