光纖耦合激光二極管基礎知識

I 簡介

  如今，激光二極管無處不在。它們是將電能轉換成激光功率的的元件。激光二極管基于幾種半導體材料(GaAs, InP或其他更復雜的結構，如GaN)。單模激光二極管是低功率激光二極管(通常小于1W)。而多模激光二極管是更高功率的器件(通常>10W到幾kW)。

II 激光二極管耦合用光纖

有兩種常用光纖被用作激光二極管的耦合傳輸。

◆單模光纖的纖芯通常為幾微米(例如，在波長為1微米時約為6微米，在波長為1.5微米時約為9微米)。

◆多模光纖是直徑更大的光纖，可以處理更高水平的光功率。標準版本通常有62,100,200,400,800，甚至> 1000 μ m芯直徑。例如，直徑越小，用透鏡或顯微鏡物鏡就越容易將來自光纖的光聚焦到一個焦點上。

保偏光纖:單模激光二極管可以是標準(SMF)或保偏(PM)。在后者中，光纖具有特殊的包層結構，可以保持光沿光纖長度的偏振。

  下表顯示了康寧公司提供的各種型號的單模PM光纖的特性。可以看到，隨著波長的減小，光纖直徑變得非常小。該表中值得注意的一個有趣的數據點是截止波長。單模光纖在其截止波長和該截止波長的1.5倍之間的波長范圍內工作良好。在這個范圍以下，光纖變成多模，在這個范圍以上，當光纖彎曲時，光很容易溢出光纖。

III單模光纖耦合激光二極管

  這種類型的激光二極管通常組裝在一個稱為“蝴蝶”的封裝中，TEC冷卻器和熱敏電阻集成到封裝中(當今的趨勢是朝著更小的形狀因素發展)。單模光纖耦合激光二極管的輸出功率一般可以達到幾百毫瓦，可達1.5瓦。

請注意，蝶型封裝光纖耦合激光二極管是一個復雜的器件，具有許多不同的引腳配置和幾種類型的接地配置(浮動，陽極接地等)。在給定的驅動程序上組裝一個蝶形封裝激光二極管需要針腳匹配。

市場上還有其他幾種封裝形式。例如，電信市場上經常遇到的以下DIL封裝或同軸封裝，通常功率<10mW:

今天，低功耗電信或激光雷達市場的激光二極管制造商的趨勢是開發具有非常小的外形尺寸的新型同軸封裝，但仍然包括TEC，熱敏電阻和BFM:

下圖顯示了市場上常見的3個激光二極管家族。VCSEL激光二極管一般不是光纖耦合的。它們是在計算機鼠標設備或智能手機3D傳感面部識別等大型傳感應用中看到的激光二極管類型。

DFB和Fabry-Perrot邊緣發射器通常是光纖耦合的，描述如下:

a)帶或不帶布拉格光柵的法布里·珀羅激光二極管

“標準”光纖耦合激光二極管是一種常見的部分反射半導體腔，其中后面具有高反射涂層，前面具有部分反射涂層。典型的激光二極管芯片尺寸為~1*0.5*0.2mm。

主要典型特征如下:

?單模功率范圍可以達到>1.5 W(多模版本功率更改，見下文)

?帶寬通常很寬(>1nm)

?輸出光束是強橢圓的。

為了降低發射帶寬，提高激光二極管的整體穩定性，激光二極管制造商經常在輸出光纖內增加光纖布拉格光柵。

布拉格光柵使激光二極管在一個非常精確的波長上增加幾個百分點的反射率。這允許激光二極管發射帶寬的整體減少。無Bragg光柵時的發射帶寬一般為3 ~ 5 nm，而有Bragg光柵時的發射帶寬要窄得多(~< 0.1nm)。無Bragg光柵時的波長光譜溫度調諧系數為0.35 nm/°C，而有Bragg光柵時的波長光譜溫度調諧系數要小得多。

915/976/1064納米單模泵浦激光二極管的主要供應商是在90年代末開發用于電信市場的光纖放大器(edfa:摻鉺光纖放大器)的公司。由于它們的高產量，它們提供了高水平的可靠性和適度的成本。

b) DBR或DFB激光二極管

DFB或DBR激光二極管器件將布拉格光柵波長穩定部分直接集成到激光二極管芯片部分上。這為DFB提供了一個更窄的發射波長，通常為1 MHz(即~10-5nm)，而帶布拉格光柵的法布里-珀羅的激光二極管帶寬為~0.1 nm。

c)脈沖特性/增益開關

調制來自光纖耦合激光二極管的光的一個簡單解決方案是使用脈沖控制電子電流驅動器應用直接調制。下面是一個3納秒脈沖寬度的例子。在脈沖開始時可以看到增益開關的峰值。這是激光二極管內載流子的弛豫。如果想要隔離增益開關峰值脈沖并獲得~ 100皮秒脈沖，則增益開關峰值是有用的。但增益開關峰值通常是一個不希望的屬性(見下文)。

世界上僅有少數幾家公司專門生產商用激光二極管脈沖驅動器。然而，短脈沖寬度下的脈沖形狀、上升/下降時間和抖動水平可能因制造商而異。此外，還有許多關鍵特性和附加功能因制造商而異。易用性也需要考慮。

帶寬限制是“驅動側”電子器件的速度和激光二極管的電感的結果。在許多供應商的開/關開關模式下，達到每安培5納秒的上升/下降時間是可能的。然而，結合模塊化，易用性和高性能水平是開發脈沖驅動器時最困難的部分。

法國AeroDIODE公司提供幾種開/關激光二極管開關驅動模型，開關速度從3 nsec/A到小于0.5 nsec/A。

另一種用于直接激光二極管調制的高性能產品被稱為“脈沖整形器”。它包括一個內部AWG(任意波形發生器)，可以塑造48 dB振幅分辨率和500皮秒定時分辨率的激光二極管輸出。

該脈沖整形器模塊允許用戶使用高帶寬AWG編程定制形狀，并生成所需的定制光脈沖形狀。如下圖所示，該模塊還有一個特殊的內部功能，允許用戶減輕增益開關峰值:

d)光譜性質

在考慮脈沖激光二極管發射光譜的演變時，用戶應該了解兩種不希望出現的光譜效應:

個與激光二極管“鎖定”到布拉格鎖定元件所需的時間有關。這種鎖定對于DFB是立即的，但對于基于布拉格光柵的激光二極管通常需要100納秒以上。換句話說，當脈沖光柵穩定激光二極管時，個納秒產生寬發射光譜，就好像沒有布拉格光柵一樣。一些供應商提供了一種稱為“靠近芯片的布拉格”的中間解決方案，只需幾納秒即可鎖定。

另一個不可避免的影響來自頻率/相位頻譜和強度分布的耦合。更具體地說，發射光譜可以隨著脈沖長度的變化而變化，這有時會成為一個問題。外部調制(例如SOA)提供了一種智能解決方案來避免這種影響。請參閱我們的教程:高速光纖調制基礎知識，詳細比較四種常用的外部調制激光技術。

下面的表1提供了這些光譜演化效應的對比-無論是溫度還是電流影響都取決于激光二極管技術類型(DFB激光二極管或法布里佩羅激光二極管):

因此，法布里-珀羅發射芯片的光譜演變通常為0.35 nm/°C和5 nm/A。

注意，當布拉格光柵自身的窄峰波長組成在芯片峰值發射波長±5 nm的波長范圍內時，布拉格光柵鎖定具有良好的光譜穩定性。

有趣的是，在脈沖狀態下驅動的法布里-珀羅激光二極管的光譜特性在0毫秒內呈現出演變。下圖顯示了這種帶寬的一些測量曲線。

因此，DFB激光二極管的光譜帶寬在連續波狀態下比法布里-珀羅激光器窄得多，即使有布拉格光柵。

DFBs的發射波長隨溫度和電流水平的變化也有一定的變化。這些比Fabry Perrot技術少得多，并在下面進行比較。

當考慮短脈沖時，觀察發射帶寬的演變也很有趣。我們可以注意到，只有當電流水平低于200 mA時，考慮短脈沖時，發射帶寬才會保持狹窄(這里觀察到0.2 A脈沖的OSA最小分辨率為0.04 nm)。然而，當考慮更高的峰值電流時，我們開始觀察到顯著的帶寬演變。

e)驅動單模激光二極管

在連續波或脈沖狀態下驅動單模激光二極管是一項困難的任務，需要專門的產品。這里有三個激光二極管驅動器，專門為研發和全光子系統集成而設計。所有這些驅動器包括一個TEC控制部分，允許用戶調整激光二極管的溫度。

CCS來自AeroDIODE是一個脈沖和連續波激光二極管驅動器與TEC控制。這種脈沖激光二極管驅動器提供精確的脈沖，這些脈沖由板載脈沖發生器內部產生，或從外部TTL信號按需產生。它與大多數可用的單模激光二極管形式因素兼容。蝶形激光二極管很容易在連續波或脈沖狀態下驅動，在任何頻率和任何占空比高達250 MHz重復率。

AeroDIODE的板具有一個針對低噪聲連續波驅動優化的激光二極管通道，以及一個針對連續波和納秒短脈沖優化的通道。它還包含許多光纖激光器的相關功能，如多個光電二極管輸入。板可以作為光纖激光器的“控制中心”。板具有50多種高科技功能，可優化構建和集成光纖激光器。請參閱本產品頁面:光纖激光二極管驅動器。

Shaper板是AeroDIODE提供的另一種驅動器，可以解決上述部分詳細介紹的許多問題:它可以預補償脈沖形狀，并具有特殊的GainSwitch抑制功能。Shaper板可以調整到非常短的脈沖寬度，因為它的內部AWG(任意波形發生器)在48 dB動態范圍內每500 ps產生一個點。它還包含3個脈沖延遲發生器輸出。

IV 多模光纖耦合激光二極管

a) 3個系列的多模光纖耦合激光二極管

多模光纖耦合激光二極管通常是基于邊發射激光二極管芯片。

單管激光二極管:基于單點發射二極管，封裝耦合進多模光纖，功率可以達到15W，光纖一般用105um(核心)/125µm(包層).

多單管光纖耦合：輸出功率可以達到數百瓦，光纖采用100um或者200um

單巴激光二極管：基于單個巴條的光纖耦合，功率一般為幾十瓦，光纖采用200um或者400um光纖。

多巴條耦合：基于多巴條組成的疊陣進行光纖耦合，功率達到數百瓦或上千瓦，光纖采用600um或者800um光纖

有趣的是，在考慮各種系列時，注意到典型的電壓和電流水平是如何變化的:

典型的單發射極的典型電壓電平為~1.5 V，電流為~15 A。

對于多發射極激光二極管，發射極是串聯組裝的。這意味著電流水平不會改變(通常15 A)，但當考慮越來越多的發射器時，電壓會增加。(例如，一個60瓦的激光二極管，4.5V/15A)

?激光二極管并聯組裝所有的發射器。所以，電壓的水平不會改變，但電流的水平可以很容易地達到45或50 A。

?同樣，當將幾個激光二極管巴條組裝在一起時，這些是串聯組裝的，因此電流水平(例如45a)不會改變，但電壓會隨著棒數的增加而有規律地增加。

b) 光纖耦合結構

圖19顯示了單元件和多元件激光二極管的一些構造示例。可以看到，將幾個激光二極管元件分離并將它們的激光組合成一根光纖，可以增加光纖處的功率/表面。另一方面，激光二極管巴條是強烈不對稱的，使得在圓形光纖中注入光變得更加困難。這使得激光巴條技術的最小光纖直徑通常大于多元件技術。

c) 光譜性質

請注意，許多應用，如在976 nm泵送稀土離子(如Yb3+)，需要穩定的窄激光二極管發射光譜。這種波長穩定性需要控制激光二極管的溫度，并且通常需要激光二極管包括一個額外的波長穩定元件。該元件通常是用于多模激光二極管的VBG(體積布拉格光柵)。

d) 多模激光二極管驅動技術

驅動多模激光二極管是一項艱巨的任務，需要專門的產品。特別是當考慮輸出功率大于10W的激光二極管時，熱冷卻成為一個真正的課題。這是一個專門為光纖激光器驅動而設計的激光器驅動器，它既兼容研發，又兼容全光纖激光器產品集成。

AeroDIODE公司開發的CCM高功率激光二極管驅動器用于驅動一個或多個多模泵浦激光二極管(單元素或多元素設備)。它提供了一個TE-Cooler，可以調節激光二極管的溫度。它是一種風冷式器件，兼容光功率高達200w的激光二極管。

   法國Aerodiode公司為半導體光源提供解決方案，產品包括蝶形封裝單模激光二極管（Fabry-Perrot/FBG，DFB）, 光纖耦合多模激光二極管（VBG），SLED，SOA等各種半導體光源，以及低噪聲連續和窄脈沖驅動器，光纖耦合聲光調制器，脈沖時序控制模塊等。

  北京海科思銳光電儀器有限公司是AeroDIODE在中國正式代理商，全面負責其所有激光器的市場推廣、產品銷售、售后服務。目前已經在國內成功銷售、安裝多臺AeroDIODE激光器，受到多位用戶的好評。歡迎來電

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