LD光纤耦合模拟演示
LD特性测量及无线光通信实验
大学实验报告学生姓名：学号：专业班级：实验类型：□验证□综合□设计□创新实验日期：2020.5.20 实验成绩：LD特性测量及无线光通信实验【引言】半导体激光器又称激光二极管(laser diode, LD)，是当今最常用的激光器,它被广泛应用于几乎所有的电子设备中。
在光纤通信中之所以用LD,是因为体积小，发光面积与光纤芯径大小相近从而有较高的耦合效率;发射波长适合在光纤中低损耗传播;可以直接进行强度调制，只要将电信号电流注人LD中就可以得到相应的光强输出;可靠性高，成本低廉。
LD的用途很大，但LD又是一个十分娇嫩的器件，稍有使用不当极容易损坏。
要正确地使用LD,就必须对LD的常用特性作-个全面彻底地了解。
本实验主要测量LD的阈值特性和PI特性曲线。
无线光通信是光通信领域除了光纤通信外又一重要方式。
它是一种利用激光来传输高速信号的无线传输技术,以空气为媒质实现点对点或点对多点的方式的连接。
其原理与光纤通信系统类似,因此又有“虚拟光纤”的美誉。
无线光通信结合了无线和光纤的优势具有:①频带宽,速率高，容量大;②架设灵活便捷;③适用任何通信协议;④无需申请频率;⑤传输保密性好;⑥成本低等优点。
这种技术在很多场合得到了广泛的应用，如宽带光接人局城网的互联、基站间互联等。
【实验目的】(1)了解LD的基本特性。
(2)测量LD的阈值电流及工作电流与发射光功率的关系,即I-P特性。
(3)实现LD的调制及无线光通信的演示。
【实验原理】1.LD的一些常用特性LD的基本原理主要包括二部分:一是半导体二极管的原理;二是激光辐射原理。
这些知识点可以在任意一本介绍半导体激光器的书中找到,在这里不再叙述。
1)阂值性质LD是一个阈值器件,它的工作状态随着注人电流的不同而不同。
当注人电流较小时,有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位,LD发射的只是荧光。
随着注人电流的加大,有源区里实现粒子数反转,受激辐射占主导地位。
但是，注入电流小于阈值电流时,谐振腔里的增益不能克服损耗，不能在腔内建立一定模式的振荡,LD发射的只是较强的荧光。
源与光纤的耦合
6.5 光接收机噪声分析
1 数字光纤通信系统的信号变换特点 在数字光纤通信系统中，传输的是由
“0”和“1”组成的二进制光脉冲信号， 这是一种单极性码，即光功率在“接 通”(“1”码)和“断开”(“0”码)两个电平 上变动。
按照“1”码时码元周期T的大小，分 为 归 零 码 (RZ 码 ) 与 非 归 零 码 (NRZ 码 ) 两 种。
(1) 光电检测器 一般采用PIN光电二极管或APD雪崩光电二极管，
它们性能的优劣直接影响整个光接收机的性能 (2) 光电检测器输出的光电流是十分微弱的，需要
多级放大器进行放大，多级放大器的前级为前 置放大器。
一台性能优良的光接收机，应具有无失真地检 测和恢复微弱信号的能力，这首先要求其前端 应有低噪声，高灵敏度和足够的带宽。
包括以下方面： (1)光源特性 (2)调制特性 (3)输出特性
2 光发射机的组成
目前使用的光发射机大多数是直接调制 的光发射机，它的原理如图6-3-1所示。
3 输入电路
输入电路由图6-3-3所示电路组成
6.4光接收机
1 光接收机的组成
光接收机的作用是把接收来的光信号转 变为原来的电信号，它的性能的优劣直 接影响整个光纤通信系统的性能。
6.2 光调制
要实现光纤通信，首先要解决的问题是 如何将电信号加载到光源的发射光束上， 即需要进行光调制。
根据调制与光源的关系，光调制可分为： 直接调制和间接调制。
1 光源的直接调制
直接调制就是将调制信号直接作用在光源上， 把要传送的信息转变为电源信号注入到LD或 LED，获得相应的光信号。这种方法调制的是 光源的发光强度调制(IM)。
6.1光源与光纤的耦合
从光源发射出来的光功率尽可能多地 送入光纤中传输，这就是光源与光纤的
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。
LD 耦合原理介绍
6um 光纤 耦合的光斑
如 上图所示，因为9um光纤直径较6um直径大，9um光纤较6um光纤覆盖面积 广，在耦合时需要获得同样的光能量，6um光纤相对9um，与TO 能保持更好的 同心度，即耦合时6um光纤相对9um光纤要好。
11
LD 耦合原理
12
LD 耦合原理介绍
LD 耦合原理
一. BOSA结构示意图如下：
2
LD 耦合原理
二. LD 耦合原理说明
影响LD耦合的因素为LD TO焦距与插芯组件定位尺寸：
如下图 尺寸A属于来料TO 的焦距 ，TO 的焦点为C点，插芯组件定位尺寸为尺寸B
LD TO焦距
插芯组件定位尺寸
3
LD 耦合原理
二. LD 耦合原理说明
二. LD 耦合原理说明
当在LD TO 与插芯组件的同一平面水平方向上： 当插芯组件陶瓷面中心的通光孔在LD TO焦点上， 但水平方向位置不同时， 如下图，
(a)当插芯组件通光孔位于LD TO 焦
距光斑的正中间时，LD耦合的光功 率最大且产品温循后不易掉值
(b)当插芯组件通光孔位于LD TO 焦距光斑的边缘时，LD耦合的光 功率较大产品温循后较易掉值
9
LD 耦合原理
三、TOSA 耦合使用6um与9um区别
A）光能力分布
距TO焦点的距离
距TO焦点越近，光的能量越强， 距TO焦点越远，光的能量越弱10LD 耦合原理
三、TOSA 耦合使用6um与9um区别
B）两种光纤耦合同心度对比 TO焦点处 的光斑 TO焦点处 的光斑
9um 光纤 耦合的光斑 9um光纤耦 6um光纤耦
LD 耦合原理
二. LD 耦合纤匹配问题
耦合示意图：
2_兴启航LD耦合软件功能注释
兴启航LD耦合软件功能注释一、软件说明：LD耦合软件是兴启航自动化设备有限公司的一款自动化激光焊接设备的应用软件。
可在Wondows的各种操作系统中运行。
二、主界面功能说明1、常用设置包括系统校准及手动调试功能如下图图1系统校准：通过标准产品或者标准仪器（如光功率计）等进行比对校准耦合设备，使耦合设备跟测量仪器达到一致。
手动调试：通过手动输入电机参数、电磁阀指令等控制设备运行（非专业人员不可使用，多为售后工程师排查设备问题时使用）2、系统主要包括系统升级、密码设置与清除、电机滑台与传感器设置、以及数据库图2系统升级：用于单片机程序更新升级，以及设备授权使用权限。
(有时候设备单片机版本与应用软件版本相差太大，无法直接升级，则需要勾选强制升级) (如果单片机程序跟主板不匹配，会出现主板蜂鸣器长鸣报警，检查主板编号重新升级就可以了)。
图3密码设置与清除：密码设置主要用于限制操机员工权限，防止员工私自改动设备参数及产品参数。
根据需要可选择性的开放部分权限给操作员工，如下图：图4清除密码分为两种，正常情况下可以使用管理员密码进入密码管理（已经设置过密码，且记得密码）界面，把新密码设置为没有密码就可以了；忘记管理员密码的情况下，必须要用设备ID号到我公司找工程师生成清除工程密码序列。
如下图所示，输入清除工程密码序列图5滑台设置：可以通过调整电机的单位脉冲数，来改变电机的步进速度；（非专业人员不可更改）传感器设置：用来设置传感器的正反方向。
（非专业人员不可更改）数据库设置：可设置数据库连接字符串，或直接输入Access 数据库的文件路径全名。
为空时,为软件目录所在的设置参数.mdb ,点测试,可检查连接库连接关于：可查看设备ID固件编码号。
3、 补焊：如下图所示，补焊功能界面可以自行选择需要出能量的焊枪以及能量号等，可以移动焊枪至需要焊接的位置图6锁定设置：勾选锁定设置以后，将不能切换设置参数的条目设置工单：关于产品编号、物料批号等设置；以及光纤更换、设备保养等功能进行备忘提醒设置参数：设备启动位置、运动参数、指标参数以及其他软件功能的设置。
LD重要参数与特征
生产技术类培训之零件认识 -------激光二极管可调电阻的应用发光二极管(LED Light Emitting Diode)• 发光二极管是最早被用来作光纤通讯传输的光源，传输用的光源 波段主要有有780、850及1300nm等，最常用来设计为短距离(数 十至数百公尺)的数据传输如G-Ethernet、Fire-wire，作为短距通 讯主要原因除了制程简单、价格便宜外，另外是因为二极管本身 的特性，如光功率较低(约为数个μW)，且光源的数值孔径较大 的关系，因此大多配合玻璃或塑料材质的多模光纤使用。
FP激光二极管(Fabry Perot Laser)• FP雷射是最早用为通讯的雷射二极管(LD laser Diode)，一般常见的波 段为850、1310nm，对应的光纤可为单模或多模光纤，因其高功率 (约数个mW)、低波段线宽(Spectral width)的特性，使其可作为较长距 离的光源(一般Telecommunication约30公里左右)，雷射光源与二极管 在结构上最大的不同是雷射是共振腔体的结构，简单来说，提供的 电流可使腔体内的电子因能阶的跃迁而放出光子，腔体端面可想作 是两面平行的镜子(即图三光源发出的两端面)，内部折射率较空气 为高，造成光子在腔体内汇聚，当能量累积到达一定程度就会发射 出来，因此会有所谓的临界电流(Threshold)的现象。
DFB雷射(Distributed Feedback Laser)• DFB雷射是现今用作高性能的通讯光源，其结构及光电反应的特性皆 与FP雷射类似，通讯传输皆操作在临界电流之上，大部分波段在 1550nm左右，与FP的结构不同处，是DFB沿着共振腔体外部加上一层 光栅(Grating)，使雷射光仅允许单一波长光源存在于腔体中，我们称为 单一纵向模态(SLM Single Longitudinal Mode)，此一特性，使得产生的 功率(3~50mW)及线宽(0.8~0.08pm)方面较FP雷射更为优越，但价格也 是商品化光源中最昂贵的。
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。
光纤耦合与特性测试实验
目录【实验目的】..................................................................................................... - 2 -【实验原理】..................................................................................................... - 2 -【实验设计】..................................................................................................... - 4 -【思考题】......................................................................................................... - 8 -- 1 -【实验目的】1．了解常用的光源与光纤的耦合方法。
2．熟悉光路调整的基本过程，学习不可见光调整光路的办法。
3．通过耦合过程熟悉Glens 的特性。
4．了解1dB 容差的基本含义。
5．通过实验的比较，体会目前光纤耦合技术的可操作性。
【实验原理】在光纤线路耦合的实施过程中，存在着两个主要的系统问题：即如何从各种类型的发光光源将光功率发射到一根特定的光纤中（相对于目前的光源而言），以及如何将光功率从一根光纤耦合到另外一根光纤中去（相对于目前绝大多数光纤器件而言）。
对于任一光纤系统而言，主要的目的是为了在最低损耗下，引入更多能量进入系统。
这样可以使用较低功率的光源，减少成本和增加可靠度，因为光源是不能工作在接近其最大功率状态的。
光学耦合系统的1dB 失调容差定义为当耦合系统与半导体激光器之间出现轴向、横向、侧向和角向偏移，从而使得耦合效率从最大值下降了1dB 时的位置偏移量。
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LD耦合模拟演示 2019.6.12
目录
第一章绪论 (3)
第二章半导体激光与光纤耦合的理论 (4)
2.1 半导体激光器输出光束特性 (4)
2.2 光纤的基本理论 (5)
2.3 光纤耦合条件 (6)
第三章 10WLD耦合模拟 (7)
3.1 光路结构及器件参数 (7)
3.2 耦合模拟 (7)
3.3 光路优化 (9)
第四章大功率LD耦合模拟 (10)
4.1 光路结构 (10)
4.2 耦合模拟 (11)
第五章结论 (16)
第一章绪论
本文利用Zemax对10W与30W两种LD耦合方式进行了模拟，除对现有10WLD 耦合工作进行验证之外，也为30WLD的光纤耦合工作提供了设计指导。
第二章半导体激光与光纤耦合的理论
2.1 半导体激光器输出光束特性
温度对半导体输出功率的影响很大，温度越高，LD的输出功率越低。
这就使得LD的有源层非常薄，厚度大约只有1μm，宽度一般在几十到几百μm。
由于有源层非常狭窄，激光在传输的过程中就会发生衍射，光束会变得发散，如图1所示。
图表 1 半导体激光器出射光斑示意图
半导体激光器的桶中功率（PIB）定义为：光强下降到最大光强的1/2处所对应的角度，即半亮全宽时的全角发散角。
垂直发散角用θ⊥表示，水平发散角用θ∥表示。
对于激光与光纤的耦合，发散角越小，调整的容忍度越大，越有利于高效率的耦合。
我们选择的LD芯片为Oclaro的SES12-915-02，其输出的中心波长为910nm，输出功率12W，θ⊥为58°，θ∥为10.5°。
2.2 光纤的基本理论
图表 2 光纤的结构
光纤的一般结构如图2所示，纤芯与包层为其结构主体。
最外的涂覆层用于保护
光纤，纤芯的折射率为n1，包层折射率为n2，n1＞n2，因此光束在纤芯与包层的交界
面可以发生全反射而实现低损传播。
为了满足全反射的实现条件，对照射到光纤端面的角度有要求，通过推算不难得
到以下的公式：
（1.1）
其中NA为光纤的数值孔径，n0为空气折射率，简单计算可以取1,φ0为入射光束
与水平方向的夹角，大于此数值的光束由于不能发生全反射而无法耦合入光纤。
我们采用的耦合光纤，纤芯为105μm，包层为125μm，NA=0.22，属于多模光纤。
2.3 光纤耦合条件
对于光纤耦合的分析，通常有两种方式：模式偶合法与光学追迹法。
前者多用于激光器与单模光纤的耦合，后者多用于激光器与多模光纤的耦合。
因为多模光纤可以容纳多个模式的激光在光纤中传播，故可以忽略模式匹配对耦合效率的影响，从而简化分析。
可以认为激光器与多模光纤的耦合需要满足的条件为：半导体激光器的光斑尺寸和发散角与光纤的芯径和接收角匹配。
即激光器光束的光斑尺寸要小于光纤的芯径；光束发散角小于光纤的接收角。
第三章 10WLD耦合模拟
3.1 光路结构及器件参数
10WLD光纤耦合采用简单的结构，光纤透镜对LD的快轴角度进行压缩后，直接耦合入多模光纤中，结构如图3所示：
图表 3 10WLD与光纤耦合光路
图中，LD光学参数为：输出激光功率12W，中心波长910nm，θ⊥为58°，θ∥为10.5°，发光面积为1×94μm；镀有增透膜的fiber lens光学参数：玻璃型号为F2，折射率为1.62，光纤直径为62μm；耦合光纤为多模光纤，光学参数为：纤芯105μm，包层125μm，纤芯材质为纯石英，折射率，包层材质为掺杂石英，折射率，NA=0.22。
3.2 耦合模拟
现有光路的数据为：LD发光面距离光纤透镜前端60μm，透镜后端距离多模光纤150μm，LD功率10W，用Zemax09模拟出光路如下。
图表 4 模拟耦合光路
在此光路中，插入两只光功率计接受耦合的光强，其距离LD发光面分别为114μm和23mm。
前者在光束经快轴压缩后，未耦合入多模光纤的位置；后者在多模光纤内部，接收耦合功率，结果如下：
图表 5 耦合前后光功率和光强分布
可见激光光束经快轴压缩后，快轴方向的光几乎都耦合进了光纤，而慢轴方向，
由于保持10.5°的发散角，在离出光面114μm处，光束扩散已达到105μm。
光束经快轴压缩后，光功率约为8.7W，耦合至光纤的功率约为7.4W，以此来计算耦合效率约
为85%，如果计算LD原始功率10W，则耦合效率为74%。
以上数值与实际测试值符合较好。
3.3 光路优化
通过2.2节的分析可知，导致该模块耦合效率不高的主要原因在于慢轴光束未经
压缩，慢轴光束的光斑在到达耦合光纤现有位置时，光斑大小已接近140μm，因此部分光线不能进入105μm纤芯。
因此优化有两种方案：1、更改光路，对慢轴方向也进
行压缩；2、缩短耦合光纤与发光面之间的距离。
从成本上考虑，第一种方案不可取，考虑第二种方案。
利用如图6中的优化函数，对光路进行优化。
图表 6 优化函数
当快轴光纤距离发光面41μm，耦合光纤距离发光面77μm时，耦合至光纤的功
率为7.6W。
相比较而言，其耦合效率提升有限，同时由于离发光面太近会有较强的反射光，而烧毁LD芯片。
此外，现有耦合效率已经满足应用的需求，因此不建议进行类似修改。
第四章大功率LD耦合模拟
与10WLD耦合面临的问题不同，大功率LD的耦合要求大幅度提高，这是因为较低的耦合效率会带来巨大的发热，降低产品寿命甚至是烧毁产品。
本章以30W单管LD耦合为例，模拟我们现有产品。
4.1 光路结构
图表 7 单管耦合光路结构图
如图7所示，上图为侧视，下图为俯视。
LD发出的激光在经过正交放置的两只准直透镜后整形为平行光，通过反射镜转动方向，由耦合镜耦合至多模光纤中。
以上是单管LD耦合的光路图，功率为10W，当3只LD光路耦合进光纤后，功率即为30W，其俯视效果如图8所示。
图表 8 30WLD耦合光路
需要指出的是，图8中3路光束在高度上都有330μm的高度差，这样保证了三路光束分
离无干涉，同时只需要3面反射镜来改变光束方向，避免使用昂贵元件。
4.2 耦合模拟
根据多模光纤耦合的要求，对到达光纤端面的激光光斑大小和角度进行预估，并留有一定余量。
预计聚集光斑大小直径≤70μm，入射角度尽量减小，≤12.7°（NA为0.22）。
在zemax的序列模式下，用GBPD、GBPW和GBPS函数对已知镜片组的摆放位
置进行优化，保证入射光斑大小和入射角度满足要求。
其结果如下：
图表 9 光纤耦合的初始结构
将上述器件的参数及位置信息输入进非序列模式，然后用NSDD优化函数找出对
光纤端面的准确位置，并计算耦合效率，所得结果如下：
图表 10 优化后器件的摆放位置此光路的结构和性能如下图所示：
图表 11 单路耦合示意图
a为快轴方向光路，b为慢轴方向光路，c为光束在到达耦合透镜之前的光强分布，d为光束在到达多模光纤端面之前的光强分布，e为多模光纤内的光强分布。
LD功率
设为10W，追踪十万条光线，耦合到光纤中的功率为9.94W，耦合效率达到99.4%。
为了真实模拟我们实际中的情况，将LD和相应光学镜头增加至3套，按台阶分布，模拟整个系统的耦合效率。
3只芯片的高度差为330μm，模拟结果如下：
图表 12 3只LD垂直分立后光路模拟
图12中a为快轴光路，b为慢轴光路，c为光束照射到耦合透镜前沿Y方向光强分布。
此图可用于指导设计反射镜的尺寸及安放位置，避免3条光路发生遮挡重叠而损失功率。
设反射镜的高度为0.25mm，垂直高度差为0.33mm可以满足要求。
最终模拟的结果如图13所示：
图表 13 30WLD耦合效果图
图13中，a为快轴光路，b为慢轴光路，可以看到反射镜的设置很成功，既能完全改变本光路方向，又不会遮挡其他光路光束，实现了LD发光最大效率的耦合。
c计算出最终的耦合效率为98.9%，由于并未考虑各镜面的损耗，实际耦合效率达不到这一数值。
第五章结论
通过Zemax模拟，可以看到10WLD光纤耦合封装的最终结果与实际情况符合良好，此外，利用现有LD芯片和镜片组（反射镜尺寸可能需要调整），可以到达理想的耦合效果。