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光纖耦合激光二極管基礎(chǔ)知識(shí)

I 簡(jiǎn)介

  如今，激光二極管無(wú)處不在。它們是將電能轉(zhuǎn)換成激光功率的的元件。激光二極管基于幾種半導(dǎo)體材料(GaAs, InP或其他更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，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(zhǎng)為1微米時(shí)約為6微米，在波長(zhǎng)為1.5微米時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(lái)自光纖的光聚焦到一個(gè)焦點(diǎn)上。

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

  下表顯示了康寧公司提供的各種型號(hào)的單模PM光纖的特性?？梢钥吹剑S著波長(zhǎng)的減小，光纖直徑變得非常小。該表中值得注意的一個(gè)有趣的數(shù)據(jù)點(diǎn)是截止波長(zhǎng)。單模光纖在其截止波長(zhǎng)和該截止波長(zhǎng)的1.5倍之間的波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作良好。在這個(gè)范圍以下，光纖變成多模，在這個(gè)范圍以上，當(dāng)光纖彎曲時(shí)，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(gè)稱為“蝴蝶”的封裝中，TEC冷卻器和熱敏電阻集成到封裝中(當(dāng)今的趨勢(shì)是朝著更小的形狀因素發(fā)展)。單模光纖耦合激光二極管的輸出功率一般可以達(dá)到幾百毫瓦，可達(dá)1.5瓦。

請(qǐng)注意，蝶型封裝光纖耦合激光二極管是一個(gè)復(fù)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(dòng)，陽(yáng)極接地等)。在給定的驅(qū)動(dòng)程序上組裝一個(gè)蝶形封裝激光二極管需要針腳匹配。

市場(chǎng)上還有其他幾種封裝形式。例如，電信市場(chǎng)上經(jīng)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(dá)市場(chǎng)的激光二極管制造商的趨勢(shì)是開(kāi)發(fā)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(chǎng)上常見(jiàn)的3個(gè)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(jì)算機(jī)鼠標(biāo)設(shè)備或智能手機(jī)3D傳感面部識(shí)別等大型傳感應(yīng)用中看到的激光二極管類型。

DFB和Fabry-Perrot邊緣發(fā)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(biāo)準(zhǔn)”光纖耦合激光二極管是一種常見(jiàn)的部分反射半導(dǎo)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(dá)到>1.5 W(多模版本功率更改，見(jiàn)下文)

?帶寬通常很寬(>1nm)

?輸出光束是強(qiáng)橢圓的。

為了降低發(fā)射帶寬，提高激光二極管的整體穩(wěn)定性，激光二極管制造商經(jīng)常在輸出光纖內(nèi)增加光纖布拉格光柵。

布拉格光柵使激光二極管在一個(gè)非常精確的波長(zhǎng)上增加幾個(gè)百分點(diǎn)的反射率。這允許激光二極管發(fā)射帶寬的整體減少。無(wú)Bragg光柵時(shí)的發(fā)射帶寬一般為3 ~ 5 nm，而有Bragg光柵時(shí)的發(fā)射帶寬要窄得多(~< 0.1nm)。無(wú)Bragg光柵時(shí)的波長(zhǎng)光譜溫度調(diào)諧系數(shù)為0.35 nm/°C，而有Bragg光柵時(shí)的波長(zhǎng)光譜溫度調(diào)諧系數(shù)要小得多。

915/976/1064納米單模泵浦激光二極管的主要供應(yīng)商是在90年代末開(kāi)發(fā)用于電信市場(chǎng)的光纖放大器(edfa:摻鉺光纖放大器)的公司。由于它們的高產(chǎn)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(zhǎng)穩(wěn)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(gè)更窄的發(fā)射波長(zhǎng)，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(kāi)關(guān)

調(diào)制來(lái)自光纖耦合激光二極管的光的一個(gè)簡(jiǎn)單解決方案是使用脈沖控制電子電流驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用直接調(diào)制。下面是一個(gè)3納秒脈沖寬度的例子。在脈沖開(kāi)始時(shí)可以看到增益開(kāi)關(guān)的峰值。這是激光二極管內(nèi)載流子的弛豫。如果想要隔離增益開(kāi)關(guān)峰值脈沖并獲得~ 100皮秒脈沖，則增益開(kāi)關(guān)峰值是有用的。但增益開(kāi)關(guān)峰值通常是一個(gè)不希望的屬性(見(jiàn)下文)。

世界上僅有少數(shù)幾家公司專門生產(chǎn)商用激光二極管脈沖驅(qū)動(dòng)器。然而，短脈沖寬度下的脈沖形狀、上升/下降時(shí)間和抖動(dòng)水平可能因制造商而異。此外，還有許多關(guān)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(qū)動(dòng)側(cè)”電子器件的速度和激光二極管的電感的結(jié)果。在許多供應(yīng)商的開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)模式下，達(dá)到每安培5納秒的上升/下降時(shí)間是可能的。然而，結(jié)合模塊化，易用性和高性能水平是開(kāi)發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)器時(shí)最困難的部分。

法國(guó)AeroDIODE公司提供幾種開(kāi)/關(guān)激光二極管開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模型，開(kāi)關(guān)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(diào)制的高性能產(chǎn)品被稱為“脈沖整形器”。它包括一個(gè)內(nèi)部AWG(任意波形發(fā)生器)，可以塑造48 dB振幅分辨率和500皮秒定時(shí)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(gè)特殊的內(nèi)部功能，允許用戶減輕增益開(kāi)關(guān)峰值:

d)光譜性質(zhì)

在考慮脈沖激光二極管發(fā)射光譜的演變時(shí)，用戶應(yīng)該了解兩種不希望出現(xiàn)的光譜效應(yīng):

個(gè)與激光二極管“鎖定”到布拉格鎖定元件所需的時(shí)間有關(guān)。這種鎖定對(duì)于DFB是立即的，但對(duì)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(shuō)，當(dāng)脈沖光柵穩(wěn)定激光二極管時(shí)，個(gè)納秒產(chǎn)生寬發(fā)射光譜，就好像沒(méi)有布拉格光柵一樣。一些供應(yīng)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(gè)不可避免的影響來(lái)自頻率/相位頻譜和強(qiáng)度分布的耦合。更具體地說(shuō)，發(fā)射光譜可以隨著脈沖長(zhǎng)度的變化而變化，這有時(shí)會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。外部調(diào)制(例如SOA)提供了一種智能解決方案來(lái)避免這種影響。請(qǐng)參閱我們的教程:高速光纖調(diào)制基礎(chǔ)知識(shí)，詳細(xì)比較四種常用的外部調(diào)制激光技術(shù)。

下面的表1提供了這些光譜演化效應(yīng)的對(duì)比-無(wú)論是溫度還是電流影響都取決于激光二極管技術(shù)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(fā)射芯片的光譜演變通常為0.35 nm/°C和5 nm/A。

注意，當(dāng)布拉格光柵自身的窄峰波長(zhǎng)組成在芯片峰值發(fā)射波長(zhǎng)±5 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)時(shí)，布拉格光柵鎖定具有良好的光譜穩(wěn)定性。

有趣的是，在脈沖狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)的法布里-珀羅激光二極管的光譜特性在0毫秒內(nèi)呈現(xiàn)出演變。下圖顯示了這種帶寬的一些測(cè)量曲線。

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

DFBs的發(fā)射波長(zhǎng)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(shù)少得多，并在下面進(jìn)行比較。

當(dāng)考慮短脈沖時(shí)，觀察發(fā)射帶寬的演變也很有趣。我們可以注意到，只有當(dāng)電流水平低于200 mA時(shí)，考慮短脈沖時(shí)，發(fā)射帶寬才會(huì)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(dāng)考慮更高的峰值電流時(shí)，我們開(kāi)始觀察到顯著的帶寬演變。

e)驅(qū)動(dòng)單模激光二極管

在連續(xù)波或脈沖狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)單模激光二極管是一項(xiàng)困難的任務(wù)，需要專門的產(chǎn)品。這里有三個(gè)激光二極管驅(qū)動(dòng)器，專門為研發(fā)和全光子系統(tǒng)集成而設(shè)計(jì)。所有這些驅(qū)動(dòng)器包括一個(gè)TEC控制部分，允許用戶調(diào)整激光二極管的溫度。

CCS來(lái)自AeroDIODE是一個(gè)脈沖和連續(xù)波激光二極管驅(qū)動(dòng)器與TEC控制。這種脈沖激光二極管驅(qū)動(dòng)器提供精確的脈沖，這些脈沖由板載脈沖發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生，或從外部TTL信號(hào)按需產(chǎn)生。它與大多數(shù)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(xù)波或脈沖狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)，在任何頻率和任何占空比高達(dá)250 MHz重復(fù)率。

AeroDIODE的板具有一個(gè)針對(duì)低噪聲連續(xù)波驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的激光二極管通道，以及一個(gè)針對(duì)連續(xù)波和納秒短脈沖優(yōu)化的通道。它還包含許多光纖激光器的相關(guān)功能，如多個(gè)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(yōu)化構(gòu)建和集成光纖激光器。請(qǐng)參閱本產(chǎn)品頁(yè)面:光纖激光二極管驅(qū)動(dòng)器。

Shaper板是AeroDIODE提供的另一種驅(qū)動(dòng)器，可以解決上述部分詳細(xì)介紹的許多問(wèn)題:它可以預(yù)補(bǔ)償脈沖形狀，并具有特殊的GainSwitch抑制功能。Shaper板可以調(diào)整到非常短的脈沖寬度，因?yàn)樗膬?nèi)部AWG(任意波形發(fā)生器)在48 dB動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)每500 ps產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)。它還包含3個(gè)脈沖延遲發(fā)生器輸出。

IV 多模光纖耦合激光二極管

a) 3個(gè)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(fā)射激光二極管芯片。

單管激光二極管:基于單點(diǎn)發(fā)射二極管，封裝耦合進(jìn)多模光纖，功率可以達(dá)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(dá)到數(shù)百瓦，光纖采用100um或者200um

單巴激光二極管：基于單個(gè)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(jìn)行光纖耦合，功率達(dá)到數(shù)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(shí)，注意到典型的電壓和電流水平是如何變化的:

典型的單發(fā)射極的典型電壓電平為~1.5 V，電流為~15 A。

對(duì)于多發(fā)射極激光二極管，發(fā)射極是串聯(lián)組裝的。這意味著電流水平不會(huì)改變(通常15 A)，但當(dāng)考慮越來(lái)越多的發(fā)射器時(shí)，電壓會(huì)增加。(例如，一個(gè)60瓦的激光二極管，4.5V/15A)

?激光二極管并聯(lián)組裝所有的發(fā)射器。所以，電壓的水平不會(huì)改變，但電流的水平可以很容易地達(dá)到45或50 A。

?同樣，當(dāng)將幾個(gè)激光二極管巴條組裝在一起時(shí)，這些是串聯(lián)組裝的，因此電流水平(例如45a)不會(huì)改變，但電壓會(huì)隨著棒數(shù)的增加而有規(guī)律地增加。

b) 光纖耦合結(jié)構(gòu)

圖19顯示了單元件和多元件激光二極管的一些構(gòu)造示例。可以看到，將幾個(gè)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(qiáng)烈不對(duì)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(shù)的最小光纖直徑通常大于多元件技術(shù)。

c) 光譜性質(zhì)

請(qǐng)注意，許多應(yīng)用，如在976 nm泵送稀土離子(如Yb3+)，需要穩(wěn)定的窄激光二極管發(fā)射光譜。這種波長(zhǎng)穩(wěn)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(gè)額外的波長(zhǎng)穩(wěn)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(qū)動(dòng)技術(shù)

驅(qū)動(dòng)多模激光二極管是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，需要專門的產(chǎn)品。特別是當(dāng)考慮輸出功率大于10W的激光二極管時(shí)，熱冷卻成為一個(gè)真正的課題。這是一個(gè)專門為光纖激光器驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的激光器驅(qū)動(dòng)器，它既兼容研發(fā)，又兼容全光纖激光器產(chǎn)品集成。

AeroDIODE公司開(kāi)發(fā)的CCM高功率激光二極管驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)多模泵浦激光二極管(單元素或多元素設(shè)備)。它提供了一個(gè)TE-Cooler，可以調(diào)節(jié)激光二極管的溫度。它是一種風(fēng)冷式器件，兼容光功率高達(dá)200w的激光二極管。

   法國(guó)Aerodiode公司為半導(dǎo)體光源提供解決方案，產(chǎn)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(dǎo)體光源，以及低噪聲連續(xù)和窄脈沖驅(qū)動(dòng)器，光纖耦合聲光調(diào)制器，脈沖時(shí)序控制模塊等。

  北京?？扑间J光電儀器有限公司是AeroDIODE在中國(guó)正式代理商，全面負(fù)責(zé)其所有激光器的市場(chǎng)推廣、產(chǎn)品銷售、售后服務(wù)。目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)成功銷售、安裝多臺(tái)AeroDIODE激光器，受到多位用戶的好評(píng)。歡迎來(lái)電

  北京海科思銳作為一家專業(yè)的激光/光電產(chǎn)品代理公司，代理產(chǎn)品包括：各種激光器（半導(dǎo)體激光器，固體激光器，光纖激光器，氣體激光器等，連續(xù)，納秒，亞納秒，皮秒，飛秒，單頻，寬調(diào)諧激光器等），激光測(cè)試設(shè)備（激光功率計(jì)/能量計(jì)，光斑分析儀，M2儀，光譜儀，波長(zhǎng)計(jì)，紅外觀察儀，光電探測(cè)器，自相關(guān)儀，spider等），激光與光學(xué)元器件（激光鏡片，隔離器，光柵，濾波片，半導(dǎo)體激光電源，光纖器件），光譜儀器，光機(jī)械（光學(xué)隔震平臺(tái)，位移臺(tái)，調(diào)整架，光機(jī)組件等）。

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