大功率半导体激光器光纤耦合模块的耦合光学系统
高功率半导体激光器光纤耦合模块的可靠性研究
收稿 日期 ： ０ － ４ ； ２ ５ ６ ） 修订 日 ： ０ － － ０ ０ ２ 期 ２ ５ ８２ ０ ０ ２
Ａ ｓ ａｔＴ ｒｕｈａａ ｚ ｇｃｎｔｕｅａ ｄｍｅｈ ｉ ｆｈｇ ｏ ｅ ｓｒｄ ｄ Ｌ ｉ ｅ ｏｐｉｇｍ ｄｌ，ｔ ｂｔ ｃ ：ｈｏ ｇ ｎｌ ｉ ｏ ｓｔｔ ｎ ｃ ａ ｓ ｏ ｉｈｐｗ ｒｌ ｅ ｉ ｅ（ Ｄ）ｆ ｒｃｕｌ ｏｕｅ ｈ ｒ ｙｎ ｉ ｎ ｍ ａ ｏ ｂ ｎ ｅ
通过优化原有工艺与采用新技术， 提高 了模块 的可靠性， 拓宽 了其应用领域。 关键词 ： 半导体激光器； 光纤耦合模块 ； 可靠性
中图分 类号 ：Ｎ ４ ． Ｔ ２ ８４ 文 献标 识码 ： Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｌ ｂ ｌ ｙ ｏ ｇ ｏ ｒ Ｌａ ｅ ｓ ａ ｃ ｎ Ｒｅｉ ｉ ｔ ｆＨｉ ｈ Ｐ ｗｅ ｓ ｒ器 的光纤耦合模块 ， 以其体
积小 、 重量轻 、 电光转换效率高、 调制方便 等优异特
性， 而广泛应用于 Ｅ Ｆ Ｄ Ａ的泵浦 、 激光通信、 激光雷
达、 激光制导、 激光夜视 以及航空航 天等重要领域 ， 因而其可靠性也 Ｆ益成为研究 的热点。本文从激光 ｔ 器 自身的因素、 耦合封装工艺和电学因素三个方面 ， 阐述了影响模块可靠性 的原因 ， 在对相关 工艺进行 了优化和改进的同时 ， 引进了新工艺和新技术。 ２ 影响可靠性的因素 半导体激 光器光纤耦合模 块 由 自动功率控制 （Ｐ ） Ａ Ｃ 电路 、 自动温度控制 （ Ｔ ） Ａ Ｃ 电路 、 驱动器 、 监 视光电二极管（ Ｄ 、 Ｐ ） 激光器二极管（ Ｄ 、 电制冷 Ｌ ）热 器（ Ｅ ） Ｔ Ｃ 或热敏电阻、 耦合光学系统 以及输 出光纤 等几个部分组成 ， 其示意图如图 １ 。
光纤和半导体激光器耦合的实现方法
光纤和半导体激光器耦合的实现方法光纤和半导体激光器的耦合是将光纤与半导体激光器的光输出进行有效地连接的过程。
光纤和半导体激光器的耦合技术对于实现高效率和高品质的光纤通信、光纤传感和光纤激光器应用非常重要。
下面将介绍光纤和半导体激光器耦合的几种基本实现方法。
1.朴素方法：一种最简单的方法是将光纤粗略地对准激光器的外圆，然后用胶水或其他适当的导光材料固定光纤。
这种方法的缺点是会引入大量的光耦合损耗和模式不匹配损耗，导致耦合效率较低。
2.渐变折射率耦合：渐变折射率耦合是一种改进的方法，该方法通过在光纤末端表面使用透镜或折射率均匀变化的介质来改善耦合效率。
这种方法可以通过将光纤端面与激光器外表面之间的折射率差最小化来减少反射和模式相位匹配的不匹配，从而提高光纤和激光器之间的功率转移效率。
3.FC/APC连接：FC/APC（Angled Physical Contact）是一种常见的连接器类型，其端面倾斜以减少反射。
在光纤和激光器之间使用倾斜的光纤连接器，可以减少反射损耗，并提高耦合效率。
4.GRIN透镜耦合：GRIN（Graded-Index）透镜是一种折射率渐变的透镜，其折射率从中心向外缓慢减小。
将适当长度的GRIN透镜嵌入光纤末端，并将其与半导体激光器的激光输出区域对准，可以有效地将激光通过透镜耦合到光纤中。
GRIN透镜耦合可以提高耦合效率和模式匹配。
5.V-形槽耦合：V-形槽耦合是一种使用槽形结构来改善光纤和激光器之间耦合的方法。
在光纤末端和激光器之间创建V形槽，然后将光纤放置在槽中，可以实现更高的耦合效率。
这种方法可通过优化V形槽的形状、深度和角度，来减少反射和提高光耦合效率。
以上是光纤和半导体激光器耦合的几种基本实现方法。
在实际应用中，根据具体需求和要求，可以选用合适的耦合方法。
此外，还可以通过优化耦合尺寸、使用适当的光纤补偿器、调整光纤和激光器之间的距离等方法，进一步改善光纤和半导体激光器的耦合效果。
光纤耦合半导体激光器原理
光纤耦合半导体激光器原理光纤耦合半导体激光器是一种将光纤与半导体激光器相结合的器件，可将激光器器件与光纤相互耦合，实现高效的光纤传输和集成应用。
它不仅具备了半导体激光器的小尺寸、高效率、低功耗等特点，还能实现激光光束与光纤之间的高效耦合和传输。
首先，模式匹配是光束通过光纤耦合的关键环节。
激光器芯片的输出模式和光纤的模式必须匹配才能进行有效的耦合。
通常，半导体激光器芯片的输出模式为高斯模式，而光纤的传输模式也为高斯模式。
通过设计激光器芯片和光纤的参数，如直径、焦距等，使得两者的输出模式能够匹配，以确保较高的耦合效率。
其次，光束扩展过程将激光器芯片的较小直径的光束扩展到与光纤直径相匹配的尺寸。
这一过程可以通过使用透镜或光纤连接器等光学元件来实现。
透镜可以将光束进行聚焦和发散，从而实现光束尺寸的调整。
光纤连接器则通过其内部的光学结构来实现光束尺寸的调整和耦合。
最后，耦合效率是衡量光束传输和耦合质量的指标。
耦合效率取决于光纤与半导体激光器芯片之间的距离、角度和位置等因素。
一般情况下，为了最大程度地提高耦合效率，需要将激光器芯片的输出焦点与光纤的输入端对准，并保持二者的光轴一致。
此外，通过调整激光器芯片和光纤之间的距离和角度等，还可以进一步优化耦合效率。
除了以上原理，光纤耦合半导体激光器还需要注意温度的控制和光学元件的稳定性等问题。
激光器芯片的温度对其性能有很大影响，因此需要采用冷却措施来控制温度。
此外，光纤连接器和透镜等光学元件在使用过程中也需要保持稳定的性能，这对于长时间稳定的激光输出至关重要。
总之，光纤耦合半导体激光器通过将半导体激光器芯片与光纤相结合，实现了激光光束的高效耦合和传输。
它的原理涉及模式匹配、光束扩展和耦合效率等关键过程，并需要注意温度控制和光学元件的稳定性等问题。
光纤耦合半导体激光器在光通信、光传感和激光加工等领域具有广泛的应用前景。
808nm光纤耦合半导体激光泵浦源
808nm光纤耦合半导体激光泵浦源808nm光纤耦合半导体激光泵浦源是一种新型的光学器件，采用光纤耦合技术将半导体激光泵浦源与光纤进行耦合，使得激光器的输出光功率更稳定，噪声更小，应用范围更广泛。
808nm光纤耦合半导体激光泵浦源的工作原理是通过电流驱动半导体激光器的发光二极管，将电能转化为光能。
在808纳米的波长下，激光泵浦源具有较高的光转换效率，并且具有较低的发热量。
同时，采用光纤耦合技术可以将激光器产生的热量快速传导到散热系统中，有效降低了器件的温度，提高了激光器的工作稳定性和寿命。
808nm光纤耦合半导体激光泵浦源具有以下几个特点：首先，具有高功率稳定性。
激光泵浦源采用与光纤绑定的方式，可以大大减少光纤的损耗，并且能够在较长距离内保持光功率的稳定。
这使得激光器的输出功率更加一致，提高了激光器的工作效率和性能。
其次，具有低噪声。
808nm光纤耦合半导体激光泵浦源在工作过程中减少了光学器件的振动和震动，从而降低了激光器的噪声水平。
这使得激光器在科研、医疗和工业等领域中的应用更加广泛，例如激光医疗器械、激光打标机等。
再次，具有高光质量。
808nm光纤耦合半导体激光泵浦源的输出波长符合激光输出的最佳波长范围，可以获得高光质量的激光束。
这对激光器应用中需要高光质量的场景，如光通信和激光测距等领域有着重要的意义。
此外，808nm光纤耦合半导体激光泵浦源还具有小尺寸、低成本、易于集成等优点。
光纤耦合技术使得激光器的结构更加紧凑，便于在各种设备和系统中进行集成。
同时，由于其制造工艺相对简单，所以其成本也相对较低。
综上所述，808nm光纤耦合半导体激光泵浦源是一种具有高功率稳定性、低噪声、高光质量的光学器件。
它的出现不仅拓宽了激光泵浦源的应用领域，而且提高了激光器的性能和可靠性。
随着技术的不断发展，相信这种光学器件将会在更多的领域中得到应用，推动科技的进步和创新。
光纤耦合半导体激光器
光纤耦合半导体激光器光纤耦合半导体激光器是一种将激光器和光纤相结合的器件。
它利用光纤的优良传输特性，将激光器的输出光束耦合到光纤中进行传输。
光纤耦合半导体激光器具有小尺寸、高功率、高效率、稳定性好等特点，被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
光纤耦合半导体激光器的基本构造是将半导体激光器和光纤通过耦合器件进行连接。
半导体激光器是产生激光的核心部件，它由半导体材料制成，具有电流驱动特性。
光纤则是将激光束传输到目标位置的通道，它由光纤材料制成，具有光信号传输特性。
耦合器件起到连接和耦合两者的作用，通常采用透镜、光纤接口等结构。
在光纤耦合半导体激光器中，激光器产生的激光束首先经过调制器进行调制，这样可以对激光进行控制，满足不同应用需求。
然后，通过耦合器件将激光束耦合到光纤中。
耦合的目的是将激光能量高效地传输到光纤中，并保持高质量的传输。
耦合效率的高低直接影响到激光器的输出功率和稳定性。
光纤耦合半导体激光器的优点之一是可以将激光束传输到较远的距离，而不会因为传输损耗而降低功率。
这是因为光纤具有低损耗、低色散的特性，可以有效地保持激光束的质量。
此外，光纤耦合半导体激光器还具有较小的尺寸和重量，适合在空间有限的环境中使用。
光纤耦合半导体激光器在通信领域有着广泛的应用。
它可以用于光纤通信系统中的光源，将激光信号传输到光纤中进行信号传输。
由于光纤耦合半导体激光器具有高功率、高效率的特点，可以提供稳定的信号传输。
此外，光纤耦合半导体激光器还可以用于光纤传感系统中，实现对温度、压力等参数的测量和监测。
在医疗领域，光纤耦合半导体激光器也有着重要的应用。
它可以作为医疗设备中的光源，用于激光治疗、激光手术等。
光纤耦合半导体激光器具有小尺寸、高功率的特点，可以在医疗器械中实现紧凑的设计。
光纤耦合半导体激光器还可以用于材料加工领域。
它可以作为激光切割、激光焊接等加工过程中的光源。
光纤耦合半导体激光器具有高功率、高效率的特点，可以提供稳定的激光能量，实现高质量的材料加工。
大功率半导体激光器光纤耦合技术调研报告
大功率半导体激光器光纤耦合技术调研报告1．前言近年来，高功率光纤激光器因其优良的性能日益受到人们的重视和青睐，被广泛地应用于工业加工、空间光通信、医疗和军事等各个方面，其迅速发展在很大程度上得益于大功率高亮度半导体激光器技术的进步，大功率半导体激光光纤耦合技术一直是高功率光纤激光器技术的一项关键核心技术。
相反地，半导体激光器泵浦的高功率光纤激光器（DPFL）的发展也带动了大功率半导体激光器技术，尤其是大功率半导体激光光纤耦合技术的进步。
由于单管半导体激光器（LD）的输出功率受限于数瓦量级，远不能满足高功率光纤激光器泵浦源的要求，要获得更大输出功率须采用具有多个发光单元的激光二极管阵列（LD Array）。
按照结构形式的不同，激光二极管阵列分为线阵列（LD Bar）和面阵列（LD Stack），分别如图1(a)和(b)所示，其中LD Bar的输出功率一般在数十瓦至百瓦量级，而LD Stack的输出功率一般在数百瓦乃至上千瓦。
无论是单管LD还是LD Array，由其固有结构特点决定了半导体激光器具有光束发散角较大，输出光束光斑不对称，亮度不高等问题，给作为高功率光纤激光器泵浦源的实际应用带来很大困难和不便。
一个较好的解决方法是将半导体激光耦合进光纤输出，这样既可以利用光纤的柔性传输，增加使用的灵活性，又可以从根本上改善半导体激光器的输出光束质量。
Fig.1 （a）LD Bar 和（b）LD Stack大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术作为一项高新技术，具有很高的技术含量，涉及半导体材料、纤维光学技术、微光学技术、微精细加工技术和耦合封装技术等关键单元技术。
目前为止，大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术主要采用两条技术路线：光纤束耦合法和微光学系统耦合法。
下面将主要以LD Bar 光纤耦合技术为例，就该两种方法进行详细阐述。
2．大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术2．1光纤束耦合法光纤束耦合法（又称光纤阵列耦合法）是早期使用的一种光纤耦合技术，具有结构简单明了、耦合效率高、各发光元的间隙不影响整体光束质量和成本低等优点。
高功率光纤耦合半导体激光器
STV-DLF系列高功率光纤耦合半导体激光器STV-DLF是一款高功率光纤耦合半导体激光器，可以有多种输出功率、波长和光纤直径的组合。
客户可以单独选择激光器或者集成了激光器和外围设备的交钥匙系统。
半导体激光器单元包含一个高功率、半导体激光器阵列和光学元件，激光器束可以高效率的耦合进入可分离和互换的单模阶跃光纤中。
光纤直径范围从600微米到1200微米，输出功率从300W到数千瓦，光纤长度可以到50米或者更长，非常适合远程灵活的功率传输。
我们可以为客户量身定做诸如激光焊接、熔覆、切割和高速扫描处理系统，系统里也可以集成定位红光和监控传感器如照相机和测量锥。
高度集成的激光器，保证了最少的安装时间和最大的生产时间。
除此之外，我们还有很多控制器可以让客户根据需求选择，其中就包括微处理器，基于电脑的控制单元，我们也可以帮助客户集成标准的工业控制器。
整个系统可以单机工作，也可以多机同时工作。
光纤耦合可以直接传输均匀激光束到工件上的任意位置，减少了直接安装半导体激光器在机器人手臂上而带来的成本增加、复杂性和危险性。
特点：便于产线集成光纤耦合，最高功率可以到4500W结构灵活，便于伸缩内部水流监控工业级别安全光纤长寿命方便用户操作紧凑便携可靠高效售后服务最小化应用：塑料焊接激光熔覆铜焊硬化和热处理泵浦光纤或者固体激光器可选配置：交钥匙系统集成客户化或者下架光学系统和各种应用指示光方形光纤脚踏操作远程控制远程网络控制技术指标：（产品图片1）（产品图片2）出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。
然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。
诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。
宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。
若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。
侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。
光纤耦合半导体激光器原理
光纤耦合半导体激光器原理光纤耦合半导体激光器是一种将激光器与光纤相结合的器件，它利用光纤对激光的传输特性进行耦合，实现高效的光纤传输。
本文将从光纤耦合半导体激光器的原理、结构和应用等方面进行介绍。
光纤耦合半导体激光器的原理主要依托于半导体激光器的特性。
半导体激光器是一种利用半导体材料的电特性和光特性相互作用产生激光的器件。
其基本原理是通过施加电流，使半导体材料中的载流子在PN结区域发生复合，从而产生光子的放射，形成激光。
而光纤则是一种用来传输光信号的导光介质，具有高带宽、低损耗、抗电磁干扰等优点。
将半导体激光器与光纤耦合在一起，可以实现激光信号的高效传输和控制。
光纤耦合半导体激光器的结构包括激光器芯片、耦合透镜、光纤和光纤连接部件等。
激光器芯片是半导体激光器的核心部件，它由P 型、N型和活性层等材料组成，并通过电极进行电流的注入。
耦合透镜用于将激光器芯片中的激光束聚焦到光纤的末端，实现激光与光纤之间的耦合。
光纤连接部件则用于固定和保护光纤，以及保证光信号的稳定传输。
光纤耦合半导体激光器的应用非常广泛。
首先，在通信领域，光纤耦合半导体激光器可以用于光纤通信系统中的光源，实现高速、远距离的光信号传输。
其次，在工业应用中，光纤耦合半导体激光器可以用于激光加工、激光打标等领域，实现精确、高效的激光加工。
此外，在医疗领域，光纤耦合半导体激光器可以用于激光治疗、激光手术等，实现非接触式的医疗操作。
光纤耦合半导体激光器相比其他激光器具有许多优点。
首先，由于光纤的导光特性，光纤耦合半导体激光器可以实现长距离的光信号传输，同时光纤的柔性和抗干扰性也使得激光信号的传输更加稳定可靠。
其次，光纤耦合半导体激光器的结构简单紧凑，易于集成和应用。
此外，激光器芯片的制造工艺成熟，生产成本相对较低。
总结起来，光纤耦合半导体激光器是一种将激光器与光纤相结合的器件，利用光纤对激光的传输特性进行耦合，实现高效的光纤传输。
该器件具有结构简单、性能稳定、应用广泛等优点，被广泛应用于通信、工业、医疗等领域。
光纤耦合半导体激光器原理
光纤耦合半导体激光器原理首先介绍半导体激光器的原理。
半导体激光器由发光材料、PN结和光谱补偿结构等组成。
在PN结中，电子从N型区域向P型区域跃迁，同时发射出能量与频率匹配的光子，形成激光。
通过电流注入，激发发射材料中的电子从价带跃迁到导带，发射出的激光经过光谱补偿结构修正，然后通过腔体，最后通过输出端射出。
半导体激光器具有发射特性窄、尺寸小、寿命长等优势，适用于光纤耦合。
光纤耦合是将激光器发出的光束耦合到光纤中，并通过光纤传输到目标位置。
光纤耦合的目的是提高激光器到光纤之间的透射效率，减小能量损失。
光纤耦合的实现主要包括透镜对准法、抱瓶法和腔封装法等技术。
其中，透镜对准法是一种常用的耦合方法，它通过透镜将激光器的发散光束收束到光纤的传输模式中，以实现高效的耦合。
光纤耦合半导体激光器具体过程如下：首先，在半导体激光器的输出端面固定一透镜，通过调整透镜的位置和倾斜角度，使激光器的发散光束经过透镜后聚焦到光纤的入射端。
接下来，通过微调透镜的位置和倾斜角度，使激光尽可能地耦合到光纤的核心模式中。
为了进一步提高耦合效率，可以采用碎钻等方式清洗和修整光纤入射端面，去除可能对耦合效果产生影响的杂质。
最后，当激光器发出的光束成功耦合到光纤中时，激光将通过光纤的传输将光子能量传输到远距离的目标位置。
光纤具有低传输损耗、高耐受性、小尺寸等优点，因此能够有效地保持激光的质量和功率。
总结起来，光纤耦合半导体激光器的原理是通过半导体激光器将电能转换为光能，并经过光纤的传输将光能传输到目标位置。
光纤耦合技术的应用使得半导体激光器能够实现远距离、高功率和高质量的激光传输，具有广泛的应用前景。
半导体激光器与光纤高效耦合特性的研究_图文(精)
将新型透镜光纤与其它不同结构和形状的透镜光纤分别对多种大功率半导体激光器进行耦合测试。测试结果表明,由于新型多有源区大光腔LD的激射光束纵横比得到极大的改善,它与光纤的耦合效率比相同条宽的单有源区LD有显著提高。采用楔角为900的GRIN/sMF结构的新型透镜光纤与隧道结级联大光腔LD的耦合效率比该透镜光纤与常规LD的耦合效率高出一倍以上。
北京工业大学
博士学位论文
半导体激光器与光纤高效耦合特性的研究姓名:于海鹰
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学指导教师:沈光地
20060401
摘要
摘要
大功率半导体激光器(LD,laser dio如因体积小、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。
ABSTRACT
Thc application fields o仆噜h-power semiconductorlaser diodes(LDsare wider aIld埘der duc to their unique advamges such as smaU in size, 10w power cons岫ption,high electric to optical energyconVerting emciency a11d che印in cost, which couldn’t be competitiVe by other
The coupling issucs with optical助erS are oRen deal wim in many application fields of high-power LD,such as也e light sources and purnping sources of optical fiberamplifiers in optical flber communications Systems,laser surgery operation in medicine,laser、velding a11d heat processing in materials mechaIlical process and so on.so t}le studies on也e coupling systems wim hi曲efficiency,nlorc practices,high reliability and more economics accordmg to the high-power LDs’chamcteristics have been one of the interesting research俎d Study dots.T0date,mey p勰sed through separated single lens,sepamted combine一1enses a11d 1ensed fibers which imegrated with optical fibers,total mree generations.Lensed fibers are very popular andfirst choice at present because of their simple s仃uctllres,high manufktLlre effБайду номын сангаасciency姐d easy integrated packaging propenies.