§6-6 光纤与半导体光源耦合光纤通信中最常用的光源是发光二极管和激光二极管，二者皆是细小如砂粒般的半导体微芯片，当外加电流时，可使二者发光。

把光源发射的光功率尽可能多的送入传输光纤，这就是光源和光纤的耦合问题。

提高耦合效率有利于允许在系统中使用较低功率的光源，从而减少成本和增加可靠度。

在此实验中我们学习如何利用0.29节距的渐变折射率（GRIN ）杆状透镜将注入式激光二极管（ILD ）和发光二极管耦合到光纤的技术。

GRIN 透镜体积小，具有便利的焦距及工作距离和低失真的高质量影像，已被广泛使用于光纤和光源的耦合。

实验中的光源为远红外线组件，注入式激光二极管峰值波长为780nm ，而发光二极管的峰值波长为830nm 。

这些组件可发射非可见光辐射，适当的安全手则必须遵守，以避免可能的伤害。

切记：决不可用眼睛直接观察激光或其反射光。

【实验目的】1、 了解发光二极管(LED)和注入式激光二极管（ILD ）的光学特性，比较两者异同。

2、 掌握利用GRIN 透镜将半导体光源耦合到光纤的技术。

【实验原理】 一、光源的类型在光纤通信系统中有两种光源最常被使用，即发光二极管（LED ）与注入式激光二极管（ILD ）。

两者具有相同的基本结构，皆基于PN 结，但注入式激光二极管较复杂，参见图6.6.1。

两者基本工作原理相同，在正向偏置电压下由电子注入在有源层形成粒子数反转而产生光输出。

但注入式激光二极管的光输出功率-驱动电流曲线与发光二极管不同，前者有一阈值电流需先达到，光输出对电流响应才会迅速增加，参见图6.6.2。

一个光源可用从它表面所发射的所有可能方向的光线的光功率分布来说明其特征。

光源一般依其辐射分布可分为两种型式，即朗伯（Lambertian ）光源和准直（collimated ）光源。

朗伯光源从每个图6.6.1 激光二极管基本结构及光场分布图6.6.2 驱动电流与光输出功率的关系微分光源单元的所有的方向上发射光，面发射的发光二极管接近朗伯光源。

若光源辐射只有垂直于其表面的某一很窄的角度范围则谓之准直光源，氦氖激光即属此类光源。

而注入式激光二极管则比较特殊，其辐射远场分布典型的角度为1530︒⨯︒，参见图6.6.1。

通常，光源强度的角度分布可以下式表示：()()B B mθθθθ=<0cos max ； (1)0B 为沿0θ=方向的辐射强度，θmax 是离开光发射法线的最大辐射角度，由光源的几何特性决定。

对一扩散光源，m =1。

对准直光源，m 值非常大。

图6.6.3显示m =1（典型的发光二极管光源）和m =20（典型的注入式激光二极管光源）在极坐标下的辐射场型的特性。

图6.6.3 典型发光二极管与激光二极管之辐射场型。

光纤系统的辐射极化性与所选用之光源类型有关，其偏振性通常由光源的细节结构决定。

发光二极管输出为散乱的偏振性，然注入二极管之极化方向与p-n 接面之平面平行，参见图6.6.1。

光源的偏振性可经由在光源前加装一偏振片，然后通过观察探测器的输出而得之。

当偏振片旋转时，线性偏振光会显示较大的变化；而杂乱偏振或圆偏振则有较小的变化甚或无变化。

二、耦合效率光纤与半导体光源之耦合一般可分为两种方法，①直接耦合（butt-coupling ）和②分立式光学组件耦合（butt components coupling ）两种。

光纤LDθS光纤LDθ透镜(a)直接耦合(b)利用球面透镜耦合图6.6.4 光纤与半导体光源耦合示意图所谓直接耦合即是将光纤端面与半导体光源直接接近，经过精密的调整使光纤输出最大功率,如图6.6.4(a ）所示。

对LD 而言，在平行于PN 结方向，光源的发散角2Θ∥仅为15°，只要距离S 适当，全部光功率都能进入光纤。

而在垂直PN 结方向，光源的发散角2Θ⊥约为30°，有部分光功率能进入光纤。

对LED 而言，在平行和垂直PN 结方向的发散角都很大，若直接耦合，效率很低。

分立式光学组件耦合，可采用球面透镜、柱透镜和GRIN 透镜等，较常用于包装型式。

使用光学组件的目的就是降低光源光束的发散角，提高耦合效率。

如图6.6.4（b ）利用球面透镜耦合。

耦合效率定义为f s P P η= (2)上式中，f P 为耦合入光纤的功率，s P 为光源发射的功率。

若光纤为直接耦合，则光纤接收到的功率与光源辐射之功率比为：()()20.512NA f s P P m αα=++⎡⎤⎣⎦ (3) 其中α图6.6.5 用公式(2)绘出不同m 值，光纤数值孔径与耦合损失的关系。

一般而言，阶跃折射率光纤（α=∞）或渐变折射率光纤（α=2）的耦合系数与光源数值孔径的平方及光源指向性的增量（m ）成正比。

耦合损失为()-1010log P P f s ，图6.6.5为针对不同的m 值，理论耦合损失与NA 之关系。

三、GRIN 透镜耦合器GRIN 透镜运用平整的光学表面，而不是曲形的表面。

透镜性能取决于不断变化的折射率，因而相对应于传统的球形透镜，GRIN 透镜代表着一种创新的的选择。

GRIN 透镜是最常被用来做光源与光纤耦合而增加其耦合效率之微小光学组件。

此种圆棒状GRIN 透镜其功能上与传统所用的球状透镜是相同的。

光能量在GRIN 透镜内之传播方式与在渐变折射率多模光纤中的传播方式相同。

GRIN 透镜之一般特性为①具有不同的焦距以供选择②使用方便，耦合校准容易③体积小，重量轻，价格便宜④影像失真小。

GRIN 透镜其折射率可用下式表示：)2/1()(20Ar n r n -=(4)其中n 0为镜轴之折射率，A 聚焦常数（实际上，A a =22∆/），r 为透镜中任意一点到轴心的距离。

最常使用的GRIN 透镜长度为1/4节距，这一距离等于光在一正弦周期的1/4所行进之距离。

因此，平行光于透镜一边入射会聚焦于透镜另一边。

相反，任一点光源入射于1/4节距GRIN 透镜，将于透镜另一边形成平形光束，见图6.6.6a 。

另一常用的GRIN 透镜为0.29节距，使用于激光二极管至光纤或光纤至探测器的耦合。

本实验使用的GRIN 透镜为n 01599=.与A mm =-03321.。

由于此透镜长度大于1/4节距，故点光源经过此透镜会转为会聚光束而非平行光束。

参见图6.6.6b 。

表6.6.1为083.μm 波长0.29节距透镜的放大倍率与工作距离的关系。

1为光源与透镜之间距，2为透镜至接收光纤之距离。

此表可作为于寻找激光与光纤之最适位置。

表6.6.1 工作距离与0.29节距 GRIN 透镜之放大率1(mm)2(mm)M 0.50 3.33 1.96 1.00 2.05 1.31 1.50 1.42 0.98 2.001.040.78【实验仪器】项目 型号 说明数量 1 F-MLD-50 100/400MM 多模光纤 50M 2 SG-22-2 2×2光学平台 1 3 l815-C 光功率表 1 4 818-SL 低功率探测器 4F-CL1光纤切割刀1图6.6.6 GRIN 透镜其它设备：1．酒精－清洁光纤被覆层。

【实验内容】实验一：激光二极管实验1.将3只SM-13千分尺分别安装到3个423位移平台。

将一个平台安装到桌面，而用另外两个平台沿着360-90角度支架构建一个xyz三维微调结构。

2.将激光二极管组件（已经被安装到一个光基座（MH-2PM），并已连上接地腕带线(FK-STRAP)）用1个柱状物(SP-2)和通用钳制器(CA-2)支持，安装到423位移平台系统的Z轴方向，装置图见图6.6.7。

图6.6.7 光纤与半导体光源耦合之装置图3.连接激光二极管（注入式激光二极管）和505激光驱动电源（FK-DRV）。

4.放置光功率表（815）之探测头于激光窗口前。

5．打开505激光驱动电源开关，将其限制电流调至120 mA (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。

激光电流不得超过100毫安；典型的阈值电流（Threshold current）为50毫安，操作电流为65毫安。

注意：实验过程不得超过激光二极管之电流规格。

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）。

增加激光二极管之电流，直到其电流达到最适操作电流为止。

6.减少激光二极管电流至零。

现在缓慢增加电流，记录耦合输出功率与电流之关系。

图6.6.8 505激光驱动电源（FK-DRV）7.将上所得结果绘成图表。

电流为横轴，功率为纵轴，依其上升驱势绘出一直逼近线，将此线往下延伸与横轴相交。

此相交点即阈值电流之值，可与理论值比较之。

8.红外线探测卡（F-IRC1）可探测激光输出。

将此卡置于一便于观察激光路径的适当距离。

量测与︒⨯︒。

二极管接面平行和垂直之光束宽度。

由制造商提供之数据此激光发散角度为15309.放置一已知极化偏振轴向的偏振片于激光光前，确定此激光的极化偏振状态。

10.将0.29节距的GRIN透镜（FK-GR29）置于耦合器（F-925）之凹槽上。

参见图6.6.9。

朝向激光二极管部份，透镜与耦合器需延伸超过约1毫米。

，利用支持器（FPH-S）将多模态光纤（F-MLD）剥开部分插入到光纤位置调整器(FP-1) 内，利用GRIN透镜将激光输出与光纤耦合。

图6.6.9 放置0.29节距GRIN透镜于耦合器之凹槽11.调整耦合状况至最佳化，利用耦合进光纤的光功率和步骤6中所测量的光源出射光功率计算其耦合损失。

你会发现当激光窗口愈接近透镜其耦合效果愈佳。

本实验的耦合损失约为4dB。

12.降低激光二极管电流至零，关闭电源，拆除连接线。

实验二：发光二极管实验1.如激光二极管实验步骤1，固定发光二极管（FK-发光二极管）。

2.连接发光二极管与505驱动电源。

将电流增加至100毫安，记录二极管输出功率。

3.减少发光二极管电流至零。

记录发光二极管的输出功率与二极管电流由零至110毫安（超过最适电流10%）间的关系值。

对一典型的发光二极管，该曲线应为一直线。

4.将红外线探测卡置于发光二极管输出路径上。

发光二极管于其半导体芯片前有一显微镜；所有输出功率不会被显微镜全部接受，输出会较预期值更为平行。

但你所看到的和激光二极管明显不同。

5.放置偏振片于发光二极管的输出路径上，确定发光二极管输出为非极化光束。

6. 如激光二极管实验的步骤10和11使用光纤耦合器（F-925）耦合光纤与发光二极管。

利用耦合进光纤的光功率和步骤3中所测量的光源出射光功率计算其耦合损失。

【思考题】1.注入式激光二极管之阈值电流为50毫安，实验所测量的值与其有何差异，原因何在？2.发光二极管功率与输入电流成直线关系，评估理论值与实际值的关系。