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半导体激光器与光纤高效耦合特性的研究

于海鹰  
【摘要】: 大功率半导体激光器(LD, laser diode)因体积小、功耗低、转换效率高而且价格便宜等其他类型的激光器所无法比拟的优势,应用领域越来越宽广,对社会、经济、国防和百姓日常生活影响越来越大。伴随研究和生产水平的不断提高,相信它的应用领域会越来越宽广,发展前途无限光明。 大功率LD的许多应用领域和应用场合都涉及到与光纤的耦合,比如光通信系统中的光源和光纤放大器的泵浦源,医疗方面的激光手术,材料加工方面的焊接和热处理等等。因此根据激光器的特性研制高效、实用、可靠和廉价的耦合系统一直是一个研究的热点。 大功率LD与光纤耦合的效率不高是由于两者的模场形式差异大造成的。前者的模场是非中心对称的椭圆形,后者为圆形。因此,提高大功率LD与光纤的耦合效率可以从LD和光纤两方面进行研究。在LD方面,减小或增加有源区的厚度,都可以减小激射光束的纵横比,改善LD光束的对称性。有多种途径实现LD光束特性的改善,其中采用多有源区隧道结级联大光腔结构的半导体激光器是既增加有源区等效厚度而又保证LD低阈值电流和高斜率效率等特性的最佳途径之一。 在与光纤耦合方面,利用透镜可以对LD入射光束进行准直、变换和聚焦,使入射光束的模场与光纤模场尽可能匹配。用作LD与光纤耦合的透镜先后经历了分立式单透镜、分立式组合透镜、与光纤集成的透镜光纤三代耦合系统。透镜光纤耦合系统(lensed fibers)因其结构简单、制作高效、便于集成封装等特点,目前已是耦合应用的首选。 本论文围绕本实验室研发的新型隧道再生多有源区980nm AlGaAs/GaAs/InGaAs量子阱大功率半导体激光器和多种条宽的单有源区980nm AlGaAs/GaAs/InGaAs量子阱大功率半导体激光器的光场外特性、单模阶跃折射率光纤和多模渐变折射率光纤的模场特性进行了深入的理论分析和实验研究。由于大功率GaAs半导体激光器的条形电极宽度较大,光束的纵横比很高,而且由于多采用脊形波导结构,在侧面采用增益引导机制为主,在垂直于结平面是折射率引导机制,使得LD的激射光束在LD光腔内呈柱面波的形式传播。从LD的光外部特性来看,光束截面不但是非对称的、椭圆形光斑,而且在垂直和水平方向上光束束腰不在同一平面上,垂直光腰位于LD的出光面(解理面上),而水平光腰则在LD腔内,即“虚光腰”。因此LD的激射光束存在像散。对该光束作高斯近似,并假设LD激射后水平出光面上光斑的大小不随LD驱动电流的变化而改变,通过测量光束的远场发散角经过计算获得了虚光腰位置和尺寸。


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