光纤耦合激光二极管基础知识

I 简介

  如今，激光二极管无处不在。它们是将电能转换成激光功率的的元件。激光二极管基于几种半导体材料(GaAs, InP或其他更复杂的结构，如GaN)。单模激光二极管是低功率激光二极管(通常小于1W)。而多模激光二极管是更高功率的器件(通常>10W到几kW)。

II 激光二极管耦合用光纤

有两种常用光纤被用作激光二极管的耦合传输。

◆单模光纤的纤芯通常为几微米(例如，在波长为1微米时约为6微米，在波长为1.5微米时约为9微米)。

◆多模光纤是直径更大的光纤，可以处理更高水平的光功率。标准版本通常有62,100,200,400,800，甚至> 1000 μ m芯直径。例如，直径越小，用透镜或显微镜物镜就越容易将来自光纤的光聚焦到一个焦点上。

保偏光纤:单模激光二极管可以是标准(SMF)或保偏(PM)。在后者中，光纤具有特殊的包层结构，可以保持光沿光纤长度的偏振。

  下表显示了康宁公司提供的各种型号的单模PM光纤的特性。可以看到，随着波长的减小，光纤直径变得非常小。该表中值得注意的一个有趣的数据点是截止波长。单模光纤在其截止波长和该截止波长的1.5倍之间的波长范围内工作良好。在这个范围以下，光纤变成多模，在这个范围以上，当光纤弯曲时，光很容易溢出光纤。

III单模光纤耦合激光二极管

  这种类型的激光二极管通常组装在一个称为“蝴蝶”的封装中，TEC冷却器和热敏电阻集成到封装中(当今的趋势是朝着更小的形状因素发展)。单模光纤耦合激光二极管的输出功率一般可以达到几百毫瓦，可达1.5瓦。

请注意，蝶型封装光纤耦合激光二极管是一个复杂的器件，具有许多不同的引脚配置和几种类型的接地配置(浮动，阳极接地等)。在给定的驱动程序上组装一个蝶形封装激光二极管需要针脚匹配。

市场上还有其他几种封装形式。例如，电信市场上经常遇到的以下DIL封装或同轴封装，通常功率<10mW:

今天，低功耗电信或激光雷达市场的激光二极管制造商的趋势是开发具有非常小的外形尺寸的新型同轴封装，但仍然包括TEC，热敏电阻和BFM:

下图显示了市场上常见的3个激光二极管家族。VCSEL激光二极管一般不是光纤耦合的。它们是在计算机鼠标设备或智能手机3D传感面部识别等大型传感应用中看到的激光二极管类型。

DFB和Fabry-Perrot边缘发射器通常是光纤耦合的，描述如下:

a)带或不带布拉格光栅的法布里·珀罗激光二极管

“标准”光纤耦合激光二极管是一种常见的部分反射半导体腔，其中后面具有高反射涂层，前面具有部分反射涂层。典型的激光二极管芯片尺寸为~1*0.5*0.2mm。

主要典型特征如下:

•单模功率范围可以达到>1.5 W(多模版本功率更改，见下文)

•带宽通常很宽(>1nm)

•输出光束是强椭圆的。

为了降低发射带宽，提高激光二极管的整体稳定性，激光二极管制造商经常在输出光纤内增加光纤布拉格光栅。

布拉格光栅使激光二极管在一个非常精确的波长上增加几个百分点的反射率。这允许激光二极管发射带宽的整体减少。无Bragg光栅时的发射带宽一般为3 ~ 5 nm，而有Bragg光栅时的发射带宽要窄得多(~< 0.1nm)。无Bragg光栅时的波长光谱温度调谐系数为0.35 nm/°C，而有Bragg光栅时的波长光谱温度调谐系数要小得多。

915/976/1064纳米单模泵浦激光二极管的主要供应商是在90年代末开发用于电信市场的光纤放大器(edfa:掺铒光纤放大器)的公司。由于它们的高产量，它们提供了高水平的可靠性和适度的成本。

b) DBR或DFB激光二极管

DFB或DBR激光二极管器件将布拉格光栅波长稳定部分直接集成到激光二极管芯片部分上。这为DFB提供了一个更窄的发射波长，通常为1 MHz(即~10-5nm)，而带布拉格光栅的法布里-珀罗的激光二极管带宽为~0.1 nm。

c)脉冲特性/增益开关

调制来自光纤耦合激光二极管的光的一个简单解决方案是使用脉冲控制电子电流驱动器应用直接调制。下面是一个3纳秒脉冲宽度的例子。在脉冲开始时可以看到增益开关的峰值。这是激光二极管内载流子的弛豫。如果想要隔离增益开关峰值脉冲并获得~ 100皮秒脉冲，则增益开关峰值是有用的。但增益开关峰值通常是一个不希望的属性(见下文)。

世界上仅有少数几家公司专门生产商用激光二极管脉冲驱动器。然而，短脉冲宽度下的脉冲形状、上升/下降时间和抖动水平可能因制造商而异。此外，还有许多关键特性和附加功能因制造商而异。易用性也需要考虑。

带宽限制是“驱动侧”电子器件的速度和激光二极管的电感的结果。在许多供应商的开/关开关模式下，达到每安培5纳秒的上升/下降时间是可能的。然而，结合模块化，易用性和高性能水平是开发脉冲驱动器时最困难的部分。

法国AeroDIODE公司提供几种开/关激光二极管开关驱动模型，开关速度从3 nsec/A到小于0.5 nsec/A。

另一种用于直接激光二极管调制的高性能产品被称为“脉冲整形器”。它包括一个内部AWG(任意波形发生器)，可以塑造48 dB振幅分辨率和500皮秒定时分辨率的激光二极管输出。

该脉冲整形器模块允许用户使用高带宽AWG编程定制形状，并生成所需的定制光脉冲形状。如下图所示，该模块还有一个特殊的内部功能，允许用户减轻增益开关峰值:

d)光谱性质

在考虑脉冲激光二极管发射光谱的演变时，用户应该了解两种不希望出现的光谱效应:

个与激光二极管“锁定”到布拉格锁定元件所需的时间有关。这种锁定对于DFB是立即的，但对于基于布拉格光栅的激光二极管通常需要100纳秒以上。换句话说，当脉冲光栅稳定激光二极管时，个纳秒产生宽发射光谱，就好像没有布拉格光栅一样。一些供应商提供了一种称为“靠近芯片的布拉格”的中间解决方案，只需几纳秒即可锁定。

另一个不可避免的影响来自频率/相位频谱和强度分布的耦合。更具体地说，发射光谱可以随着脉冲长度的变化而变化，这有时会成为一个问题。外部调制(例如SOA)提供了一种智能解决方案来避免这种影响。请参阅我们的教程:高速光纤调制基础知识，详细比较四种常用的外部调制激光技术。

下面的表1提供了这些光谱演化效应的对比-无论是温度还是电流影响都取决于激光二极管技术类型(DFB激光二极管或法布里佩罗激光二极管):

因此，法布里-珀罗发射芯片的光谱演变通常为0.35 nm/°C和5 nm/A。

注意，当布拉格光栅自身的窄峰波长组成在芯片峰值发射波长±5 nm的波长范围内时，布拉格光栅锁定具有良好的光谱稳定性。

有趣的是，在脉冲状态下驱动的法布里-珀罗激光二极管的光谱特性在0毫秒内呈现出演变。下图显示了这种带宽的一些测量曲线。

因此，DFB激光二极管的光谱带宽在连续波状态下比法布里-珀罗激光器窄得多，即使有布拉格光栅。

DFBs的发射波长随温度和电流水平的变化也有一定的变化。这些比Fabry Perrot技术少得多，并在下面进行比较。

当考虑短脉冲时，观察发射带宽的演变也很有趣。我们可以注意到，只有当电流水平低于200 mA时，考虑短脉冲时，发射带宽才会保持狭窄(这里观察到0.2 A脉冲的OSA最小分辨率为0.04 nm)。然而，当考虑更高的峰值电流时，我们开始观察到显著的带宽演变。

e)驱动单模激光二极管

在连续波或脉冲状态下驱动单模激光二极管是一项困难的任务，需要专门的产品。这里有三个激光二极管驱动器，专门为研发和全光子系统集成而设计。所有这些驱动器包括一个TEC控制部分，允许用户调整激光二极管的温度。

CCS来自AeroDIODE是一个脉冲和连续波激光二极管驱动器与TEC控制。这种脉冲激光二极管驱动器提供精确的脉冲，这些脉冲由板载脉冲发生器内部产生，或从外部TTL信号按需产生。它与大多数可用的单模激光二极管形式因素兼容。蝶形激光二极管很容易在连续波或脉冲状态下驱动，在任何频率和任何占空比高达250 MHz重复率。

AeroDIODE的板具有一个针对低噪声连续波驱动优化的激光二极管通道，以及一个针对连续波和纳秒短脉冲优化的通道。它还包含许多光纤激光器的相关功能，如多个光电二极管输入。板可以作为光纤激光器的“控制中心”。板具有50多种高科技功能，可优化构建和集成光纤激光器。请参阅本产品页面:光纤激光二极管驱动器。

Shaper板是AeroDIODE提供的另一种驱动器，可以解决上述部分详细介绍的许多问题:它可以预补偿脉冲形状，并具有特殊的GainSwitch抑制功能。Shaper板可以调整到非常短的脉冲宽度，因为它的内部AWG(任意波形发生器)在48 dB动态范围内每500 ps产生一个点。它还包含3个脉冲延迟发生器输出。

IV 多模光纤耦合激光二极管

a) 3个系列的多模光纤耦合激光二极管

多模光纤耦合激光二极管通常是基于边发射激光二极管芯片。

单管激光二极管:基于单点发射二极管，封装耦合进多模光纤，功率可以达到15W，光纤一般用105um(核心)/125µm(包层).

多单管光纤耦合：输出功率可以达到数百瓦，光纤采用100um或者200um

单巴激光二极管：基于单个巴条的光纤耦合，功率一般为几十瓦，光纤采用200um或者400um光纤。

多巴条耦合：基于多巴条组成的叠阵进行光纤耦合，功率达到数百瓦或上千瓦，光纤采用600um或者800um光纤

有趣的是，在考虑各种系列时，注意到典型的电压和电流水平是如何变化的:

典型的单发射极的典型电压电平为~1.5 V，电流为~15 A。

对于多发射极激光二极管，发射极是串联组装的。这意味着电流水平不会改变(通常15 A)，但当考虑越来越多的发射器时，电压会增加。(例如，一个60瓦的激光二极管，4.5V/15A)

•激光二极管并联组装所有的发射器。所以，电压的水平不会改变，但电流的水平可以很容易地达到45或50 A。

•同样，当将几个激光二极管巴条组装在一起时，这些是串联组装的，因此电流水平(例如45a)不会改变，但电压会随着棒数的增加而有规律地增加。

b) 光纤耦合结构

图19显示了单元件和多元件激光二极管的一些构造示例。可以看到，将几个激光二极管元件分离并将它们的激光组合成一根光纤，可以增加光纤处的功率/表面。另一方面，激光二极管巴条是强烈不对称的，使得在圆形光纤中注入光变得更加困难。这使得激光巴条技术的最小光纤直径通常大于多元件技术。

c) 光谱性质

请注意，许多应用，如在976 nm泵送稀土离子(如Yb3+)，需要稳定的窄激光二极管发射光谱。这种波长稳定性需要控制激光二极管的温度，并且通常需要激光二极管包括一个额外的波长稳定元件。该元件通常是用于多模激光二极管的VBG(体积布拉格光栅)。

d) 多模激光二极管驱动技术

驱动多模激光二极管是一项艰巨的任务，需要专门的产品。特别是当考虑输出功率大于10W的激光二极管时，热冷却成为一个真正的课题。这是一个专门为光纤激光器驱动而设计的激光器驱动器，它既兼容研发，又兼容全光纤激光器产品集成。

AeroDIODE公司开发的CCM高功率激光二极管驱动器用于驱动一个或多个多模泵浦激光二极管(单元素或多元素设备)。它提供了一个TE-Cooler，可以调节激光二极管的温度。它是一种风冷式器件，兼容光功率高达200w的激光二极管。

   法国Aerodiode公司为半导体光源提供解决方案，产品包括蝶形封装单模激光二极管（Fabry-Perrot/FBG，DFB）, 光纤耦合多模激光二极管（VBG），SLED，SOA等各种半导体光源，以及低噪声连续和窄脉冲驱动器，光纤耦合声光调制器，脉冲时序控制模块等。

  北京海科思锐光电仪器有限公司是AeroDIODE在中国正式代理商，全面负责其所有激光器的市场推广、产品销售、售后服务。目前已经在国内成功销售、安装多台AeroDIODE激光器，受到多位用户的好评。欢迎来电

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