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分布式反馈激光器——整个激光谐振腔由周期性结构组成的激光器,其中发生布拉格反射

时间:2021-08-06 来源:新特光电 访问量:1020

分布式反馈激光器即DFB( Distributed Feedback Laser)激光器,属于侧面发射的半导体激光器,是一种类型的激光二极管、量子级联激光器或光纤激光器,其中设备的活性区域包含周期性结构的元件或衍射光栅。其不同之处是内置了布拉格光栅(Bragg Grating),该光栅为激光器提供光反馈。该纵向衍射光栅的折射率周期性变化导致反射回空腔。周期性变化可以是折射率的实部,也可以是虚部(增益或吸收)。最强的光栅以一阶工作-周期性为二分之一波,并且光向后反射。分布式反馈激光器往往比Fabry-Perot或DBR激光器稳定得多,并且在需要干净的单模运行时尤其是在高速光纤通信中经常使用。DFB激光器主要以半导体材料为介质,包括锑化镓(GaSb)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性(即光谱纯度),它的线宽普遍可以做到1MHz以内,以及具有非常高的边模抑制比(SMSR),可高达40-50dB以上。

DFB光纤激光器

DFB光纤激光器,包含一个中间有相变的光纤布拉格光栅,直接写入掺稀土光纤。

大多数分布式反馈激光器是光纤激光器或半导体激光器,在单谐振腔模式下运行(→ 单频运行)。在光纤激光器的情况下,分布反射发生在光纤布拉格光栅中,通常具有几毫米或几厘米的长度。只有在光纤的高掺杂浓度下才能实现有效的泵浦吸收,不幸的是,将布拉格光栅写入具有成分(例如磷酸盐玻璃)的光纤中通常并不容易) 允许高掺杂浓度。因此,输出功率通常相当有限(例如几十毫瓦)。但是,这种单频光纤激光器非常简单紧凑。尽管基本线宽限制(Schawlow-Townes 线宽)高于更长的光纤激光器,但它的紧凑性和稳健性也导致低强度和相位噪声水平,即也低线宽。

半导体DFB激光器可以用集成光栅结构构建,例如波纹波导。光栅结构可以制作在有源区的顶部,然而这需要耗时的再生长技术。另一种方法是制作横向耦合结构,其中光栅位于有源区的两侧。半导体DFB激光器可用于至少在0.8μm至2.8μm范围内的不同光谱区域中的发射。典型的输出功率为几十毫瓦。线宽通常为几百MHz,波长调谐通常可以超过几纳米。例如在DWDM系统中使用的温度稳定设备可以表现出高波长稳定性。

DFB激光器不应与DBR激光器混淆= 分布式布拉格反射激光器。

分布反馈(DFB)半导体激光器的结构和工作机理

DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现,而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合,如下图所示。

DFB激光器栅距

图中光栅的周期为A,称为栅距。

当电流注入激光器后,有源区内电子——空穴复合,辐射出能量相应的光子,这些光子将受到有源层表面每一条光栅的反射。在DFB激光器的分布反馈中,此时的反射是布拉格发射,光栅的栅条间入射光和反射光的方向恰好相反。满足Α=mλn/2公式中的那些特定波长的光才会受到强烈反射,从而实现动态单纵模工作。式也称为分布反馈条件(一般m取1)。

DFB激光器的特点

与一般F—P腔激光器相比,DFB激光器具有以下两大优点,因而在目前的光纤通信系统中得到广泛应用。

  • 动态单纵模窄线宽输出:由于DFB激光器中光栅的栅距(A)很小,形成一个微型谐振腔,对波长具有良好的选择性,使主模和边模的阈值增益相对较大,从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽,并能保持动态单纵模输出。

  • 波长稳定性好:由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长,其温度漂移约为0.8Å/℃,比F—P腔激光器要好得多。

DFB激光器的应用领域

  • 用于发电站:严格监控各气体的成分比率:H2O,O2,CO,CO2,NH3,NO2等;实现更快更有效的燃烧;减少污染物的排放,减小能耗。

  • 用于过程控制:测HCl的浓度,优化PVC材料的生产;监测燃烧室中O2,CO,CO2的浓度,控制钢铁的熔炼过程。

  • 用于管道检测:天然气管道成分、泄漏检测。

  • 用于太空研究:比如用于NASA实验室,俄罗斯航天局等。

G&H分布式反馈激光器和模块

分布式反馈激光器(DFB激光器)同时提供对波长的平滑、可调谐控制以及精确光纤通信和光谱应用所需的极窄光谱宽度。集成模块在具有简单调谐接口的紧凑型OEM封装中进一步缩小了谱线。G&H提供各种C波段和L波段、50或100GHz信道间隔以及1310nm、1064nm和自定义波长的DFB激光器。功率级别选项包括用于高功率14针激光器的40-100mW光纤输出和用于高带宽7针配置的10-18mW 选项。

G&H分布式反馈激光器

G&H分布式反馈激光器

G&H开发了许多DFB激光器设计,以提高特定客户应用的性能,并且继续开发新的DFB激光器设计以提高效率、隔离度和精度:

  • 集成热电冷却器 (TEC) 可以降低总电流消耗或扩大允许的环境温度范围。

  • 精密热敏电阻可在半导体芯片最关键位置提供更准确的温度反馈和控制。

  • 内部隔离器可保护激光器免受噪声扰动和其他组件返回的光造成的灾难性损坏。

除了1-1.62毫米范围内的各种标准波长选项外,还可根据要求提供其他定制选项。并提供具有出色线宽性能的紧凑型OEM模块。所有模块均包含集成DFB激光器、低噪声二极管驱动器和TEC控制器。如果需要,用户只需提供一个简单的5V电源和基于电压的调谐信号即可进行温度或电流(线性调频)调整。为二极管加入超低噪声电流源可大大改善线宽。 

Frankfurt Laser波长稳定激光二极管

由Vsevolod Mazo博士于1994年创立的Frankfurt Laser Company (FLC)成为25年以来半导体激光器的公司之一。该公司提供从可见光到紫外和红外和远红外的激光源,激光二极管,超发光二极管,激光模块,激光系统,DPSS激光器或MID-IR LED,包括单模和多模,自由空间光束和光纤耦合。

Frankfurt Laser稳定激光二极管

可从FLC获得的激光二极管包括所有物理类型,例如FP(法布里-珀罗),DFB,DBR,VCSEL,ICL(带间级联激光器)和QCL(量子级联激光器)。可用波长范围为266 nm至16μm。在红外范围内,提供的功率高达3000瓦。此外,FLC还提供激光二极管驱动器和衍射光学(DOE)。它专注于定制激光二极管模块,该模块具有定制的波长,功率和光束整形,无论是点,线还是由衍射和折射光学器件生成的特殊形状。并且产品范围在不断增长。从图像处理到工业和研究的多种应用,再到医学领域,FLC的激光组件随处可见。其中提供的波长稳定激光二极管覆盖760nm~3640nm的波长范围。

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