一种光纤输出半导体激光器模块的研制

摘要

半导体激光器由于具有电光转换效率高、体积小、重量轻、能直接调制以及性能稳定、可靠、使用寿命长等显著特性，近些年来，它的应用几乎覆盖了整个光电子学领域，成为当今光电子学的核心器件。然而半导体激光器固有的结构特点决定了它存在一个严重的不足就是它的光束不对称性，且光束发散角较大。大多数实际应用中，为了获得较好的光束质量，需要将半导体激光器与光纤耦合输出，因此，研制光纤输出半导体激光器模块，低成本、高效率地将两者封装起来成为一个很有意义的研究课题。 近年来，光纤输出半导体激光器模块的研制受到国内外的关注。大功率光纤输出半导体激光器模块具有很高的技术含量，主要涉及光纤技术、微小光学技术、微细加工技术、耦合封装和精密机械等关键技术。在大功率半导体激光器与多模光纤耦合时，为获得最佳的耦合效率不仅应考虑两者的特征参量相互匹配的问题，即多模光纤的纤芯直径、数值孔径，与大功率半导体激光器耦合时的发光面积、发散角、输出功率等匹配的问题，还要考虑光纤端头的处理、耦合系统中加各种透镜等工艺问题，很多情况下需要简化工艺、降低成本，以获得最佳性能价格比。 目前，半导体激光器和光纤的封装形式主要有同轴式、双列直插式和蝶形三类。本论文在深入研究了各种耦合系统及其应用条件的基础上，设计了一种由圆柱形透镜和半球端微透镜组成的耦合系统，进一步研制出了一种新型光纤输出半导体激光器模块，其结构简单、耦合效率高、成本低、对金加工中的同轴度要求不严格、且能够方便而精确地实现半导体激光器与光纤的五维耦合调整。本文主要内容如下： 1.分析了半导体激光器的基本结构和空间模式以及光纤传输光的基本理论，具体说明了半导体激光束的整形方法和提高光纤数值孔径的方法。分别运用模场耦合理论和光线耦合理论对半导体激光和光纤的耦合进行了理论分析。 2.归纳了国内外光纤输出半导体激光器模块的产品现状；总结了半导体激光器和光纤的耦合方式和耦合系统，并把耦合系统分成微透镜光纤耦合系统和分立式透镜耦合系统分别进行了分析。其中着重分析了微透镜光纤耦合系统中比较常用的微透镜光纤端面的结构及其耦合特性。 3.设计了一种由圆柱形透镜和半球端微透镜组成的间接耦合系统，对圆柱形透镜对半导体激光束的准直和半球端微透镜对光纤数值孔径的提高进行了理论分析，并对光纤柱透镜和半球形端面输出光纤的制作工艺给予了详细介绍。 4.研制了一种新型光纤输出半导体激光器模块。详细说明了该光纤输出半导体激光器模块的各组成部分，并对该模块的功率特性进行了实验研究和参数测试，结果表明：我们研制的这种新型光纤输出半导体激光器模块各部件加工工艺成熟，大大降低了调试和封装的难度问题，因而有利于生产及应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

§1.1半导体激光器和光纤耦合的要求

§1.2光纤输出半导体激光器模块的产品现状

§1.3光纤输出半导体激光器模块的耦合系统

§1.4论文的研究内容和意义

参考文献

第二章半导体激光和光纤的耦合理论

§2.1半导体激光器的基本结构

§2.2半导体激光器的空间模式

§2.3光纤传输的基本理论

2.3.1光纤的结构特点及分类

2.3.2均匀折射率光纤的光线理论

§2.4半导体激光和光纤的耦合理论

2.4.1半导体激光和光纤的模场耦合理论

2.4.2半导体激光和光纤的光线耦合理论

§2.5半导体激光器和光纤的耦合系统

2.5.1微透镜光纤耦合系统

2.5.2分立式微透镜耦合系统

§2.6本章小结

参考文献

第三章由圆柱形透镜和半球端微透镜组成的耦合系统的设计与分析

§3.1圆柱形透镜对半导体激光束的准直

3.1.1圆柱形透镜对半导体激光束的准直理论分析

3.1.2影响光纤柱透镜准直效果的因素

3.1.3光纤柱透镜的制作

§3.2半球端微透镜对光纤数值孔径的提高

3.2.1半球端微透镜提高光纤数值孔径的理论分析

3.2.2半球形端面光纤的制作方法

3.2.3半球形端面光纤制作工艺的稳定性分析

§3.3耦合系统中各部件实验参数设计

3.3.1半导体激光器封装结构的选择和参数设计

3.3.2制作光纤柱透镜及半球形端面光纤的光纤选取

§3.4本章小结

参考文献

第四章光纤输出半导体激光器模块的研制和调试

§4.1光纤输出半导体激光器模块的研制

4.1.1球轴承的提供

4.1.2滑动配合结构的采用

4.1.3耦合系统的定位灵敏度

§4.2光纤输出半导体激光器模块的调试

4.2.1模块的制造方法

4.2.2模块的调试过程

4.2.3胶合前后特性曲线比较

4.2.4测试结果分析与结论

§4.3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