半导体光源与光纤耦合
光耦合器是将 信号转换为 信号再转换为 信号的耦合器件
光耦合器是将信号转换为信号再转换为信号的耦合器件光耦合器（Optocoupler），是一种能够将电信号转换为光信号再转换为电信号的耦合器件。
它是由发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）和光敏三极管（Phototransistor）组成的光电二极管。
通过光耦合器，可以实现电气与光学之间的互联，起到保护和隔离信号的作用。
接下来，我们将会深入解析光耦合器的工作原理、优势以及应用领域。
光耦合器的工作原理相对来说是比较简单的。
首先，当输入电信号通过光电二极管的输入端时，发光二极管将收到的电信号转换为对应的光信号。
这个过程通过半导体材料的电性和光性相互作用而实现。
而后，输出端的光敏三极管将接收到的光信号转换为相应的电信号。
这样，输入信号就成功地转换为输出信号，完成耦合的过程。
光耦合器的最大优势在于其能够实现电学与光学之间的隔离和保护作用。
在许多场景下，通过光耦合器可以有效地提供电气隔离，以避免电气干扰和降低噪声。
此外，光耦合器还具备良好的可靠性和长寿命，能够稳定地工作在较高温度和湿度环境下。
光耦合器的应用领域十分广泛。
首先，光耦合器在电力系统中常用于高压电路的隔离和检测。
由于其能够实现电气隔离和防止电气灾害，因此可以提高电力系统的安全性和稳定性。
同时，在工业自动化领域，光耦合器被广泛应用于逻辑电平转换、信号隔离以及电气与光学接口的转换。
此外，在医疗设备、通信设备等领域中，光耦合器也被广泛应用于信号的隔离传输、光纤通讯以及光电信号的调制与解调等领域。
光耦合器在实际应用过程中，存在一些值得注意的问题。
首先，由于光耦合器本身对于光敏三极管发出的光敏感度有一定要求，因此在使用过程中需要充分考虑光源的强度以及传输距离的限制。
同时，光源的选用也是光耦合器稳定性和性能的重要因素。
其次，针对特定应用场景，需要合理选择光耦合器的类型。
根据输出端的不同，光耦合器可以分为光敏三极管输出、光电晶体管输出、光耦合集成电路输出等类型。
光源-光纤的耦合和光纤连接器
B 0,max
0
0
cos sindddsrdr
pB0
rm 0
2p
0
sin20,maxdsrdr
pB0
rm 0
2p
0
NA2dsrdr
对于阶跃光纤，NA是常数与s和r无关，于是：
p P LE ,Байду номын сангаасD te p 2rs2B0N2 A
因此：
PLED ,stepPsrasN2PAs2,NA2,
ra
5.3 光纤与光纤的连接
多模光纤的连接 单模光纤的连接
多模光纤的连接
假设所有模式功率均匀分布，光纤-光纤的功率耦合与两根光 纤共有的模式数成正比。由此光纤-光纤的耦合效率为：
Rn n1 1 n n23 3..6 60 0 1 1..4 48 8 20.174
这相当于17.4%的发射功率反射回光源，与这一R值相对应的 耦合功率由下式给定：
P couple1d RP emitted
由反射造成的功率损耗为：
L1l0 o P P g c eo mui p t tle e1 d dl0 o1g R ()0.8d 3B
有：
p P
B rs 00
02pN2A dsrdr
PLED,graded
2p 2B0
rs 0
n2 (r) n22
rdr
2p
2rs2
B0n121
2
2
rs a
2Ps
n121
2
2
rs a
a
n (r) n n 1 11 (1 2 2 ()r1 //2 a ) n 1 1 (/1 2 )n 20 r r a a
LED发射的光耦合入多模光纤之后，由于非传播模式的能量 衰减，将在开始的~50 m存在注入模式达到稳态的过程。
绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术研究
绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术研究摘要：近年来，随着我国经济的高速发展和科技的进步，光电器件与材料相关领域的研发不断取得新进展，性能得到明显强化，在各大领域得到广泛应用。
为进一步提高半导体激光功率，可以采用激光器单管合束及光纤耦合技术。
基于此，分析研究绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术，对提高仪器总功率以及将其应用于更多领域有重要的现实意义。
关键词：绿光半导体激光器；单管合束；光纤耦合前言：利用合束技术可以使多个半导体激光器在光纤中进行耦合，由此形成半导体激光器的光学器件，保证激光的输出功率，提高激光束的质量。
目前，国内外已广泛使用多种红外波段的半导体激光器，广泛用于彩色显示、激光印刷、高密度光盘存储等领域，但目前对于可见光波段激光耦合模块尤其是绿光波段的研究还很少，因此，对绿光高功率半导体激光器光纤耦合模块进行深入研究，是当前光电器件与材料相关领域研发重点之一。
1半导体激光器光纤耦合模块研究半导体激光器技术已经相对成熟，由于其具有光束不均匀性、单元功率低等特点，在一定程度上限制其应用领域。
为保证半导体激光器的功率输出，需要对激光器进行多层叠加，这会一定程度上限制光束质量。
随着半导体耦合技术的不断发展和进步，通过使用半导体激光器进行合束，可以有效提升光束的质量，实现激光远距离柔性传输。
最早的光纤是20世纪50年代研制出来的，后来被人们逐渐推广使用。
在20世纪70年代，就有国外公司利用化学气相沉积法得到了损耗较低的光纤，随着半导体激光器的迅速发展和光纤耦合技术的发展，人们对不同类型的半导体激光器进行了大量的研究，并取得了大量的成果。
2半导体激光器非相干合束技术目前，半导体激光器的合束技术方法有两种：相干合束和非相干合束。
半导体激光器利用光束准直技术和聚焦耦合技术，使多个光束单元的耦合成为可能。
在相干合束技术的应用中，采用了相位控制方法，使激光阵列各发光元件产生同一波长的光束，从而达到相干合束。
光纤耦合实验报告
篇一：光纤测量实验报告光纤测量实验报告课程名称：光纤测量实验名称：耦合器光功率分配比的测量学院：电子信息工程学院专业：通信与信息系统班级：研1305班姓名：韩文国学号：13120011实验日期：2014年4月22日指导老师：宁提纲、李晶耦合器光功率分配比的测量一、实验目的：1. 理解光纤耦合器的工作原理；2. 掌握光纤耦合器的用途和使用方法；3. 掌握光功率计的使用方法。
二、实验装置：ld激光器，1 ×2光纤耦合器，2 ×2光纤耦合器，tl-510型光功率计，光纤跳线若干。
1. ld激光器半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。
.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。
电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（gaas）、硫化镉（cds）、磷化铟(inp)、硫化锌(zns)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。
本实验用的ld激光器中心频率是1550nm。
2. 光功率计光功率计（optical power meter ）是指用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗的仪器。
在光纤系统中，测量光功率是最基本的，非常像电子学中的万用表；在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表。
通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。
用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。
3. 耦合器光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件，是光纤系统中使用最多的光无源器件之一，在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。
光纤耦合器一般具有以下几个特点:一是器件由光纤构成，属于全光纤型器件;二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输具有方向性。
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。
光纤激光器的基本结构
光纤激光器的基本结构光纤激光器是一种基于光纤的固态激光器，具有高效、稳定、可靠等优点，被广泛应用于通信、制造业、医疗等领域。
它的基本结构包括泵浦光源、光纤放大器、光纤反射镜和激光输出光纤。
下面将详细介绍每个部分的结构和作用。
一、泵浦光源泵浦光源是光纤激光器的核心部件，它的作用是提供能量激发光纤中的掺杂物，使其产生激光。
常用的泵浦光源有半导体泵浦二极管、光纤耦合的激光二极管等。
半导体泵浦二极管是最常用的泵浦光源，它的结构由n型和p型半导体材料组成，两端连接金属电极。
当电流流过二极管时，n型和p型半导体之间的结电场使得电子和空穴结合并释放出能量，这种能量被传递到掺杂光纤中，使其产生激光。
光纤耦合的激光二极管是一种将激光通过光纤耦合到掺光纤中的泵浦光源，它的结构由激光二极管、光纤耦合器和掺光纤组成。
二、光纤放大器光纤放大器是光纤激光器中的另一个关键部件，它的作用是将泵浦光源产生的激光放大。
光纤放大器的结构包括掺杂光纤、泵浦光源和光纤反射镜。
当泵浦光源激发掺杂光纤中的掺杂物时，产生的激光被反射到光纤反射镜上，不断地被反射和放大，最终形成高质量的激光输出。
三、光纤反射镜光纤反射镜是将激光反射回掺杂光纤中的镜子，它的结构包括镜头和反射膜。
当激光经过反射膜时，一部分激光被反射回掺杂光纤中，使其不断地被反射和放大，最终形成高质量的激光输出。
四、激光输出光纤激光输出光纤是将产生的激光传输到需要的地方的光纤，它的结构和普通光纤类似。
激光输出光纤的质量对激光器的输出功率和稳定性有很大的影响，因此要选择高质量的光纤。
总的来说，光纤激光器的基本结构包括泵浦光源、光纤放大器、光纤反射镜和激光输出光纤。
这些部件的结构和作用紧密相连，协同工作，才能产生高质量的激光输出。
光纤耦合原理
光纤耦合原理
光纤耦合是指通过光纤将光信号从一个光学系统传输到另一个光学系统的过程。
在现代通信和光学领域，光纤耦合技术已经成为了不可或缺的一部分。
光纤耦合的原理涉及到光的传输、损耗和耦合效率等多个方面，下面我们将详细介绍光纤耦合的原理。
首先，光纤耦合的原理基于光的全内反射。
光线在两种介质之间传播时，如果
入射角大于临界角，光线将会被完全反射回原介质中。
这种全内反射的特性使得光能够在光纤内部传输，而不会发生大量的能量损耗。
因此，光纤成为了一种理想的光传输介质。
其次，光纤耦合的原理还涉及到光的衍射和色散。
光在光纤中传输时会发生衍
射现象，这会导致光的传输损耗。
另外，不同波长的光在光纤中传播速度也会有所不同，这就是色散现象。
因此，在光纤耦合设计中，需要考虑衍射和色散对光传输的影响，以提高光的耦合效率。
此外，光纤耦合还需要考虑到光的模式匹配。
光在光纤中传输时会呈现出不同
的传输模式，如单模和多模。
在进行光纤耦合时，需要保证光源和接收器的模式能够匹配，以提高耦合效率和光的传输质量。
光纤耦合的原理还涉及到光纤连接器的设计和制造。
光纤连接器是将光纤与光
学器件（如激光器、光纤放大器等）连接起来的关键部件。
光纤连接器的设计需要考虑到光的传输损耗、耦合效率和连接稳定性等因素，以确保光的有效传输和耦合。
总之，光纤耦合的原理涉及到光的传输、全内反射、衍射、色散、模式匹配和
连接器设计等多个方面。
通过合理设计和优化光纤耦合系统，可以提高光的传输效率和质量，从而实现更高性能的光学通信和光学传感应用。
光纤耦合
MATLAB
中 文 论 坛 与 作 者 交 流
【分析】 对于这种半导体激光器，从式(4.111)可得B(θ = 7.5◦ , φ = 0◦ ) = B0 (cos 7.5◦ )L = 0.5B0 ，于是可以求解L，在MATLAB中作出水平方向图。程序代码如下：
1 2 3 4 5 6 7 8
N = 1000; theta = linspace(-pi/2,pi/2,N); B1 = cos(theta); L = log(0.5)/log(cos(7.5/180*pi)); B2 = cos(theta).ˆL; polar(theta,B1) hold on polar(theta,B2,’--r’)
182
MATLAB
中 文 论 坛 与 作 者 交 流
图 4.20
光源耦合进光纤的光功率示意图
。
光纤端面在光源发射面中心之上并且其位置尽可能靠近光源。耦合光纤的光功率可以用 下面的关系式计算： ∫ ∫ P = As dAS Ω f B(AS , ΩS )dΩS ] (4.112) ∫r ∫2π [∫2π ∫θmax B ( dθS rdr = 0m 0 θ , φ ) sin θ d θ d φ 0 0
式中，PF 为耦合进光纤的光功率； PS 为光源发射出的全部光功率。发射效率或耦合效率取决 于和光源连接的光纤类型和耦合实现的过程，例如是否采用透镜或其他耦合改进方案。 实际上，许多光源供应商提供的光源都附带一小段长度（1m或更短）的光纤，以便使其 与光纤链接过程总是处于最佳功率耦合状态，这段短光纤通常称为“尾纤”或“跳线” 。因 此，对于这些带有尾纤的光源与光纤的耦合问题提可以简化成为一种简单形式：即从一根光 纤到另一根光纤的光功率耦合问题。在这个问题中，需要考虑的因素包括光纤的类型（单模 光纤或多模光纤） 、纤芯尺寸、数值孔径、纤芯折射率分布、光纤位置偏差等。
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6将调制电流置零，从零开始到50mA为止，每隔5m A测一次接收信号大小（示波器平均值），在接近阈值（大约40mA）之前某处（比如35mA）开始每隔1mA或0.5mA测一次，画出电光特性曲线（I-P），确定LD的阈值电流大小（曲线直线段的延长线与横轴交点）。
2．LED与光纤耦合
1，②，③，④，⑤同上。
⑥将调制电流置零，从零开始到80mA为止，每隔5m A测一次接收信号大小（示波器平均值），画出电光特性曲线（I-P）。
3．耦合效率
在上述耦合过程的前后用光功率计测量 （GRI设计一个模拟信号调制传输实验（选做）
2．耦合效率
耦合到光纤中的光能依赖于光纤的数值孔径，光纤仅能接收被光纤的数值孔径和芯径所限定的光锥内的那些光线，事实上有四个参数决定了耦合效率，它们是光源和光纤的数值孔径，光源的尺寸以及芯径。光源的尺寸和其数值孔径之积是一个常数，光源的数值孔径比光纤的大的情形称为过注入，通过加插透镜减小光源的数值孔径以适应光纤的数值孔径，但是光源在光纤端面上的成像尺寸将同时变大，耦合效率并不能获得提高，一种改善方法是所谓“贴背耦合”，即不用透镜而直接将光纤紧贴光源发射区，这时接收光功率与发射光功率之比为
3调整上述光纤定位器的X，Y，Z旋纽，将红外磷光片置于出纤端面前观察是否接收到光（有无光斑），如有，则将光斑调亮（既调整光纤入端光纤定位器的X，Y旋纽）后移去红外传感片，将光纤出端置于PIN光电管前2mm以内对准小孔位置（不能碰到PIN管）。
4同时观察示波器上该通道的直流耦合信号的直流分量（平均值）是否随着激光器调制电流的变化而变化，如否，则需检查步骤③。
预习与思考
1．光纤端面紧贴GRIN棒透镜能否提高耦合效率。
2．在“贴背耦合”时，阶跃折射率光纤的耦合效率高还是梯度折射率光纤的耦合效率高。
注意事项
1．完成实验后一定要将调制电流调回到零，先按一次激光输出按钮（灯灭），再拨钥匙至off，最后才能关电源。
2．LD，LED器件千万不能用手摸，否则它们将因静电而击坏。
实验目的
1．研究注入型激光二极管和发光二极管与光纤的耦合
2．判断耦合的效果
实验原理
1．光源类型及光发射特性
光纤光学系统使用的半导体光源有两种，发光二极管LED和注入型激光二极管ILD，此类器件及其发光机制的理论请参阅有关资料。任何光源可以用从它的表面所发的所有可能的光线的光功率分布来说明其发光特性，朗伯型光源是指其面单元在所有的方向上发射光，而准直光源是指其发射的光束在空间的发散角非常小。一般，光源亮度的角分布可表示为
其中α为光纤的折射率轮廓因子（梯度折射率光纤为2，阶跃折射率光纤为∞），耦合损耗为 。
最佳耦合是指光源的尺寸和其数值孔径之积与光纤的相匹配时的耦合，一般应使用透镜完成。
左图显示了发散特性不同的光源的耦合损耗随光纤的数值孔径变化的情况，由图可知，在使用相同自聚焦透镜和光纤（数值孔径 ）的情况下，ILD（ ）的偶合损耗要比LED（ ）的小很多（约10dB），LED光源的发散性使其耦合一般为过注入，当然耦合调整过程会容易些。
实验仪器
a)100/140多模光纤
b)ILD和LED装置
c)半导体光源驱动器
d)GRIN棒透镜光纤耦合器
e)红外磷光片
f)光纤定位器
g)光功率计
h)光电探头
i)数字示波器
j)光纤切割刀
注：零件细列及装配指南请执行软件“Newport光学实验计算机辅助平台”。
实验内容及操作要点：
先根据有关资料及辅助软件组装各个单元装置（半导体光源，GRIN棒透镜光纤耦合器，出纤及探测装置等），现以GRIN棒透镜光纤耦合器为例说明：用镊子将0.29节距GRIN棒透镜小心嵌进所示小孔内（或者把上面的金属盖片拿掉后放入，应调整和光源的间距），旋紧固定螺丝。将经过端面处理后的光纤嵌入光纤嵌槽桶后再装入光纤定位器（注意光纤端面和透镜的间距，它实际上和光源物距有关），然后根据下面的操作要点进行。
1．LD与光纤耦合
1打开505激光驱动电源开关，将其限制电流调至120mA (已调好)，注意此时激光驱动电源的钥匙处于关闭（off）状态，电流示值为零。
2将激光驱动电源的钥匙拨向开（on）的位置，慢慢将电流从零调至42mA，按一下（注意只能按一次）激光输出按钮（output/on，灯亮），调整GRIN光纤耦合器（F-925）上的光纤定位器的X，Y，Z旋纽，将入纤端面置于GRIN镜后合适位置（离GRIN镜2mm以内中央，不能碰到GRIN镜）。
是离开光发射法线的最大角，由光源的几何形状决定。对漫射光源，m = 1，对准直光源，m为大值，中间为部分准直光源，ILD的辐射远场以典型的15°×30°发散，呈扇形分布。这是由于这些器件的发射面积很小，形成远场衍射，如图为一个m = 1（典型LED）和另一个m =20（典型ILD）在极坐标系中的辐射特性。
3．LD为近红外激光，小心不得直视或反射直视。
a 0.25节距形成平行光b 0.29节距形成会聚光
3．GRIN棒透镜
本实验使用梯度折射率（GRIN）棒透镜将半导体光源耦合进光纤。这种透镜是直径1~3mm，长度几毫米的小玻璃棒，其折射率沿径向分布如下式
是轴上折射率， ， 是分数折射率差， 是芯径。
GRIN棒透镜可以对光束进行准直或聚焦，此处用0.29节距的棒透镜对发散的半导体光源实现聚焦，节距是指光线在梯度折射率介质中沿正弦轨迹运行一周的长度。能够实现准直的为1/4节距的GRIN棒透镜。