可調諧激光器原理與設計 【DFB 與 DBR 激光器剖析】
- 1. 可調諧激光器的原理與分類簡介
- 2. DFB 與 DBR 激光器結構原理比較
- 2.1 DFB（Distributed Feedback Laser）激光器
- 2.2 DBR（Distributed Bragg Reflector）激光器
- 2.3 DFB 激光器與 DBR 激光器 – 主要區別
- 一句話總結
- 3. 熱效應與載流子注入效應
- 4. 能帶收縮與帶邊移動
- 5. 諧振腔與有源區空間關系
- 6. DFB 激光器工藝流程與相位控制
- 7. 易混概念辨析
- 8. 主流廠商與產品
- 9. 術語速查表
- Reference
1. 可調諧激光器的原理與分類簡介
可調諧激光器指輸出波長可在一定范圍內調節的激光器，廣泛應用于光通信、光譜分析和傳感等領域。按調諧方式主要分為：
| 調諧方式 | 實現原理 | 典型調諧范圍 | 調諧速度 | 優缺點 |
|---|---|---|---|---|
| 電流調諧 | 改變注入電流 → 載流子注入 → 折射率/增益譜變化 | 幾 nm ~ 數十 nm | 快 (ns–μs) | 優點：速度快、可集成多電極；缺點：輸出功率受限、熱負荷大 |
| 溫度調諧 | 改變器件溫度 → 折射率/帶隙變化 | 幾 nm | 慢 (ms–s) | 優點：結構簡單、穩定；缺點：范圍小、需溫控 |
| 機械調諧 | 調整外腔光學元件（光柵、MEMS 等） | 數十 nm 以上 | 較慢 (ms–s) | 優點：范圍最大、功率高；缺點：體積大、復雜 |
實際產品中常組合使用：多段電流 + 溫控精調，或陣列切換 + MEMS。上述三種技術路線各有優勢，可根據應用需求選擇。例如，在光通信DWDM系統中，電流/溫度聯合調諧的單片集成激光器常用于快速調諧；而在需要超寬帶可調的場合（如光譜分析儀、可調諧光源模塊等），則多采用外腔機械調諧方案。
DFB 激光器按光柵對光場的耦合機理分類：折射率耦合、增益耦合、混合耦合
| 耦合方式 | 核心目的 | 波長調諧角色 |
|---|---|---|
| 折射率耦合 | 用周期性折射率光柵提供波長選擇性反饋，抑制邊模 → 保證單頻 | 調諧需額外溫控或電流微調，范圍有限 |
| 增益耦合 | 用周期性增益/損耗光柵天然打破模式簡并，直接選出唯一縱模 | 調諧可借電流改變增益譜，但范圍依然受限 |
| 混合耦合 | 同時利用折射率和損耗調制，兼顧單模選擇與工藝窗口 | 調諧同樣依賴多段電流或溫控 |
2. DFB 與 DBR 激光器結構原理比較
2.1 DFB（Distributed Feedback Laser）激光器
DFB 激光器是一種二極管激光器，通過利用衍射光柵而不是傳統反射鏡在腔內產生共振和振蕩。這種衍射光柵有助于確保激光器在窄線寬的單一波長下運行。分布式反饋 （DFB） 激光器的主要目的是改進和銳化傳統法布里-珀羅激光器的輸出，提供更穩定和精確的性能。
用光柵替換反射鏡賦予分布式反饋激光器一系列先進特性，包括周期性、空間調制增益、高效率、低閾值電流和單波長作。這些特性使 DFB 激光器非常適合需要精確波長控制的應用，例如電信和光譜學。
2.2 DBR（Distributed Bragg Reflector）激光器
DBR 激光器或分布式布拉格反射器激光器是有史以來最早（如果不是第一個）單頻激光器之一。這些激光器是可調諧單模二極管激光器，其諧振器由夾在兩個光纖布拉格光柵之間的短段有源光纖制成，用作波長特定的反射器。
與DFB激光器相比，DBR激光器在特定波長下產生單頻和相位相干光子，確保激光輸出精確穩定。DBR 激光器中的光柵充當在不同波長下具有可變反射率的反射鏡，使激光器能夠在窄光譜范圍內實現可調性，使其成為電信、光譜學和傳感等應用的理想選擇。
2.3 DFB 激光器與 DBR 激光器 – 主要區別
| 特性 | DFB 激光器 | DBR 激光器 |
|---|---|---|
| 光柵位置 | 嵌入有源增益區，與增益區完全重疊 | 位于增益區外，作為反射鏡 |
| 反饋機制 | 分布式布拉格光柵連續反饋 | 布拉格反射鏡集中反射 |
| 單模方法 | λ/4 相移或隨機端面相位 | 多段電極協同 + 游標效應 |
| 調諧范圍 | 連續 ~2 nm（溫控） | 連續 30–50 nm（電調多段） |
| 工藝難度 | 中（光柵需對準有源區） | 高（段間對準、鍍膜） |
| 典型應用 | 固定波長、高速直調 | 相干 DWDM、可調模塊 |
| 架構特點 | 內置低折射率對比光柵，諧振腔與增益區重合 | 外置高折射率對比光柵，諧振腔由增益段+光柵段組成] |
| 缺陷水平 | 表面氧化、污染風險高；長期可靠性略 | 光柵位于無源區，缺陷少，可靠性高 |
| 模式選擇 | 存在兩個對稱縱模，需額外手段抑制 | 僅支持增益峰處單縱模，波長選擇更精準 |
| 模式數量 | 默認雙模（對稱分布于布拉格波長兩側） | 單一模式輸出，無對稱伴模 |
一句話總結
- DFB：內置光柵、固定波長、雙模需抑制，適合高穩窄線寬場景。
- DBR：外置光柵、寬帶可調、天然單模，適合相干通信與雷達掃頻。
圖示：
- DFB：光柵貫穿增益區 → 單節芯片
- DBR：增益 + 相位 + 反射柵三段 → 多電極獨立控制
3. 熱效應與載流子注入效應
調諧過程中，改變激光器溫度或注入電流會影響半導體材料的折射率 (n) 和帶隙能量 (E)，進而引起激光波長偏移。以下從物理機制角度解釋熱效應和載流子注入效應如何改變折射率和帶隙：
| 效應 | 物理原因 | 波長漂移方向 | 時間尺度 |
|---|---|---|---|
| 熱效應 | 帶隙減小 + 折射率增大 | 紅移 | ms–s |
| 載流子注入 | 能帶填充/等離子體 vs 帶隙收縮 | 瞬態藍移 → 穩態紅移 | ns–μs |
直流工作：紅移為主；高速調制：出現啁啾（先藍后紅）。
4. 能帶收縮與帶邊移動
-
能帶收縮（Bandgap Narrowing）
高載流子 → 有效帶隙變小 → 紅移（不可逆）。 -
帶邊移動（Band Filling）
填充低能級 → 等效發射能量升高 → 藍移（瞬態，不改變本征帶隙）。
5. 諧振腔與有源區空間關系
| 激光器類型 | 諧振腔與有源區關系 | 影響 |
|---|---|---|
| DFB | 完全重合 | 高耦合效率、易單模 |
| DBR | 增益區 + 無源反射區 | 可調性高、需段間耦合 |
| 外腔 (ECL) | 絕大多數腔長在外部 | 線寬極窄、需精準對準 |
6. DFB 激光器工藝流程與相位控制
- 外延生長 – 有源區、波導層
- 光柵刻制 – 電子束/干涉曝光 → 納米級周期
- λ/4 相移 – 中心缺齒半個周期 → 打破簡并
- 波導 & 電極 – 脊波導、歐姆接觸
- 腔面處理 – 雙 AR 或 AR/HR 鍍膜
- 封裝測試 – TEC、光隔離器、光譜篩選
關鍵：相移誤差 < ±20 nm；腔面反射率 < 0.1 %。
7. 易混概念辨析
-
紅移 vs 藍移
升溫必紅移；電流先藍（瞬態）后紅（熱）。 -
帶隙“展寬”不存在
注入只能填充或收縮，不能使本征帶隙變大。 -
腔體短時：
熱效應 → 波長藍移（短波長方向）
載流子注入 → 波長紅移（長波長方向） -
腔體長時：
熱效應 → 波長紅移
載流子注入 → 波長藍移
8. 主流廠商與產品
| 廠商 | 代表產品 | 特點 |
|---|---|---|
| Coherent / II-VI (Finisar) | S7500 MG-Y | C 波段 89 信道，<0.1 s 切換 |
| Lumentum (NeoPhotonics) | Nano-ITLA | <100 kHz 線寬，+16 dBm，400G/800G 相干 |
| Broadcom (Avago) | Micro-ITLA | InP 外腔，無機械部件，符合 OIF 標準 |
9. 術語速查表
| 中文 | 英文 |
|---|---|
| 分布反饋激光器 | DFB Laser |
| 分布布拉格反射激光器 | DBR Laser |
| 布拉格光柵 | Bragg Grating |
| 有源區 | Active Region |
| 折射率 | Refractive Index |
| 帶隙 | Bandgap Energy |
| 紅移/藍移 | Red/Blue Shift |
| 相位躍變 | Phase Shift (π) |
| 增透膜 | AR Coating |
| 高反膜 | HR Coating |
總結
DFB 適合固定波長、低啁啾、高集成；DBR 適合寬調諧、相干通信。
理解熱/載流子效應、腔-增益空間關系，是設計高性能可調諧激光器的關鍵。
Reference
聚焦激光雷達（二）——激光器
DFB Laser vs. DBR Laser: 4 Major Differences
基于微米級表面結構的可調諧半導體激光器研究
DFB分布反饋激光器：設計和制作
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