半導(dǎo)體激光器與光纖高效耦合特性的研究.pdf

1、大功率半導(dǎo)體激光器(LD，laserdiode)因體積小、功耗低、轉(zhuǎn)換效率高而且價格便宜等其他類型的激光器所無法比擬的優(yōu)勢，應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬廣，對社會、經(jīng)濟、國防和百姓日常生活影響越來越大。伴隨研究和生產(chǎn)水平的不斷提高，相信它的應(yīng)用領(lǐng)域會越來越寬廣，發(fā)展前途無限光明。 大功率LD的許多應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用場合都涉及到與光纖的耦合，比如光通信系統(tǒng)中的光源和光纖放大器的泵浦源，醫(yī)療方面的激光手術(shù)，材料加工方面的焊接和熱處理等等。因此根據(jù)激

2、光器的特性研制高效、實用、可靠和廉價的耦合系統(tǒng)一直是一個研究的熱點。 大功率LD與光纖耦合的效率不高是由于兩者的模場形式差異大造成的。前者的模場是非中心對稱的橢圓形，后者為圓形。因此，提高大功率LD與光纖的耦合效率可以從LD和光纖兩方面進行研究。在LD方面，減小或增加有源區(qū)的厚度，都可以減小激射光束的縱橫比，改善LD光束的對稱性。有多種途徑實現(xiàn)LD光束特性的改善，其中采用多有源區(qū)隧道結(jié)級聯(lián)大光腔結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器是既增加有源區(qū)等

3、效厚度而又保證LD低閾值電流和高斜率效率等特性的最佳途徑之一。 在與光纖耦合方面，利用透鏡可以對LD入射光束進行準直、變換和聚焦，使入射光束的模場與光纖模場盡可能匹配。用作LD與光纖耦合的透鏡先后經(jīng)歷了分立式單透鏡、分立式組合透鏡、與光纖集成的透鏡光纖三代耦合系統(tǒng)。透鏡光纖耦合系統(tǒng)(lensedfibers)因其結(jié)構(gòu)簡單、制作高效、便于集成封裝等特點，目前已是耦合應(yīng)用的首選。 本論文圍繞本實驗室研發(fā)的新型隧道再生多有源區(qū)

4、980nmAlGaAs/GaAs/InGaAs量子阱大功率半導(dǎo)體激光器和多種條寬的單有源區(qū)980nmAlGaAs/GaAs/InGaAs量子阱大功率半導(dǎo)體激光器的光場外特性、單模階躍折射率光纖和多模漸變折射率光纖的模場特性進行了深入的理論分析和實驗研究。由于大功率GaAs半導(dǎo)體激光器的條形電極寬度較大，光束的縱橫比很高，而且由于多采用脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在側(cè)面采用增益引導(dǎo)機制為主，在垂直于結(jié)平面是折射率引導(dǎo)機制，使得LD的激射光束在LD光腔內(nèi)

5、呈柱面波的形式傳播。從LD的光外部特性來看，光束截面不但是非對稱的、橢圓形光斑，而且在垂直和水平方向上光束束腰不在同一平面上，垂直光腰位于LD的出光面(解理面上)，而水平光腰則在LD腔內(nèi)，即“虛光腰”。因此LD的激射光束存在像散。對該光束作高斯近似，并假設(shè)LD激射后水平出光面上光斑的大小不隨LD驅(qū)動電流的變化而改變，通過測量光束的遠場發(fā)散角經(jīng)過計算獲得了虛光腰位置和尺寸。 在考慮像散因素的情況下，對激射光束在不同條寬時光束束斑和

6、波前曲率半徑隨傳播距離的變化情況進行了模擬。 對球面透鏡和錐形、柱形和楔形等非球面透鏡進行了定性分析和比較。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合漸變折射率棒和光纖對入射光束的傳輸特性，提出了一種新型的大芯徑漸變折射率(GRIN)光纖與普通單?；蚨嗄９饫w級聯(lián)組成的組合式楔形透鏡光纖耦合系統(tǒng)，即利用大芯徑光纖增大對入射光的接收面積，利用1/4節(jié)距(pitch)漸變折射率媒質(zhì)對光束的聚焦作用實現(xiàn)入射光的準直和聚焦，利用楔形透鏡和柱面端面實現(xiàn)對入射光束垂直

7、方向波前曲率半徑的變換改變?nèi)肷涔馐哪?，從而實現(xiàn)LD入射光束與單模光纖或多模光纖的模式匹配。 根據(jù)大功率LD的光束特點，對楔形透鏡光纖的楔角、柱面半徑和工作距離等參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。 將新型透鏡光纖與其它不同結(jié)構(gòu)和形狀的透鏡光纖分別對多種大功率半導(dǎo)體激光器進行耦合測試。測試結(jié)果表明，由于新型多有源區(qū)大光腔LD的激射光束縱橫比得到極大的改善，它與光纖的耦合效率比相同條寬的單有源區(qū)LD有顯著提高。采用楔角為90°的GRIN