DFB激光器介绍

2016-10-14 10:44:24 点击：

DFB激光器

DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。目前，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），目前可高达40-50dB以上。

中文名DFB激光器外文名 Distributed Feedback Laser别名分布式反馈激光器属于侧面发射的半导体激光器

工艺结构

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制造工艺　DFB芯片的制作工艺非常复杂，体现了半导体产品在生产制造上的最复杂程度，下表是DFB激光器的主要生产工艺流程（从材料生长到封装的整个过程）：

Process（工艺流程）	Back End（后续处理）
GaSb-processing（锑化镓材料生长）	cleaving（切割）
coating / lift-off（镀膜/剥离）	facet coating（端面镀膜）
optical lithography（光学光刻）	characterization（参数塑造）
e-beam（电子束成象）	mounting (TO-header)（安装）
vapor coating（气相涂盖）	fiber coupling（光纤耦合）
etching（蚀刻）	burn-In（预烧）
electroplating（电解沉积）	......
quality control（质量控制）
……

DFB芯片结构设计

DFB芯片设计：芯片分为P极和N极，当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。

一、光纤通讯

通讯是DFB的主要应用，如1310nm，1550nm DFB激光器的应用，这里主要介绍非通讯波段DFB激光器的应用。

二、可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）

a) 过程控制 (HCl, O₂ …)

b) 火灾预警 (CO/CO2 ratio)

c) 成分检测 (moisture in natural gas)

d) 医疗应用 (blood sugar, breath gas, helicobacter)

e) 大气测量 (isotope composition of H₂O, O₂, CO)

f) 泄漏检查 (Methane)

g) 安全 (H₂S, HF)

h) 环境测量 (Ozone, Methane)

i) 科研 (Mars and space missions)

j) …

三、原子光谱学应用

k) 原子钟 (GALILEO, chip scale atomic clock)

l) 磁力计 (SERF)

m) ...

四、新兴市场

a) 精密测量 (Ellipsometry, 3D vision)

b) 夜视仪

c) 同位素监测 (distinction of 235UHF / 238UHF)

d) …

下表是DFB一些主要波长在激光气体分析、原子钟应用、Nd：YAG激光器种子源等领域上的应用：

DFB中心波长	主要应用	DFB中心波长	主要应用
760/761/763nm	氧气（O₂）分析	1590nm	硫化氢（H₂S）气体分析
852nm	CsD2铯原子钟	1580/2330nm	一氧化碳（CO）气体分析
894nm	CsD1铯原子钟	1579nm	一碳二碳（CO/CO₂）同时分析
1392/1877/2740nm	水分子（H₂O）分析	1654nm	甲烷（CH₄）气体分析
1064nm	Nd:YAG激光器种子源	1742nm	氯化氢（HCl）气体分析
1178nm	大功率光纤激光器种子源	1800nm/2650nm	一氧化氮（NO）气体分析
1273nm	氟化氢（HF）气体分析	2004nm/2680nm	二氧化碳（CO₂）气体分析
1341nm	溴化氢（HBr）气体分析	2257nm	氧化二氮（N₂O）气体分析
1512nm	氨气（NH₃）气体分析	3370nm	丙烷（C₃H₈）气体分析
1540nm	氰化氢（HCN）气体分析	.......	......

应应用案例

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1．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。

2．用于过程控制

· 监测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。

3．用于管道检测

天然气管道成分、泄漏检测。

4．用于太空研究

比如用于NASA实验室，俄罗斯航天局等。

厂厂商现状

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当前，DFB激光器芯片技术基本上由德国、美国、日本等发达国家掌握，比如德国Nanoplus、Sacher、Eagleyard、Toptica公司，美国Thorlabs、EM4、Power Technology、Sarnoff公司，日本NTT、Oclaro等公司。厂商非常多，但能够实现商业化生产的厂家并不多，主要有Nanoplus、Eagleyard、NTT、Thorlabs等几家公司。

目前国内还没有成熟的DFB芯片生产技术，由于成品率低基本上没有形成商业化，国内生产的DFB激光器主要是基于对国外芯片的封装生产，主要表现为对通讯波段的生产和应用。

发发展

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DFB激光器的发展方向是，更宽的谐调范围和更窄的线宽，在一个DFB激光器集成两个独立的光栅，实现更宽的波长谐调范围，比如达到100nm谐调范围，以及更窄的光谱线宽，最终用一个DFB激光器实现检测多种气体的功能；更长的中心波长，从750nm到3500nm，并逐渐往4000nm甚至更高的中心波长发展；更高的功率，由于目前DFB激光器功率普遍较低，高功率能够实现长距离、多路等更广泛的应用。

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