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半导体激光器与光纤高效耦合特性的研究

作　者: 于海鹰
导　师: 沈光地
学　校: 北京工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 半导体激光器多有源区垂直发散大功率光纤结构工业大学博士学位论文曲率半径传播距离纵横比
分类号: TN248.4
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

大功率半导体激光器(LD, laser diode)因体积小、功耗低、转换效率高而且价格便宜等其他类型的激光器所无法比拟的优势,应用领域越来越宽广,对社会、经济、国防和百姓日常生活影响越来越大。伴随研究和生产水平的不断提高,相信它的应用领域会越来越宽广,发展前途无限光明。大功率LD的许多应用领域和应用场合都涉及到与光纤的耦合,比如光通信系统中的光源和光纤放大器的泵浦源,医疗方面的激光手术,材料加工方面的焊接和热处理等等。因此根据激光器的特性研制高效、实用、可靠和廉价的耦合系统一直是一个研究的热点。大功率LD与光纤耦合的效率不高是由于两者的模场形式差异大造成的。前者的模场是非中心对称的椭圆形,后者为圆形。因此,提高大功率LD与光纤的耦合效率可以从LD和光纤两方面进行研究。在LD方面,减小或增加有源区的厚度,都可以减小激射光束的纵横比,改善LD光束的对称性。有多种途径实现LD光束特性的改善,其中采用多有源区隧道结级联大光腔结构的半导体激光器是既增加有源区等效厚度而又保证LD低阈值电流和高斜率效率等特性的最佳途径之一。在与光纤耦合方面,利用透镜可以对LD入射光束进行准直、变换和聚焦,使入射光束的模场与光纤模场尽可能匹配。用作LD与光纤耦合的透镜先后经历了分立式单透镜、分立式组合透镜、与光纤集成的透镜光纤三代耦合系统。透镜光纤耦合系统(lensed fibers)因其结构简单、制作高效、便于集成封装等特点,目前已是耦合应用的首选。本论文围绕本实验室研发的新型隧道再生多有源区980nm AlGaAs/GaAs/InGaAs量子阱大功率半导体激光器和多种条宽的单有源区980nm AlGaAs/GaAs/InGaAs量子阱大功率半导体激光器的光场外特性、单模阶跃折射率光纤和多模渐变折射率光纤的模场特性进行了深入的理论分析和实验研究。由于大功率GaAs半导体激光器的条形电极宽度较大,光束的纵横比很高,而且由于多采用脊形波导结构,在侧面采用增益引导机制为主,在垂直于结平面是折射率引导机制,使得LD的激射光束在LD光腔内呈柱面波的形式传播。从LD的光外部特性来看,光束截面不但是非对称的、椭圆形光斑,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),而水平光腰则在LD腔内,即“虚光腰”。因此LD的激射光束存在像散。对该光束作高斯近似,并假设LD激射后水平出光面上光斑的大小不随LD驱动电流的变化而改变,通过测量光束的远场发散角经过计算获得了虚光腰位置和尺寸。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第1章绪论  14-43
  1.1 引言  14
  1.2 大功率半导体激光器的发展进程  14-21
    1.2.1 半导体激光器的演进  14-15
    1.2.2 大功率半导体激光器技术发展概述  15-18
      1.2.2.1 材料生长技术  16-17
      1.2.2.2 超晶格材料、应变量子阱与制备工艺  17
      1.2.2.3 抗灾变性光学损坏（COD）技术  17-18
      1.2.2.4 热沉冷却技术  18
    1.2.3 LD 的分类  18-21
  1.3 半导体激光器主要应用领域的发展概况  21-26
    1.3.1 市场概况  21-24
    1.3.2 主要应用领域发展概况与展望  24-26
      1.3.2.1 通信领域  24-25
      1.3.2.2 泵浦固体激光器  25
      1.3.2.3 光数据存储  25-26
      1.3.2.4 其他应用  26
  1.4 大功率LD 与光纤的耦合——目的、意义与发展水平  26-42
    1.4.1 分立的光学耦合系统  28-33
      1.4.1.1 球透镜耦合  28-29
      1.4.1.2 柱透镜耦合  29-30
      1.4.1.3 凸透镜耦合  30
      1.4.1.4 自聚焦棒透镜  30-31
      1.4.1.5 组合透镜耦合  31-33
    1.4.2 透镜光纤耦合系统  33-42
      1.4.2.1 光纤端面微透镜  33-37
      1.4.2.2 扩束光纤端面微透镜  37-39
      1.4.2.3 组合微透镜光纤耦合系统  39-42
  1.5 本论文主要研究内容  42-43
第2章大功率半导体激光器光束特性研究  43-65
  2.1 大功率半导体激光器的特点  43-44
  2.2 LD 的结构与特性  44-64
    2.2.1 典型条形量子阱 LD 的结构  44-45
    2.2.2 LD 的光束特性  45-58
      2.2.2.1 像差产生的原因  46-48
      2.2.2.2 远场发散角  48-50
      2.2.2.3 减小垂直发散角的方法  50-58
    2.2.3 LD 模场的分析  58-64
  2.3 本章小结  64-65
第3章光纤结构与光束传输特性  65-93
  3.1 光纤分类  65-66
  3.2 光纤结构  66-67
  3.3 光纤制造  67-69
  3.4 光纤传播特性  69-92
    3.4.1 光纤的几何光学理论  69-75
      3.4.1.1 阶跃折射率光纤的几何光学理论  69-70
      3.4.1.2 渐变折射率光纤的几何光学理论  70-72
      3.4.1.3 渐变折射率光纤的聚焦特性  72-75
    3.4.2 光纤的波动光学理论  75-83
      3.4.2.1 Maxwell（麦克斯韦）方程组与波动方程  76-77
      3.4.2.2 Helmholtz （亥姆霍兹）方程与电磁场的纵向分量  77-78
      3.4.2.3 阶跃折射率光纤的波动光学理论  78-80
      3.4.2.4 弱导近似  80-81
      3.4.2.5 渐变折射率光纤的波动光学理论  81-82
      2.4.2.6 平方律圆光纤的解析解  82-83
    3.4.3 光纤基模的高斯近似  83-84
    3.4.4 光纤熔接损耗  84-92
      3.4.4.1 界面反射损耗  84-85
      3.4.4.2 多模光纤的熔接损耗  85-91
      3.4.4.3 单模光纤的熔接损耗  91-92
  3.5 本章小结  92-93
第4章透镜光纤耦合系统研究与设计  93-127
  4.1 大功率 LD 远场特性及参数选择  93-106
    4.1.1 垂直方向的光束参数  93-96
    4.1.2 水平方向的光束参数  96-98
    4.1.3 实际 LD 的光束传播特性  98-102
    4.1.4 像散对LD 光束参数的影响  102-106
  4.2 透镜光纤选型  106-111
    4.2.1 球形透镜光纤  106-107
    4.2.2 锥形透镜光纤  107-108
    4.2.3 柱形透镜  108-111
    4.2.4 楔形透镜光纤  111
  4.3 新型透镜光纤  111-113
  4.4 参数设定  113-121
    4.4.1 楔形锥角θ_w的确定  113-115
    4.4.2 工作距离D_w的确定  115-118
    4.4.3 柱面半径R_c的确定  118-121
  4.5 楔形透镜光纤的耦合效率  121-126
    4.5.1 耦合效率计算模型的建立  121-123
    4.5.2 3-维容差分析  123-124
    4.5.3 LD 光束像差对容差的影响  124-125
    4.5.4 新型透镜光纤耦合效率的计算  125-126
  4.6 本章小结  126-127
第5章大功率LD 与透镜光纤耦合测试结果及分析  127-156
  5.1 大功率LD 的制备、结构与特性模拟结果  128-137
    5.1.1 外延片的制备与结构  128-133
    5.1.2 外延片的特性模拟计算  133-135
    5.1.3 大功率 LD 的制备后工艺  135-137
  5.2 透镜光纤的制备  137-140
  5.3 大功率 LD 耦合测试结果  140-154
    5.3.1 耦合前大功率 LD 的光束特性测量结果  140-144
    5.3.2 LD 与锥形和楔形透镜光纤的耦合效果对比  144-147
      5.3.2.1 60°角锥形和楔形透镜光纤的对比  144-146
      5.3.2.2 120°角锥形和楔形透镜光纤的对比  146-147
    5.3.3 LD 与不同楔角的楔形透镜光纤的耦合效果对比  147-148
    5.3.4 LD 与不同结构的楔形透镜光纤的耦合效果对比  148-150
    5.3.5 不同 LD 之间与楔形透镜光纤的耦合效果对比  150-152
      5.3.5.1 不同条宽LD 与楔形透镜光纤的耦合效果对比  150-151
      5.3.5.2 单有源区和多有源区LD 与透镜光纤的耦合效果对比  151-152
    5.3.6 980nmLD 与各透镜光纤最佳耦合效果汇总  152-154
  5.4 测试说明  154-155
  5.5 本章小结  155-156
结论  156-158
参考文献  158-168
攻读博士期间发表的学术论文  168-169
致谢  169-170

半导体激光器与光纤高效耦合特性的研究

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