教程:光纤耦合半导体激光管基础

光纤耦合半导体激光管本教程概述了光纤耦合半导体激光管的技术特性。 本教程介绍了各种系列的半导体激光管,例如DFB 半导体激光管或多发射器高功率半导体激光管

完整 PDF 版本光纤耦合半导体激光管

976nm laser diode - all diodes
AeroDIODE 的一个单模和多个多模光纤耦合半导体激光管

介绍

如今,半导体激光管无处不在。 它们是将电能转换为激光功率的最简单元件。 半导体激光管基于多种半导体组装材料(GaAs、InP 或其他更复杂的结构,如 GaN)。 单模半导体激光管是低功率半导体激光管(通常<1W),而多模半导体激光管是功率更高的器件(通常>10 W 到几 kW)。

光纤

了解通常用于耦合来自半导体激光管的光的两种类型的有源光纤非常重要:

  • 单模光纤的纤芯通常为几微米(例如,约 6 微米,波长为 1 微米,约 9 微米,波长为 1.5 微米)
  • 多模光纤是直径较大的光纤,可以处理更高水平的光功率。 标准版本通常有 62、100、200、400、800 甚至>1000 µm 纤芯直径。 直径越小,就越容易通过使用透镜或显微镜物镜将来自光纤的光聚焦到一个小点上。
Fiber coupled laser diode - type of fiber
图 1:单模或多模光纤的原理。 考虑多模光纤时,纤芯要大得多。

保偏光纤:单模半导体激光管可以是标准 (SMF) 或保偏 (PM)。 在后者中,光纤具有特殊的包层结构,可以在整个光纤长度上保持光的偏振。

下表显示了Corning公司提供的各种型号的单模保偏光纤的特性。 可以看到,随着波长的减小,纤芯直径变得非常小。 表中需要注意的一个有趣数据点是截止波长。 考虑到其截止波长到该截止波长的约 1.5 倍之间的波长时,单模光纤工作正常。 低于此范围,光纤变为多模,高于此范围,光在弯曲时很容易离开光纤。

图 2:Corning公司提供的单模 (保偏) 光纤特性示例(Corning公司提供 - 在线数据表)

单模光纤耦合半导体激光管

这种类型的半导体激光管通常组装在一个称为“蝶形”的封装中,其中含有一个集成在封装中的一个 TEC温控冷却器和一个热敏电阻(今天的趋势是朝着更小的外形尺寸发展)。 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。

请注意,蝶形封装光纤耦合半导体激光管是一种复杂的器件,具有许多不同的可能引脚配置和几种类型的接地配置(全浮空、阳极接地等)。 在给定的驱动程序上组装蝶形封装包需要一些验证。

图 3:发射波长为 976nm 的单模光纤耦合蝶形封装半导体激光管示例(10 引脚迷你蝶形(左)和 14 引脚标准蝶形(右))。 这些半导体激光管模块包括一个半导体致冷器、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)。

市场上还有其他几种封装形式。 例如,以下 DIL 封装在电信市场中经常遇到,或者同轴封装通常用于<10mW功率:

图 4:其他类型的光纤耦合半导体激光管外形尺寸(mini-DIL(左)、14 引脚 DIL(中)和同轴(右))

当今低功率电信或激光雷达市场的半导体激光管制造商的趋势是开发具有非常小的外形尺寸但仍包括 TEC(半导体制冷器)、热敏电阻和 BFM 的新型同轴封装:

图 5:令人印象深刻的 TOSA 封装示例,其中包括一个 6*5 毫米封装的半导体激光管、一个 TEC 和一个热敏电阻。

下图显示了市场上常见的 3 个系列的半导体激光管。 VCSEL半导体激光管通常不是光纤耦合的。 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 Fabry-Perrot 边缘发射器,通常是光纤耦合的,描述如下:

图 6:业界常见的 3 种半导体激光管发射器。 (由 Phil Saunders/光学和光子学新闻提供)

a) 带或不带布拉格光栅的法布里珀罗半导体激光管

“标准”光纤耦合半导体激光管是一种常见的部分反射半导体腔,其中背面具有高反射涂层,而正面具有部分反射涂层。 典型的半导体激光管芯片尺寸约为 1*0.5*0.2mm。

主要典型特征如下:

  • 功率范围可以达到>单模 1.5 W(多模版本更多,见下文)
  • 带宽通常很宽(> 1纳米)
  • 输出光束是强椭圆形的。

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。

图 7:光纤布拉格光栅原理(由 HiTech corp. 提供)

布拉格光栅以非常精确的波长为半导体激光管增加了数个百分点的反射率。 这允许半导体激光管的发射带宽整体减小。 发射带宽在没有任何布拉格光栅的情况下通常为 3-5 nm,而它要比有布拉格光栅的情况下要窄得多(~< 0.1nm)。 波长光谱温度调谐系数在没有任何布拉格光栅的情况下通常为 0.35 nm/°C,而在有布拉格光栅的情况下要小得多。

915/976/1064 nm 单模泵浦半导体激光管的主要供应商是在九十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)业务的公司。 由于它们的高产量,它们既拥有高水平的可靠性又有着适中的成本。

b) DBR 或 DFB 半导体激光管

DBR 或DFB 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芯片部分。 这为通常为1 MHz的DFB版本提供了较窄的发射波长(即约10 -5 nm),而不是为具有布拉格光栅的法布里-珀罗提供的约0.1 nm。

图 8:DFB 和 DBR 半导体激光管原理(由 Remi Arieli 提供:“激光冒险”)
1310 nm laser diode - 180 mW DFB
图 9:来自 AeroDIODE 的1310nm 180 mW DFB 半导体激光管种子源示例。

c) 脉冲特性/增益切换

调制来自光纤耦合半导体激光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进行直接调制。 下面显示了一个 3 纳秒脉冲宽度的示例。 可以在脉冲开始时看到增益开关峰值。 这是半导体激光管内载流子的弛豫。 增益开关峰值会在想要隔离此增益开关峰值脉冲并获得约 100 皮秒的脉冲的时候起到很大作用。 但增益开关峰值通常是不受欢迎的属性(见下文)。

图 10:采用 AeroDIODE CCS 驱动器的 DFB 蝶形半导体激光管的直接脉冲产生的 3ns 稳定脉冲宽度。

世界上很少有公司专门生产商用半导体激光管脉冲驱动器。 当然,短脉冲宽度下的脉冲形状以及上升/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。 易用性也是要考虑的。

带宽限制是“驱动侧”电子设备速度和交流侧半导体激光管电感的结果。 许多供应商在开/关切换模式下可以达到每安培 5 纳秒的上升/下降时间。 然而,将模块化、易用性和高性能水平相结合是开发脉冲驱动器时最困难的部分。

AeroDIODE 提供多种开/关半导体激光管开关驱动器型号,开关速度从 3 纳秒/A 到小于 0.5 纳秒/A。

另一种用于直接半导体激光管调制的高性能产品称为“脉冲整形器”。 它包括一个内部 AWG(任意波形发生器),可以以 48 dB 幅度分辨率和 500 皮秒的定时分辨率对半导体激光管输出进行整形。 详见此高速半导体激光管驱动器

图 11:AeroDIODE 整形器模块设置为直接驱动器配置(左)和在模块内编程后从 DFB半导体激光管获得的特殊光脉冲形状(右)

该脉冲整形器模块允许用户使用高带宽 AWG 对自定义形状进行编程,并生成所需的自定义光脉冲形状。 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:

Gain switch peak suppression function
图 12:由 AeroDIODE 整形器模块驱动的 DFB 半导体激光管的 3ns 脉冲形状。 左边的曲线有一个在右边的通过激活内部“增益开关峰值抑制”功能的脉冲上被抑制的增益开关峰值。

d) 光谱特性

在讨论脉冲半导体激光管发射光谱的演变时,用户应了解两种不良光谱效应:

  • 第一个与半导体激光管“锁定”到其布拉格锁定元件所需的时间相关。 这种锁定对于 DFB 来说是即时的,但对于基于布拉格光栅的半导体激光管来说通常需要超过 100 纳秒。 换句话说,当脉冲光栅稳定半导体激光管时,第一纳秒会产生好像没有布拉格光栅一样的宽发射光谱。 一些供应商提供了一种名为“Bragg close to the chip”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/相位谱和强度分布的耦合。 更具体地说,发射光谱会随着脉冲长度而变化,这有时会成为一个问题。 例如,使用 SOA 进行外部调制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:高速光纤调制器基础,详细比较四种常用的外部调制激光技术。

下面的表 1 概述了这些光谱演变效应 – 温度或电流水平 – 取决于半导体激光管技术( DFB 半导体激光管Fabry-Perrot 半导体激光管):

表 1:Fabry-Perrot 和基于 DFB 的半导体激光管光谱演变的比较:

峰值波长演变…

法布里-佩罗

DFB

温度

~ 0.35 纳米/°C

~ 0.06 纳米/°C

电流水平

~ 5 纳米/A

~ 1 纳米/A

因此,法布里-珀罗输出芯片的光谱演变通常为 0.35 nm/°C 和 5 nm/A。 注意,布拉格光栅在其自身的窄峰值波长包含在芯片峰值发射波长±5nm的波长范围内时锁定实现了良好的光谱稳定性。

值得注意的是,在脉冲状态下驱动的法布里-珀罗半导体激光的光谱特性会在前 100 秒 ns 中显示出演变。 下图显示了此类带宽的一些测量曲线。

fiber coupled laser diode Bragg locking pulse regime
图 13:带有布拉格光栅的法布里-珀罗半导体激光管的发射带宽演变。 半导体激光管的输出表现在非常短的脉冲范围下就好像没有布拉格光栅一样。

因此,即使使用布拉格光栅,DFB 半导体激光管的光谱带宽在连续状态下也比 Fabry-Perrot 激光器窄得多。

DFB 还显示出发射波长随温度和电流水平的变化。 这些远低于 Fabry Perrot 技术版本,并在下面进行比较。

需要注意在考虑短脉冲时观察发射带宽的演变。 我们可以注意到,在考虑短脉冲时发射带宽仅在电流水平保持在 200 mA 以下时保持窄脉宽(对于 0.2 A 脉冲,此处观察到的 OSA 最小分辨率为 0.04 nm)。 然而,当考虑更高的峰值电流时,我们开始观察到显着的带宽演变。

DFB laser diode spectrum evolution
图 14:DFB 半导体激光管在脉冲状态下的带宽演变——在高电流水平下驱动时,带宽会变得非常宽。

e) 驱动单模半导体激光管

以连续/脉冲方式驱动单模半导体激光管是一项艰巨的任务,需要专门的产品。 以下是专为研发和全光子系统集成而设计的三款半导体激光管驱动器。 所有这些驱动器都包括一个 TEC 控制部分,允许用户调整半导体激光管的温度。

  • AeroDIODE的 CCS是一种带 TEC 控制的脉冲/连续半导体激光管驱动器。 该脉冲半导体激光管可提供由板载脉冲发生器在内部生成的精确脉冲,或根据需要由外部 TTL 信号生成。 它与大多数可用的单模半导体激光管外形尺寸兼容。 蝶形半导体激光管可以在高达 250 MHz 重复率的任何频率和任何占空比的连续/脉冲状态下轻松驱动。 参考此产品页面:脉冲半导体激光管驱动器
  • AeroDIODE的中央板具有一个针对低噪声连续波驱动优化的半导体激光管通道和一个针对连续和纳秒短脉冲优化的通道。 它还包含许多与光纤激光器相关的功能,例如多个光电二极管输入。 中央板可以作为光纤激光器的“控制中心”。 中央板具有 50 多种高科技功能,可优化构建和集成光纤激光器。 请参阅此产品页面:光纤半导体激光管驱动器
  • Shaper 板是 AeroDIODE 提供的另一款驱动器,它可以解决上述的许多问题:它可以预补偿脉冲形状并具有特殊的增益开关抑制功能。 由于其内部 AWG(任意波形发生器)每 500 ps 生成一个点,动态范围为 48 dB,因此可以将波形调整到非常短的脉冲宽度。 它还包含 3 个脉冲延迟发生器输出。 请参阅此产品页面:高速半导体激光管驱动器
图 15:AeroDIODE 优化的半导体激光管驱动器:CCS 是一种通用脉冲半导体激光管驱动器,可产生从 1 ns 到连续信号的脉冲(左)。 中心板是针对单模半导体激光管优化的多通道光纤半导体激光管驱动器,具有许多光纤激光优化功能(右)
图 16:AeroDIODE 整形器模块(左)是一种高速半导体激光管驱动器,可生成专门的光脉冲形状。 例如,在模块内编程后从 DFB 半导体激光管获得的脉冲(右)

多模光纤耦合半导体激光管

a) 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最初由半导体晶片设计和制造的大面积侧面发射半导体激光管芯片。

多模光纤耦合半导体激光管有 4 种类型(见图 18 和图 19):

  • 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。 我们在这里讨论的通常是 15W 的功率耦合到 105(核心)/125µm(包层)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(图 19-右)。 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。
  • 单巴条:当多个发射器保持在一起作为一个单巴条(图 17)并组装在一个半导体激光管模块中。 我们在这里讨论的通常是大约 50 W 的功率,通常耦合到 200 µm(纤芯)/240 µm(包层)半导体激光管
  • 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100W 甚至 KW 耦合到例如600 或 800 µm 纤芯的多模光纤中。
图 17:半导体激光管元件示例——单个元件组装在底座(左)或由 19 个发射器制成的单巴条上。 (由 Innolume 和 Seminex 提供)

所有这些半导体激光管都有非常不同的封装:

图 18:多模光纤耦合半导体激光管模块示例:(左:多发射器 35W 半导体激光管;中:来自 AeroDIODE 的915nm 10W单发射器;右:来自 DILAS 的各种半导体激光管单巴条和多巴条光源(由AeroDIODE 和 Dilas提供 - 现在由Coherent公司提供)

值得注意的是在不同系列中典型电压和电流水平是如何变化的:

  • 典型的单一发射器具有约 1.5 V 的典型电压电平和约 15 A 的电流。
  • 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)
  • 半导体激光管巴条平行组装所有发射器。 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。

b) 结构和形式因素

图 19 显示了一些单晶和多晶半导体激光管的结构示例。 可以看出,分离几个半导体激光管元件并将它们的激光整合到一根光纤可以增加光纤的功率/面积。 另一方面,半导体激光管巴条非常不对称,使得将光注入圆形光纤变得更加困难。 这使得激光棒技术的最小光纤直径通常大于多元件技术。

Multimode Fiber coupled laser diode construction
图 19:单元件半导体激光管(左)和多 (3) 元件半导体激光管(右)的结构示例
Fiber coupled laser diode bar
图 20:半导体激光管巴条光纤注入设置示例。 (由Fraunhofer IOF 提供)

c) 光谱特性

请注意,许多应用(例如在 976 nm 处泵浦 Yb3+ 等稀土离子)需要稳定且窄的半导体激光管发射光谱。 这种波长稳定性需要控制半导体激光管的温度,并且通常需要半导体激光管含有一个额外的波长稳定元件。 该元件通常是用于多模半导体激光管的 VBG(体布拉格光栅)。 VBG 是集成在半导体激光管封装中的专用玻璃片。

VBG locked multimode fiber coupled laser diode
图 21:930 nm 输出半导体激光管的 940 nm VBG 锁定光谱(Y.Li 等人)

d) 驱动多模半导体激光管

驱动多模半导体激光管是一项艰巨的任务,需要专门的产品。 尤其是对于>10W输出功率半导体激光管,散热成为真正的问题。 这是一款专为光纤半导体激光管驱动而设计的兼容研发和全光纤激光产品集成的半导体激光管驱动器。

AeroDIODE 的 CCM(冷却和控制多模)(参见本页:高功率半导体激光管驱动器)针对驱动一个或多个多模泵浦半导体激光管(单晶或多晶器件)进行了全面优化。 它配备了一个半导体致冷器,可以调节半导体激光管的温度。 它是一种风冷设备,与高达 200 W 光功率的半导体激光管兼容。

High power laser diode driver
图 22:AeroDIODE 高功率半导体激光管驱动器。 适用于多元素半导体激光管,如 II-VI、Lumentum、IPG 等。

一个模块化的激光电子产品系列,几乎兼容任何类型的光子系统

AeroDIODE开发了一系列电子驱动器,能够构建几乎任何类型的基半导体激光管的光子系统。 这些驱动器可以一起通信,并且可以控制任何类型的脉冲/连续状态的半导体激光管。 它们旨在简化将它们集成到紧凑型原型中的过程。 这为设计人员提供了更快的光子系统开发时间框架。