《半導(dǎo)體激光器及光纖耦合技術(shù)理論基礎(chǔ)綜述》6300字

半導(dǎo)體激光器及光纖耦合技術(shù)理論基礎(chǔ)綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u3168半導(dǎo)體激光器及光纖耦合技術(shù)理論基礎(chǔ)綜述 1271581.1光束質(zhì)量評價方法 1228691.2單管半導(dǎo)體激光器的基本工作原理及光束特性 3301791.3半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直的基本原理及方法 535001.4半導(dǎo)體激光器光束合束技術(shù) 7205871.5光纖耦合理論 8129421.5.1光纖 8294271.5.2光纖耦合理論 929541.5.3光纖耦合損耗分析 10189131.5.4常用的光纖耦合方法 11半導(dǎo)體激光器與光纖的高效耦合涉及到相關(guān)的知識，一是對半導(dǎo)體激光器基本原理有所了解，了解半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場和近場光束的基本特性；二是要對光纖耦合模塊設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)（光束準(zhǔn)直、激光光束合束以及光纖耦合）有深入的掌握。1.1光束質(zhì)量評價方法激光光束質(zhì)量是激光技術(shù)中一個非常重要的表示參數(shù)，用于評價出射激光的性能好壞，廣泛應(yīng)用于激光器的設(shè)計和制作等方面。一般而言利用激光光束遠(yuǎn)場發(fā)散角這一參數(shù)來表征激光光束質(zhì)量，但是對于激光束而言，均可通過光學(xué)透鏡系統(tǒng)變換來改變激光光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角，所以僅僅采用遠(yuǎn)場發(fā)散角這一參數(shù)來衡量光束質(zhì)量是不夠完美的。為了能夠完美的評價激光光束質(zhì)量，研究人員們提出了采用亮度、因子、因子以及光參數(shù)積（BPP值）等來表征光束質(zhì)量，下面詳細(xì)介紹這幾種評價方法。1.1.1亮度激光具有高亮度性、高方向性、高單色性、高相干性和高能量性，當(dāng)激光在無損耗的光學(xué)介質(zhì)中傳輸時，激光的亮度將保持不變[9]。激光的高亮度是其能量高度集中的表現(xiàn)，然而激光的亮度除了受到激光器的發(fā)射功率的影響外，還與光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角和光斑的發(fā)光面積有關(guān)。其定義表達(dá)式如式（1-1）所示：（1-1）上式中B表示激光光束亮度，P表示光源發(fā)射激光的總功率，S表示光束光斑面積，Ω表示光源遠(yuǎn)場發(fā)散角。從上面定義式可以看出，激光發(fā)射功率一定的條件下，激光光束光斑面積越小，光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角越小，則激光光束亮度越高，單位面積的能量也就越高。1.1.2因子光束衍射極限倍數(shù)因子即因子，其基本的定義如式（1-2）所示：（1-2）上式中是實際出射光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角，是理想情況下光束的發(fā)散角，由上式可知光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角越大時因子越大，光束質(zhì)量越差；越趨近于1時，光束質(zhì)量越好。1.1.3因子因子的表達(dá)式如式（1-3）所示：（1-3）上式中和分別表示出射激光光束的實際光斑半徑大小和實際遠(yuǎn)場發(fā)散角大小，和分別表示激光光束的理想光束光斑半徑大小和理想的遠(yuǎn)場發(fā)散角大小。由表達(dá)式可以看出，越大，激光光束的實際光斑或者實際遠(yuǎn)場發(fā)散角遠(yuǎn)大于理想的光斑和發(fā)散角，激光光束質(zhì)量越差[10]；越接近于1，激光出射光束越接近于高斯光束，光束質(zhì)量越好；時，激光光束傳輸達(dá)到衍射的極限?？梢宰C明激光通過理想無像差且孔徑無窮大的光學(xué)系統(tǒng)時，盡管束腰半徑和遠(yuǎn)場發(fā)散角發(fā)生變化，但是其乘積是個不變量，即因子是一個固定值。通常因子只適合于低評價低能量的高斯型激光光束，用激光光束光斑半徑和遠(yuǎn)場發(fā)散角的相互制約來提高對光束質(zhì)量評價的準(zhǔn)確性。但是對于高能量的激光光束，由于其諧振腔是非穩(wěn)定腔，導(dǎo)致輸出的激光光束不是規(guī)則的高斯光束，所以不存在所謂的束腰和遠(yuǎn)場發(fā)散角，例如對于超高斯光束，因子就不適用。這便需要采用其他的光束質(zhì)量評價因子進(jìn)行客觀性的評價。1.2.4光參數(shù)積（BPP值）光參數(shù)積（BPP）的是出射激光光斑半徑與激光光束遠(yuǎn)場發(fā)散半角的乘積，基本定義式如下（1-4）所示[9]：（1-4）若光學(xué)系統(tǒng)不存在像差且數(shù)值孔徑無限大，則經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)變換前后激光光斑半徑與遠(yuǎn)場發(fā)散半角的乘積保持不變[10]，即式（1-5）所示：（1-5）上面連個式子中，表示激光光束變換的光斑半徑，表示激光光束變換前的遠(yuǎn)場發(fā)散半角，表示經(jīng)光學(xué)變換系統(tǒng)變換后的光斑半徑，表示經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)變換后的遠(yuǎn)場發(fā)散半角。但是通常情況下，光學(xué)系統(tǒng)都會存在像差，所以聚焦前后的光參數(shù)積往往不相等，一般聚焦后的光參數(shù)積大于聚焦前的光參數(shù)積。通常由于半導(dǎo)體激光器有源層結(jié)構(gòu)的不對稱性，在快軸和慢軸方向上的光斑大小和遠(yuǎn)場發(fā)散角相差較大，因而需要分開表述，采用和兩個參量來分別表示快慢軸方向上的光束質(zhì)量。1.2單管半導(dǎo)體激光器的基本工作原理及光束特性半導(dǎo)體激光器的工作原理與其余激光器相同，都是利用電子躍遷引發(fā)受激輻射從而產(chǎn)生激光的，不同的是半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)來產(chǎn)生激光的器件，要讓半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光必須滿足相應(yīng)條件：要有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)即高能態(tài)粒子數(shù)大于低能態(tài)粒子數(shù)、有一個合適的諧振腔起反饋作用促進(jìn)受激輻射光子增生產(chǎn)生激光振蕩、滿足一定的閾值條件使光子增益大于光子損耗。如下圖1-1所示，兩個反射光柵充當(dāng)諧振腔起反饋作用，PN結(jié)兩邊注入電流促進(jìn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并且PN結(jié)起限制粒子運動的作用，利于提高輸出功率。圖1-1半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的光場分布主要分為近場和遠(yuǎn)場分布特性，近場分布特性是指光束出射距離與波長具有相同的數(shù)量級時（）的光束特性，遠(yuǎn)場分布特性是指出射光束距離遠(yuǎn)大于激光波長時（）的光束特性[2]。對于現(xiàn)在常用的半導(dǎo)體激光器，具有非常薄的有源層結(jié)構(gòu)，大大降低了閾值電流密度，但也因其特殊的結(jié)構(gòu)特性，使得出射光束在快慢軸方向上具有一定的差異性，通常在快軸方向上的輸出光束遠(yuǎn)場發(fā)散角為25°~50°左右，而在慢軸方向上輸出光束遠(yuǎn)場發(fā)散角約為7°~25°左右，因此，輸出光束為橢圓形。其光束特性和遠(yuǎn)場光斑形狀如下圖1-2中所示：圖1-2半導(dǎo)體激光器遠(yuǎn)場光束特性及光斑圖出射激光光束的基本參數(shù)表達(dá)式如下式（1-6）所示：（1-6）其中表示激光光束在x和y方向的模場半徑，表示基模高斯光束在x和y方向的模場半徑，表示激光光束在x和y方向上的曲率半徑，表示出射激光光束在x和y方向上的遠(yuǎn)場發(fā)散角。目前的半導(dǎo)體激光器按照有源層的結(jié)構(gòu)類型來分，可以分為同質(zhì)結(jié)激光器、單異質(zhì)結(jié)激光器、雙異質(zhì)結(jié)激光器、分布式反饋激光器、單量子阱激光器、多量子阱激光器、量子線激光器和量子點激光器等，其基本原理都是為了限制有源層內(nèi)光子的載流子的運動，提高半導(dǎo)體激光器的效率以及降低閾值電流。例如雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器是采用兩種帶隙較寬且折射率較低的半導(dǎo)體材料，形成折射率差，限制有源層內(nèi)垂直于結(jié)平面方向上載流子和光子的運動；量子阱激光器是利用量子效應(yīng)，將有源層厚度壓縮到德布羅意波長范圍內(nèi)，將載流子限制在由勢阱形成的有源層中，與雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器相比較有更低的閾值電流和更高的量子效率；而量子線和量子點半導(dǎo)體激光器則分別是對有源層的二維的三維結(jié)構(gòu)方向上進(jìn)行限制等。1.3半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直的基本原理及方法由上所訴，半導(dǎo)體激光器直接輸出時，快軸方向發(fā)散角遠(yuǎn)大于慢軸光束發(fā)散角，導(dǎo)致出射激光光束特性較差，可以通過對快慢軸方向上的光束進(jìn)行準(zhǔn)直來壓縮發(fā)散角，改善激光光束特性，提高單位面積激光功率，實現(xiàn)高的光纖耦合效率，便于在工業(yè)和軍事領(lǐng)域上有更好的應(yīng)用。常采用透鏡對半導(dǎo)體激光器出射光束進(jìn)行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直的基本原理如下圖1-3所示[2]。圖1-3半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直基本原理圖通常半導(dǎo)體激光器的快軸和慢軸發(fā)散角差異較大，需要單獨對快軸和慢軸進(jìn)行準(zhǔn)直，在準(zhǔn)直過程中，常用的集中方法有柱狀透鏡準(zhǔn)直、非球面透鏡準(zhǔn)直、透鏡組準(zhǔn)直以及自聚焦透鏡準(zhǔn)直等，不同的準(zhǔn)直方法各有利弊。柱透鏡準(zhǔn)直具有取材廣、價格低廉等優(yōu)點，因而工業(yè)上常用柱狀透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直的基本原理如圖1-4所示[11]，右圖1-4可以看出柱狀透鏡準(zhǔn)直時會存在較大的球面像差，因而對出射光束的發(fā)散角以及光強分布造成很大的影響，在對光強要求較高或發(fā)散角要求較低的場合往往不適用。圖1-4柱狀透鏡準(zhǔn)直原理圖非球面透鏡是目前準(zhǔn)直效果最好的透鏡，相比于柱狀透鏡，其曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，在矯正球差方面具有獨到的優(yōu)勢，但是相對的設(shè)計難度也較大，因而透鏡價格也高于一般的柱狀透鏡?；緶?zhǔn)直原理如下圖1-5所示，曲率半徑隨光束位置的不同而變化，因而能保證出射光束全部為平行光。圖1-5非球面透鏡準(zhǔn)直原理圖自聚焦透鏡又名漸變折射率透鏡（GRIN），其在垂直于傳播方向上的不同距離處的折射率不同[2]，如圖1-6所示，自聚焦透鏡的折射率滿足式（1-7）。（1-7）其中，A為常數(shù)，為軸心處的折射率，r為光束距離軸心的距離。圖1-6自聚焦透鏡準(zhǔn)直原理圖在實際的設(shè)計過程中，由于快軸方向上的發(fā)散角遠(yuǎn)大于慢軸方向上的發(fā)散角，考慮到制作成本以及對準(zhǔn)直效果的要求，對慢軸準(zhǔn)直一般采用柱狀透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，對快軸準(zhǔn)直則采用對球差矯正度較高的非球面透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，以上選擇可以很好的完成快慢軸方向上的準(zhǔn)直。2.4半導(dǎo)體激光器光束合束技術(shù)近年來，半導(dǎo)體激光器在應(yīng)用領(lǐng)域上不斷拓寬，但相應(yīng)的同時對半導(dǎo)體激光器的要求也日漸提高，不但要求有更好的光束特性，同時要求更高的功率輸出，光束準(zhǔn)直技術(shù)可以有效的改善激光光束特性，而合束技術(shù)可以很好的提高激光輸出功率。半導(dǎo)體激光器的合束技術(shù)分為相干合束以及非相干合束兩種。相干合束是通過相位調(diào)制使得相同波長之間進(jìn)行干涉實現(xiàn)合束，但是在實際應(yīng)用中，制作工藝較為繁瑣，成本較高，難以廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于激光陣列之間的合束。非相干合束常用有三種方式：空間合束、偏振合束以及波長合束[3]。與傳統(tǒng)的相干合束相比較，非相干合束對光束參數(shù)要求較低并且工藝較為簡便，廣泛應(yīng)用于單管合束技術(shù)，以下分別作簡單的介紹。空間合束較為簡單，工藝要求較為簡便，成本也較低，就是將光束在空間上按照幾何關(guān)系緊密的排列在一起，提高光束總的輸出功率，這種方法是目前半導(dǎo)體激光器合束技術(shù)中最簡單的一種方法，不需要過于復(fù)雜光束整形或者光束重排，只需確保不同光束的光程相同即可，廣泛應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體激光器之間的合束。偏振合束是指偏振態(tài)互相垂直的兩束半導(dǎo)體激光光束，通過波長偏振器件后實現(xiàn)偏振態(tài)一致來實現(xiàn)合束。對于半導(dǎo)體激光光束而言，光場矢量振動方向垂直于結(jié)平面，則為TE態(tài)偏振光，反之，平行于結(jié)平面，則為TM態(tài)偏振光，兩束準(zhǔn)直后的激光光束使其中一束經(jīng)過半波片將偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度后進(jìn)行疊加，可以使輸出功率提高將近一倍，基本示意圖如下圖1-7所示。圖1-7偏振合束原理圖波長合束針對的是多波長激光系統(tǒng)的合束，正如圖1-8所示，采用波長合束器進(jìn)行合束，波長合束可以有效的提高輸出功率，但是對工藝要求較高，同時合束后和激光為混合激光，單色性較差，極大的限制了激光器的應(yīng)用范圍。圖1-8波長合束示意圖1.5光纖耦合理論1.5.1光纖光纖，又名光導(dǎo)纖維，是一種由玻璃或塑料制作而成的光學(xué)材料，一般是圓柱體，可作為光傳導(dǎo)工具傳播信息或者能量。光纖主要用于傳遞能量和傳遞光學(xué)信息，是一種介質(zhì)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，借由折射率差來把光限制在纖芯內(nèi)并引導(dǎo)光波沿著光纖軸線方向進(jìn)行傳播。如圖1-9所示是光纖的基本結(jié)構(gòu)，光纖最里面稱作光纖纖芯，其折射率為n1，中間一層稱為包層，其折射率為n2，為滿足傳播的全反射條件，包層折射率略小于纖芯的折射率，最外層為涂敷層，起保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用。光纖按照折射率變化來分，可以分為漸變折射率光纖和階躍折射率光纖；按照傳播模式的不同，可以分為單模光纖和多模光纖[12]。單模光纖的芯徑很小，在給定傳輸波長下只能以單一的模式傳輸，常用于制備光纖激光器，而多模光纖在給定波長下能同時傳輸多個模式，常用于制作半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊。圖1-9光纖基本結(jié)構(gòu)光纖的數(shù)值孔徑和纖芯直徑?jīng)Q定了光纖的基本參數(shù)，在耦合模塊的設(shè)計中，經(jīng)準(zhǔn)直聚焦后的光斑大小應(yīng)該小于纖芯直徑。而數(shù)值孔徑表示的是光纖的最大接收角，耦合進(jìn)入光纖的光的入射角應(yīng)該小于光纖的最大接收角，才能實現(xiàn)較高的耦合輸出。光纖的數(shù)值孔徑（NA）可以用式（1-8）表示：（1-8）式中，為空氣的折射率，表示光纖的最大接收角，和分別表示光纖纖芯和光纖包層的折射率。1.5.2光纖耦合理論描述光纖耦合的理論主要有波動光學(xué)耦合理論和幾何光學(xué)耦合理論。幾何光學(xué)耦合理論實際上就是經(jīng)典光學(xué)理論，為實現(xiàn)高效率的光束耦合，準(zhǔn)直聚焦后的光束必須滿足以下兩個個條件，一是準(zhǔn)直聚焦后的光束發(fā)散角必須小于光纖的最大接收角；二是準(zhǔn)直聚焦后的光束發(fā)散角要滿足光纖的全反射條件[2]，即光斑最大直徑小于纖芯直徑。即準(zhǔn)直后激光的光參數(shù)積要小于光纖的光參數(shù)積。（1-9）式（1-9）中，表示準(zhǔn)直聚焦后的光束發(fā)散角，表示光纖的最大接收角，表示入射光束的直徑，表示光纖的纖芯直徑，表示準(zhǔn)直后激光的光參數(shù)積，表示光纖的光參數(shù)積，與數(shù)值孔徑和光纖纖芯直徑的關(guān)系為（1-10）所示：（1-10）波動光學(xué)耦合理論是以波動光學(xué)理論來討論光束傳輸過程中的模式匹配問題，因為多模光纖中模式較多，討論起來較為繁瑣，所以通常在單模光纖中進(jìn)行討論。根據(jù)耦合光學(xué)理論，耦合效率為式（1-11）所示[7]：（1-11）式（1-11）中，是光場模式，是光纖模式，是傳播系數(shù)。是傳播距離，若兩者模式匹配，則會有較高的耦合效率。1.5.3光纖耦合損耗分析光纖耦合損耗是指光信號經(jīng)光纖傳輸后，由于光纖的吸收、散射等原因引起的光功率減小，是光纖的一種基本特性，是衡量光纖耦合裝置是否良好的指標(biāo)之一。光纖損耗通常取決于波長，但也根據(jù)光纖材料或光纖的彎曲程度而改變，常見的有吸收損耗、彎曲損耗以及散射損耗等。吸收損耗是由于光纖材料對特定波長的光具有吸收作用造成的，例如由熔融石英制備而成的光纖，在波長范圍1300nm至1550nm的范圍內(nèi)能進(jìn)行穩(wěn)定傳輸，但是在該波長范圍外的光就會被吸收造成損耗。因而對于某些特定的工作波長的激光器，對光纖材料的要求也會相應(yīng)提高。彎曲損耗是由于光纖內(nèi)部和外部幾何形狀的變化所引起的損耗，一般分為兩種：宏彎損耗與微彎損耗[13]。宏彎損耗一般是指光纖的物理彎曲，比如將光纖卷曲等，這會造成光纖模場與激光光束模場的不匹配，大量的能量會損耗到周邊環(huán)境中，且有較大的概率造成光纖永久性損傷。微彎損耗通常發(fā)生在光纖的內(nèi)部，即光纖纖芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不平整波壞了光束傳播全內(nèi)反射的條件，使得傳播的光泄露到光纖外部，微彎損耗通常是在制造光纖時造成的永久性缺陷。散射損耗是指光在遇到介質(zhì)表面時是由于折射率發(fā)生變化引起的損耗，既可由外部的雜質(zhì)等外部因素引起的折射率變化，也可以是由玻璃材料的密度、溫度等引起的內(nèi)在變化。散射損耗與波長緊密相關(guān)，通常呈負(fù)相關(guān)。因而儲存過程中要盡量避免光纖尖端受到污染，降低散射損耗。1.5.4常用的光纖耦合方法單管半導(dǎo)體激光器與光纖耦合常用的耦合方法通常有直接耦合以及聚焦透鏡間接耦合兩種方式。直接耦合直接耦合技術(shù)是將準(zhǔn)直聚焦后的激光光束直接耦合進(jìn)光纖，包括光纖直接耦合和光纖端面微透鏡耦合。光纖直接耦合是把處理好的光