第四章半導(dǎo)體激光器及其光藉合技術(shù)

1、一、原 理： 如圖（4-1）示，沿pn結(jié)正向施加偏置電壓。從p側(cè)注入空穴，從n側(cè)注入電子。空穴與電子結(jié)合釋放出的能量變?yōu)楣庾?，采用雙重異質(zhì)（dh）構(gòu)造將光子及截流子有效地封閉在活性層內(nèi)，gaas天然解理面作為諧振腔反射面。4-1 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 圖4-1二、輸出光功率的特性： 閾值電流 ith（threshold current）：是ld的重要參數(shù)。 定義：使ld產(chǎn)生受激輻射的需要所注入的最小電流。 如圖（4-2）所示：圖4-2 1、當(dāng)注入電流）計(jì)算。如圖所示：由三角關(guān)系圖4-8 例：設(shè)=50特點(diǎn)： （1）大相對孔徑。 （2）一般不考慮色差（位置色差和倍率色差）和場曲。 （3）重點(diǎn)校

2、正球差、慧差、象散。 例1、光盤光學(xué)系統(tǒng)中成像物鏡的典型結(jié)構(gòu)，如圖4-9示：大數(shù)值孔徑，小工作距22tgfd22tgfd即94. 0252tgfd則圖4-9由na=nsinu，及u=38.3例2、單透鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)：由最小球差所得到最優(yōu)透鏡開頭的比較： mmlnammf21. 1,62. 0,5 . 6 結(jié)構(gòu) 透鏡曲率 球差 最優(yōu)形狀 72,75121 1411 凸平結(jié)構(gòu) 0, 221 611 平凸結(jié)構(gòu) 2, 021 214 圖4-10圖4-11三、橢圓光束的整形（整圓前必先準(zhǔn)直）（一）整形比m的定義（如圖4-11）（二）整形方法：1、攔光法：（圖4-12）在距點(diǎn)為l距離處設(shè)置一圓孔光欄，使其直徑

3、為 缺點(diǎn)，光能利用率低。 2/2/tglhtglh如圖：/ /hh ，）（整形比114122/tgtghhm2/22/tglh圖4-12 2、柱面望遠(yuǎn)系統(tǒng)（圖4-13） 注意：1、擴(kuò)束時：2、壓縮時，特點(diǎn)：整形效果好，但成本較高3、單楔形棱鏡整形已知： 及楔形棱鏡的折射率n求楔型角 ，及入射角i1，12/ffm,/圖4-13如圖4-14示：在直角abc中：在直角abd中： （利用折射定律：sini1=nsini2）即 ， （4-12）2i22cos/coscos cosimiacababac，即111cos/cos cosiidbababdbi，即222212211212sin1sin1sin

4、1sin1/ coscoscoscoscos/cos/inimiiimiim222sin1sin1nm圖4-14 （1）楔型角x為： （2）求入射角i1： 由反射定律： （3）求偏向角，由圖得： 例： 設(shè)計(jì)光盤整形系統(tǒng) =0.780、n（780）=1.51079 半導(dǎo)體激光器型號：ltd24md，發(fā)散角為 ，求楔型棱鏡頂角 、 射角 和出射角）（1341111sin222222mnmmnm）（14411sinsin2221mnmnni）（15411sin11sin222222121nmmaremnmnareiii3010/1i（1）求整形放大比m（2）求楔型角（3）入射角 （4）出射角（或稱偏

5、向角）以上整形系統(tǒng)的缺點(diǎn)是入射光軸和出射光軸不平行（有一夾角），于使用不便?？刹捎秒p光楔解決此問題。xtgtgtgtgm06. 351522/26.244109. 0sin151079. 106. 3106. 3sin222areare36.38sin51079. 1sin11sin2221arenmmnarei1 .1426.2436.381i圖4-154、雙楔形鏡整形法（對上例所示的參數(shù)，采用雙楔形鏡整形）如圖4-15所示： 作用方法：（1）先畫入、出射光軸線（平行）；（2）畫 （結(jié)線），及第一整形鏡；（3）畫 （結(jié)線）及第二整形鏡，使 ，并使出射光軸和第二整形鏡出射面垂直；設(shè)兩棱鏡楔形角

6、相等，折射率相等，且入射角 ，且兩棱鏡有相同的放大整形倍率。由前例其總整形放大倍率為m=3.06，則單個整形倍率為則可計(jì)算出單個楔形鏡的相關(guān)參數(shù)為：11nn 22nn 13ii 31ii mmm1151. 1780 75. 106. 3 1nmmx，因?yàn)榧?2 .1137.31165.20111iqi1、光束耦合包括：（1）光源與波導(dǎo)之間的耦合（2）波導(dǎo)與波導(dǎo)之間的耦合2、光束耦合種類：直接耦合、透鏡耦合、棱鏡耦合、光柵耦合一、直接耦合如圖：設(shè)光纖芯半徑為r，入射角為，光束照射半徑為r。（一）當(dāng)=0時（正入射）：光纖波導(dǎo)的頻率v：（定義） 4-3 光束的耦合光束的耦合 其中： 波數(shù)r光束半徑（

7、）na光纖數(shù)值孔徑則 和耦合相對功率p之間關(guān)系如下討論： 1、當(dāng)2.4時，90%功率將耦合到光纖中去。 ，nrnnrunrkrnav222sin222212k212221nnn 圖4-16 （二）0時，出現(xiàn)高階模，越大高階模越多，（常用發(fā)光二極管led和激光二極管ld） 設(shè)輻射功率的角分布（發(fā)光面上一點(diǎn)的角功率分布）： 式中：為入射角， 為中心輻射功率（常數(shù)），b為常數(shù)，b愈大，分布愈尖銳。 設(shè)發(fā)光面積 光纖端面面積 則，耦合到光纖中的光功率為 bbbcos00bsafa dbfapaopsfsin21cos12sincos21bfadbfabapsboopsa式中：pf為光纖接受的半球光功率

8、，2為積分區(qū)旋轉(zhuǎn)一周（2r） ，as為整個發(fā)光面，fp為常數(shù)，對單根光纖fp=1 ，b（）sin為b（）在光軸方向的投影，d ：在子平面內(nèi)積分。光源幅射功率：對圖示系統(tǒng)，取 （半球空間積分）耦合效率為：當(dāng)使用單根光纖時： 時 當(dāng)na很小時2a12sincos22bbadnbaposbooss則11bapsfconfpp1pf，（精確公式）21212sin11sin11bbau，（近似公式）21)(2bna下面將運(yùn)用“精確公式”和“近似公式”所算得的值作一比較：結(jié)論：1、直接耦合效率低；2、當(dāng)na較小時，“精確公式”和“近似公式”有較好的吻合，但na較大時，則用兩組公式計(jì)算誤差較大。 b 1 2 3 4 na=0.5 25% 35% 43. 75% 51% 22sin11u na=0.2 4% 6% 7. 8% 9. 7% na=0.5 25% 37. 5% 50% 62. 5% 212bna na=0.2 4% 6% 8% 10% 二、