光纤耦合半导体激光器的基础知识

激光二极管在今天随处可见。它们是将电能转换为激光功率的最简单的元素。激光二极管是基于几种半导体组装材料（砷化镓、InP或其他更复杂的结构，如氮化镓）。

单模激光二极管是低功率激光二极管（通常为<1W）；

多模激光二极管是功率高得多的器件（通常为>10 W至几千瓦）。

光纤类型：重要的是要知道两种类型的有源光纤，它们通常用于耦合从半导体激光管进来的光：

a.单模光纤的纤芯通常为几µm（例如，波长为1µm的纤芯约为6µm，而波长为1.5µm米的约为9µm，约6倍）。

b.多模光纤是直径较大的光纤，可以处理更高水平的光功率。标准版本纤芯直径通常为62、100、200、400、800，甚至到>1000µm。直径越小，就越容易用透镜或显微镜物镜将来自光纤的光线聚焦到一个小点上。

图 1：单模或多模光纤的原理。多模光纤的版本纤芯更大。

保偏光纤：单模半导体激光管可以是标准 (SMF) 的或保偏 (PM)版本。在保偏版本中，光纤具有特殊的包层结构，可以在整个光纤长度上保持光的偏振。所以保偏光纤一般是应用在对偏振态比较敏感的应用中，如干涉仪，或是激光器，或是用在光源与外调制器之间的连接中等等。

随着波长的减小，纤芯直径变得非常小。当考虑到其截止波长和该截止波长1.5倍之间的波长时，单模光纤运行良好。低于此范围，光纤会变成多模光纤，高于此范围，在弯曲光纤时，光很容易离开光纤。

1. 单模光纤耦合激光二极管

1.1 封装类型：该类型的半导体激光管常用的有两种封装，一种“蝶形”封装，封装中集成了一个 TEC温控冷却器和一个热敏电阻。单模光纤耦合半导体激光管通常能够达到几百mW到 1.5 W的输出功率。

这些半导体激光管模块包括一个TEC温控冷却器、一个热敏电阻和一个用于测量光功率水平的背面监视器 (BFM)。

一种为“同轴”封装，常用在不需要TEC控温的激光管，同轴封装也有带TEC的。

1.2 激光管类型：市场上常见的 3 类半导体激光管。VCSEL半导体激光管一般不进行光纤耦合。 它们是大型扩散传感应用中常见的半导体激光管类型，例如计算机鼠标设备或智能手机 3D 传感面部识别。DFB 和 FP是边缘发射器，通常是光纤耦合的。

图4：业界常见的3类半导体激光管发射器。

a. FP（Fabry-Perot）法布里珀罗半导体激光管

FP激光器最常见、最普通的半导体激光器，是以FP腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。工艺非常成熟，应用广泛。但FP的光谱特性不好，存在多个边模和色散的问题。所以，只能用于中低速率（1-2G以下速率），短距离的应用（小于20公里）。

为了降低发射带宽并提高半导体激光管的整体稳定性，半导体激光管制造商通常在输出光纤内添加光纤布拉格光栅。布拉格光栅在一个非常精确的波长上为半导体激光管增加了百分之几的反射率。这会让半导体激光管的发射带宽整体减小。在没有布拉格光栅的情况下发射带宽通常为3-5nm，而在有布拉格光栅的情况下要窄得多（<0.1nm）。在没有布拉格光栅的情况下波长光谱温度调谐系数通常为 0.35 nm/°C，而在有布拉格光栅的情况下该值要小得多。

图5：在光纤内添加布拉格光栅原理

b. DFB（Distributed Feedback）分布式反馈激光器激光管

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

DFB/DBR半导体激光管器件将布拉格光栅波长稳定部分直接集成到半导体激光管内部的增益介质中，在谐振腔内即形成选模结构，可以实现完全单模工作。这为DFB提供了一个更窄的发射波长，通常为1MHz（即~10-5nm），而不是带有布拉格光栅的法布里-佩罗特的约0.1nm。所以光谱特性非常好，可以避免长度传输中色散的影响，广泛用于长距离、高速率的应用场合。波长光谱温度调谐系数通常为 0.06 nm/°C。

图 6：DFB 和 DBR 半导体激光管原理

线宽	>1nm	<0.04nm
温漂系数	0.35 nm/°C	0.06 nm/°C
优缺点比较	FP激光管	DFB激光管

FP激光管与DFB激光管性能比较

2. 多模光纤耦合激光二极管

2.1 4个多模光纤耦合半导体激光管系列，多模光纤耦合半导体激光管基于广域的一侧，它发射的半导体激光管芯片最初是由半导体晶圆设计和制造的。多模光纤耦合半导体激光管有 4 种类型：

单发射器：当半导体激光管芯片被隔离时，组装在子底座上，并单独封装在半导体激光管模块中。我们在这里讨论的是 15W 的功率耦合到一个 105（纤芯）/125µm（包层）半导体激光管中。

图 7：单元件半导体激光管

多发射器：当多个发射器分离并与多模光纤中的其他隔离发射器光耦合在一起时。因此，输出功率水平可扩展到数百瓦，并且光纤的尺寸可以保持较小，如 100 或 200 µm 纤芯。

图 8：多 (3) 元件半导体激光管

单巴条：当多个发射器作为一个单巴条并组装在一个半导体激光管模块中。我们在这里讨论的是约 50 W 的功率耦合到 200 µm（纤芯）/240 µm（包层）半导体激光管中。

多巴条：当多个巴条组装在一个大型水冷封装中并耦合在大直径多模光纤中时。我们在这里讨论的是耦合到例如 600 或 800 µm 纤芯多模光纤中的 100 W甚至 KW。

2.2 值得注意的是，当考虑到各种系列时，典型的电压和电流水平如何变化：

典型的单一发射器的电压电平为1.5V，电流为15A。

对于多发射器半导体激光管，发射器是串联组装的。这意味着电流水平不会改变（通常最大 15 A），但是电压会随着发射器数量增加而增加。（例如， 4.5V/15A的60 W半导体激光管）

一个半导体激光管巴条将所有发射器并联组装在一起。因此，电压水平不变，但电流水平可以轻松达到 45 或 50 A。

同样，当将多个巴条组装在一起时，它们是串联组装的，因此电流水平（例如 45 A）不会改变，但电压会随着巴条数的增加而有规律地增加。

审核编辑：汤梓红