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DFB激光器

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DFB( Distributed Feedback Laser)激光器，即分佈式反饋激光器，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激光器。DFB激光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激光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），可高達40-50dB以上。
郎美通公司科學家開發出一種新型分佈式反饋激光器，可在創紀錄的10公里距離內以200吉字節/秒的速度傳輸數據。 [1] 
中文名
DFB激光器
外文名
Distributed Feedback Laser
別    名
分佈式反饋激光器

目錄

  1. 1 工藝結構
  2. 2 應用原理
  3. 3 應用案例
  4. 4 廠商現狀
  5. 5 發展

DFB激光器工藝結構

DFB激光器 DFB激光器
製造工藝　DFB芯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激光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）
-
……
圖1 圖1
DFB芯片結構設計　DFB芯片大小：如圖1，芯片大小可以在成人大拇指上形象地看出來。
DFB芯片設計：芯片分為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結產生激光。其注入電流方向和激光發射示意圖如下：
示意圖

DFB激光器應用原理

一、光纖通訊
通訊是DFB的主要應用，如1310nm，1550nm DFB激光器的應用，這裏主要介紹非通訊波段DFB激光器的應用。
二、可調諧半導體激光吸收光譜技術（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) 醫療應用 (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、原子光譜學應用
(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) …
下表是DFB一些主要波長在激光氣體分析、原子鐘應用、Nd：YAG激光器種子源等領域上的應用：
DFB中心波長
主要應用
DFB中心波長
主要應用
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激光器種子源
1742nm
氯化氫（HCl）氣體分析
1178nm
大功率光纖激光器種子源
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數據庫在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激光器 DFB激光器

DFB激光器應用案例

DFB激光器 DFB激光器
1．用於發電站· 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，優化PVC材料的生產；
· 監測燃燒室中 O2, CO, CO2 的濃度，控制鋼鐵的熔鍊過程。
DFB激光器 DFB激光器
3．用於管道檢測
天然氣管道成分、泄漏檢測。
DFB激光器 DFB激光器
4．用於太空研究
比如用於NASA實驗室，俄羅斯航天局等。
DFB激光器 DFB激光器

DFB激光器廠商現狀

當前，DFB激光器芯片技術基本上由德國、美國、日本等發達國家掌握，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。
國內還沒有成熟的DFB芯片生產技術，由於成品率低基本上沒有形成商業化，國內生產的DFB激光器主要是基於對國外芯片的封裝生產，主要表現為對通訊波段的生產和應用。

DFB激光器發展

DFB激光器 DFB激光器
DFB激光器的發展方向是，更寬的調諧範圍和更窄的線寬，在一個DFB激光器集成兩個獨立的光柵，實現更寬的波長諧調範圍，比如達到100nm諧調範圍，以及更窄的光譜線寬，最終用一個DFB激光器實現檢測多種氣體的功能；更長的中心波長，從750nm到3500nm，並逐漸往4000nm甚至更高的中心波長髮展；更高的功率，由於DFB激光器功率普遍較低，高功率能夠實現長距離、多路等更廣泛的應用。
郎美通公司科學家開發出一種新型分佈式反饋激光器，可在創紀錄的10公里距離內以200吉字節/秒的速度傳輸數據，有望使互聯網數據中心以前所未有的水平處理數據。 [1] 
參考資料