一种具有防烧蚀功能半导体激光-光纤耦合器的研制

摘要

光纤自从面世以来便被认为是光波导中最具竞争力的介质。而半导体激光器(LD)一经面世便以其质量轻、体积小、结构简单等优点在光通信行业获得了广泛的应用。由于半单体激光器发光区很小，其发散角很大，快轴方向可达30°-40°，所以在和光纤进行耦合时经常要对LD的光束进行整形来改善光束质量，用微型柱透镜(例如大芯径光纤)和球端面光纤组成的光学系统对LD光束整形是容易实现且价格低廉的方法。但是，随着大功率LD的研制成功和推广，LD对光纤的烧蚀问题日见突出，目前对防烧蚀问题的研究很少，而且大多集中在军事方面的研究，因此对大功率LD对光纤的烧蚀问题进行研究具有现实意义。 本论文在深入研究了各种耦合方法及其应用条件的基础上，主要进行了以下几项工作： 1.比较详细的分析了LD输出光场的特点和单模、多模光纤传输光的基本理论，阐述了LD和光纤耦合的理论模型。 2.把LD和光纤的耦合系统分成直接耦合系统和间接耦合系统分别进行讨论，分析了常用的微透镜光纤端面的结构及耦合特性，并就其现有的耦合装置进行了介绍和分析。从工艺和耦合效率两方面考虑，球透镜光纤的耦合效率高、制作工艺简单、成熟且易于实现。 3.针对由柱透镜和球端面光纤组成的组合透镜耦合系统中存在的封装和调试困难，以及由于大功率LD的应用而产生的耦合界面的烧蚀问题，提出了以下解决方案：用一段直径为400μm的裸石英光纤代替柱透镜对LD输出光束进行准直整形；用大直径球端面光纤对准直后的光束进行聚焦，直接实现和光纤耦合，来代替聚焦透镜和光纤耦合的环节，其中的大直径球端面光纤由标准多模光纤和大芯径光纤熔接烧球而成。 4.设计了一种LD和球端面光纤的耦合装置。该装置将传统的五维调节模式分解为二维和三维的调节，实验证明该装置能大大减小耦合系统调节的难度，并且对装置的加工精度要求不是特别高。 5.对3中提出的新耦合系统进行了实验研究。首先测量了球端面光纤的球透镜参数，分析得出用光纤自动熔接机来制作球透镜光纤的工艺稳定。对由柱透镜光纤和大芯径球端面光纤组成的耦合系统的耦合效果进行了实验分析，结果表明：采用该方法的耦合效率长期稳定在80.0％左右，在大大降低了使用柱透镜和球端面光纤耦合系统存在的调试和封装难度的同时，能有效减小烧蚀问题对系统耦合效率的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

§1.1引言

§1.2半导体激光器与光纤耦合技术的发展历程

§1.3半导体激光器与光纤耦合技术的应用

§1.4本文的主要内容和创新之处

参考文献

第二章半导体激光器和光纤的基础理论

§2.1半导体激光器的光束特性

§2.2光纤中光传输的特点

2.2.1光纤的结构特点及分类

2.2.2光在光纤中传输的理论

§2.3半导体激光器与光纤的耦合理论

§2.4本章小结

参考文献

第三章半导体激光器和光纤直接耦合结构比较

§3.1平端面光纤直接耦合

§3.2锥形微透镜光纤

3.2.1锥形光纤中光线传输理论

3.2.2几种常见的锥形结构

3.2.3锥形光纤的制作工艺

3.2.4实用的锥形光纤耦合器件

§3.3铲形透镜光纤

§3.4柱透镜光纤

§3.5球透镜光纤

3.5.1球透镜光纤简介

3.5.2半球端透镜光纤的准直理论

§3.6本章小结

参考文献

第四章半导体激光器和光纤间接耦合结构比较

§4.1单透镜耦合系统

4.1.1套筒

4.1.2单球透镜耦合系统

4.1.3单柱面透镜耦合系统

4.1.4柱透镜非傍轴近似理论

4.1.5影响光纤柱透镜准直效果的因素

4.1.6单自聚焦透镜耦合系统

§4.2组合透镜

4.2.1球透镜与自聚焦透镜的组合透镜系统

4.2.2透镜组耦合系统

§4.3影响半导体激光器和光纤耦合的因素

§4.4本章小结

参考文献

第五章具有防烧蚀功能的耦合器的研制

§5.1烧蚀现象研究

§5.2球端面光纤的制作工艺及参数测试

5.2.1熔球设备的操作及其注意事项

5.2.2熔球工艺的注意事项

5.2.3标准多模光纤直接烧球的实验

5.2.4标准光纤与大芯径光纤熔接烧球的实验

§5.3一种新型的半导体激光—光纤耦合装置

§5.4大球端面光纤防烧蚀实验

§5.5本章小结

参考文献

结束语

攻读硕士学位期间主要科研成果

致谢