DFB激光器

分布式反馈激光器

DFB( Distributed Feedback Laser)激光器，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。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。

工艺结构

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）：

DFB芯片结构设计　DFB芯片大小：如图1，芯片大小可以在成人大拇指上形象地看出来。

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。其注入电流方向和激光发射示意图如下：

应用原理

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)

(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

(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：

下图是Harvard所研究的Hitran数据库在750-3500nm之间的光谱吸收图，可以作为大部分气体分析的数据参考：

应用案例

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。

厂商现状

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。

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。

发展

DFB激光器的发展方向是，更宽的调谐范围和更窄的线宽，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。

郎美通公司科学家开发出一种新型分布式反馈激光器，可在创纪录的10公里距离内以200吉字节/秒的速度传输数据，有望使互联网数据中心以前所未有的水平处理数据。

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