激光二極管在今天隨處可見。它們是將電能轉換為激光功率的最簡單的元素。激光二極管是基于幾種半導體組裝材料（砷化鎵、InP或其他更復雜的結構，如氮化鎵）。

單模激光二極管是低功率激光二極管（通常為<1W）；

多模激光二極管是功率高得多的器件（通常為>10 W至幾千瓦）。

光纖類型：重要的是要知道兩種類型的有源光纖，它們通常用于耦合從半導體激光管進來的光：

a.單模光纖的纖芯通常為幾μm（例如，波長為1μm的纖芯約為6μm，而波長為1.5μm米的約為9μm，約6倍）。

b.多模光纖是直徑較大的光纖，可以處理更高水平的光功率。標準版本纖芯直徑通常為62、100、200、400、800，甚至到>1000μm。直徑越小，就越容易用透鏡或顯微鏡物鏡將來自光纖的光線聚焦到一個小點上。

圖 1：單模或多模光纖的原理。多模光纖的版本纖芯更大。

保偏光纖：單模半導體激光管可以是標準 (SMF) 的或保偏 (PM)版本。在保偏版本中，光纖具有特殊的包層結構，可以在整個光纖長度上保持光的偏振。所以保偏光纖一般是應用在對偏振態比較敏感的應用中，如干涉儀，或是激光器，或是用在光源與外調制器之間的連接中等等。

隨著波長的減小，纖芯直徑變得非常小。當考慮到其截止波長和該截止波長1.5倍之間的波長時，單模光纖運行良好。低于此范圍，光纖會變成多模光纖，高于此范圍，在彎曲光纖時，光很容易離開光纖。

1. 單模光纖耦合激光二極管

1.1 封裝類型：該類型的半導體激光管常用的有兩種封裝，一種“蝶形”封裝，封裝中集成了一個 TEC溫控冷卻器和一個熱敏電阻。單模光纖耦合半導體激光管通常能夠達到幾百mW到 1.5 W的輸出功率。

這些半導體激光管模塊包括一個TEC溫控冷卻器、一個熱敏電阻和一個用于測量光功率水平的背面監視器 (BFM)。

一種為“同軸”封裝，常用在不需要TEC控溫的激光管，同軸封裝也有帶TEC的。

1.2 激光管類型：市場上常見的 3 類半導體激光管。VCSEL半導體激光管一般不進行光纖耦合。 它們是大型擴散傳感應用中常見的半導體激光管類型，例如計算機鼠標設備或智能手機 3D 傳感面部識別。DFB 和 FP是邊緣發射器，通常是光纖耦合的。

圖4：業界常見的3類半導體激光管發射器。

a. FP（Fabry-Perot）法布里珀羅半導體激光管

FP激光器最常見、最普通的半導體激光器，是以FP腔為諧振腔，發出多縱模相干光的半導體發光器件。工藝非常成熟，應用廣泛。但FP的光譜特性不好，存在多個邊模和色散的問題。所以，只能用于中低速率（1-2G以下速率），短距離的應用（小于20公里）。

為了降低發射帶寬并提高半導體激光管的整體穩定性，半導體激光管制造商通常在輸出光纖內添加光纖布拉格光柵。布拉格光柵在一個非常精確的波長上為半導體激光管增加了百分之幾的反射率。這會讓半導體激光管的發射帶寬整體減小。在沒有布拉格光柵的情況下發射帶寬通常為3-5nm，而在有布拉格光柵的情況下要窄得多（<0.1nm）。在沒有布拉格光柵的情況下波長光譜溫度調諧系數通常為 0.35 nm/°C，而在有布拉格光柵的情況下該值要小得多。

圖5：在光纖內添加布拉格光柵原理

b. DFB（Distributed Feedback）分布式反饋激光器激光管

DBR（Distributed Bragg Reflector）分布式布拉格反射**激光器

DFB/DBR半導體激光管器件將布拉格光柵波長穩定部分直接集成到半導體激光管內部的增益介質中，在諧振腔內即形成選模結構，可以實現完全單模工作。這為DFB提供了一個更窄的發射波長，通常為1MHz（即~10-5nm），而不是帶有布拉格光柵的法布里-佩羅特的約0.1nm。所以光譜特性非常好，可以避免長度傳輸中色散的影響，廣泛用于長距離、高速率的應用場合。波長光譜溫度調諧系數通常為 0.06 nm/°C。

圖 6：DFB 和 DBR 半導體激光管原理

FP激光管與DFB激光管性能比較

2. 多模光纖耦合激光二極管

2.1 4個多模光纖耦合半導體激光管系列，多模光纖耦合半導體激光管基于廣域的一側，它發射的半導體激光管芯片最初是由半導體晶圓設計和制造的。多模光纖耦合半導體激光管有 4 種類型：

單發射器：當半導體激光管芯片被隔離時，組裝在子底座上，并單獨封裝在半導體激光管模塊中。我們在這里討論的是 15W 的功率耦合到一個 105（纖芯）/125μm（包層）半導體激光管中。

圖 7：單元件半導體激光管

多發射器：當多個發射器分離并與多模光纖中的其他隔離發射器光耦合在一起時。因此，輸出功率水平可擴展到數百瓦，并且光纖的尺寸可以保持較小，如 100 或 200 μm 纖芯。

圖 8：多 (3) 元件半導體激光管

單巴條：當多個發射器作為一個單巴條并組裝在一個半導體激光管模塊中。我們在這里討論的是約 50 W 的功率耦合到 200 μm（纖芯）/240 μm（包層）半導體激光管中。

多巴條：當多個巴條組裝在一個大型水冷封裝中并耦合在大直徑多模光纖中時。我們在這里討論的是耦合到例如 600 或 800 μm 纖芯多模光纖中的 100 W甚至 KW。

2.2 值得注意的是，當考慮到各種系列時，典型的電壓和電流水平如何變化：

典型的單一發射器的電壓電平為1.5V，電流為15A。

對于多發射器半導體激光管，發射器是串聯組裝的。這意味著電流水平不會改變（通常最大 15 A），但是電壓會隨著發射器數量增加而增加。（例如， 4.5V/15A的60 W半導體激光管）

一個半導體激光管巴條將所有發射器并聯組裝在一起。因此，電壓水平不變，但電流水平可以輕松達到 45 或 50 A。

同樣，當將多個巴條組裝在一起時，它們是串聯組裝的，因此電流水平（例如 45 A）不會改變，但電壓會隨著巴條數的增加而有規律地增加。

審核編輯：湯梓紅