图2.9垂直发散角与有源区厚度关系图
Fig. 2.9The vertical divergence angle and the active layer thickness diagram
从图中可以看出垂直发散角??随有源区的厚度增加先增大后减小。通常有源层厚度很薄，典型值一般为0.1μm左右，则上式可表示为
???4.05(n2?n1)d22? （2.3）
则??与有源区的厚度d成正比关系，即垂直发散角??随有源区的厚度d减小而减小，与图中曲线的前半段是一致的。这似乎不能用衍射理论来解释，但与试验结果是基本符合的。实际原因是随着有源区厚度d的减小或折射率?n的减小，电磁场渗入无源区的成份增加了，相当于加厚了有源层，因而??减小
[36]
。
当有源层厚度增大到能与波长相比拟时，2.3式可近似表示为
???1.2? （2.4） d符合光的狭缝衍射理论，垂直发散角??随有源区的厚度d增大而减小。
半导体激光器的条宽S远大于工作波长，可以套用有源层较厚的??的表达式，则水平发散角?//近似表达式如下：
?//?
2-3-2 影响光场特性的主要因素
?S （2.5）
根据上面的讨论，可以看出，对于垂直方向来说，其发散角与有源区的厚度及波导结构密切相关。对于量子阱激光器，波导层也参与发光，减小半导体激光器的垂直发散角的方法从原理上讲有两类，即减少有源区厚度和增大光腔尺寸。图2.10是不同波导结构对应得到的近场光斑，可以看出，采用宽波导、小折射率差材料是实现小发散角的最佳方案。
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图2.10不同波导结构的二极管近场光斑分布 Fig. 2.10 The near field distribution of different waveguide LD
另据报道采用渐变折射率波导结构，垂直发散角可减小到27.5°，但渐变折射率在工艺实现过程中也存在很多困难。
因此，我们设计采用分别限制量子阱技术，通过优化波导层厚度、折射率差等，在有源层两侧生长厚度达0.6μm 的波导层，研制出了976nm高功率单管激光器，100μm 条宽，输出功率3W时，垂直发散角为32°，如图2.11所示。
图2.11大光腔激光器的折射率分布及结构
Fig. 2.11 Refractive index profiles and material structures of LOC LD
对于水平方向，条宽较宽的激光器芯片在水平方向为多模工作状态，存在多光丝发射现象，使远场分布出现不平滑和不对称，其本质上为增益导引型激光器。由于存在电流扩展效应，它的导波效应与工作电流，即激励水平的变化有关，电流增大会造成辐射模发生畸变，带来一系列缺点：近场辐射图向有源区一侧偏移，P-I曲线上出现扭折。图2.12给出了不同电流注入下，水平发散角与垂直发散角的变化，从图中可以看出随着电流注入增加，水平发散角有逐步增大的趋势，此外，模场特性也更加不稳定。
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图2.12不同电流注入下，水平发散角与垂直发散角变化 Fig. 2.12 Beam divergence at various injection current
为了尽量减小这些因素对耦合的影响，我们设计采用适当深度的光限制隔离槽以及量子阱混合工艺改变横向折射率分布来增强光限制，从而实现水平方向发散角为8。
综上所述，根据所设计的波导结构进行理论仿真得到垂直方向上波导折射率及近场光强分布如图2.13.1所示，图2.13.2为相应垂直方向上的远场光强分布。
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图2.13.1波导折射率及近场光强分布 图2.13.2垂直方向远场光强分布
图 2.13激光器理论波导折射率分布及相应的近场远场光强分布
Fig. 2.13 Refractive index profiles, near field distribution and far field distribution of LD 通过对激光器的光强远场分布进行测试，得到典型的光强远场分布如图2.14所示，从图中可以看出垂直发射半角约为40°，水平发射半角约为10°，???36?，?//?10?。
图2.14典型激光器的远场光强分布图 Fig. 2.14 Far field distribution of typical LD
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本章小结
本章确定了耦合所用激光器芯片及光束特性。为了使芯片具有高的功率密度，高的可靠性，从芯
片材料、芯片工艺、芯片结构等方面进行了相关研究，结合现有经验技术确定了自主研制芯片的材料及结构。在对激光器光束特性进行分析的基础上，提出减小激光器发散角的一些措施。
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第三章 光纤耦合理论与实验研究
为了实现激光器与光纤的高效耦合，本章从光纤的理论知识出发，分析了光线在光纤中的传输特性，设计了理论上满足耦合条件的光路系统，并通过仿真和实验进行验证。
§3-1光纤理论知识
3-1-1 光纤结构与分类
图3.1为典型光纤结构。纤芯和包层为光纤结构的主体，纤芯的折射率n1比包层的折射率n2稍大，当满足一定的入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播；涂覆层用于隔离杂光和保护光纤免受环境污染和机械损伤；实际的一些应用中，在光纤涂覆层外面还加一层护套，用于提高光纤的强度，保护光纤。
图3.1 光纤结构示意图
Fig. 3.1 The structure of optical fiber
光纤的分类方法有很多种。按传输的模式数量可以分为单模光纤和多模光纤：只能传输一种模式的光纤为单模光纤；能同时传输多种模式的光纤为多模光纤。两者主要差别为纤芯的尺寸和纤芯/包层相对折射率不同，单模光纤芯径小（2~12μm），芯-皮折射率差小（??(n1?n2)/n1?0.0005~0.01）；多模光纤芯径大（50~500μm），芯-皮折射率差大（??(n1?n2)/n1?0.01~0.02）。
按照光纤的不同用途，可分为通信/测量用光纤和传能光纤。前者芯径小，一般在数十微米量级以下；后者芯径大，在数十~百微米量级以上。
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