半導(dǎo)體激光器原理及應(yīng)用

半導(dǎo)體激光器原理及應(yīng)用

姓名：徐欽鋒學(xué)號(hào)：201642080842021/5/91半導(dǎo)體激光器工作原理

1半導(dǎo)體激光器的主要性能2密集波分復(fù)用半導(dǎo)體激光器3半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用4目錄CONTENTS2021/5/92自發(fā)輻射與受激輻射（a）自發(fā)輻射：特點(diǎn)：獨(dú)立、雜亂無章的非相干光、壽命取決于半導(dǎo)體禁帶寬度及復(fù)合中心密度等，一般為10-9~10-3

量級(jí)（b）受激輻射：受激發(fā)射出的光子頻率，相位和方向都與入射光子相同。（c）受激吸收：原子接收輻射能從基態(tài)能級(jí)E1越入受激能級(jí)E2。產(chǎn)生激光的必要條件：受激輻射占主導(dǎo)地位2021/5/93自發(fā)輻射的特點(diǎn)這種過程與外界作用無關(guān)。各原子的輻射都是獨(dú)立地進(jìn)行。因而所發(fā)光子的頻率、初相、偏振態(tài)、傳播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹燈管內(nèi)充有低壓惰性氣體，在管兩端加上高電壓來激發(fā)氣體原子，當(dāng)它們從激發(fā)態(tài)躍遷返回基態(tài)時(shí)，便放出五顏六色的光彩。2021/5/94受激輻射激發(fā)態(tài)的原子，受到某一外來光子的作用，而且外來光子的能量恰好滿足hv=E2-E1，原子就有可能從激發(fā)態(tài)E2躍遷至低能態(tài)E1，同時(shí)放出一個(gè)與外來光子具有完全相同狀態(tài)的光子。這一過程被稱為受激輻射E1E2hvE1E2hvhv受激輻射示意圖2021/5/95粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在熱平衡狀態(tài)下，粒子數(shù)按能態(tài)的分布遵循玻耳茲曼分布律：k為玻耳茲曼常數(shù)，N2、g2和N1、g1分別為高能態(tài)E2和低能態(tài)E1的粒子數(shù)和統(tǒng)計(jì)權(quán)重。由于E2>E1，T>0，故N1>N2，即高能態(tài)上的粒子總少于低能態(tài)上的粒子數(shù)。于是原子系統(tǒng)的受激吸收過程總占優(yōu)勢(shì)。采用適當(dāng)?shù)募?lì)，破壞熱平衡狀態(tài)，使高能態(tài)粒子數(shù)多于低能態(tài)粒子數(shù)，即為粒子束反轉(zhuǎn)。半導(dǎo)體激光器通過光激勵(lì)或正向PN結(jié)注入等，來實(shí)現(xiàn)載流子的粒子束反轉(zhuǎn)。2021/5/96諧振腔為使發(fā)射光具有激光的特點(diǎn)，必須使其產(chǎn)生諧振。能使光產(chǎn)生共振的裝置即為諧振腔。只有與軸線平行的輻射光子產(chǎn)生共振現(xiàn)象而被增強(qiáng)，不在這個(gè)方向上的將被反射出腔外。兩相反方向的光波，只有疊加形成駐波時(shí)，才能形成穩(wěn)定的振蕩。駐波條件：縱模：共振腔內(nèi)沿腔軸方向形成的各種可能的駐波稱為諧振腔的縱模2021/5/97激光器穩(wěn)定工作的條件法布里-珀羅光學(xué)諧振腔穩(wěn)定工作時(shí)，平面波在腔內(nèi)往返一次強(qiáng)度E0保持不變，有：g為功率增益系數(shù)，L為腔長(zhǎng)，K=nw/c為平面波的波數(shù)，αint為腔內(nèi)總損耗率將等式兩邊的振幅和相位分別相等，得：

兩個(gè)公式前者規(guī)定了增益和電流的最小值，后者規(guī)定激光器的振蕩頻率——縱向模式，其與光學(xué)諧振腔有關(guān)2021/5/98激光器穩(wěn)定工作條件激光器縱模分布及增益曲線激光束的鎖模：鎖模技術(shù)就是采用一定的調(diào)制方法，使激光振蕩不同頻率各縱模之間有確定的相位關(guān)系，即各縱模相鄰頻率間隔相等。在一般諧振腔內(nèi)，處于激光介質(zhì)的增益大于諧振腔損耗頻率范圍內(nèi)的縱模有幾百個(gè)。在頻域范疇內(nèi)，激光輻射由許多縱模間隔為C/2L的譜線組成。這些模彼此互不相關(guān)地進(jìn)行振蕩，其相位隨機(jī)地分布在一π到十π之間。其時(shí)域輸出特征類似熱噪聲。但是，如果迫使振蕩模彼此之間的相位關(guān)系保持固定，那么激光輸出將以完全確定的形式變化。此時(shí)，我們說激光是鎖?；蜴i相的。鎖模相當(dāng)于使譜線的振幅及相位相關(guān)。鎖模的分類：主動(dòng)鎖模：周期性調(diào)制諧振腔的損耗或光程n被動(dòng)鎖模：利用可飽和吸收體的非線性吸收特性，對(duì)腔內(nèi)激光的吸收是隨光場(chǎng)強(qiáng)度而變化的自鎖模：激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)能夠保持各個(gè)縱模頻率的等間隔分布，并有確定的初相位關(guān)系同步泵浦鎖模：周期性調(diào)制諧振腔的增益2021/5/99半導(dǎo)體激光器的模譜半導(dǎo)體激光器在不同工作電流下的模譜觀察可知，激光能量向主模轉(zhuǎn)移，峰值波長(zhǎng)發(fā)生紅移2021/5/910半導(dǎo)體激光器的特性轉(zhuǎn)換效率高：>70%。體積?。?lt;1mm3壽命長(zhǎng)，可達(dá)數(shù)十萬小時(shí)輸出波長(zhǎng)范圍廣：0.6-1.1um，2~3um。易調(diào)制：直接調(diào)制缺點(diǎn)：發(fā)散角大，光束質(zhì)量差。2021/5/911閾值特性閾值是所有激光器的屬性，標(biāo)志著增益與損耗的平衡點(diǎn)。閾值常用電流密度Jth或者電流I表示。影響激光器閾值特性的主要因素：

1）器件結(jié)構(gòu)

2）有源區(qū)材料

3）器件工作溫度有源區(qū)材料的影響：有源區(qū)的材料必須選用直接帶隙材料，材料的組分變化將會(huì)引起直接帶隙和間接帶隙躍遷的比率發(fā)生變化，從而改變輻射頻率的波長(zhǎng)。故：可通過薄膜生長(zhǎng)工藝獲得不同的有緣材料

2021/5/912溫度的影響溫度變化對(duì)閾值電流產(chǎn)生明顯的影響，溫度升高，閾值電流增大，增大幅度因材料體系和器件結(jié)構(gòu)而異。實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式為：Jth（T）和Jth（Tr）分別為在某一溫度T和室溫Tr下所測(cè)得閾值電流密度，T0是一個(gè)由實(shí)驗(yàn)擬合的參數(shù)，稱為特征溫度。容易看出，當(dāng)時(shí)，閾值電流將不隨溫度變化，故提高T0是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。閾值電流對(duì)溫度的依賴關(guān)系主要來自于下列因素：

1）增益系數(shù)

2）載流子的俄歇復(fù)合，載流子的界面態(tài)和表面態(tài)的復(fù)合，載流子的吸收引起的內(nèi)部損耗

3）熱載流子的泄露2021/5/913半導(dǎo)體激光器的效率描述激光器電子--光子轉(zhuǎn)換的效率，即電能轉(zhuǎn)換為光能的效率。分別用功率效率和外微分量子效率描述。

1）功率效率2021/5/914外微分量子效率外微分量子效率定義為輸出光子數(shù)隨注入的電子數(shù)增加的比率，考慮到hv=Eg=eVb,有而其中的定義為斜率效率：

在實(shí)際測(cè)量中，由下式得出2021/5/915半導(dǎo)體激光器的空間模式分為空間模和縱模（軸模），空間模是描述圍繞著輸出光束軸線附近某處的光強(qiáng)分布，亦稱為遠(yuǎn)場(chǎng)分布。有橫模和側(cè)模之分?？v模是一種頻譜，表示所發(fā)射的光束功率在不同頻率分量上的分布。半導(dǎo)體激光器橫模與側(cè)模有多側(cè)模的半導(dǎo)體激光器的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)2021/5/916縱模譜的影響因素可見，若要選頻，就要控制溫度，要穩(wěn)定功率輸出，也要選擇恒溫控制2021/5/917半導(dǎo)體激光器的光束發(fā)散角理想的高斯場(chǎng)分布半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)并非嚴(yán)格的高斯光束，有較大的且在橫向和側(cè)向不對(duì)稱光束發(fā)散角。由于半導(dǎo)體激光器有緣層較薄，因而在橫向有較大的發(fā)散角?式中，n2和d分別為激光器有緣層的折射率和厚度；n1為限制層的折射率；λ為激射波長(zhǎng)2021/5/918半導(dǎo)體激光器的光束發(fā)散角顯然，當(dāng)d很小時(shí)，可忽略上式分母中的第二項(xiàng)，有可見，?隨d的增加而增加半導(dǎo)體激光器發(fā)散角與有緣層厚度的關(guān)系2021/5/919解決辦法：利用自聚焦透鏡對(duì)出射光進(jìn)行準(zhǔn)直高斯光速的準(zhǔn)直利用自聚焦透鏡準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光束2021/5/920激光器的單縱模工作條件第q階模與主模功率之比為：要想得到近乎單縱模輸出，必須使Pq/P0盡可能小。從圖中可以看出短腔長(zhǎng)和高腔面反射率，都有利于使激光器單模工作。以（P1/P0）≦0.05作為激光器單模工作的判據(jù)，由邊模抑制比可以得出，激光器單縱模工作時(shí)，應(yīng)使P0超過P1sat至少12.8dB。2021/5/921半導(dǎo)體激光器的線寬表征半導(dǎo)體激光器時(shí)間相干性的光譜純度，定義為光譜曲線半峰值處的全寬。一般的，在閾值以下的譜線寬度約為60nm左右，在閾值以上的譜線寬度大約在2—3nm或更小。半導(dǎo)體激光器的線寬比其他類型的激光器寬很多，主要有以下原因：

1）LD的腔長(zhǎng)短、腔面反射率低，因而品質(zhì)因素Q值低；

2）有源區(qū)內(nèi)載流子密度的變化引起折射率變化，增加了激光輸出相位的隨機(jī)起伏

2021/5/922半導(dǎo)體激光器的線寬上面曲線給出了LD線寬與1/P之間的關(guān)系、和溫度對(duì)線寬的影響2021/5/923半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性半導(dǎo)體激光器有別于其它激光器的最重要特點(diǎn)之一在于它有被交變信號(hào)直接調(diào)制的能力，這在信息技術(shù)中具有重要的意義。與工作在直流狀況的半導(dǎo)體激光器不同，在直接高速調(diào)制情況下會(huì)出現(xiàn)一些有害的效應(yīng)，成為限制半導(dǎo)體激光器調(diào)制帶寬能力的主要因素。一、張弛振蕩與類諧振現(xiàn)象數(shù)字信息（以0或1編碼）直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器，如果電流突然上升到高電平，在電流脈沖前沿與被其激勵(lì)的光之間會(huì)有一個(gè)時(shí)延，所產(chǎn)出的光需經(jīng)一個(gè)張弛過程才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。2021/5/924半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性由電子與光子相互作用的動(dòng)力學(xué)過程所產(chǎn)生的時(shí)延，可通過求解他們的速率方程得到：式中，τth為在閾值處的載流子壽命（一般為2~5ns）。顯然，在高速調(diào)制下，td將產(chǎn)生調(diào)制畸變。減少td最簡(jiǎn)單的方法是在激光器上再加上一個(gè)接近閾值電流Ith的偏流Ib，這時(shí)有這使這個(gè)過度過程開始的突變幅度減小。但是，如果偏置到閾值或閾值以上，消光比減小，導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度降低。故在低速調(diào)制下，一般偏置到0.94Ith左右。2021/5/925半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性2021/5/926半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性加于半導(dǎo)體激光器上的調(diào)制電流會(huì)引起諧振現(xiàn)象，調(diào)制頻率達(dá)到某一值時(shí)出現(xiàn)諧振峰，這使調(diào)制頻率的提高受到限制。歸一化輸出與調(diào)制頻率的關(guān)系2021/5/927半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性張弛振蕩與類諧振現(xiàn)象物理機(jī)制不同，但幾乎有和共振頻率相同的振蕩頻率，為了抑制這兩類現(xiàn)象，已實(shí)踐過這兩類方法：1）外部光注入，能有效增加自發(fā)發(fā)射因子，不但能抑制張弛振蕩，還能抑制多縱模的出現(xiàn)。2）自反饋?zhàn)⑷牖虿捎猛獠侩娐?。自注入方法是將LD輸出的一部分以張弛振蕩周期的0.2~0.3倍的時(shí)延再注入到它本身的腔內(nèi)，能有效抑制張弛振蕩。采用外部LCR濾波電路來分流高頻分量，進(jìn)而抑制類諧振現(xiàn)象。3）窄條半導(dǎo)體激光器。條寬減窄能減少載流子擴(kuò)散的影響，穩(wěn)定橫模，也能抑制張弛振蕩和類諧振現(xiàn)象。2021/5/928寄生電容和電感半導(dǎo)體激光器等效電路圖中是一個(gè)π型低通濾波LCR電路與LD的等效電路并聯(lián)。其中C1和rs分別是半導(dǎo)體激光器的寄生電容（<1pF）和串聯(lián)電阻（一般為數(shù)歐姆，在正向偏置下有源區(qū)的電阻<1歐姆），L1為引線電感Cs為旁路電容，選擇并控制Cs和L1可明顯抑制類諧振現(xiàn)象。2021/5/929半導(dǎo)體激光器的熱特性引發(fā)機(jī)制：在半導(dǎo)體激光器中，由于不可避免的存在著各種非輻射復(fù)合損耗、自由載流子吸收等損耗機(jī)制，使外微分量子效率只能達(dá)到20％~30％，意味著相當(dāng)部分注入的電功率轉(zhuǎn)換為了熱量，引起激光器的升溫。這會(huì)導(dǎo)致LD的閾值電流增大、發(fā)射波長(zhǎng)紅移、模式不穩(wěn)定、增加內(nèi)部缺陷，嚴(yán)重影響器件的壽命。解決辦法：

1）加風(fēng)扇或者冷水循環(huán)降溫；

2）使用帕爾貼半導(dǎo)體制冷器。2021/5/930半導(dǎo)體激光器的可靠性半導(dǎo)體激光器都有工作壽命，工作壽命有兩種定義方式：

1）激光器在額定工作電流下連續(xù)工作，當(dāng)其輸出功率下降到初始值一半所經(jīng)歷的時(shí)間。（恒流）

2）激光器在額定功率下連續(xù)工作，當(dāng)其閾值電流比初始值升高一倍所經(jīng)歷的時(shí)間。（恒功率）上述兩種方式下激光器壽命的延續(xù)過程是一種性能退化過程，最終導(dǎo)致其失效。造成激光器退化有多種原因，有環(huán)境因素，人為的因素，根本原因還是激光器本身內(nèi)部的因素。2021/5/931二、半導(dǎo)體激光器1962年，美國(guó)，同質(zhì)結(jié)GaAs半導(dǎo)體激光器，液氮溫度下脈沖工作。1967年，液相外延的方法制成單異質(zhì)結(jié)激光器，實(shí)現(xiàn)了在室溫下脈沖工作。1970年，美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)工作。70年代以后。量子阱技術(shù)、MBE、MOCVD新型外延技術(shù)---量子阱激光器（閾值電流密度低、電光轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率大）。應(yīng)變量子阱，生長(zhǎng)非晶格匹配的外延材料，拓寬了激光器波長(zhǎng)范圍。2021/5/9323.1同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體中的光增益激光二極管采用注入電流直接驅(qū)動(dòng)。pn結(jié)加正向電壓，空穴將會(huì)向n型區(qū)移動(dòng)，電子向p型區(qū)移動(dòng)。在pn結(jié)處，電子和空學(xué)復(fù)合，產(chǎn)生光電子。注入的電荷密度1018~1019cm-3，產(chǎn)生的光子就會(huì)大于損失的光子。

早期激光二極管采用的是GaAs同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。有源層的厚度由擴(kuò)散長(zhǎng)度決定，一般為2μm。2021/5/933

異質(zhì)結(jié)激光器的“結(jié)”是用不同的半導(dǎo)體材料制成的，采用異質(zhì)結(jié)激光器的目的是為了有效地限制光波和載流子，降低閾值電流，提高效率。

一.異質(zhì)結(jié)激光器的結(jié)構(gòu)

A.單異質(zhì)結(jié)激光器與雙異質(zhì)結(jié)激光器（從材料）

GaAs材料與GaAl材料

Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中摻入AlAs而形成，叫作砷鎵鋁晶體，1-x,x是指AlAs與GaAs的比例。異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器2021/5/934

B.反型異質(zhì)結(jié)與同型異質(zhì)結(jié)（從導(dǎo)電類型）

反型：如n-GaAs與p-GaAlAsorp-GaAs與n-GaAlAs

同型：如p-GaAs與p-GaAlAsorn-GaAs與n-GaAlAs單異質(zhì)結(jié)的能帶圖雙異質(zhì)結(jié)激光器的能帶結(jié)構(gòu)2021/5/935垂直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)垂直結(jié)構(gòu)，也就是外延層結(jié)構(gòu)，包括光波導(dǎo)和采用量子阱的PN結(jié)。波導(dǎo)的設(shè)計(jì)利用了折射率n隨禁帶寬度變化這一特點(diǎn)（禁帶寬度增加折射率降低）。QW被鑲嵌在高折射率材料的核心區(qū)，蓋層的折射率比核心區(qū)要低。AlAs：折射率為2.9，禁帶寬度2.9eV。GaAs：折射率為3.5，禁帶寬度1.4eV。分別限制異質(zhì)結(jié)（SCH）2021/5/936異質(zhì)結(jié)激光器的優(yōu)點(diǎn)與同質(zhì)結(jié)激光器相比，異質(zhì)結(jié)激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）閾值電流低，同時(shí)閾值電流隨溫度的變化??；

2）由于界面處的折射率差異，光子被限制在作用區(qū)內(nèi)；

3）能實(shí)現(xiàn)室溫下的連續(xù)振蕩。異質(zhì)結(jié)激光器的主要改進(jìn)方向：

1）進(jìn)一步降低閾值電流密度和提高效率

2）拓展異質(zhì)結(jié)激光器的光譜波段2021/5/937分布反饋式（DFB）半導(dǎo)體激光器與其他的激光器最大的差異，在于諧振腔內(nèi)的光反饋是利用周期結(jié)構(gòu)的布拉格反射建立的，而不再用解離面來做光反饋，它有如下優(yōu)點(diǎn)：1）符合集成光路中將調(diào)制器、開關(guān)、光波導(dǎo)和光源等制作在一塊單片上的要求；

2）易于獲得單模單頻率的輸出，容易與光纖及調(diào)制器耦合。2021/5/938DFB的工作原理光柵方程當(dāng)?=90o時(shí)，變?yōu)槠渲笑薾為有源區(qū)內(nèi)的光波長(zhǎng)激活層內(nèi)的厚度被周期性調(diào)制β0

由布拉格條件給出q為縱模指數(shù)，波紋結(jié)構(gòu)的作用是使介質(zhì)的折射率n和增益系數(shù)g做周期性變化：根據(jù)電動(dòng)力學(xué)原理，最后可以導(dǎo)出共振頻率、閾值增益、振幅分布和模式花樣等一系列特征2021/5/939DFB激光器的結(jié)構(gòu)形式和工作特性有圖為典型的GaAs-GaAlAsDFB激光器，其周期Λ為341.6nm，光柵深度為90nm左右，做成條形結(jié)構(gòu)，條寬50μm，有源區(qū)厚1.3μm，L=630μm。圖b示出了在T=82K時(shí)，采用50ns脈沖測(cè)得的單縱模發(fā)射光譜，閾值電流密度Jth=9kA/cm2，閾值工作電流為2.6A，峰值發(fā)光光譜為811.2nm處，譜線寬為0.03nm，波長(zhǎng)隨溫度的變化為0.05nm/K。2021/5/940分布布拉格反射式激光器DBF激光器中的波紋光柵克制在激活區(qū)上，使光損耗增大，器件發(fā)光效率低，工作壽命短，通常只能以脈沖方式工作。DBR激光器改進(jìn)了這種不足，它將激活區(qū)與波紋光柵分開，減小損耗，增加發(fā)光效率，實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)工作。2021/5/941Thankyou!2021/5/942半導(dǎo)體激光器光纖耦合技術(shù)1光纖通信用半導(dǎo)體激光器2半導(dǎo)體激光器的類型

3高功率半導(dǎo)體激光器4目錄CONTENTS2021/5/943半導(dǎo)體激光器光纖耦合技術(shù)一種新型的封裝形式改善光束質(zhì)量便于應(yīng)用光纖耦合器件的優(yōu)點(diǎn)體積小、重量輕、亮度高等；可繞性好、孔徑小、損耗低及改善光場(chǎng)分布。應(yīng)用領(lǐng)域通訊、醫(yī)療、材料處理、泵浦固體激光器、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、激光夜視等。2021/5/944LD外形和內(nèi)部組件2021/5/945半導(dǎo)體激光器實(shí)用組件激光器組件是指在一個(gè)緊密結(jié)構(gòu)中（如管殼中），除激光二極管（LD）芯片外，還配置其他原件和實(shí)現(xiàn)LD工作必要的少量電路塊的集成器件。主要包括：1）光隔離器：其作用是防止LD輸出的激光反射，實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸。位于LD的輸出光路上；2）監(jiān)視光電二極管（PD）：其作用是監(jiān)視LD的輸出功率變化，通常用于自動(dòng)功率控制。位于LD背出光面；3）尾纖和連接器；4）LD的驅(qū)動(dòng)電路（包括電源和LD芯片之間的阻抗匹配電路）；5）熱敏電阻：其作用是測(cè)量組件內(nèi)的溫度；6）熱電制冷器（TEC）：一種半導(dǎo)體熱電元件，通過改變外部工作電流的極性達(dá)到加熱和冷卻的目的；7）其他準(zhǔn)直激光器輸出場(chǎng)的透鏡、光纖耦合器及固定光纖的支架等。2021/5/946光纖耦合技術(shù)根據(jù)光束的數(shù)量的不同分為:單光束耦合、多光束耦合單光束耦合系統(tǒng)可以分為兩類：直接耦合、間接耦合

高功率的半導(dǎo)體激光器陣列具有大面陣、大發(fā)散角、大像散的特點(diǎn)，這成為其應(yīng)用的瓶頸。半導(dǎo)體激光器的全固態(tài)激光器的端面、光纖激光器以及要求較高的側(cè)面抽運(yùn)都要求對(duì)半導(dǎo)體激光器陣列光束進(jìn)行整形。最主要的整形方法是把半導(dǎo)體激光器陣列的光束耦合到光纖，從另一端輸出。2021/5/947直接耦合（1）LD與多模光纖的直接耦合(a)平行于pn結(jié)平面(b)垂直于pn結(jié)平面直接耦合示意圖

2021/5/948耦合效率理論計(jì)算曲線影響耦合效率的因素：調(diào)整精度、光纖端面的加工精度等工藝因素。激光器的近場(chǎng)寬度，光纖的數(shù)值孔徑。在發(fā)光區(qū)不變的情況下，光纖數(shù)值孔徑的減小耦合效率迅速降低。大功率LD在垂直于pn方向的近場(chǎng)寬度很小，因此LD與多模光纖的直接耦合效率較低。2021/5/949光纖微透鏡直接耦合采用一定加工工藝把光纖端面制作成一定大小和形狀的微透鏡，直接對(duì)向大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面，使半導(dǎo)體激光器的光束高效耦合進(jìn)光纖中。常用的光纖微透鏡形式有半球形、圓錐形、錐端球面形、橢雙曲面形、楔形等。特點(diǎn)：光纖微透鏡的尺寸不大于光纖直徑，相比分立微光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)耦合系統(tǒng)，光纖微透鏡直接耦合有著靈活方便，易于集成封裝，制作效率高等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于光纖與光源、放大器、DWDM模塊、泵浦光源等耦合中。2021/5/950

間接耦合由分立微光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)耦合系統(tǒng)：球透鏡柱透鏡自聚焦透鏡雙曲面透鏡組合透鏡特點(diǎn)是可以最大限度地降低反射損耗、消除像差的影響、改善光束非圓對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)高效率的耦合。2021/5/951微柱透鏡的光纖耦合利用圓柱微透鏡對(duì)半導(dǎo)體激光器光束進(jìn)行準(zhǔn)直或聚焦提高光纖耦合效率通常采用一段大數(shù)值孔徑的光纖代替圓柱微透鏡，制作簡(jiǎn)單、成本低廉。利用圓柱透鏡光纖耦合原理示意圖2021/5/952自聚焦透鏡光纖耦合自聚焦透鏡GrinLens：又稱為梯度變折射率透鏡，是指其折射率分布是沿徑向漸變的柱狀光學(xué)透鏡。具有聚焦和成像功能利用自聚焦透鏡光纖耦合原理示意圖2021/5/953雙曲面微透鏡的光纖耦合為了提高耦合效率不僅需要對(duì)LD輸出光束快軸方向進(jìn)行聚焦準(zhǔn)直，有時(shí)還需要對(duì)慢軸方向準(zhǔn)直聚焦。一種具有雙曲率半徑結(jié)構(gòu)的微透鏡，可對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出光束的快軸和慢軸同時(shí)聚焦，并與多模光纖耦合。雙曲面透鏡結(jié)構(gòu)示意圖2021/5/954雙曲面透鏡耦合原理2021/5/955（4）組合透鏡光纖耦合利用組合透鏡光纖耦合示意圖2021/5/956各種耦合方法的比較自聚焦透鏡和圓柱透鏡結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、調(diào)整方便，但耦合效率相對(duì)比較低；組合透鏡方法效率比較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整比較困難。雙曲面透鏡法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單調(diào)整方便，耦合效率高。其缺點(diǎn)是雙曲面透鏡制作比較困難，成本高。2021/5/957基于激光二極管列陣的多光束耦合由于激光二極管列陣上的發(fā)光單元本身發(fā)光區(qū)幾何尺寸的不對(duì)稱，并且在平行pn結(jié)方向上集成了數(shù)十個(gè)發(fā)光單元，激光二極管列陣的輸出光束在垂直pn結(jié)方向(快軸方向)的光束質(zhì)量因子和平行pn結(jié)方向(慢軸方向)的光束質(zhì)量因子相差很大。因此，必須采用光束整形技術(shù)對(duì)光束進(jìn)行對(duì)稱化處理。光纖列陣耦合方法微光學(xué)系統(tǒng)耦合方法2021/5/958（1）光纖列陣耦合方法光纖列陣耦合方法是通過微光學(xué)系統(tǒng)將激光器列陣各發(fā)光單元與數(shù)目相同的光纖列陣一一對(duì)準(zhǔn)、耦合，在光纖另一端集束輸出。這種方法在大功率時(shí)需采用一大捆光纖束而光亮度并不大，也難以對(duì)該光束進(jìn)行進(jìn)一步的整形來提高光亮度。而半導(dǎo)體激光器抽運(yùn)的全固態(tài)激光器抽運(yùn)光的關(guān)鍵參數(shù)是光能量密度，因此該方法已趨于淘汰。2021/5/959特點(diǎn)光纖列陣耦合方式中，光纖列陣需要精密排列，排列周期應(yīng)等于激光二極管列陣的單元周期，因此需要加工特殊設(shè)計(jì)的精密V形槽或U形槽列陣，用以排列固定光纖列陣。優(yōu)點(diǎn)：耦合光纖系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)：光纖束直徑較大，功率密度較低。2021/5/960（2）微光學(xué)系統(tǒng)耦合方法微光學(xué)系統(tǒng)耦合方法是通過微光學(xué)系統(tǒng)(微透鏡、微棱鏡列陣等)對(duì)光束進(jìn)行整形、變換，再通過非球面透鏡聚焦耦合到單根光纖中。2021/5/961光束亮度光纖耦合輸出激光光束的主要參數(shù)是光纖芯徑和數(shù)值孔徑。對(duì)于一定功率的光纖耦合半導(dǎo)體激光器，這兩個(gè)參數(shù)直接決定了光束的亮度式中NA為光纖數(shù)值孔徑；Φ為光纖的芯徑，p為光纖的輸出功率，u為光學(xué)系統(tǒng)物方的孔徑角。為了得到高亮度光纖，可提高輸出功率或減小光纖的數(shù)值孔徑和光纖芯徑。由于亮度和芯徑、數(shù)值孔徑的二次方成反比，因此后者對(duì)提高光纖的亮度更為有效。2021/5/962正交微透鏡陣列對(duì)半導(dǎo)體激光器陣列光束的準(zhǔn)直快軸方向準(zhǔn)直光束發(fā)散角計(jì)算快軸方向光束為高斯光束，其傳播滿足高斯光束傳播規(guī)律。用單透鏡準(zhǔn)直高斯光束口為待準(zhǔn)直光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，?’為通過準(zhǔn)直透鏡后的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，f為高斯光束的瑞利長(zhǎng)度(即共焦參數(shù))，F(xiàn)為準(zhǔn)直透鏡的焦距。2021/5/963快軸方向較大發(fā)散角的特殊性，使得常規(guī)單球面透鏡不能較好地校正球差，為了校正球差而又不至于增加過多的透鏡片數(shù)，非球面透鏡無疑是較為理想的。等光程方程：得到二次雙曲線柱面方程。2021/5/964線陣慢軸方向的準(zhǔn)直慢軸方向由于發(fā)散角較小，因此采用常規(guī)的圓柱面、橢圓柱面、拋物線或雙曲線柱面透鏡對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)直，其產(chǎn)生的誤差很小。這四種面形相差不大，采用任意二次曲面面形柱面透鏡，均可對(duì)慢軸方向的光束進(jìn)行準(zhǔn)直。（口徑為0.5mm，焦距為2.5mm的圓、橢圓、拋物線、雙曲線柱面透鏡的面形比較）。相同口徑和焦距，不同面形準(zhǔn)直慢軸透鏡面形比較2021/5/965光束的聚焦及與光纖的耦合為了高效地將準(zhǔn)直準(zhǔn)平行光束耦合進(jìn)入多模光纖，需采用一個(gè)高質(zhì)量的聚焦耦合透鏡，一般宜采用雙膠合透鏡將微透鏡準(zhǔn)直的準(zhǔn)平行光束聚焦耦合進(jìn)一定參數(shù)的光纖。滿足要求：1.透鏡的口徑大于輸入光束的口徑2.透鏡的像方數(shù)值孔徑小于光纖的數(shù)值孔徑3.聚焦光斑應(yīng)小于光纖的芯徑設(shè)θ為準(zhǔn)直光束發(fā)散角，d為準(zhǔn)直光束直徑，那么透鏡的口徑D和焦距f的選擇需滿足以下條件

2021/5/966常用耦合方法與特點(diǎn)微透鏡陣列耦合微棱鏡列陣耦合階梯式微型反射鏡耦合這些方法通過微透鏡、微棱鏡列陣等，對(duì)光束進(jìn)行整形、變換，將列陣器件中各發(fā)光單元的輸出光束變換為平行光束，再通過非球面透鏡聚焦耦合到單根光纖中。然而，像微棱鏡、微階梯平面鏡等光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)試都比較復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用比較困難。2021/5/967光纖通信用半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是光纖通信用的主要光源"。由于光纖通信系統(tǒng)具有不同的應(yīng)用層次和結(jié)構(gòu)"，因而需要不同類型的半導(dǎo)體激光器。幾種典型的光纖通信用半導(dǎo)體激光器件：法布里-珀羅激光器、分布反饋半導(dǎo)體激光器、電吸收型調(diào)制器集成光源、波長(zhǎng)可選擇光源、垂直腔面發(fā)射激光器光纖通信系統(tǒng)必須滿足的信息傳輸要求有：1）對(duì)于干線通信系統(tǒng)，必須滿足長(zhǎng)距離、高速率、大容量

2）對(duì)于服務(wù)于千家萬戶的接入網(wǎng)絡(luò)，在成本盡可能低的情況下，需要足夠的接入帶寬

3）對(duì)于中心城市，信息產(chǎn)生和傳輸最密集，但是對(duì)傳輸距離的要求不高

4）目前的光通信大多還是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，要進(jìn)一步提高信息傳輸容量，需要基于各種光電子器件的全光通信網(wǎng)絡(luò)2021/5/968光纖通信用半導(dǎo)體激光器法布里-珀羅激光器目前光纖通信上采用的FP-LD的制作技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。普遍采用雙異質(zhì)結(jié)多量子阱有源層、載流子與光分別限制的結(jié)構(gòu)。

缺點(diǎn)：不能實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，適用于調(diào)制速率小于622Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)及工藝簡(jiǎn)單，成本低2021/5/969光纖通信用半導(dǎo)體激光器分布反饋半導(dǎo)體激光器普通結(jié)構(gòu)的分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB-LD),在高速調(diào)制狀態(tài)下會(huì)發(fā)生多模工作現(xiàn)象,從而限制傳輸速率。在半導(dǎo)體激光器內(nèi)部建立一個(gè)布拉格光柵，利用其選頻原理，可以實(shí)現(xiàn)單縱模工作。兩種反饋方式：

1）折射率耦合：是折射率周期性變化引起的布拉格反射——雙模激射。

2）增益耦合：是增益周期性變化引起的分布反饋——單模激射。直接調(diào)制DFB-LD最大優(yōu)點(diǎn)：高速調(diào)制下仍能保持動(dòng)態(tài)單模。2021/5/970光纖通信用半導(dǎo)體激光器DFB-LD/電吸收型調(diào)制器集成光源外調(diào)制器結(jié)構(gòu)：干涉型:基于多量子阱材料電光效應(yīng)的Mach-Zehdner調(diào)制器。對(duì)工作波長(zhǎng)不敏感，啁啾可調(diào)。缺點(diǎn)：制作困難，器件尺寸較大電吸收型:利用量子限制Stark效應(yīng)的電吸收（EA）型調(diào)制器。驅(qū)動(dòng)電壓低，器件尺寸小，啁啾可控，制作工藝簡(jiǎn)單注入載流子與光子共振相互作用限制激光器工作速率頻率啁啾不滿足高速長(zhǎng)距離傳輸組合DFB-LD和外調(diào)制器2021/5/971波長(zhǎng)可選擇光源波長(zhǎng)可選擇光源背景：密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)要求光源具有較大的可調(diào)諧范圍。普通的DFB-LD可調(diào)諧波長(zhǎng)范圍較小，為2nm。波長(zhǎng)調(diào)諧基本原理：基于布拉格反射光柵，通常通過改變溫度，注入電流，機(jī)械控制等方法，改變光柵的有效折射率，從而改變光柵的布拉格波長(zhǎng)。三電極DBR-LD：3個(gè)電極分別對(duì)DBR-LD

的增益區(qū)，相移區(qū)和選模光柵注入電流，其中增益區(qū)提供增益。光柵區(qū)選擇縱模，而相移區(qū)用來調(diào)節(jié)相位。三電級(jí)DBR-LD結(jié)構(gòu)示意圖2021/5/972垂直腔面發(fā)射激光器邊發(fā)射激光器只能進(jìn)行一維集成，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）能夠?qū)崿F(xiàn)二維集成。優(yōu)點(diǎn)：有源區(qū)體積極小從而具有極低閾值電流，采用DBR結(jié)構(gòu)，從而能動(dòng)態(tài)單模工作，壽命長(zhǎng)，光束質(zhì)量好缺點(diǎn)：基橫模輸出功率不高，散熱困難，極化控制困難及在長(zhǎng)波長(zhǎng)方面表現(xiàn)不理想。VCSEL的典型示意圖2021/5/973密集波分復(fù)用（DWDM）的光源關(guān)鍵技術(shù)紅外部分光通過光纖時(shí)的衰減特性圖DWDM系統(tǒng)容量的大小，取決于光源的通道數(shù)和每路光源的傳輸速度。激光在光纖中可用波長(zhǎng)范圍實(shí)際上很窄，故要求DWDM各個(gè)通道的波長(zhǎng)間隔變小。DWDM光源不僅線寬要窄，而且波長(zhǎng)控制精度和穩(wěn)定性也要高。850nm窗口：制造成本低存在多模傳輸和高損耗傳輸問題，致使系統(tǒng)復(fù)雜性增加，而且目前國(guó)際上尚無標(biāo)準(zhǔn)支持工作在這一波長(zhǎng)區(qū)的元器件。傳統(tǒng)的EDFA只能在1550nm窗口附近提供30nm左右的平坦增益帶寬，即便是使用基于摻鉺光纖的雙帶光纖放大器DBFA，其帶寬也只能覆蓋1528nm~1610nm大約80nm的范圍。2021/5/974LD的溫度控制技術(shù)DWDM光源是主干網(wǎng)通信的主要設(shè)備，通常需要長(zhǎng)期連續(xù)工作數(shù)年以上，如何保證光源的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定是DWDM光源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。其中，溫度是影響LD穩(wěn)定工作的一個(gè)最重要的因素。LD主要采用以下幾種溫度控制技術(shù)：1）半導(dǎo)體制冷器的脈寬（PWM）驅(qū)動(dòng)技術(shù)最大缺點(diǎn)：電力電子器件會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)電磁干擾，從而產(chǎn)生大量噪聲。

2）半導(dǎo)體制冷器的線性驅(qū)動(dòng)技術(shù)

3）熱敏電阻的線性化技術(shù)

4）雙熱敏電阻控制技術(shù)基于半導(dǎo)體制冷器的PWM溫度控制系統(tǒng)2021/5/975LD的波長(zhǎng)漂移檢測(cè)技術(shù)LD的輸出波長(zhǎng)特性是決定DWDM光源通道數(shù)量和DWDM系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的一個(gè)最重要指標(biāo)。LD的波長(zhǎng)輸出特性有線寬、中心波長(zhǎng)等，其中中心波長(zhǎng)的漂移檢測(cè)是LD控制過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

1）光纖光柵波長(zhǎng)檢測(cè)

2）陣列波導(dǎo)光柵波長(zhǎng)檢測(cè)

3）標(biāo)準(zhǔn)具檢測(cè)法

4）有源區(qū)電壓檢測(cè)法光纖光柵波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)2021/5/976LD的建模技術(shù)LD的特性包括發(fā)射光功率與注入電流的關(guān)系（P-I）曲線、伏安特性V-I曲線、瞬態(tài)響應(yīng)、小信號(hào)頻率響應(yīng)及非線性等。這些特性直接影響系統(tǒng)性能的好壞。1）直流特性：一般情況下，P-I曲線的非線性可以通過一個(gè)二階多項(xiàng)式來描述，即：2）速率方程模型分析法：將速率方程按照一定的條件進(jìn)行簡(jiǎn)化或者將其中的元素表征為由線性電路元件組成的等效電路模型。國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后提出過本征小信號(hào)等效電路模型、用于LD動(dòng)態(tài)調(diào)制模擬分析的大信號(hào)電路模型、小信號(hào)微波電路模型等。優(yōu)點(diǎn)就是能夠借助現(xiàn)有的電路仿真工具進(jìn)行模型分析。3）速率方程數(shù)值分析法：利用