DFB雷射器

DFB雷射器

DFB( Distributed Feedback Laser),即分散式反饋雷射器,其不同之處是內置了布拉格光柵(Bragg Grating),屬於側面發射的半導體雷射器。目前,DFB雷射器主要以半導體材料為介質,包括銻化鎵(GaSb)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。DFB雷射器最大特點是具有非常好的單色性(即光譜純度),它的線寬普遍可以做到1MHz以內,以及具有非常高的邊模抑制比(SMSR),目前可高達40-50dB以上。

DFB雷射器工藝和結構

DFB雷射器DFB雷射器
製造工藝

DFB晶片的製作工藝非常複雜,體現了半導體產品在生產製造上的最複雜程度,下表是DFB雷射器的主要生產工藝流程(從材料生長到封裝的整個過程):

Process(工藝流程) Back End(後續處理)
GaSb-processing(銻化鎵材料生長) cleaving(切割)
coating / lift-off(鍍膜/剝離) facet coating(端面鍍膜)
optical lithography (光學光刻) characterization(參數塑造)
e-beam(電子束成象) mounting (TO-header)(安裝)
vapor coating(氣相 塗蓋 ) fiber coupling(光纖耦合)
etching (蝕刻) burn-In( 預燒 )
electroplating( 電解沉積 ) ......
quality control(質量控制)
……
DFB晶片結構設計

DFB晶片大小:如下圖,晶片大小可以在成人大拇指上形象地看出來。

DFB雷射器DFB雷射器

DFB晶片設計:晶片分為P極和N極,當注入p-n結的電流較低時,只有自發輻射產生,隨電流值的增大增益也增大,達閾值電流時,p-n結產生雷射。其注入電流方向和雷射發射示意圖如下:

DFB雷射器DFB雷射器
DFB雷射器DFB雷射器

DFB雷射器原理和套用

一、光纖通訊

通訊是DFB的主要套用,如1310nm,1550nm DFB雷射器的套用,這裡主要介紹非通訊波段DFB雷射器的套用。

二、可調諧半導體雷射吸收光譜技術(TDLAS)

a) 過程控制 (HCl, O2 …)

b) 火災預警 (CO/CO2 ratio)

c) 成分檢測 (moisture in natural gas)

d) 醫療套用 (blood sugar, breath gas, helicobacter)

e) 大氣測量 (isotope composition of H2O, O2, CO)

f) 泄漏檢查 (Methane)

g) 安全 (H2S, HF)

h) 環境測量 (Ozone, Methane)

i) 科研 (Mars and space missions)

j) …

三、原子光譜學套用

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

l) 磁力計 (serf)

m) ...

四、新興市場

a) 精密測量 (Ellipsometry, 3D vision)

b) 夜視儀

c) 同位素監測 (distinction of 235UHF / 238UHF)

d) …

DFB中心波長 主要套用 DFB中心波長 主要套用
760/761/763nm 氧氣(O2)分析 1590nm 硫化氫(H2S)氣體分析
852nm CsD2銫原子鐘 1580/2330nm 一氧化碳(CO)氣體分析
894nm CsD1銫原子鐘 1579nm 一碳二碳(CO/CO2)同時分析
1392/1877/2740nm 水分子(H2O)分析 1654nm 甲烷(CH4)氣體分析
1064nm Nd:YAG雷射器種子源 1742nm 氯化氫(HCl)氣體分析
1178nm 大功率光纖雷射器種子源 1800nm/2650nm 一氧化氮(NO)氣體分析
1273nm 氟化氫(HF) 氣體分析 2004nm/2680nm 二氧化碳(CO2)氣體分析
1341nm 溴化氫(HBr) 氣體分析 2257nm 氧化二氮(N2O)氣體分析
1512nm 氨氣(NH3)氣體分析 3370nm 丙烷(C3H8)氣體分析
1540nm 氰化氫( HCN )氣體分析 ....... ......
下圖是Harvard所研究的Hitran資料庫在750-3500nm之間的光譜吸收圖,可以作為大部分氣體分析的數據參考:
DFB雷射器DFB雷射器

DFB雷射器的套用案例

1.用於發電站

DFB雷射器DFB雷射器

· 嚴格監控各氣體的成分比率:H2O, O2, CO, CO2, NH3, NO2等;

· 實現更快更有效的燃燒;

· 減少污染物的排放,減小能耗。

2.用於過程控制

· 監測HCl 的濃度,最佳化PVC材料的生產;

· 監測燃燒室中 O2, CO, CO2 的濃度,控制鋼鐵的熔煉過程。

DFB雷射器DFB雷射器

3.用於管道檢測

天然氣管道成分、泄漏檢測。

DFB雷射器DFB雷射器

4.用於太空研究

比如用於NASA實驗室,俄羅斯航天局等。

DFB雷射器DFB雷射器

DFB雷射器國內外廠商現狀

當前,DFB雷射器晶片技術基本上由德國、美國、日本等已開發國家掌握,比如德國Nanoplus、Sacher、Eagleyard、Toptica公司,美國Thorlabs、EM4、Power Technology、Sarnoff公司,日本NTT、Oclaro等公司。廠商非常多,但能夠實現商業化生產的廠家並不多,主要有Nanoplus、Eagleyard、NTT、Thorlabs等幾家公司。由於部分國家對DFB雷射器的技術保護,部分產品對中國禁售,目前主要通過代理商向國內銷售,主要包括Nanoplus代理商深圳市華儒科技、Eagleyard代理商富泰(香港)科技、NTT北京代表處、Thorlabs代理商上海瞬渺光電科技等等。

由於DFB雷射器內部光柵的特殊技術,能夠篩選出從750nm到3500nm,甚至更長中心波長的DFB雷射器,但能夠準確地篩選中心波長非常困難,目前Nanoplus具有絕對的優勢,能夠篩選從750nm到3500nm之間的任意中心波長,其它廠商暫時只能篩選比如從750nm到1200nm部分中心波長,或者從1000nm到2400nm部分中心波長。從一些國外最新發表論文看,通過對新物質材料的研究,Nanoplus已經把中心波長做到了4000nm,其它公司也開始往2000-3000nm之間發展,在材料的研究和工藝技術上展開了激烈的競爭。

目前國內還沒有成熟的DFB晶片生產技術,由於成品率低基本上沒有形成商業化,國內生產的DFB雷射器主要是基於對國外晶片的封裝生產,主要表現為對通訊波段的生產和套用。

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