半导体激光器和光纤的耦合高树理(西安建筑科技大学理学院,西安710055)摘 要:半导体激光器与光纤的耦合是提高EDFA性能的关键技术之一,论文详细分析光纤与半导体激光器耦合的各种方法,最后总结出了提高耦合效率的研究方向。关键词:光纤;半导体激光器;耦合效率中图分类号:TN248 文献标识码:A 文章编号:1008-8725(2010)02-0028-03

CouplingofSemiconductorLaserwithFiberGAOShu-li(CollegeofScience,XicanUniversityofArchitecture&Technology,Xican710055,China)Abstract:ThecouplingofsemiconductorlaserwithfiberisakeytechnologytoobtainEDFAwithhighperfor-mance.Methodsofcouplingofsemiconductorlaserwithfiberareanalyzedinthepaper.Thedirectionofre-searchtoimprovethecouplingefficiencyissummarizedatlast.Keywords:fiber;semiconductorlaser;thecouplingefficiency

0 引言近年来,半导体激光器与光纤的耦合技术得到了迅速发展,而且日趋成熟。按照半导体激光器与光纤之间是否存在光学元件,将耦合方式分为两种,即直接耦合与间接耦合。因为LD和平面光纤的耦

图2 T2中断服务程序流程图5 结束语文章讨论了传统频率测量方法的原理及误差。

在此基础上,对多周期同步测频技术的原理及其误差进行了详细分析。由于多周期同步测频技术的测量精度与被测信号的频率无关,实现了整个测量频段内的等精度测量,消除了M法中对被测脉冲信号的计数量化误差,克服了MPT法中高低频两端精度高而中界频率附近测量误差最大的缺陷。提出了基于AT89C52实现多周期同步测频方法,利用T2的捕捉功能和外部中断产生与待测信号同步的闸门时间,通过T2的定时功能实现了时基信号与待测信号的同步计数,使得系统只用一个定时器P计数器T2就实现了多周期同步测频技术,该系统软硬件结构简单,具有较高的测量精度和较短的系统反应时间。参考文献:[1] 尹克荣.智能仪表中的频率测量方法[J].长沙电力学院学报,2002,17(1):74-76.[2] 章军,张平,于刚.多周期同步测频测量精度的提高[J].电测与仪表,2003,40(6):16-18.[3] 王连符.测频系统测量误差分析及其应用[J].中国科技信息,2005.[4] 李全利.单片机原理及应用技术[M].北京:高等教育出版社,2001.[5] 李群芳,黄建.单片微型计算机与接口技术[M].北京:电子工业出版社,2002.[6] 孙传友,孙晓斌,汉泽西,等.测控系统原理与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.(责任编辑 王秀丽)

收稿日期:2009-12-04;修订日期:2009-12-22作者简介:高树理(1983-),男,西安人,硕士研究生,助教,现在西安建筑科技大学从事光纤激光器的研究工作,E-mail:gaoshuli1983@163.com。

第29卷第2期2010年2月 煤 炭 技 术

CoalTechnology Vol129,No102

Feb,2010合效率较低,因此一段时期,采用透镜+平面光纤的方式来提高耦合效率。随着耦合技术的发展通过改进光纤端面结构,直接耦合也可获得较高耦合效率,而与间接耦合相比,直接耦合还具有结构简单的优点。1 直接耦合在谐振腔内部和谐振腔外的空间,半导体激光器的光强分布是遵循一定规律的。由文献[2]可知,空间任意一点P(x,y,z)处的光强为:I(x,y,z)=A(z)exp{-2[(xXx)2+(yXy)2]}(1)其中A(z)是与x,y无关,只与z有关的常数,Xx=KzPX0x,Xy=KzPX0y;X0x,X0y是高斯光束的束腰,相当于近场宽度。1.1 LD和平面光纤用一个点光源照射光纤的平端面,如图1所示,从光源发出的光以入射角H射向光纤端面,经折射后以出射角C射入光纤芯中。到达芯的包层的界面时的入射角为A。光波在光纤中传播须满足全反射条件,所以只允许那些A>Ac的光线传播(其中Ac=sin-1(n2Pn1),分别为芯心和包层的折射率),所以从光源出发的,能照射到光纤芯端面上进入光纤的光中只有一部分被光纤接收。这就是说,只有那些对光纤端面的入射角小于某一临界值Hc的光才能被允许在光纤中传播。利用全反射原理,可以求得Hc=(n21-n22)12。Hc称为光纤的接收角,它由光纤内外层折射率决定。图1 点光源照射光纤的平端面图可以根据式(1)计算耦合效率。首先计算光纤端面所在的平面(z=S)激光器的总功率P0P0=2A(s)Q]0exp[-2(xXx)2]dxQ]0exp[-2(yXy)2]dy(2)利用换元积分,可得:P0=Berf(])(3)其中B=2PXy2A(s)Q]0exp[-2(xXx)2]dx(4)在z=S的平面内B为常数。erf(A)=22PQA0e-t22dt为误差函数。包含在张角2Hc之内的光功率是P0=2A(s)Q]0exp[-2(xXx

)2]dxQy00exp

[-2(yXy)2]dy(5)在上式中x轴的积分上限所以能从x0换成]是因为光功率的平行发散角很小之故。积分换元,可得:

P0=Berf(2KPX0ytanHc)(6)

再考虑光纤端面上还有反射损耗(4%),则耦合效率为:

G=erf(2KPX0ytanHc)erf(])@96%(7)由式(7)可见,最大耦合效率与接收角Hc以及近场发光宽度X0y有关。以X0y=0105Lm,K=0185Lm的激光器为例,如果用NA=0114(Hc=8b)的光

纤直接耦合,则耦合效率的最大值为20%左右。对这种耦合进行了实验研究,以1000mW的980nm的半导体激光器的输出光,输入到平端光纤,输出功率为80mW,本实验室最好的结果为150mW。1.2 端面球透镜耦合这里介绍一种最简单的加透镜的方法就是将光纤的端面做成一个半球形,它可以起到短聚焦的作用。如图2所示。用粗略的计算可以证明,带有球透镜的光纤的等效接收角Hc变为:

Hc=sin-1{n1sin[sin-1(d2r)+cos-1n2n1]}-

sin-1(d2r)(8)其中r为球透镜的半径,d为光纤芯径。可以看出当r=]时,就变成了平端光纤的情况。通过式(1)可以求得球半径r和光纤直径d与等效接收角Hc

的关系。

图2 端面球透镜耦合光纤端面仅作这样一个简单的变动就可以使Hc扩大许多。端面球透镜的制造方法比较容易,一

般都用氧气或其他高温火焰将光纤端点烧熔,在显微镜下可以看到它自然的缩成一个小球。端面球透镜耦合方式在实际耦合操作中与直接耦合相同,但在轴向上位置的要求比直接耦合要严格一些。根据文献[2]可知,通过这种方法可以使耦合效率最高达60%。1.3 尖锥端光纤应用模式耦合模型,介绍一种近年来发展迅速的低反射高效率的尖锥端光纤和半导体激光器的耦合技术[3],如图3所示。

第2期 高树理:半导体激光器和光纤的耦合 #29# 前面介绍过,激光器的模场为高斯场,通常LD的模场为椭圆形,则在出射窗口处的横向场分布可以表示为:Wl(x,y)=Alexp{-[(xX0x)2+(yX0y)2]}(9)其中x轴和LD的结平面平行,Al为场振幅。图3 尖锥端光纤耦合光纤中模场为圆形,则其横向场可以表述为:Wf(x,y)=Afexp{-[(xXf)2+(yXf)2]}(10)其中Af为场振幅,Xf为光纤中模半径。利用高斯模的传输规律得到经过一段距离z之后的LD模场分布为:Wlz(x,y,z)=Al(X0xX0y)1P2[Xx(z)Xy(z)]1P2exp{-[(xX0x(z))2+(yXy(z))2]}#exp{-ik[x22Rx(z)+y22Ry(z)]}#exp{-ikz)exp{-i[大耦合效率。理论计算表明这种耦合方式,在H=60b附近有最大耦合效率接近90%。

2 间接耦合2.1 凸透镜耦合如图3所示,一个凸透镜将在其焦点上的激光器发出的光变成平行光,再用另一个凸透镜聚焦到光纤端面上。这种由两截做成的耦合接头,每一截包含一个凸透镜,因为中间是平行光,两截连接部分的精密度要求不高,调节较容易,结构稳定、可靠,使用方便。

图3 凸透镜耦合2.2 柱透镜耦合激光器发出的光在空间是一个细长的椭圆形,可以通过柱透镜将光压缩,使整个光斑接近圆形,而后和圆形截面的光纤相耦合就会使耦合效率有很大提高。如图4所示。由激光器发出的张角为H的光,经柱透镜两次折射后,只要它的入射角满足光纤全反射条件的要求就可以被光纤所接收,实际上就是扩大了光纤的等效接收角。

图4 柱透镜耦合2.3 组合透镜耦合在许多半导体激光器和光纤的耦合系统中,经常利用柱透镜、球透镜及锥形光纤等相互组合来提高耦合效率[4]。利用组合透镜可将耦合效率提高到75%以上。但在装配时需要用精密夹具来精密调整,增加了工作难度。

3 结论通过以上对光纤与半导体激光器耦合方式的简绍,可以看出通过直接耦合提高耦合效率,要求对光纤加工精度高;通过间接耦合提高耦合效率,需要在光纤与激光器间加入光学元件,增加了系统复杂度,增加了系统的体积。总结以上所简绍的耦合方式可以得出:要提高光纤与半导体激光器的耦合效率,获得尽可能大的出纤功率,就需要尽可能多的光耦合进光纤中去,尽可能的减少耦合时反射出的光。参考文献:[1] 查开德.尖锥端光纤和半导体激光器的耦合[J].中国激光,1998.[2] 马惠萍.光纤耦合问题的研究及球形端面光纤的应用[J].光电工程,2002.[3] 胡台光.Ti:LiNbO3波导与光纤耦合的综述[J].光通信研究,1990.[4] 张健.耦合半导体激光进入光纤[J].激光技术,1962.(责任编辑 王秀丽)

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