光纖耦合半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)知識

激光二極管在今天隨處可見。它們是將電能轉(zhuǎn)換為激光功率的最簡單的元素。激光二極管是基于幾種半導(dǎo)體組裝材料（砷化鎵、InP或其他更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如氮化鎵）。

單模激光二極管是低功率激光二極管（通常為<1W）；

多模激光二極管是功率高得多的器件（通常為>10 W至幾千瓦）。

光纖類型：重要的是要知道兩種類型的有源光纖，它們通常用于耦合從半導(dǎo)體激光管進(jìn)來的光：

a.單模光纖的纖芯通常為幾μm（例如，波長為1μm的纖芯約為6μm，而波長為1.5μm米的約為9μm，約6倍）。

b.多模光纖是直徑較大的光纖，可以處理更高水平的光功率。標(biāo)準(zhǔn)版本纖芯直徑通常為62、100、200、400、800，甚至到>1000μm。直徑越小，就越容易用透鏡或顯微鏡物鏡將來自光纖的光線聚焦到一個(gè)小點(diǎn)上。

圖 1：單?；蚨嗄９饫w的原理。多模光纖的版本纖芯更大。

保偏光纖：單模半導(dǎo)體激光管可以是標(biāo)準(zhǔn) (SMF) 的或保偏 (PM)版本。在保偏版本中，光纖具有特殊的包層結(jié)構(gòu)，可以在整個(gè)光纖長度上保持光的偏振。所以保偏光纖一般是應(yīng)用在對偏振態(tài)比較敏感的應(yīng)用中，如干涉儀，或是激光器，或是用在光源與外調(diào)制器之間的連接中等等。

隨著波長的減小，纖芯直徑變得非常小。當(dāng)考慮到其截止波長和該截止波長1.5倍之間的波長時(shí)，單模光纖運(yùn)行良好。低于此范圍，光纖會(huì)變成多模光纖，高于此范圍，在彎曲光纖時(shí)，光很容易離開光纖。

1. 單模光纖耦合激光二極管

1.1 封裝類型：該類型的半導(dǎo)體激光管常用的有兩種封裝，一種“蝶形”封裝，封裝中集成了一個(gè) TEC溫控冷卻器和一個(gè)熱敏電阻。單模光纖耦合半導(dǎo)體激光管通常能夠達(dá)到幾百mW到 1.5 W的輸出功率。

這些半導(dǎo)體激光管模塊包括一個(gè)TEC溫控冷卻器、一個(gè)熱敏電阻和一個(gè)用于測量光功率水平的背面監(jiān)視器 (BFM)。

一種為“同軸”封裝，常用在不需要TEC控溫的激光管，同軸封裝也有帶TEC的。

1.2 激光管類型：市場上常見的 3 類半導(dǎo)體激光管。VCSEL半導(dǎo)體激光管一般不進(jìn)行光纖耦合。 它們是大型擴(kuò)散傳感應(yīng)用中常見的半導(dǎo)體激光管類型，例如計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)設(shè)備或智能手機(jī) 3D 傳感面部識別。DFB 和 FP是邊緣發(fā)射器，通常是光纖耦合的。

圖4：業(yè)界常見的3類半導(dǎo)體激光管發(fā)射器。

a. FP（Fabry-Perot）法布里珀羅半導(dǎo)體激光管

FP激光器最常見、最普通的半導(dǎo)體激光器，是以FP腔為諧振腔，發(fā)出多縱模相干光的半導(dǎo)體發(fā)光器件。工藝非常成熟，應(yīng)用廣泛。但FP的光譜特性不好，存在多個(gè)邊模和色散的問題。所以，只能用于中低速率（1-2G以下速率），短距離的應(yīng)用（小于20公里）。

為了降低發(fā)射帶寬并提高半導(dǎo)體激光管的整體穩(wěn)定性，半導(dǎo)體激光管制造商通常在輸出光纖內(nèi)添加光纖布拉格光柵。布拉格光柵在一個(gè)非常精確的波長上為半導(dǎo)體激光管增加了百分之幾的反射率。這會(huì)讓半導(dǎo)體激光管的發(fā)射帶寬整體減小。在沒有布拉格光柵的情況下發(fā)射帶寬通常為3-5nm，而在有布拉格光柵的情況下要窄得多（<0.1nm）。在沒有布拉格光柵的情況下波長光譜溫度調(diào)諧系數(shù)通常為 0.35 nm/°C，而在有布拉格光柵的情況下該值要小得多。

圖5：在光纖內(nèi)添加布拉格光柵原理

b. DFB（Distributed Feedback）分布式反饋激光器激光管

DBR（Distributed Bragg Reflector）分布式布拉格反射**激光器

DFB/DBR半導(dǎo)體激光管器件將布拉格光柵波長穩(wěn)定部分直接集成到半導(dǎo)體激光管內(nèi)部的增益介質(zhì)中，在諧振腔內(nèi)即形成選模結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)完全單模工作。這為DFB提供了一個(gè)更窄的發(fā)射波長，通常為1MHz（即~10-5nm），而不是帶有布拉格光柵的法布里-佩羅特的約0.1nm。所以光譜特性非常好，可以避免長度傳輸中色散的影響，廣泛用于長距離、高速率的應(yīng)用場合。波長光譜溫度調(diào)諧系數(shù)通常為 0.06 nm/°C。

圖 6：DFB 和 DBR 半導(dǎo)體激光管原理

FP激光管與DFB激光管性能比較

2. 多模光纖耦合激光二極管

2.1 4個(gè)多模光纖耦合半導(dǎo)體激光管系列，多模光纖耦合半導(dǎo)體激光管基于廣域的一側(cè)，它發(fā)射的半導(dǎo)體激光管芯片最初是由半導(dǎo)體晶圓設(shè)計(jì)和制造的。多模光纖耦合半導(dǎo)體激光管有 4 種類型：

單發(fā)射器：當(dāng)半導(dǎo)體激光管芯片被隔離時(shí)，組裝在子底座上，并單獨(dú)封裝在半導(dǎo)體激光管模塊中。我們在這里討論的是 15W 的功率耦合到一個(gè) 105（纖芯）/125μm（包層）半導(dǎo)體激光管中。

圖 7：單元件半導(dǎo)體激光管

多發(fā)射器：當(dāng)多個(gè)發(fā)射器分離并與多模光纖中的其他隔離發(fā)射器光耦合在一起時(shí)。因此，輸出功率水平可擴(kuò)展到數(shù)百瓦，并且光纖的尺寸可以保持較小，如 100 或 200 μm 纖芯。

圖 8：多 (3) 元件半導(dǎo)體激光管

單巴條：當(dāng)多個(gè)發(fā)射器作為一個(gè)單巴條并組裝在一個(gè)半導(dǎo)體激光管模塊中。我們在這里討論的是約 50 W 的功率耦合到 200 μm（纖芯）/240 μm（包層）半導(dǎo)體激光管中。

多巴條：當(dāng)多個(gè)巴條組裝在一個(gè)大型水冷封裝中并耦合在大直徑多模光纖中時(shí)。我們在這里討論的是耦合到例如 600 或 800 μm 纖芯多模光纖中的 100 W甚至 KW。

2.2 值得注意的是，當(dāng)考慮到各種系列時(shí)，典型的電壓和電流水平如何變化：

典型的單一發(fā)射器的電壓電平為1.5V，電流為15A。

對于多發(fā)射器半導(dǎo)體激光管，發(fā)射器是串聯(lián)組裝的。這意味著電流水平不會(huì)改變（通常最大 15 A），但是電壓會(huì)隨著發(fā)射器數(shù)量增加而增加。（例如， 4.5V/15A的60 W半導(dǎo)體激光管）

一個(gè)半導(dǎo)體激光管巴條將所有發(fā)射器并聯(lián)組裝在一起。因此，電壓水平不變，但電流水平可以輕松達(dá)到 45 或 50 A。

同樣，當(dāng)將多個(gè)巴條組裝在一起時(shí)，它們是串聯(lián)組裝的，因此電流水平（例如 45 A）不會(huì)改變，但電壓會(huì)隨著巴條數(shù)的增加而有規(guī)律地增加。

審核編輯：湯梓紅