光纤耦合

课程设计课题名称：半导体激光器与光纤的耦合组员姓名：指导老师：所属学院：1目录摘要................................................................................................................................2一、设计背景................................................................................................................3二、设计目的................................................................................................................4三、设计思路................................................................................................................5四、相关原理................................................................................................................61、激光耦合进光纤的耦合条件..............................................................................62、耦合方式..............................................................................................................63、半导体激光器的电光特性..................................................................................84、光纤中光速和光纤材料平均折射率的测量......................................................8五、实验项目及步骤....................................................................................................91、设备的安装..........................................................................................................92、半导体激光器的电光特性................................................................................103、光纤端面处理与夹持........................................................................................104、光纤耦合和功率测量........................................................................................125、传输时间的测量。............................................................................................13六、耦合损耗分析......................................................................................................141、机械对准误差对耦合的影响............................................................................142、光纤端面倾斜的影响........................................................................................18七、现象与结果分析..................................................................................................20八、设计总结..............................................................................................................23参考文献......................................................................................................................242摘要激光与光纤耦合以其独特的方式广泛应用于工业、医疗、探测、通信、军事等众多领域。本文从论述激光-光纤耦合的耦合条件出发，分析并计算了耦合的三种机械对准误差和光纤端面的倾斜程度对耦合效率的影响。此外，我们以可见光半导体激光器作为光源，将激光耦合进光纤，激光在光纤中传输一定距离后从光纤的另一端输出，利用功率指示计和示波器等仪器对输出光进行测量和观察，并进行相关的讨论与分析。本文在实验设计和查阅相关资料的基础上，从实验数据分析半导体激光器的电光特性，并通过测量激光在光纤中的传输时间估算光纤纤芯的折射率，最后简单论述了光纤不同裸露长度对耦合难度和耦合效率的影响、耦合后不同光斑形状的产生原因，以及光纤前、后端漏光现象产生的原因。关键字：激光、光纤、耦合、端面、耦合效率3一、设计背景光网络的发展与光器件的发展是相辅相成的。一方面，光网络的发展受限于光器件的发展，另一方面，光通信网络的发展对光器件提出更新更高的要求。为了满足通信网宽带化的要求，需要研制各种新的光纤，新的光电子器件和新的网络系统等。光电子器件在光纤通信系统中起着重要作用，某些器件的进步将带来光纤通信革命性的变化。光电子器件可分为两大类:有源光电器件，如激光器、光检测器和光放大器等。这些器件在光端机使用时，己做成为组件式模块；光无源器件主要有光纤连接器、波分复用/解复用器、光耦合器、光衰减器、光隔离器、调制器、滤波器和光开关等，无源器件对光学加工工艺要求很高，是大容量光纤通信系统的关键器件，随着电光网络向全光网络的发展，全光交换成为新一代全光网的核心技术，光开关等无源器件的需求量不断增加。无论有源器件还是无源器件，应用到光纤通信系统中都存在和光纤的连接耦合即所谓光耦合问题。光耦合是指光信号的耦合，它包括光纤之间、光纤与光波之间、光纤与光源之间、光纤与探测器之间以及其它不同光元器件之间的耦合，是构成全光交换的重要技术。光信号的耦合连接与电信号的连接具有很大的差异。对电信号来说，只要把放大器的输出端与传输线连接起来，电信号就被送入线路中。而对光通信来说，一方面光纤质地脆、机械强度低、需要比较好的切割及连接技术，分路、耦合比较麻烦；另一方面光耦合时光照射在光纤端面上，一部分光是不能进入光纤的，如其中的一部分从光纤端面反射掉了，而能进入光纤端面的光也不一定能在光纤中传播，只有符合某一特定条件的光才能在光纤中发生全反射而传到远方。因此光通信中光耦合的情况是非常复杂的。本次课程设计，我们的选题：半导体激光器与光纤耦合。过程中，我们将以可见光半导体激光器作为光源，将激光耦合进光纤，激光在光纤中传输一定距离后从光纤的另一端输出，利用功率指示计和示波器等仪器对输出光进行测量和观察，并进行相关的分析与讨论。4二、设计目的在日常的学习生活中，我们在很大程度上被书本的理论知识所局限，缺少实际操作的机会和分析处理问题的能力。故而，本次课程设计可以说是很好的一次机会，可以接触具体的实验仪器，激发自己的创造力，将自己的想法付诸于具体的实验中。在整个过程中，我们不断的提出问题，思考问题，解决问题，完善结果。在本次实验设计中，我们将进一步理解并掌握激光-光纤耦合的相关知识，主要包括以下两个方面。1、半导体激光器的电光特性与阈值电流用功率指示计测量半导体激光器在不同工作电流下的输出功率，求出阈值电流。了解掌握半导体激光器的使用方法和电光特性。2、光纤光学以可见光半导体激光器作为光源，将激光耦合进光纤，激光在光纤中传输一定距离后从光纤的另一端输出，通过对输出光的测量和观察，了解掌握光纤的一些光学特性和测量方法，进一步理解和巩固光学的基本原理和知识。对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。具体内容有：1)熟悉并掌握光纤的端面处理。2)动手操作，将激光耦合进光纤，定性分析耦合损耗的原因。3)在光纤不同裸露长度的情况下，用功率探测器对出射光的功率进行测量。对比出裸露长度对耦合难度和耦合效率的影响。4)通过测量激光在光纤中的传输时间估算光纤纤芯的折射率。5)探索激光-光纤耦合后不同光斑形状的产生原因，以及光纤前后端漏光现象产生的原因。5三、设计思路解决问题分析问题提出问题图3-1实验思路流程图6四、相关原理1、激光耦合进光纤的耦合条件无论是用哪一种耦合系统，都要求光纤传输系统有较高的耦合效率，激光与光纤的耦合应满足光纤的耦合条件，即成像到光纤耦合端面上的激光光束的光斑直径laserd和发散全角laser应同时满足：)arcsin(2＜＜NAddlasercorelaser即把激光完全耦合进光纤，不但要求激光束直径要小于光纤的纤芯直径，而且激光束的发散角也要小于光纤的孔径角，满足激光在光纤中传输的全反射条件。如图4-1所示：图4-1半导体光纤耦合条件2、耦合方式由于条件等各方面限制，本实验中采用的是直接耦合。光纤直接耦合就是将激光器发出的激光直接照射到平面端面的光纤上进行耦合，如图4-2所示：7图4-2半导体激光与光纤直接耦合原理图影响直接耦合的耦合效率主要因素是：光纤端面处激光光斑大小和光纤纤芯总面积的匹配以及激光发散角和光纤孔径角的匹配。例如，将半导体激光器发出的激光耦合进数值孔径NA=0.22、纤芯直径为600m的多模光纤中。根据数值孔径和孔径角的关系，光纤的孔径角c2约为25°；激光二极管的有源区尺寸约150m，小于光纤纤芯面积，满足耦合条件。而激光二极管的发散角在平行于p-n结方向，发散角∥2约为10°左右，在垂直于p-n结方向，光源的发散角2约为40°左右。根据耦合条件的角度关系，只要合理的放置激光二极管的位置，其平行于p-n结方向的光功率都能耦合进光纤；但对于垂直于p-n结方向的光只有一部分能耦合进光纤。对于大多数固体激光器发出的激光，其发散角一般都很小，均小于光纤的数值孔径角，但是光斑却远大于纤芯端面面积，因此需要聚焦光斑。此外，光纤端面的反射，激光器发光面不在光纤的光轴上，光纤端面处理得不平整，光纤端面和光纤光轴不垂直，激光器发光面距离光纤端面太近所产生的光干涉现象等，都会影响耦合效率。此外，对于光纤的出射端面，应进行平整处理或将光纤浸入与纤芯折射率相同的溶液中，以避免在精确测量时所带来的反射损失以及测量误差。83、半导体激光器的电光特性图4-3当半导体激光器电流小于某值时，输出功率很小，一般我们认为输出的不是激光，只有当电流大于一定值（I0），使半导体增益系数大于阈值时，才能产生激光，电流I0称之为阈值电流。半导体激光器的电流与光输出功率