半导体激光器与光纤高效耦合特性的研究图文精.docx
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半导体激光器与光纤高效耦合特性的研究图文精
北京工业大学
博士学位论文
半导体激光器与光纤高效耦合特性的研究姓名:
于海鹰
申请学位级别:
博士
专业:
微电子学与固体电子学指导教师:
沈光地
20060401
摘要
摘要
大功率半导体激光器（LD,laserdio如因体积小、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~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低闽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（1ensed舶ers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980mAlGa舳/G以S/In魄~s量子阱大功率半导体激光器和多种条宽的单有源区980砌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。
北京工业大学工学博士学位论文
在考虑像散因素的情况下,对激射光束在不同条宽时光束束斑和波前曲率半径随传播距离的变化情况进行了模拟。
对球面透镜和锥形、柱形和楔形等非球面透镜进行了定性分析和比较。
在此基础上,结合渐变折射率棒和光纤对入射光束的传输特性,提出了一种新型的大芯径渐变折射率（G刚N光纤与普通单模或多模光纤级联组成的组合式楔形透镜光纤耦合系统,即利用大芯径光纤增大对入射光的接收面积,利用l/4节距（Ditch渐变折射率媒质对光束的聚焦作用实现入射光的准直和聚焦,利用楔形透镜和柱面端面实现对入射光束垂直方向波前曲率半径的变换改变入射光束的模场,从而实现LD入射光束与单模光纤或多模光纤的模式匹配。
根据大功率LD的光束特点,对楔形透镜光纤的楔角、柱面半径和工作距离等参数进行了优化设计。
将新型透镜光纤与其它不同结构和形状的透镜光纤分别对多种大功率半导体激光器进行耦合测试。
测试结果表明,由于新型多有源区大光腔LD的激射光束纵横比得到极大的改善,它与光纤的耦合效率比相同条宽的单有源区LD有显著提高。
采用楔角为900的GRIN/sMF结构的新型透镜光纤与隧道结级联大光腔LD的耦合效率比该透镜光纤与常规LD的耦合效率高出一倍以上。
在与三种不同条宽的单有源区LD的耦合测试对比中,楔角为llO。
的GRIN,MMF结构的新型透镜光纤对85一Hm和100.“m条宽的LD的耦合效率平均达到了80%和70%,最高值可达90%,居国内先进水平。
楔角为110。
的GRIN,sMF结构的新型透镜光纤对85.岬的LD的耦合效率达到了12.7%。
ABSTRACT
ABSTRACT
Thcapplicationfieldso仆噜h-powersemiconductorlaserdiodes（LDsarewideraIld埘derductotheiruniqueadvamgessuchassmaUinsize,10wpowercons岫ption,highelectrictoopticalenergyconVertingemciencya11dche印incost,whichcouldn’tbecompetitiVebyother
fomsoflaSers,resuhsinmeirmoreandmoreimponantroleforsocie吼economics,militaryaIldhurnaIl’sdaily・life.Itisbelievedthatthetrendwillgoonasthedevelopmem血researchandstudyleverandtheirfutIlreisexpected.
Thecouplingissucswithoptical助erSareoRendealwiminmanyapplicationfieldsofhigh-powerLD,suchas也elightsourcesandpurnpingsourcesofopticalfiberamplifiersinopticalflbercommunicationsSystems,lasersurgeryoperationinmedicine,laser、veldinga11dheatprocessinginmaterialsmechaIlicalprocessandsoon.sot}lestudieson也ecouplingsystemswimhi曲efficiency,nlorcpractices,highreliabilityandmoreeconomicsaccordmgtothehigh-powerLDs’chamcteristicshavebeenoneoftheinterestingresearch俎dStudydots.T0date,meyp勰sedthroughseparatedsinglelens,sepamtedcombine一1ensesa11d1ensedfiberswhichimegratedwithopticalfibers,totalmreegenerations.Lensedfibersareverypopularandfirstchoiceatpresentbecauseoftheirsimples仃uctllres,highmanufktLlreefficiency姐deasyintegratedpackagingpropenies.
Themainreasonthatthecouplingemciencyforhigh.po、verLDstooptical肋ersisnotsohighisthatⅡ1edi行erenceinmodebe觚eenⅡlemisquiteserious.nefomers’modesare,nornlally,asy衄etricellipses,while山elatter’s’onesareceme—Symmetriccircles.So廿lecouplingperfomancebetweenhigh—powerLDandfibershouldbeimproVedthroughbotllLDandfiberaspects.InLDaspect,reductionorincreaseofmeactivcregiontllicknesscanreducetheaspectratioof恤eLDbealllandconsequentlyimproVetllebe哪’ssymmetUTherearemanyapproachestoachievethep唧ose,andoneoftheperfbct血emisnlnnel.caScadedmulti-activeregionslargecaVityUstnlcture,inwmchnotoIllyt11eefI’ectivet}lickness
of恤acdVercgionincreasebutalsoObtainLDs’lowthresholdcurrentaIldhighs10peefnciencyandotllerproperties.
Inopticalfiberaspect,t}惜incidentbeamcanbecoUima沧d,convenedandfocIlSedbysomel【indsoflenses,makingthemodeofincidembe蹦matched埘morneartheopticalfiber’smodes.
Inthisthesis,morou曲theoreticalailalysesaIldexperimentalinvestigationswercmadefort11eeXtemalopticalpropeniesofa980IlI工lhi曲-powerturmeljunctionregeneratedmulti.actiVe—regionquamumwellstripe—geometryA1GaAs/GaAs/InGaAsLDandthreedimrents仃ipe.width980nmhigh.power
.n1.
北京工业大学工学博士学位论文
single—activeregionquaIltmwellstripe-geome仃yAlGaAs/GaAs,InGaAsLDs,allofwhicharedevelopedinourlabora_Co掣Besides,themodalpropeniesofbomsingle—modelstep—indexopticalfibers（SMFaJld
mLllti—modelgmdedindexfibers（MMFarealsoanalyzedinthethesis.
SincegainguidingInechanismissigⅡificant血tllejunctionplanea11drefrac“onindeXguidingmechanismisprcdommatedinnoHrlaltothejunctionplanc,thephaSe厅ontoftheLDlasingbeamiscylindficalWhenthewavepropagatesinmecav时ofLD.Toa11extemalobsenrer,notoIllymecross—sectionofthebeamisaSy舢m甜c柚dellipticalspot,butalsothebeam、vaistsinparallelandpeIpendiculartotllejunctionarenotinthesameplane.Thewaist
p唧endicularto也ejunctionwinbeat让圮f矗cetofLD,buttheoneparalleltot11ejunction、ⅣillbeintllecavityaIldiscalled“virtualwaist”whichdispIacessomedis诅ncebelliIldthefacet.Asaresult,me1asingbeamoftheLDisastigmatic.Thedis砸butionofthebeamintellsityis印proximatelyGaussiaIl,mrthemlore,assumingthespotsizeinp缸a11elt0也ejunctiondoesnotcllangewhenmeLDdrivingcurremvary（When血edTiVingcurrentis1arger也antllethreshold,thepositiona11dthesizcoft11eVirtualwaistcallbeobtained
throu曲measllrementofⅡlef孙fielddiVe唱enceallglea11dthencalculatingbasedontheGaussiallfb珊ul缸
Onconditionofastigmatismarenotzero,thespotsizesarldthecurvatureradiioftheequiphasefrontofmelasingbeamsf幻mthehi曲-powerLDfordifrerents伍pe・wid也s,asafUnctlonofz,mepropagationdistanceintheair,aresimulateda11dn衄ericallyirⅣest培ated,
Thecharacteristicallyanalysisandcomp撕sonsweremadeforsphcricallensandasphericallenses,suchast印er'cylindricaland、Ⅳedge・sl璩pedlenses,eta1.Basedonmeresultsa11dconside血gthegraded—index（GRINrodand6ber’spropagationpropeniestotheincidembeams,anoVelcOmbinedlensed丘bercoupIingsystememployingawedge-shaped1argecore
GRIN舶ercaScadedwimconventionalSMFispropoSed,inwhichlargefibercoreis
miIizedt0extendmeacceptingareaforincidentbe锄,andaquanerpitchlengtllofmeGRINfibertocollimatea11dfocusonforincidentbe锄,andwedge—shapedlensalldcylinI埘calendf.acetoconvertthecurvatureradiusoftheincidembeamequi曲ase硒ntandchaIlgememodeoflhebeam,makingtheLDlaSing
be啪modefieldsmatching嘶t王lSMForMMF’modesaSmoreaspossible.
Accordingtotllehigh—powerLDs’characteristics,也eparall]【ctersofⅡlenoVellensed肋ersuch觞wedgea【lgleofmelenSed肋er,也emdiusofcylindr王calendfaceandt11eworl（ingdistanceareoptimizedaⅡdsimlllated.
CouplingtestsaremadeformenoVellerISed丘beraIldother
fb咖slensed肋erstosomekindsofhi曲-powerLDs.Measurementresuhsshowt11eIDⅥ,他multi—actiVeregionshaSmuchhjghercouplingemciency血antheoneswimsingleactiveregionwhentheyarecoupledwimVariousfbmsofIensed肺ers.
Coupledwiththree
di虢rentsmpe—wid血sLDs晰thsingleactiveregion,anoveI。
lV.
^BSlKA0l
Wedge—shapedGIuN/MMFcascadedlensed丘ber谢血110。
wedgeangleacllieveavemgecouplinge蚯ciencyof80%and70%,respectively,whenitusedtocouplewimthehi曲一powerLDsw油85・“mand100.岫s砸pe一、vidth,a11dthehi窟hestcouplingemciencyisupto90%,wllileoneoftllenovellensednbercouDles谢tlla
85一肛mstripe—widm980m
lligh-powerLD,tlleaspectratioofthatishi吐upto130,
whichisplaceddomesticleadingposition..V.
独创性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名:
盈丛日期:
叼占.∽眵
关于论文使用授权的说明
本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:
学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
（保密的论文在解密后应遵守此规定
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第l章鳝论
1.1引言
第1章绪论
当人类历史迈入2I世纪之际,我们进入了信息社会。
在以量子力学诞生为标志开始的20世纪中,从晶体管诞生到便携式Pc和智能手机问世,微电子学取得了辉煌的成就。
以激光器和光纤通信为核心的光电子学则起着把20世纪连接到2l世纪的高度信息化的“神经网络”的作用。
半导体激光器作为光电子学的一个重要分支,自它诞生以来发展极为迅速。
体积小、功耗低、转换效率高而且价格便宜等其他激光器所无法比拟的优势,使它不仅引领了信息领域的不断革命,而且在传统制造业、医疗卫生、娱乐和国防等领域发挥着越来越重要的作用,特别是大功率半导体激光器,可咀预见,随着研究水平和制造能力的不断改进,器件的性能必将会大幅度地提高,应用的领域会越来越宽广,前途无限光明。
1.2大功率半导体激光器的发展进程
1。
2.1半导体激光器的演进
有关激光的理论可以追溯到1917年,著名物理学家爱因斯坦那时就预言,受激辐射过程必然存在,最先在理论上指出了发明激光器的可能性。
他提出,处于激发态的原子,可以通过两种不同的途径发射出光子跃迁到较低的能态,一是自发辐射,二是受激辐射。
受激辐射的概念奠定了激光理论的基础。
但是在1950年之前,激光仅仅是理论上的。
当时间推进到上世纪50年代,高频微波器件微波激射器Maser的成功发明。
给光学领域带来了革命性的变化,侵人们看到了激光到来的曙光,开启了发明檄光器技术的大门。
美国科学家C.HTones与schawlo叭前苏联物理学家N.G_Basov与A.MProkhovov作为激光器发明工作的先驱,为激光器的诞生作出了重要贡献。
半导体激光器是在1962年秋季,第一支激光器——红宝石激光器诞生两年后,分别在IBM公司…、美国通用电气公司的AdvallcedseInjconductorLab[2】、ResearchLab嘲以及麻省理工学院的Linc01ⅡLabH几乎同时问世的。
这是人类首次采用电流驱动半导体材料实现相干光的产生（电致发光,采用的是GaAs同次采用电流驱动半导体材料实现相干光的产生（电致发光.采用的是GaAs同
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质D_n结。
尽管当时的激光器闽值很高,电流密度高达5×104A/cm2以上,必须在低温冷却环境下工作,工作方式也只能是脉冲方式。
但是它开创了一个革命性的新时代。
同质结半导体激光器被称为半导体激光器发展史上的第一个里程碑。
1963年美国科学家妇oemer【5】和前苏联科学院的Alferovl6】提出了异质p.n结的设想。
该结构很快便被应用于半导体激光器的研究。
伴随液相外延（LPE等工艺技术的发明,IBM公司和BeULab分别在1967年I”和1968年【8】开发出能够在室温下工作的AlGaAs/GaAs异质结激光器,电流阂值密度降到8.6×103~cm2。
进入20世纪70年代,采用双异质结构的半导体激光器（DH.LD相继在前苏联和美国问世。
A1ferov等驯宣布其A1GaAs/GaAs/PAlGaAsDH.LD室温下的阈
值电流密度降到4×103~cm2;Pallish掣”l更是将AlGaA“GaAs/A1GaAsDH—LD阈值电流密度降到了2.3×102从m2。
双异质结LD的问世是半导体激光器发展史上的第二个里程碑。
六十年代末,江琦与朱兆祥提出了“超晶格”的概念Il“,并在1970年首次在GaAs上做出了超晶格结构ll“。
低维物理理论的发展、分子束外延（MBE与金属有机化合物化学气相淀积（MOcVD等外延新工艺技术的出现、超晶格材料的问世,使量子阱激光器应运而生。
第一个量子阱激光器是在1975年由BellLab的VanderzieI利用MBE研制而成㈣。
在1977年,Dupuis、D印kus等利用MOCVD第一次研制多量子阱注入激光器【14】,其闽值为3kA/cm2。
1981年,BellLab的曾焕添采用分别限制多量子阱结构并优化了垒高和厚度,同时使用了更大的
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