激光二極管可分為哪些種類？

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2023-02-09 11:40:59 567

激光二極管也被稱為半導(dǎo)體激光器，通常簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)D。激光二極管又可以細(xì)分為多個(gè)類別，下邊一起了解一下。

DFB-LD

F-P(法布里-珀羅）腔LD已成為常規(guī)產(chǎn)品，向高可靠低價(jià)化方向發(fā)展。DFB-LD的激射波長(zhǎng)主要由器件內(nèi)部制備的微小折射光柵周期決定，依賴沿整個(gè)有源層等間隔分布反射的皺褶波紋狀結(jié)構(gòu)光柵進(jìn)行工作。DFB-LD兩邊為不同材料或不同組分的半導(dǎo)體晶層，一般制作在量子阱QW有源層附近的光波導(dǎo)區(qū)。這種波紋狀結(jié)構(gòu)使光波導(dǎo)區(qū)的折射率呈周期性分布，其作用就像一個(gè)諧振控，波長(zhǎng)選擇機(jī)構(gòu)是光柵。利用QW材料尺寸效應(yīng)和DFB光柵的選模作用，所激射出的光的譜線很寬，在高速率調(diào)制下可動(dòng)態(tài)單縱模輸出。內(nèi)置調(diào)制器的DFB-LD滿足光發(fā)射機(jī)小型、低功耗的要求。

DFB-LD多采用Ⅲ和Ⅴ族元素組成的三元化合物、四元化合物，在1550nm波段內(nèi)，最成熟的材料是InGaAsP/InP。新型AIGaInAs/InP材料的研發(fā)日趨成熟，國(guó)際上僅少數(shù)幾家廠商可提供商用產(chǎn)品。優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，有源區(qū)為應(yīng)變超晶格QW。有源區(qū)周邊一般為雙溝掩埋或脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。有源區(qū)附近的光波導(dǎo)區(qū)為DFB光柵，采用一些特殊的設(shè)計(jì)，如：波紋坡度可調(diào)分布耦合、復(fù)耦合、吸收耦合、增益耦合、復(fù)合非連續(xù)相移等結(jié)構(gòu)，提高器件性能。生產(chǎn)技術(shù)中，金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積MOCVD和光柵的刻蝕是其關(guān)鍵工藝。MOCVD可精確控制外延生長(zhǎng)層的組分、摻雜濃度、薄到幾個(gè)原子層的厚度，生長(zhǎng)效率高，適合大批量制作，反應(yīng)離子束刻蝕能保證光柵幾何圖形的均勻性，電子束產(chǎn)生相位掩膜刻蝕可一步完成陣列光柵的制作。1550nmDFB-LD開始大量用于622Mb/s、2.5Gb/s光傳輸系統(tǒng)設(shè)備，對(duì)波長(zhǎng)的選擇使DFB-LD在大容量、長(zhǎng)距離光纖通信中成為主要光源。

同一芯片上集成多波長(zhǎng)DFB-LD與外腔電吸收調(diào)制器的單芯片光源也在發(fā)展中。研制成功的電吸收調(diào)制器集成光源，采用有源層與調(diào)制器吸收層共用多QW結(jié)構(gòu)。調(diào)制器的作用如同一個(gè)高速開關(guān)，把LD輸出變換成二進(jìn)制的0和1。在一塊芯片上形成40種不同的折射光柵，波長(zhǎng)1530--1590nm的40路調(diào)制器集成光源，信道間隔為200GHz。其開發(fā)目標(biāo)是集成100個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)的LD陣列，以進(jìn)行9.5THz超大容量的通信。

VCSEL

VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光）二極管的特點(diǎn)如下：從其頂部發(fā)射出圓柱形射束，射束無需進(jìn)行不對(duì)稱矯正或散光矯正，即可調(diào)制成用途廣泛的環(huán)形光束，易與光纖耦合；轉(zhuǎn)換效率非常高，功耗僅為邊緣發(fā)射LD的幾分之一；調(diào)制速度快，在1GHz以上；閾值很低,噪聲小；重直腔面很小，易于高密度大規(guī)模制作和成管前整片檢測(cè)、封裝、組裝，成本低。

VCSEL采用三明治式結(jié)構(gòu)，其中間只有20nm、1--3層的QW增益區(qū)，上、下各層是由多層外延生長(zhǎng)薄膜形成的高反射率為100%的布拉格反射層，由此構(gòu)成諧振腔。相干性極高的激光束最后從其頂部激射出。多家廠商有1550nm低損耗窗口與低色散的可調(diào)諧VCSEL樣品展示。1310nm的產(chǎn)品預(yù)計(jì)在今后1--2年內(nèi)上市?？烧{(diào)諧的典型器件是將一只普通980nmVCSEL與微光機(jī)電系統(tǒng)的反射腔集成組合，由曲形頂鏡、增益層、反射底鏡等構(gòu)成可產(chǎn)生中心波長(zhǎng)為1550nm的可調(diào)諧結(jié)構(gòu)，用一個(gè)靜電控制電壓將位于支撐薄膜上的頂端反射鏡定位，改變控制電壓就可調(diào)整諧振腔體間隙尺寸，從而達(dá)到調(diào)整輸出波長(zhǎng)的目的。在1528--1560nm范圍連續(xù)可調(diào)諧43nm，經(jīng)過2.5Gb/s傳輸500km實(shí)驗(yàn)無誤碼，邊模抑制優(yōu)于50dB。如果發(fā)射波長(zhǎng)在1310--1550nm之間的VCSEL能夠商業(yè)化生產(chǎn)，將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)光通信發(fā)展，使光網(wǎng)絡(luò)更加靠近家庭。已有許多公司公布了這種波長(zhǎng)的VCSEL原型機(jī)的一些技術(shù)數(shù)據(jù)。

DBR-LD

DBR-LD（分布布拉格反射器激光二極管）最具代表性的是超結(jié)構(gòu)光柵SSG結(jié)構(gòu)。器件中央是有源層，兩邊是折射光柵形成的SSG區(qū)，受周期性間隔調(diào)制，其反射光譜變成梳狀峰，梳狀光譜重合的波長(zhǎng)以大的不連續(xù)變化，可實(shí)現(xiàn)寬范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧。采用DBR-LD構(gòu)成波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，與調(diào)制器單片集成，其芯片左側(cè)為雙穩(wěn)態(tài)激光器部分，有兩個(gè)激活區(qū)和一個(gè)用作飽和吸收的隔離區(qū)；右側(cè)是波長(zhǎng)控制區(qū)，由移相區(qū)和DBR構(gòu)成。

1550nm多冗余功能可調(diào)諧DBR-LD可獲得16個(gè)頻率間隔為100GHz或32頻率間隔為50GHz的波長(zhǎng)，隨著大約以10nm間隔跳模，可獲得約100nm的波長(zhǎng)調(diào)諧。除保留已有的處理和封裝工藝外，還增加了納秒級(jí)的波長(zhǎng)開關(guān)，擴(kuò)大調(diào)諧范圍。

FG-LD

FG-LD(光纖光柵激光二極管）利用已成熟的封裝技術(shù)，將含有FG的光纖與端面鍍有增透膜的F-P腔LD耦合而成可調(diào)諧外腔結(jié)構(gòu)的激光器，由LD芯片、空氣間隙、光纖前端的光纖部分組成，光學(xué)諧振腔在光柵和LD外端面之間。LD的內(nèi)端面鍍有增透膜，以減小其F-P模式，F(xiàn)G用來反饋選模,由于其極窄的濾波特性，LD工作波長(zhǎng)將控制在光柵的布拉格發(fā)射峰帶寬內(nèi)，通過加壓應(yīng)變或改變溫度的方法，調(diào)諧FG的布拉格波長(zhǎng)，就可以得到波長(zhǎng)可控制的激光輸出。FG-LD制作組裝相對(duì)簡(jiǎn)單，性能卻可與DFB-LD相比擬，激射波長(zhǎng)由FG的布拉格波長(zhǎng)決定，因此可以精控，單模輸出功率可達(dá)10mW以上，小于2.5kHz的線寬，較低的相對(duì)強(qiáng)度噪聲與較寬的調(diào)諧范圍（50nm），在光通信的某些領(lǐng)域有可能替代DFB-LD。已進(jìn)行用于2.5Gb/sx64路的信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，效果很好。

GCSR-LD

GCSR-LD（光柵耦合采樣反射激光二極管）是一種波長(zhǎng)可大范圍調(diào)諧的LD，其結(jié)構(gòu)從左往右分別為增益、耦合器、相位、反射器區(qū)域，改變其增益、耦合、相位和反射器各個(gè)部分的注入電流，就可改變其發(fā)射波長(zhǎng)。此LD波長(zhǎng)可調(diào)范圍約80nm，可提供322個(gè)國(guó)際電信聯(lián)盟ITU-T建議的波長(zhǎng)表內(nèi)的波長(zhǎng)，已進(jìn)行壽命試驗(yàn)。

MOEMS-LD

MOEMS-LD（微光機(jī)電系統(tǒng)激光二極管）用靜電方式控制可移動(dòng)表面設(shè)定或調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)中物理尺寸，進(jìn)行光波的水平方向調(diào)諧。采用自由空間微光學(xué)平臺(tái)技術(shù)，控制腔鏡位置實(shí)現(xiàn)F-P腔腔長(zhǎng)的變化，帶來60nm的可調(diào)諧范圍。這種結(jié)構(gòu)既可作可調(diào)諧光器件，也可用于半導(dǎo)體激光器集成，構(gòu)成可調(diào)諧激光器。

其它類型LD

光模塊激光二極管內(nèi)置MQWF-P腔LD或DFB-LD、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路，輸出光信號(hào)。其體積小，可靠性高，使用方便，在城域網(wǎng)、同步傳輸系統(tǒng)、同步光纖網(wǎng)絡(luò)中都大量采用2.5Gb/s光發(fā)射模塊，10Gb/s、40Gb/s處于初期試用階段，向高速化、低成本、微型化發(fā)展。利用高分子材料Polymer折射率隨溫度變化特性，加熱器改變高分子材料光柵溫度，引發(fā)其折射率和光柵節(jié)距變化，使其反射波長(zhǎng)改變。已研制出Polymer-AWG波長(zhǎng)可調(diào)的集成模塊,有16個(gè)波長(zhǎng)通道，波長(zhǎng)間隔200GHz，插損8--9dB，串?dāng)_-25dB。用一個(gè)高速調(diào)制器對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行時(shí)間調(diào)制的多波長(zhǎng)LD正處于研制階段。這是一種全新的多波長(zhǎng)和波長(zhǎng)可編程光源。

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