作者：黄f 时间：2025-10-21
如今，激光二极管（LD）的应用已十分广泛。它们是将电能直接转化为激光的最基础元件。激光二极管基于多种如GaAs、InP的半导体材料或更复杂的结构如GaN构建而成。单模激光二极管通常输出功率较低（一般<1W），而多模激光二极管则能提供高得多的功率（通常>10W，最高可达数千瓦）。
AeroDIODE的一个单模和多个多模光纤耦合激光二极管
在了解激光二极管时，需要区分两种常用于耦合输入光的活性光纤：单模光纤(SMF)：纤芯尺寸极小，通常在几微米量级（例如，波长1μm时约为6μm，波长1.5μm时约为9μm）。多模光纤(MMF)：纤芯直径较大，能承受更高的光功率。常见规格有62、100、200、400、800甚至超过1000μm的纤芯直径。纤芯越小，使用透镜或物镜将其输出光聚焦成小光斑就越容易。值得注意的是，单模激光二极管除了上述特性，还可以是保偏（PM）类型。其光纤采用特殊包层设计，能在整个传输过程中维持光的偏振态不变。
单模或多模光纤的原理。当考虑多模光纤时，光纤芯要大得多。
单模光纤耦合激光二极管的简单介绍：
这类激光二极管通常采用“蝴蝶型（Butterfly）”封装，内部集成有TEC（热电）冷却器和热敏电阻（目前封装正趋向微型化发展）。其输出功率范围通常在几百毫瓦（mW）至1.5瓦（W）之间。
需要强调的是，蝴蝶型封装的光纤耦合激光二极管结构复杂，存在多种引脚配置和接地方式（如完全浮动、阳极接地等）。将其组装到特定半导体激光驱动器上时，需进行相应验证。
发射波长为976nm的单模光纤耦合蝴蝶型封装激光二极管示例
除蝴蝶型外，市场上还有其他封装形式，例如电信领域常见的DIL封装或同轴封装，其功率通常低于10mW。
其他类型的光纤耦合半导体激光管外形尺寸
当今低功率电信或激光雷达市场的半导体激光管制造商的发展趋势是开发更紧凑的封装，同时集成了TEC（半导体制冷器）、热敏电阻和BFM的新型同轴封装：
关于脉冲特性与增益切换，调制光纤耦合激光二极管输出光的一种直接方法是利用脉冲电流驱动器进行控制。下图展示了一个脉宽为3纳秒的脉冲示例，可以看到脉冲起始处的增益开关尖峰，这是激光二极管内部载流子弛豫现象的表现。
AeroDIODE提供多种激光二极管开关驱动器，其开关速度范围从每安培3纳秒（3nsec/A）到低于0.5nsec/A。速度限制主要来自驱动器电子元件的带宽和激光二极管自身的电感。许多供应商在开关模式下可实现每安培5纳秒的上升/下降时间。然而，开发脉冲驱动器的挑战在于如何平衡模块化、易用性与高性能。
为此，AeroDIODE推出了另一款高性能产品“Pulse-Shaper”脉冲整形器。它内置任意波形发生器（AWG），能以48dB的幅度分辨率和500皮秒的时间分辨率对激光二极管输出进行精确整形。图中展示了由其驱动的DFB激光二极管产生的3ns脉冲：左图存在增益开关尖峰，右图则通过激活内置的“增益开关尖峰抑制”功能消除了该尖峰。
在连续波（CW）或脉冲模式下单模驱动激光二极管需要专用设备。以下是三款专为研发（R&D）和光子系统集成设计的激光二极管驱动器，均包含TEC温度控制功能。
AeroDIODE CCS：这是一款集成了TEC控制的脉冲和连续波半导体激光驱动器。它能产生由板载脉冲发生器精确控制的脉冲，或响应外部TTL信号按需输出脉冲。兼容多种单模激光二极管封装（如蝴蝶型），CCS可轻松驱动其在连续波或脉冲模式下工作，最高重复频率可达250MHz，占空比灵活可调。
AeroDIODE Central board：该双通道光纤半导体激光驱动器包含一个针对低噪声连续波驱动优化的通道，以及一个同时支持连续波和纳秒短脉冲驱动的通道。双通道光纤半导体激光驱动器还具备多个光电二极管输入端口和超过50项专为构建和集成光纤激光器优化的高科技功能，堪称光纤激光器的“控制中心”。
AeroDIODE Shaper board：这款脉冲整形器旨在解决前述脉冲驱动中的诸多问题。脉冲整形器能对脉冲形状进行预补偿，并具备特殊的增益开关抑制能力。脉冲整形器内置AWG的数据点间隔为500ps，动态范围达48dB，可生成极短脉宽的可调脉冲，并配有3路脉冲延迟发生器输出。
多模光纤耦合激光二极管的简单介绍：
多模光纤耦合激光二极管基于最初从半导体晶圆设计和制造的宽面侧面发射激光二极管芯片。多模光纤耦合激光二极管有4种类型：
单发射体(Single emitters)：指单个激光二极管芯片被分离出来，安装在子底座上并封装成独立模块。典型输出是将约15W功率耦合进105μm（纤芯）/125μm（包层）的光纤。单巴条(Single bars)：指将多个发射体集成在一个单巴条上并封装在一个模块中。典型输出是将约50W功率耦合进200μm（纤芯）/240μm（包层）的光纤。
组装在子底座上的单个元件（左）或由19个发射体组成的单巴条。
多发射体(Multi emitters)：指将多个分离的发射体组合起来，并将其输出共同耦合到一根多模光纤中。这种方式可扩展输出功率至数百瓦量级，同时仍能使用较小纤芯（如100或200μm）的光纤。多巴条(Multiple
bars)：指将多个巴条组装在大型水冷封装中，并耦合到一根大直径多模光纤。这种方式可实现数百瓦甚至千瓦级的功率输出，通常耦合进如600或800μm纤芯的多模光纤。
左：多发射体35W激光二极管；中：AeroDIODE的10W@915nm单发射体；右：DILAS的各种基于单巴条和多巴条的激光二极管光源
多模驱动激光二极管：多模驱动激光二极管是一项艰巨的任务，需要专用的产品。特别是在考虑输出功率>10W的激光二极管时，散热冷却成为一个重要课题。以下是一款专为光纤激光二极管驱动而设计的驱动器，同时兼容研发（R&D）和全光纤激光器产品集成。
AeroDIODE的半导体激光驱动器CCM（多模冷却与控制驱动器）经过全面优化，可用于驱动一个或多个多模泵浦激光二极管（单发射体或多发射体器件均可）。它配备了一个TE制冷器（热电制冷器），可调节激光二极管温度。这是一款风冷设备，兼容光学功率高达200W的激光二极管。
