可调谐激光器原理与设计 【DFB 与 DBR 激光器剖析】
可调谐激光器原理与设计 【DFB 与 DBR 激光器剖析】
- 1. 可调谐激光器的原理与分类简介
- 2. DFB 与 DBR 激光器结构原理比较
- 2.1 DFB（Distributed Feedback Laser）激光器
- 2.2 DBR（Distributed Bragg Reflector）激光器
- 2.3 DFB 激光器与 DBR 激光器 – 主要区别
- 一句话总结
- 3. 热效应与载流子注入效应
- 4. 能带收缩与带边移动
- 5. 谐振腔与有源区空间关系
- 6. DFB 激光器工艺流程与相位控制
- 7. 易混概念辨析
- 8. 主流厂商与产品
- 9. 术语速查表
- Reference
1. 可调谐激光器的原理与分类简介
可调谐激光器指输出波长可在一定范围内调节的激光器，广泛应用于光通信、光谱分析和传感等领域。按调谐方式主要分为：
| 调谐方式 | 实现原理 | 典型调谐范围 | 调谐速度 | 优缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 电流调谐 | 改变注入电流 → 载流子注入 → 折射率/增益谱变化 | 几 nm ~ 数十 nm | 快 (ns–µs) | 优点：速度快、可集成多电极；缺点：输出功率受限、热负荷大 |
| 温度调谐 | 改变器件温度 → 折射率/带隙变化 | 几 nm | 慢 (ms–s) | 优点：结构简单、稳定；缺点：范围小、需温控 |
| 机械调谐 | 调整外腔光学元件（光栅、MEMS 等） | 数十 nm 以上 | 较慢 (ms–s) | 优点：范围最大、功率高；缺点：体积大、复杂 |
实际产品中常组合使用：多段电流 + 温控精调，或阵列切换 + MEMS。上述三种技术路线各有优势，可根据应用需求选择。例如，在光通信DWDM系统中，电流/温度联合调谐的单片集成激光器常用于快速调谐；而在需要超宽带可调的场合（如光谱分析仪、可调谐光源模块等），则多采用外腔机械调谐方案。
DFB 激光器按光栅对光场的耦合机理分类：折射率耦合、增益耦合、混合耦合
| 耦合方式 | 核心目的 | 波长调谐角色 |
|---|---|---|
| 折射率耦合 | 用周期性折射率光栅提供波长选择性反馈，抑制边模 → 保证单频 | 调谐需额外温控或电流微调，范围有限 |
| 增益耦合 | 用周期性增益/损耗光栅天然打破模式简并，直接选出唯一纵模 | 调谐可借电流改变增益谱，但范围依然受限 |
| 混合耦合 | 同时利用折射率和损耗调制，兼顾单模选择与工艺窗口 | 调谐同样依赖多段电流或温控 |
2. DFB 与 DBR 激光器结构原理比较
2.1 DFB（Distributed Feedback Laser）激光器
DFB 激光器是一种二极管激光器，通过利用衍射光栅而不是传统反射镜在腔内产生共振和振荡。这种衍射光栅有助于确保激光器在窄线宽的单一波长下运行。分布式反馈 （DFB） 激光器的主要目的是改进和锐化传统法布里-珀罗激光器的输出，提供更稳定和精确的性能。
用光栅替换反射镜赋予分布式反馈激光器一系列先进特性，包括周期性、空间调制增益、高效率、低阈值电流和单波长作。这些特性使 DFB 激光器非常适合需要精确波长控制的应用，例如电信和光谱学。
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来最早（如果不是第一个）单频激光器之一。这些激光器是可调谐单模二极管激光器，其谐振器由夹在两个光纤布拉格光栅之间的短段有源光纤制成，用作波长特定的反射器。
与DFB激光器相比，DBR激光器在特定波长下产生单频和相位相干光子，确保激光输出精确稳定。DBR 激光器中的光栅充当在不同波长下具有可变反射率的反射镜，使激光器能够在窄光谱范围内实现可调性，使其成为电信、光谱学和传感等应用的理想选择。
2.3 DFB 激光器与 DBR 激光器 – 主要区别
| 特性 | DFB 激光器 | DBR 激光器 |
|---|---|---|
| 光栅位置 | 嵌入有源增益区，与增益区完全重叠 | 位于增益区外，作为反射镜 |
| 反馈机制 | 分布式布拉格光栅连续反馈 | 布拉格反射镜集中反射 |
| 单模方法 | λ/4 相移或随机端面相位 | 多段电极协同 + 游标效应 |
| 调谐范围 | 连续 ~2 nm（温控） | 连续 30–50 nm（电调多段） |
| 工艺难度 | 中（光栅需对准有源区） | 高（段间对准、镀膜） |
| 典型应用 | 固定波长、高速直调 | 相干 DWDM、可调模块 |
| 架构特点 | 内置低折射率对比光栅，谐振腔与增益区重合 | 外置高折射率对比光栅，谐振腔由增益段+光栅段组成] |
| 缺陷水平 | 表面氧化、污染风险高；长期可靠性略 | 光栅位于无源区，缺陷少，可靠性高 |
| 模式选择 | 存在两个对称纵模，需额外手段抑制 | 仅支持增益峰处单纵模，波长选择更精准 |
| 模式数量 | 默认双模（对称分布于布拉格波长两侧） | 单一模式输出，无对称伴模 |
一句话总结
- DFB：内置光栅、固定波长、双模需抑制，适合高稳窄线宽场景。
- DBR：外置光栅、宽带可调、天然单模，适合相干通信与雷达扫频。
图示：
- DFB：光栅贯穿增益区 → 单节芯片
- DBR：增益 + 相位 + 反射栅三段 → 多电极独立控制
3. 热效应与载流子注入效应
调谐过程中，改变激光器温度或注入电流会影响半导体材料的折射率 (n) 和带隙能量 (E)，进而引起激光波长偏移。以下从物理机制角度解释热效应和载流子注入效应如何改变折射率和带隙：
| 效应 | 物理原因 | 波长漂移方向 | 时间尺度 |
|---|---|---|---|
| 热效应 | 带隙减小 + 折射率增大 | 红移 | ms–s |
| 载流子注入 | 能带填充/等离子体 vs 带隙收缩 | 瞬态蓝移 → 稳态红移 | ns–µs |
直流工作：红移为主；高速调制：出现啁啾（先蓝后红）。
4. 能带收缩与带边移动
-
能带收缩（Bandgap Narrowing）
高载流子 → 有效带隙变小 → 红移（不可逆）。 -
带边移动（Band Filling）
填充低能级 → 等效发射能量升高 → 蓝移（瞬态，不改变本征带隙）。
5. 谐振腔与有源区空间关系
| 激光器类型 | 谐振腔与有源区关系 | 影响 |
|---|---|---|
| DFB | 完全重合 | 高耦合效率、易单模 |
| DBR | 增益区 + 无源反射区 | 可调性高、需段间耦合 |
| 外腔 (ECL) | 绝大多数腔长在外部 | 线宽极窄、需精准对准 |
6. DFB 激光器工艺流程与相位控制
- 外延生长 – 有源区、波导层
- 光栅刻制 – 电子束/干涉曝光 → 纳米级周期
- λ/4 相移 – 中心缺齿半个周期 → 打破简并
- 波导 & 电极 – 脊波导、欧姆接触
- 腔面处理 – 双 AR 或 AR/HR 镀膜
- 封装测试 – TEC、光隔离器、光谱筛选
关键：相移误差 < ±20 nm；腔面反射率 < 0.1 %。
7. 易混概念辨析
-
红移 vs 蓝移
升温必红移；电流先蓝（瞬态）后红（热）。 -
带隙“展宽”不存在
注入只能填充或收缩，不能使本征带隙变大。 -
腔体短时：
热效应 → 波长蓝移（短波长方向）
载流子注入 → 波长红移（长波长方向） -
腔体长时：
热效应 → 波长红移
载流子注入 → 波长蓝移
8. 主流厂商与产品
| 厂商 | 代表产品 | 特点 |
|---|---|---|
| Coherent / II-VI (Finisar) | S7500 MG-Y | C 波段 89 信道，<0.1 s 切换 |
| Lumentum (NeoPhotonics) | Nano-ITLA | <100 kHz 线宽，+16 dBm，400G/800G 相干 |
| Broadcom (Avago) | Micro-ITLA | InP 外腔，无机械部件，符合 OIF 标准 |
9. 术语速查表
| 中文 | 英文 |
|---|---|
| 分布反馈激光器 | DFB Laser |
| 分布布拉格反射激光器 | DBR Laser |
| 布拉格光栅 | Bragg Grating |
| 有源区 | Active Region |
| 折射率 | Refractive Index |
| 带隙 | Bandgap Energy |
| 红移/蓝移 | Red/Blue Shift |
| 相位跃变 | Phase Shift (π) |
| 增透膜 | AR Coating |
| 高反膜 | HR Coating |
总结
DFB 适合固定波长、低啁啾、高集成；DBR 适合宽调谐、相干通信。
理解热/载流子效应、腔-增益空间关系，是设计高性能可调谐激光器的关键。
Reference
聚焦激光雷达（二）——激光器
DFB Laser vs. DBR Laser: 4 Major Differences
基于微米级表面结构的可调谐半导体激光器研究
DFB分布反馈激光器：设计和制作