Tutorial: Grundlagen fasergekoppelter Laserdioden
Fasergekoppelte Laserdiode: Dieses Tutorial gibt einen Überblick über die technischen Eigenschaften von fasergekoppelten Laserdioden. In diesem Tutorial werden die verschiedenen Laserdioden-Familien wie DFB-Laserdioden oder Multiemitter-Hochleistungs-Laserdioden beschrieben.
Vollständige PDF-Version: Fasergekoppelte Laserdiode
Einführung
Laserdioden sind heute allgegenwärtig. Sie sind das einfachste Element, um elektrische Energie in Laserenergie umzuwandeln. Laserdioden basieren auf mehreren zusammengesetzten Halbleitermaterialien (GaAs, InP oder andere komplexere Strukturen wie GaN). Singlemode-Laserdioden sind Laserdioden mit geringer Leistung (normalerweise< 1 W), während Multimode-Laserdioden Geräte mit viel höherer Leistung sind (typischerweise> 10 W bis zu mehreren kW).
Optische Fasern
Es ist wichtig, die zwei Arten von aktiven Fasern zu kennen, die üblicherweise verwendet werden, um das von einer Laserdiode kommende Licht zu koppeln:
- Singlemode-Fasern haben typischerweise einen Kern von wenigen µm (z. B. ~6 µm eine Wellenlänge von 1 µm und 9 µm um eine Wellenlänge von 1.5 µm).
- Multimode-Fasern sind Fasern mit größerem Durchmesser, die eine viel höhere optische Leistung verarbeiten können. Standardversionen haben normalerweise 62, 100, 200, 400, 800 oder sogar> 1000 µm Kerndurchmesser. Je kleiner der Durchmesser, desto einfacher ist es, das aus der Faser kommende Licht mit einer Linse oder einem Mikroskopobjektiv auf einen kleinen Fleck zu fokussieren.
Polarisationserhaltende Fasern: Singlemode-Laserdioden können entweder Standard (SMF) oder polarisationserhaltende (PM) sein. Im letzteren Fall hat die optische Faser eine spezielle Mantelstruktur, die es ermöglicht, die Polarisation des Lichts über die gesamte Faserlänge aufrechtzuerhalten.
Die folgende Tabelle zeigt die Eigenschaften verschiedener Modelle von Singlemode-PM-Fasern, die von Corning Inc. angeboten werden. Man sieht, dass der Kerndurchmesser mit abnehmender Wellenlänge sehr klein wird. Ein interessanter Datenpunkt, auf den Sie in der Tabelle achten sollten, ist die Grenzwellenlänge. Eine Singlemode-Faser funktioniert gut, wenn man die Wellenlänge zwischen ihrer Grenzwellenlänge und dem ~1,5-fachen dieser Grenzwellenlänge berücksichtigt. Unterhalb dieses Bereichs wird die Faser multimode, oberhalb dieses Bereichs kann das Licht die Faser beim Biegen leicht verlassen.
Fasergekoppelte Singlemode-Laserdioden
Diese Art von Laserdiode wird im Allgemeinen in einem Gehäuse namens „Butterfly“ mit einem TEC-Kühler und einem in das Gehäuse integrierten Thermistor montiert (der Trend geht heute zu kleineren Formfaktoren). Eine fasergekoppelte Singlemode-Laserdiode kann im Allgemeinen einige 100 mW bis zu 1.5 W Ausgangsleistung erreichen.
Beachten Sie, dass eine fasergekoppelte Laserdiode mit Butterfly-Gehäuse ein komplexes Gerät mit vielen verschiedenen möglichen Stiftkonfigurationen und mehreren Arten von Erdungskonfigurationen ist (vollständig erdfrei, Anode geerdet usw.). Das Zusammenstellen eines Butterfy-Gehäuses auf einem bestimmten Treiber erfordert einige Überprüfungen.
Auf dem Markt sind mehrere andere Gehäuseformfaktoren erhältlich. Zum Beispiel treffen die folgenden DIL-Pakete oft auf dem Telekom-Markt oder Koaxial-Pakete für typischerweise ein< 10mW Leistung:
Die heutige Tendenz für Laserdiodenhersteller auf dem Low-Power-Telekommunikations- oder LIDAR-Markt geht dahin, neue Koaxialpakete mit sehr kleinen Formfaktoren zu entwickeln, die aber immer noch TEC, Thermistor und BFM enthalten:
Die folgende Abbildung zeigt die 3 Familien von Laserdioden, die im Allgemeinen auf dem Markt zu finden sind. VCSEL-Laserdioden sind im Allgemeinen nicht fasergekoppelt. Dies sind die Arten von Laserdioden, die in großen Diffusionssensoranwendungen wie Computermausgeräten oder Smartphones zur 3D-Gesichtserkennung verwendet werden.
DFB- und Fabry-Perrot-Kantenemitter, die häufig fasergekoppelt sind, werden im Folgenden beschrieben:
a) Fabry-Perrot-Laserdioden mit oder ohne Bragg-Gitter
Eine „normale“ fasergekoppelte Laserdiode ist ein üblicher teilweise reflektierender Halbleiterhohlraum, bei dem die hintere Facette eine hochreflektierende Beschichtung und die vordere Facette eine teilweise reflektierende Beschichtung aufweist. Die typische Laserdioden-Chipgröße beträgt ~1*0,5*0,2 mm.
Die wichtigsten typischen Merkmale sind wie folgt:
- Leistungsbereiche erreichen können> 1,5 W für Singlemode (und viel mehr für Multimode-Versionen, siehe unten)
- Die Bandbreite ist im Allgemeinen breit (> 1nm)
- Der Ausgangsstrahl ist stark elliptisch.
Um die Emissionsbandbreite zu verringern und die Gesamtstabilität der Laserdiode zu verbessern, fügen Laserdiodenhersteller häufig ein Faser-Bragg-Gitter in die Ausgangsfaser ein.
Ein Bragg-Gitter fügt der Laserdiode bei einer sehr genauen Wellenlänge ein paar Prozent Reflexionsvermögen hinzu. Dies ermöglicht die Gesamtreduzierung der Laserdioden-Emissionsbandbreite. Die Emissionsbandbreite beträgt typischerweise 3-5 nm ohne Bragg-Gitter, während sie viel schmaler ist (~< 0.1 nm) mit einem Bragg-Gitter. Der Temperaturabstimmungskoeffizient des Wellenlängenspektrums beträgt ohne Bragg-Gitter typischerweise 0.35 nm/°C, während er mit einem Bragg-Gitter viel geringer ist.
Die Hauptlieferanten für 915/976/1064-nm-Singlemode-Pumplaserdioden sind Unternehmen, die ihr Geschäft Ende der neunziger Jahre für Faserverstärker entwickelt haben, die auf dem Telekommunikationsmarkt verwendet werden (EDFAs: Erbium Doped Fiber Amplifiers). Sie bieten aufgrund ihrer hohen Produktionsmengen sowohl ein hohes Maß an Zuverlässigkeit als auch moderate Kosten.
b) DBR- oder DFB-Laserdioden
Bei DBR- oder DFB-Laserdiodenvorrichtungen ist der Bragg-Gitter-Wellenlängenstabilisierungsabschnitt direkt auf dem Laserdioden-Chipabschnitt integriert. Dies liefert eine schmalere Emissionswellenlänge von typischerweise 1 MHz für einen DFB (dh ~10 –5 nm) anstelle von ~0,1 nm für einen Fabry-Perrot mit Bragg-Gitter.
c) Gepulste Eigenschaften / Verstärkungsumschaltung
Eine einfache Lösung zum Modulieren des von einer fasergekoppelten Laserdiode einfallenden Lichts besteht darin, eine direkte Modulation unter Verwendung eines Stromtreibers mit Impulssteuerungselektronik anzuwenden. Ein Beispiel für eine Impulsbreite von 3 Nanosekunden ist unten gezeigt. Man kann die Spitze des Gain-Schalters zu Beginn des Pulses sehen. Dies ist eine Relaxation des Ladungsträgers innerhalb der Laserdiode. Verstärkungsumschaltspitzen können nützlich sein, wenn man diesen Verstärkungsumschaltspitzenimpuls isolieren und ~100-Pikosekunden-Impulse erhalten möchte. Aber die Verstärkungsumschaltspitze ist typischerweise eine unerwünschte Eigenschaft (siehe unten).
Weltweit gibt es nur wenige Unternehmen, die sich auf die Herstellung kommerziell erhältlicher Laserdioden-Pulstreiber spezialisiert haben. Die Pulsform bei kurzer Pulsbreite sowie Anstiegs-/Abfallzeit und Jitter-Pegel können sich jedoch von Hersteller zu Hersteller stark unterscheiden. Außerdem gibt es viele Hauptmerkmale und Zusatzfunktionen, die je nach Hersteller variieren. Auch die Benutzerfreundlichkeit ist zu berücksichtigen.
Die Bandbreitenbeschränkungen resultieren aus der Geschwindigkeit der Elektronik auf der „Antriebsseite“ und der Induktivität der Laserdiode auf der alternativen Seite. Das Erreichen einer Anstiegs-/Abfallzeit von 5 Nanosekunden pro Ampere ist in einem EIN/AUS-Schaltmodus von vielen Anbietern möglich. Die Kombination von Modularität, Benutzerfreundlichkeit und hoher Leistungsfähigkeit ist jedoch der schwierigste Teil bei der Entwicklung eines gepulsten Treibers.
AeroDIODE bietet mehrere EIN/AUS-Laserdioden-Schalttreibermodelle mit Schaltgeschwindigkeiten von 3 ns/A bis weniger als 0,5 ns/A.
Ein weiteres Hochleistungsprodukt für die direkte Laserdiodenmodulation heißt „Pulse-Shaper (Pulsformer)“. Es enthält einen internen AWG (Arbitrary Waveform Generator) und kann den Laserdiodenausgang mit einer Amplitudenauflösung von 48 dB und einer zeitlichen Auflösung von 500 Pikosekunden formen. Sehen Sie sich diesen Hochgeschwindigkeits-Laserdiodentreiber an .
Dieses Impulsformermodul ermöglicht dem Benutzer die Programmierung einer benutzerdefinierten Form mit einem AWG mit hoher Bandbreite und erzeugt die gewünschte benutzerdefinierte optische Impulsform. Wie in der Abbildung unten zu sehen, verfügt dieses Modul auch über eine spezielle interne Funktion, die es dem Benutzer ermöglicht, die Verstärkungsschalterspitze abzuschwächen:
d) Spektrale Eigenschaften
Bei der Betrachtung der Entwicklung des Emissionsspektrums von gepulsten Laserdioden sollte der Benutzer zwei unerwünschte spektrale Effekte verstehen:
- Die erste korreliert mit der Zeit, die die Laserdiode benötigt, um auf ihrem Bragg-Kopplungselement zu „koppeln“. Diese Kopplung erfolgt unmittelbar für einen DFB, erfordert jedoch häufig mehr als 100 Nanosekunden für eine auf Bragg-Gittern basierende Laserdiode. Mit anderen Worten, wenn gitterstabilisierte Laserdioden gepulst werden, erzeugt die erste Nanosekunde ein breites Emissionsspektrum, als ob es kein Bragg-Gitter gäbe. Einige Anbieter bieten eine Zwischenlösung namens „Bragg close to the Chip“ an, die nur wenige Nanosekunden zum Koppeln benötigt.
- Ein weiterer unvermeidbarer Effekt ergibt sich aus der Kopplung von Frequenz-/Phasenspektrum und Intensitätsprofil. Genauer gesagt kann sich das Emissionsspektrum über die Impulslänge ändern, und dies kann manchmal ein Problem darstellen. Eine externe Modulation mit beispielsweise einer SOA bietet eine smarte Lösung, um diesen Effekt zu vermeiden. In unserem Tutorial: Grundlagen zu Hochgeschwindigkeits-Fasermodulatoren finden Sie einen detaillierten Vergleich der vier häufig verwendeten Technologien zur externen Modulation von Laserlicht.
Tabelle 1 unten gibt einen Überblick über diese Spektralentwicklungseffekte – entweder mit der Temperatur oder dem Strompegel – in Abhängigkeit von den Laserdiodentechnologien ( DFB-Laserdiode oder Fabry-Perrot-Laserdiode ):
Tabelle 1: Vergleich der spektralen Entwicklung von Fabry-Perrot und DFB-basierter Laserdiode:
Entwicklung der Spitzenwellenlänge… | Fabry-Perrot | DFB |
Mit Temperatur | ~ 0,35 nm/°C | ~ 0.06 nm/°C |
Mit dem Strompegel | ~ 5 nm/A | ~ 1 nm/A |
Die spektrale Entwicklung des Fabry-Perrot emittierenden Chips beträgt somit typischerweise 0.35 nm/°C und 5 nm/A. Beachten Sie, dass die Bragg-Gitter-Verriegelung eine gute spektrale Stabilität erreicht, wenn ihre eigene schmale Spitzenwellenlänge innerhalb eines Wellenlängenbereichs der Spitzenemissionswellenlänge des Chips von ± 5 nm liegt.
Es ist interessant festzustellen, dass die spektralen Eigenschaften einer im Pulsbetrieb betriebenen Fabry-Perrot-Laserdiode eine Entwicklung in den ersten 100 ns zeigen. Die folgende Grafik zeigt einige Messkurven solcher Bandbreiten.
Die spektrale Bandbreite einer DFB-Laserdiode ist daher im CW-Bereich viel schmaler als ein Fabry-Perrot-Laser, sogar mit einem Bragg-Gitter.
DFBs zeigen auch eine gewisse Entwicklung der Emissionswellenlänge mit sowohl der Temperatur als auch dem Strompegel. Dies sind viel weniger als Fabry Perrot-Technologien und werden unten verglichen.
Es ist auch interessant, die Entwicklung der Emissionsbandbreite zu betrachten, wenn kurze Pulse betrachtet werden. Wir können feststellen, dass die Emissionsbandbreite schmal bleibt, wenn kurze Impulse betrachtet werden, nur wenn der Strompegel unter 200 mA bleibt (OSA-Mindestauflösung von 0.04 nm wird hier für 0.2-A-Impulse beobachtet). Wir beobachten jedoch eine signifikante Bandbreitenentwicklung, wenn wir höhere Spitzenströme berücksichtigen.
e) Ansteuerung einer Singlemode-Laserdiode
Das Ansteuern einer Singlemode-Laserdiode im CW- oder Pulsbereich ist eine schwierige Aufgabe, die spezialisierte Produkte erfordert. Hier sind drei Laserdiodentreiber, die speziell für F&E und die vollständige Photonik-Systemintegration entwickelt wurden. Alle diese Treiber enthalten einen TEC-Steuerteil, mit dem der Benutzer die Laserdiodentemperatur einstellen kann.
- Der CCS von AeroDIODE ist ein gepulster & CW-Laserdiodentreiber mit TEC-Steuerung. Dieser gepulste Laserdiodentreiber liefert Präzisionsimpulse, die intern von einem integrierten Impulsgenerator oder bei Bedarf von einem externen TTL-Signal erzeugt werden. Es ist mit den meisten verfügbaren Monomode-Laserdioden-Formfaktoren kompatibel. Butterfly-Laserdioden lassen sich problemlos im CW- oder gepulsten Regime bei jeder Frequenz und jedem Arbeitszyklus bis zu einer Wiederholrate von 250 MHz ansteuern. Siehe diese Produktseite: Treiber für gepulste Laserdioden
- Die Zentralplatine von AeroDIODE hat einen Laserdiodenkanal, der für rauscharmen CW-Betrieb optimiert ist, und einen Kanal, der sowohl für CW- als auch für Nanosekunden-Kurzpulse optimiert ist. Es enthält auch viele für Faserlaser relevante Funktionen, wie z. B. mehrere Photodiodeneingänge. Die zentrale Platine kann als „Schaltzentrale“ für einen Faserlaser fungieren. Zentralplatinen verfügen über mehr als 50 High-Tech-Funktionalitäten, die für den Bau und die Integration eines Faserlasers optimiert sind. Siehe diese Produktseite: Treiber für Faserlaserdioden .
- Das Shaper-Board ist ein weiterer von AeroDIODE angebotener Treiber, der viele in den obigen Abschnitten beschriebene Probleme lösen kann: Es kann die Impulsform vorkompensieren und verfügt über eine spezielle Verstärkerschalter-Unterdrückungsfunktion. Die Form kann bis hin zu sehr kurzen Pulsbreiten angepasst werden, da sein interner AWG (Arbitrary Waveform Generator) alle 500 ps einen Punkt mit 48 dB Dynamikbereich erzeugt. Es enthält auch 3 Impulsverzögerungsgeneratorausgänge. Siehe diese Produktseite: Hochgeschwindigkeits-Laserdiodentreiber .
Fasergekoppelte Multimode-Laserdioden
a) Die 4 Familien von fasergekoppelten Multimode-Laserdioden
Fasergekoppelte Multimode-Laserdioden basieren auf breitflächigen, seitlich emittierenden Laserdiodenchips, die ursprünglich aus einem Halbleiterwafer entworfen und hergestellt wurden.
Es gibt 4 Arten von fasergekoppelten Multimode-Laserdioden (siehe Abbildung 18 und Abbildung 19):
- Einzelne Emitter: Wenn ein Laserdiodenchip isoliert, auf einer Unterhalterung montiert und allein in einem Laserdiodenmodul verpackt ist. Wir sprechen hier typischerweise von einer Leistung von 15 W, die in eine 105 (Kern)/125 µm (Mantel)-Laserdiode eingekoppelt wird
- Multi-Emitter: Wenn mehrere Emitter getrennt und mit anderen isolierten Emittern in einer Multimode-Faser optisch gekoppelt sind (Abbildung 19 rechts). Die Höhe der Ausgangsleistung ist somit auf mehrere hundert Watt skalierbar und die Fasergröße kann klein gehalten werden wie 100 oder 200 µm Kern.
- Einzelbarren: Wenn mehrere Emitter als Einzelbarren (Abbildung 17) zusammengehalten und in einem Laserdiodenmodul montiert werden. Wir sprechen hier typischerweise von etwa 50 W Leistung, die typischerweise in eine Laserdiode mit 200 µm (Kern)/240 µm (Mantel) eingekoppelt wird
- Mehrere Stäbe: Wenn mehrere Stäbe in einem großen wassergekühlten Paket zusammengebaut und in eine Multimode-Faser mit großem Durchmesser gekoppelt werden. Wir sprechen hier von Hunderten von W oder sogar KW, die beispielsweise in Multimode-Fasern mit 600 oder 800 µm Kern eingekoppelt werden.
Alle diese Laserdioden haben sehr unterschiedliche Verpackungen:
Es ist interessant festzustellen, wie sich die typischen Spannungs- und Strompegel ändern, wenn man die verschiedenen Familien betrachtet:
- Ein typischer einheitlicher Emitter hat einen typischen Spannungspegel von ~1.5 V und einen Strom von ~15 A.
- Bei einer Laserdiode mit mehreren Emittern werden die Emitter in Reihe geschaltet. Das bedeutet, dass sich die Stromstärke nicht ändert (typischerweise max. 15 A), aber es ist die Spannung, die ansteigt, wenn mehr und mehr Emitter berücksichtigt werden. (z. B. 4,5 V/15 A für eine 60 W-Laserdiode)
- Ein Laserdiodenbarren fasst alle Emitter parallel zusammen. Die Spannungshöhe ändert sich also nicht, aber die Stromstärke kann leicht 45 oder 50 A erreichen.
- Auch hier werden beim Zusammenbau mehrerer Stäbe diese in Reihe geschaltet, sodass sich die Stromstärke (z. B. 45 A) nicht ändert, die Spannung aber regelmäßig mit der Anzahl der Stäbe steigt.
b) Konstruktion und Formfaktoren
Fig. 19 zeigt einige Beispiele des Aufbaus einer Einzelelement- und einer Mehrelement-Laserdiode. Man kann sehen, dass das Trennen mehrerer Laserdiodenelemente und das Kombinieren ihres Laserlichts in einer einzigen Faser die Erhöhung der Leistung/Oberfläche an der Faser ermöglicht. Andererseits ist ein Laserdiodenbarren stark asymmetrisch und macht es schwieriger, Licht in eine kreisförmige Faser einzukoppeln. Dadurch ist der minimale Faserdurchmesser bei einer Laserbarren-Technologie im Allgemeinen größer als bei einer Multi-Element-Technologie.
c) Spektrale Eigenschaften
Beachten Sie, dass viele Anwendungen wie das Pumpen von Seltenerdionen wie Yb3+ bei 976 nm ein stabilisiertes und schmales Laserdioden-Emissionsspektrum erfordern. Diese Wellenlängenstabilität erfordert, dass die Laserdiodentemperatur gesteuert wird, und oft muss die Laserdiode ein zusätzliches wellenlängenstabilisierendes Element enthalten. Dieses Element ist im Allgemeinen ein VBG (Volumen-Bragg-Gitter) für Multimode-Laserdioden. Das VBG ist ein spezielles Glasstück, das in das Laserdiodengehäuse integriert ist.
d) Treiben einer Multimode-Laserdiode
Das Ansteuern einer Multimode-Laserdiode ist eine schwierige Aufgabe, die spezielle Produkte erfordert. Vor allem bei der Überlegung> 10 W Ausgangsleistung Laserdioden wird die thermische Kühlung zu einem echten Thema. Hier ist ein Laserdiodentreiber, der speziell für die Ansteuerung von Faserlaserdioden entwickelt wurde und sowohl mit der F&E als auch mit der vollständigen Integration von Faserlaserprodukten kompatibel ist.
Der CCM (Cool and Control Multimode) von AeroDIODE (siehe diese Seite: Hochleistungs-Laserdiodentreiber) ist vollständig für den Betrieb einer oder mehrerer Multimode-Pumplaserdioden (entweder Einzelelement- oder Mehrelementgeräte) optimiert. Es ist mit einem TE-Kühler ausgestattet, der es ermöglicht, die Temperatur der Laserdiode einzustellen. Es ist ein luftgekühltes Gerät, das mit Laserdioden bis zu 200 W optischer Leistung kompatibel ist.DIODE
Eine modulare Laserelektronikfamilie, die mit nahezu allen Arten von Photoniksystemen kompatibel ist
AeroDIODE hat eine ganze Reihe von elektronischen Treibern entwickelt, mit denen nahezu jede Art von laserdiodenbasiertem Photoniksystem gebaut werden kann. Diese Treiber können miteinander kommunizieren und jede Art von Laserdioden im gepulsten oder CW-Modus steuern. Sie sind so konzipiert, dass sie einfach in einen kompakten Prototyp integriert werden können. Dies ermöglicht dem Designer einen viel kürzeren Zeitrahmen für die Entwicklung von Photoniksystemen.
