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【2024-11-2】 高速光模块所用激光器的各种分类

更新时间:2024-10-28 10:10:38 阅读量:644

激光器是一个非常庞大的家族,在高速光模块里,激光器也是一个很重要的核心光器件。


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对于光模块中的激光器,就有很多称呼和分类,我略把一些常见的分类贴出来,做个简单索引。

从宏观上来看,激光器按照发光材料也就是我们常说的增益材料来分,有固体激光器,液体激光器,气体激光器。

液体激光器、气体激光器,不如固体类的容易封装安置


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固体激光器也有很多不同的细类,比如晶体激光器,常说的红宝石激光器,YIG激光器等,这些大块头的激光器很难用在咱们那么小的光模块里。

比如光纤激光器,很大很大一块,这个用途可以放在汽车后备箱,用于激光雷达,但几乎不考虑放到光模块里,又贵又大。

但现在有个考虑,光纤不就是波导么,把光纤掺入增益离子,如铒离子,就成了增益材料,可发光。那把集成波导也掺入铒离子可以做到小型化的平替。


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但用增益波导做光纤激光器的平替,属于初期的技术探索,不成熟,未来能不能规模用于光纤通信的模块中,取决于技术的发展以及成本的考量。


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咱们光模块选的是“半导体”激光器,半导体材料容易控制电能,电流啊,电场啊,电压啊....,驾轻就熟的控制,且大多数核心芯片都比米粒还小,经济使用,与头发丝那么细的光纤,与同为半导体的各种集成电路(DSP\TIA\DRV...),采用同为半导体的探测器....,都是微型元器件的组合。

未来的集成方向,硅光集成,硅也是半导体,从原理上来理解也相对容易做技术平移。


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目前常用的激光器,选择的是化合物半导体,原因在于元素半导体很难发光,是间接带隙的材料。而化合物半导体可以选出来合适的直接带隙材料来做增益发光介质。


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在化合物材料里,最最普遍的,我们用GaAs类和Inp类,GaAs体系主要辐射小于1060nm的光,如850nm,如910nm...

InP类可辐射1.2微米以上的光,如1310nm、1286nm、1550nm、1577nm、1342nm等等等等


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在InP里边,咱们夹杂着InGaAsP、AlGaInAs等等材料,在GaAs里边还用到AlGaAs、InGaAs等等,这些元素位于三五族。

所以咱们现在常用的半导体激光器,也称之为“三五”激光器


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按照发光的方向来看,可以是面发射类型,也可以是边发射类型。

我们当然都期待设计成面发射,但激光器不仅仅需要一个发光方向,它还有更多的限制,VCSEL是面发射,我们很喜欢, 耦合方便,容易集成,容易测试,但牺牲的是发光功率,调制带宽,传输距离....

反之,边发射的激光器,是为了迁就更多的参数,如更大的输出功率,更好的单模控制,更窄的线宽,更大的调制带宽,更长的传输距离,更长的辐射波长....,我们的发光方向不得已被牺牲掉了,用边发射,提高了芯片的测试成本,提高了芯片的切割难度...


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我们用半导体材料做发光材料(也就是增益材料),这些材料如何设计结构,才能提高发光效率,那就是体材料、超薄层的量子阱结构,多层超薄层的多量子阱结构。

用量子阱结构,相比较体材料,发光效率得到大幅度的提升,就是说虽然现在基于量子阱技术的发光效率依然只有10-50%,可但是比起更早期的设计,那就是高了很多很多倍。

未来,期待量子点技术可实现产业化,量子点做增益结构,高温不会退化,像现在的量子阱技术的DFB或者EML,温度升高导致发光功率降低,那是没办法的事情。

还有量子点可以抗反射,而现在的量子阱激光器天天考虑如何抗反射,这也是没办法的事情,等着未来量子点技术成熟,就好了。

量子点结构,还具有天然的窄线宽,具有0啁啾...各种好处


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前两天是光芯片的封装议题,其中一部分就涉及到如何抗反射,这周六会从芯片的设计角度来看如何抗反射。这些抗反射的前提,是咱们用的量子阱技术


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激光器除了增益材料要发光外,还有一个很重要的“谐振”腔的设计,谐振是为了“放大”,激光器的全称叫做受激辐射光放大器。增益负责辐射光,谐振腔辐射放大光。

咱们天天说的VCSLE,全称就是垂直(谐振)腔面发射激光器。

DFB的全称叫分布反馈式(谐振腔)激光器。


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谐振腔会决定那个波长被放大,被放大的波长的纵模有多宽。被放大的纵模是否能调谐....


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DFB是应用极为广泛的一类激光器,DFB的分布式谐振腔是通过光栅来设计的,而光栅的结构与分布位置,也产生了很多的子类


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除了增益材料,谐振腔的分类外,

还有激光器输出光斑的控制,也就是横模的控制,或者说就是咱们常常提到的多模激光器、单模激光器。


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控制横模结构,控制光斑模式,与传输距离相关。

同时,横模结构的控制还与我们调制信号的带宽有关系,不同的波导结构,关联了横模模式,以及半导体的PN结电容,这个与速率和带宽的设计强相关。

T10T43 【通信基础】比特率、波特率、带宽


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比如EML,现在用前台面或者高台面的设计,很多,速率越高的设计台面被收的越窄,用来提高RC谐振频率,把这些破坏性的谐振移到工作频率之外。

而CW DFB则不需要考虑调制速率,那就可以选择宽台面浅台面,浅浅控制一下模式就行,或者用掩埋结构提高散热能力。

既然有这么多的分类,究其根底,无非是在满足特定场景的传输性能时,能选择到那个最符合我们需求的那些组合。我们的需求,可以是工作温度,输出功率,调制速率,成本,尺寸,寿命......等等。


周六展开细聊,菲魅18140517646


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