激光二极管可分为哪些种类？

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2023-02-09 09:00:45 538

激光二极管也被称为半导体激光器，通常简称为LD。激光二极管又可以细分为多个类别，下边一起了解一下。

DFB-LD

F-P(法布里-珀罗）腔LD已成为常规产品，向高可靠低价化方向发展。DFB-LD的激射波长主要由器件内部制备的微小折射光栅周期决定，依赖沿整个有源层等间隔分布反射的皱褶波纹状结构光栅进行工作。DFB-LD两边为不同材料或不同组分的半导体晶层，一般制作在量子阱QW有源层附近的光波导区。这种波纹状结构使光波导区的折射率呈周期性分布，其作用就像一个谐振控，波长选择机构是光栅。利用QW材料尺寸效应和DFB光栅的选模作用，所激射出的光的谱线很宽，在高速率调制下可动态单纵模输出。内置调制器的DFB-LD满足光发射机小型、低功耗的要求。

DFB-LD多采用Ⅲ和Ⅴ族元素组成的三元化合物、四元化合物，在1550nm波段内，最成熟的材料是InGaAsP/InP。新型AIGaInAs/InP材料的研发日趋成熟，国际上仅少数几家厂商可提供商用产品。优化器件结构，有源区为应变超晶格QW。有源区周边一般为双沟掩埋或脊型波导结构。有源区附近的光波导区为DFB光栅，采用一些特殊的设计，如：波纹坡度可调分布耦合、复耦合、吸收耦合、增益耦合、复合非连续相移等结构，提高器件性能。生产技术中，金属有机化学汽相淀积MOCVD和光栅的刻蚀是其关键工艺。MOCVD可精确控制外延生长层的组分、掺杂浓度、薄到几个原子层的厚度，生长效率高，适合大批量制作，反应离子束刻蚀能保证光栅几何图形的均匀性，电子束产生相位掩膜刻蚀可一步完成阵列光栅的制作。1550nmDFB-LD开始大量用于622Mb/s、2.5Gb/s光传输系统设备，对波长的选择使DFB-LD在大容量、长距离光纤通信中成为主要光源。

同一芯片上集成多波长DFB-LD与外腔电吸收调制器的单芯片光源也在发展中。研制成功的电吸收调制器集成光源，采用有源层与调制器吸收层共用多QW结构。调制器的作用如同一个高速开关，把LD输出变换成二进制的0和1。在一块芯片上形成40种不同的折射光栅，波长1530--1590nm的40路调制器集成光源，信道间隔为200GHz。其开发目标是集成100个发射波长的LD阵列，以进行9.5THz超大容量的通信。

VCSEL

VCSEL（垂直腔面发射激光）二极管的特点如下：从其顶部发射出圆柱形射束，射束无需进行不对称矫正或散光矫正，即可调制成用途广泛的环形光束，易与光纤耦合；转换效率非常高，功耗仅为边缘发射LD的几分之一；调制速度快，在1GHz以上；阈值很低,噪声小；重直腔面很小，易于高密度大规模制作和成管前整片检测、封装、组装，成本低。

VCSEL采用三明治式结构，其中间只有20nm、1--3层的QW增益区，上、下各层是由多层外延生长薄膜形成的高反射率为100%的布拉格反射层，由此构成谐振腔。相干性极高的激光束最后从其顶部激射出。多家厂商有1550nm低损耗窗口与低色散的可调谐VCSEL样品展示。1310nm的产品预计在今后1--2年内上市。可调谐的典型器件是将一只普通980nmVCSEL与微光机电系统的反射腔集成组合，由曲形顶镜、增益层、反射底镜等构成可产生中心波长为1550nm的可调谐结构，用一个静电控制电压将位于支撑薄膜上的顶端反射镜定位，改变控制电压就可调整谐振腔体间隙尺寸，从而达到调整输出波长的目的。在1528--1560nm范围连续可调谐43nm，经过2.5Gb/s传输500km实验无误码，边模抑制优于50dB。如果发射波长在1310--1550nm之间的VCSEL能够商业化生产，将会进一步促进光通信发展，使光网络更加靠近家庭。已有许多公司公布了这种波长的VCSEL原型机的一些技术数据。

DBR-LD

DBR-LD（分布布拉格反射器激光二极管）最具代表性的是超结构光栅SSG结构。器件中央是有源层，两边是折射光栅形成的SSG区，受周期性间隔调制，其反射光谱变成梳状峰，梳状光谱重合的波长以大的不连续变化，可实现宽范围的波长调谐。采用DBR-LD构成波长转换器，与调制器单片集成，其芯片左侧为双稳态激光器部分，有两个激活区和一个用作饱和吸收的隔离区；右侧是波长控制区，由移相区和DBR构成。

1550nm多冗余功能可调谐DBR-LD可获得16个频率间隔为100GHz或32频率间隔为50GHz的波长，随着大约以10nm间隔跳模，可获得约100nm的波长调谐。除保留已有的处理和封装工艺外，还增加了纳秒级的波长开关，扩大调谐范围。

FG-LD

FG-LD(光纤光栅激光二极管）利用已成熟的封装技术，将含有FG的光纤与端面镀有增透膜的F-P腔LD耦合而成可调谐外腔结构的激光器，由LD芯片、空气间隙、光纤前端的光纤部分组成，光学谐振腔在光栅和LD外端面之间。LD的内端面镀有增透膜，以减小其F-P模式，FG用来反馈选模,由于其极窄的滤波特性，LD工作波长将控制在光栅的布拉格发射峰带宽内，通过加压应变或改变温度的方法，调谐FG的布拉格波长，就可以得到波长可控制的激光输出。FG-LD制作组装相对简单，性能却可与DFB-LD相比拟，激射波长由FG的布拉格波长决定，因此可以精控，单模输出功率可达10mW以上，小于2.5kHz的线宽，较低的相对强度噪声与较宽的调谐范围（50nm），在光通信的某些领域有可能替代DFB-LD。已进行用于2.5Gb/sx64路的信号传输的实验，效果很好。

GCSR-LD

GCSR-LD（光栅耦合采样反射激光二极管）是一种波长可大范围调谐的LD，其结构从左往右分别为增益、耦合器、相位、反射器区域，改变其增益、耦合、相位和反射器各个部分的注入电流，就可改变其发射波长。此LD波长可调范围约80nm，可提供322个国际电信联盟ITU-T建议的波长表内的波长，已进行寿命试验。

MOEMS-LD

MOEMS-LD（微光机电系统激光二极管）用静电方式控制可移动表面设定或调整光学系统中物理尺寸，进行光波的水平方向调谐。采用自由空间微光学平台技术，控制腔镜位置实现F-P腔腔长的变化，带来60nm的可调谐范围。这种结构既可作可调谐光器件，也可用于半导体激光器集成，构成可调谐激光器。

其它类型LD

光模块激光二极管内置MQWF-P腔LD或DFB-LD、控制电路、驱动电路，输出光信号。其体积小，可靠性高，使用方便，在城域网、同步传输系统、同步光纤网络中都大量采用2.5Gb/s光发射模块，10Gb/s、40Gb/s处于初期试用阶段，向高速化、低成本、微型化发展。利用高分子材料Polymer折射率随温度变化特性，加热器改变高分子材料光栅温度，引发其折射率和光栅节距变化，使其反射波长改变。已研制出Polymer-AWG波长可调的集成模块,有16个波长通道，波长间隔200GHz，插损8--9dB，串扰-25dB。用一个高速调制器对每个波长进行时间调制的多波长LD正处于研制阶段。这是一种全新的多波长和波长可编程光源。

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