半导体激光器如何实现单纵模输出？

离散模半导体激光器实现单纵模输出

应用方向：TDLAS

DM分离模式激光器

单纵模窄线宽半导体激光器是 TDLAS 等气体分析监测设备的常用激光器，爱尔兰Eblana Photonics公司专利的离散模半导体激光器 DM(Discrete mode diode laser)是一种同时具备高性能，高产量与低价格的优异产品。可以广泛应用在：

• 气体分析检测

• FMCW 车载激光雷达

• 超高带宽光纤通信等领域

简单讲，DM离散模半导体激光器与DFB分布反馈式单纵模半导体激光器类似，都是在F-P法布里-波罗半导体激光器的基础上进行二次加工，从而实现单纵模输出。而DM离散模半导体激光器性能更出色，更适合大批量工业生产，也正因为Eblana Photonics公司拥有离散模半导体激光器大规模工业量产的能力，在提供实现性能更高单纵模激光器的同时把售价做到比竞品更低。

图 1. 在 F-P 半导体脊波导上做刻蚀工艺

请参考（如图1.）这是一个标准的F-P半导体激光器，Eblana Photonics 公司拥有专利的这种离散模半导体激光器制备工艺，是在 F-P 半导体激光器脊波导上一系列特定的位置，刻蚀上特定间距和深度的沟槽（如图2）。

图 2.电子显微镜下离散模激光沟槽的形貌

这一系列沟槽结构导致的激光介质折射率变化会干扰激光在F-P谐振腔内的传输模式，从而导致不同波长激光在谐振腔内的增益/衰减系数不同。举个例子，（如图3所示，标准 F-P半导体激光器的输出包含多个纵模）。

图3. F-P 半导体激光器谱线输出（多纵模）

图4. 沟槽结构实现单一纵模高增益

如前言，Eblana Photonics蚀刻出上述沟槽结构后，干扰并抑制了F-P 激光器的几乎所有纵模，而唯独留下特定的一个纵模实现不受干扰的高增益（如图4）。从而获得了理想的单纵模窄线宽半导体激光输出（如图5）。

图5. 离散模半导体激光器是实现的单纵模输出

我们把此种工艺加工出的半导体激光器称之为离散模半导体激光器 DM(Discrete mode diodelaser)。

图 6. a.激光腔镜间衰减系数曲线，b.离散模半导体激光器实现单纵模输出

将上述三个曲线合在一个图内（如图6），图6a.刻蚀沟槽结构后在不同波长下F-P激光腔镜间衰减系数曲线，多数波长点高衰减系数达到的结果是把图6右F-P半导体激光器的多数纵模成功抑制，而只留下图6b所示单独一个离散的纵模形成不受影响的单纵模输出，且能保持很好的边模抑制比(如图约45dB）。这种制备工艺有一个重大好处是无需再次引入半导体外延生长工艺，在提升产品性能的同时经济性极佳。

由于离散模工艺结构在内部就抑制了边模的增益，带来的另外一个好处是可以做到宽范围波长调谐下无跳模，（如图7和图8）。

图 7. DMLD 离散模半导体激光器在不同温度下的输出光谱，可见变温条件下仍保持单模输出且边模抑制比好于 40db

图 8.DMLD 离散模半导体激光器在 15-40 度宽范围调温调谐波长 1543-1545nm

离散模工艺结构还可以抑制反馈回F-P激光腔镜内的激光干扰，带来的好处是允许客户使用规格更低的光隔离器，甚至往往不加光隔离器也可以正常工作。（如图9）可见，和DFB分布反馈式

半导体激光相比，同样用于光纤通信应用，在同等情况下，如果希望达到同等的 BER 1.E-8（即百万分之一的比特误码率），DM离散模半导体激光器可允许高达-20dBm的反馈激光，而DFB分布反馈式半导体激光器只能允许-30dBm的反馈干扰激光强度。

图 9. DM 离散半导体激光器与 DFB 分布反馈半导体激光器对反馈干扰强度的允许度

DM离散模半导体激光器比较DFB分布反馈半导体激光器的另外一个好处是可提供更窄的输出线宽，（如图10）相对于同等DFB分布反馈半导体激光器 10MHz以上的线宽，DM离散模半导体激光器可提供大致100kHz左右的激光输出线宽。

图10. DM 离散半导体激光器与 DFB 分布反馈半导体激光器的线宽更窄

优点

• 稳定的单纵模输出;

• 可提供更窄的线宽;

• 超宽的工作温度适应范围;

• 在有强光反馈的情况下仍能稳定工作;

• 制造工艺简单可靠，产量高且交期短;

• 容易集成;

• 低价格.

气体分析检测

TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱）是利用可调谐的窄线宽半导体激光器线宽窄与可调谐的优点，将激光器的发射峰严格调谐到待测气体的吸收峰上，实现高精度，抗干扰，在线式的气体浓度检测。

Eblana Photonics 离散模半导体激光器特点：

• 窄线宽，稳定的单纵模输出;

• 可达 2nm 以上的无跳模波长调谐;

• 容易集成，产量高，交期短，价格低;

• 宽工作温度适应范围，耐光反馈.

NH3 氨气检测  1512nm

CH4 甲烷检测  1654nm

CO 一氧化碳检测 2327nm

图11. DM离散半导体激光器典型波长与对应气体吸收峰位

激光雷达

Eblana Photonics离散模半导体激光器在1550nm人眼安全波段可用于激光雷达应用。其激光线宽可窄到100kHz,适合应用于激光多普勒测速应用。另外由于可做宽范围无跳模波长调谐，适合于高端的FMCW调频连续波车载激光雷达应用。需要提及的是离散模半导体激光器输出功率是mW级别，适合于做种子光源；需要在后续附加光纤放大器以达到瓦量级的输出功率。

超高带宽光纤通信

在光纤通讯应用里面，激光的线宽越窄，可供使用的信道带宽就越宽。Eblana Photonics的离散模半导体激光器制造工艺简单可靠，产量高且交期短，耐受严酷使用环境，非常适合于产业化的超高带宽光纤通信。

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https://www.teo.com.cn/index.php/show/484/1086.html