Лазерные диоды для научных и технологических применений: от волоконной оптики до спектроскопии

Лазерные диоды – это полупроводниковые устройства, предназначенные для генерации когерентного света высокой интенсивности. Основой их работы является процесс вынужденного излучения, при котором атомы активной среды, находящиеся в возбужденном состоянии, испускают фотоны под действием приложенного электрического поля.

Лазерные диоды находят широкое применение в различных отраслях, включая оптические дисковые накопители, коммуникационные системы, медицину, научные исследования, промышленность и многое другое. Благодаря своим компактным размерам, высокой эффективности и надёжности, они стали важной составляющей современных технологий, открывая новые горизонты для инноваций и разработок.

В этой статье мы рассмотрим различные типы лазерных диодов, их особенности и области применения.

Общий принцип работы лазерных диодов

Лазерный диод работает на основе излучения полупроводника, заключённого в резонатор. Основу его конструкции составляют гетеропереходы — слои полупроводниковых материалов с различными квантовыми и оптическими характеристиками. Источником накачки лазерного диода служит электрический ток. Рекомбинация носителей происходит вблизи p-n перехода и в самом переходе, создавая положительную обратную связь за счёт резонатора.

Резонатор представляет собой колебательную систему, в которой накапливается энергия электромагнитных, акустических или механических колебаний. В пространственных (объёмных) резонаторах могут возбуждаться колебания только определённых длин волн и структуры, образуя стоячую волну. Частоты этих колебаний называются резонансными или собственными частотами резонатора, а колебания — его модами. Резонатор для системы оптической связи должен быть сконструирован так, чтобы в нём сохранялось небольшое число мод, а остальные гасились.

Подача напряжения на лазерный диод заставляет электроны из n-области и дырки из p-области переходить в активную область и рекомбинировать, что приводит к излучению фотонов. Эти фотоны, проходя вдоль резонатора, запускают процесс вынужденного излучения, при котором высвобождаются новые фотоны с теми же параметрами. Если усиление превышает потери, возникает лазерная генерация.

Виды лазерных диодов

Лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо

Самым распространенным типом ЛД являются лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо.

Лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо (ЛД с РФП) изготавливаются с использованием различных полупроводниковых материалов, таких как AlGaAs, InGaAsP, AlGaInP и другие. Конструкция таких диодов включает слои p- и n-типа, между которыми расположена активная область. Именно в этой активной области происходит генерация излучения.

Активная область обладает более высоким показателем преломления, что позволяет удерживать свет в поперечном направлении. Это свойство делает её волноводом, который ограничивает распространение света вдоль активной области, обеспечивая эффективную генерацию и усиление световых волн.

Работа таких лазерных диодов основана на резонаторе Фабри-Перо, представляющего собой две параллельные отражающие поверхности, между которыми находится активная среда. Когда электрический ток проходит через диод, в активной области возникают электроны и дырки, которые рекомбинируют, испуская фотоны. Эти фотоны многократно отражаются между зеркалами резонатора, усиливая процесс вынужденного излучения. В результате этого процесса возникает когерентный свет высокой интенсивности.

Лазерные диоды с РФП имеют сравнительно широкий дискретный спектр излучения, состоящий из множества мод (частотных компонент), которые соответствуют резонансным частотам резонатора. Ширина спектра может варьироваться в зависимости от конкретного устройства и условий эксплуатации, но обычно составляет несколько нанометров. Рабочая длина волны ЛД определяется длиной резонатора и характеристиками активной среды.

Ключевые особенности:

• Простая конструкция.
• Широкий дискретный спектр.
• Высокая монохроматичность излучения.
• Устойчивая работа в одночастотном режиме.
• Подходят для накачки волоконных лазеров и усилителей.

Применения

Лазерные диоды Фабри-Перо (FP) обладают высокой монохроматичностью и интенсивностью излучения, а также компактностью, что делает их востребованными в различных отраслях. Среди наиболее значимых областей применения этих диодов можно выделить:

• Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).
• Накачка волоконных лазеров и усилителей.
• Волоконно-оптические датчики.
• Оптические накопители данных.
• Научные исследования.

Предлагаем ознакомиться с линейкой лазерных диодов с резонатором Фабри-Перо по ссылкам ниже:

Лазерные диоды Фабри-Перо видимого диапазона, 405 - 655 нм > >

Лазерные диоды накачки с резонатором Фабри-Перо, 785 - 1490 нм > >

Лазерные диоды Фабри-Перо ИК-диапазона, 785 - 1750 нм > >

Лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB)

Для снижения количества генерируемых мод конструкция лазерных диодов была усовершенствована с использованием дифракционной решётки. Такие устройства получили название лазерных диодов с распределённой обратной связью (DFB – distributed feedback).

Основным отличием DFB лазерных диодов от других типов является резонатор, представленный периодической структурой (поперечной насечкой) в области p-n перехода (активной области). Такая конструкция создает одномерную дифракционную решетку, которая действует как распределенный брэгговский отражатель, обеспечивая оптическую обратную связь. Частота генерации определяется оптическим периодом решетки. 

Дифракционная решётка создаёт условия для интерференции фотонов, усиливая только те, которые соответствуют определённой длине волны, что обеспечивает селекцию одной моды. DFB лазерные диоды, в отличие от Фабри-Перо, являются одночастотными и демонстрируют узкую ширину спектральной линии при хорошем коэффициенте подавления боковых мод (SMSR). Благодаря этому, лазерные диоды с распределенной обратной связью идеально подходят для применений, требующих высокой точности и стабильности.

Ключевые особенности:

• Узкая ширина спектральной линии.
• Высокая стабильность длины волны.
• Устойчивость в одночастотном режиме.
• Низкий уровень шума.

Применения

Лазерные диоды с распределенной обратной связью обладают стабильной длиной волны и узким спектром. Они идеально подходят для задач, требующих высокой точности и стабильности, среди которых:

• Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).
• Спектроскопия.
• Диодно-лазерная абсорбционная спектроскопия (TDLAS).
• Детектирование газов.
• Радиофотоника.
• DWDM сети.
• Задающие лазеры.
• Научные исследования.

Ознакомьтесь с полным ассортиментом DFB лазерных диодов в диапазоне от 760 до 2332 нм по ссылке:

Лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB) > >

Лазерные диоды с распределенным брэгговским отражателем (DBR)

Если изменить конструкцию и расположить дифракционную решетку вне области накачки, то получится лазерный диод с распределенным брэгговским отражателем (DBR – distributed Bragg reflector).

DBR лазерные диоды работают на основе принципа брэгговского отражения. В конструкции этих лазеров активная область, где происходит генерация излучения, окружена брэгговскими отражателями, представляющими собой многослойные структуры с чередующимися слоями материалов с разными показателями преломления. Эти отражатели расположены по краям активной области и действуют как оптические фильтры, которые селективно отражают свет определённой длины волны обратно в активную область. В результате возникает положительная обратная связь, обеспечивающая устойчивую генерацию света на выбранной длине волны.

В DBR лазерных диодах генерируется только одна продольная мода, что делает их удобными при работе по одномодовому оптическому волокну в системах передачи со спектральным разделением каналов. Но они дороже, т.к. требуют высокой точности обработки.

Эти лазерные диоды обеспечивают более высокую выходную мощность, чем DFB-диоды, и достигают типичной ширины линии 10 МГц при отличном коэффициенте подавления боковых мод (обычно 50 дБ). Выходные длины волн этих лазеров настраиваются по току и температуре приблизительно в пределах ±0,1 нм и ±0,7 нм соответственно. 

Ключевые особенности:

• Узкая ширина спектральной линии.
• Высокая точность перестройки.
• Высокая мощность.
• Высокая стабильность длины волны.

Применения

Лазерные диоды с распределенным брэгговским отражателем, как и DBR лазерные диоды, характеризуются стабильной длиной волны и узким спектром, предлагая при этом большую гибкость и возможность перестройки за счёт разделения активной области и отражателей. Они отлично подойдут для использования в таких областях, как:

• Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).
• Спектроскопия высокого разрешения.
• Оптическое зондирование.
•  Волоконно-оптические датчики.
• Лазерное охлаждение.
• Системы нелинейного преобразования частоты.
• Научные исследования.

Ознакомьтесь с полным ассортиментом DBR лазерных диодов в диапазоне от 760 до 1580 нм по ссылкам:

Одночастотные DBR лазерные диоды ИК диапазона, 760 - 1080 нм > >

Перестраиваемые DBR лазерные диоды ИК диапазона, 1530 - 1580 нм > >

Суперлюминесцентные лазерные диоды (SLD)

Суперлюминесцентные диоды или SLD - это полупроводниковые источники широкополосного излучения, основанные на суперлюминесценции. Это уникальный тип излучателей, сочетающих в себе характеристики лазеров и светодиодов.

Основой работы SLD является сочетание механизмов спонтанного и вынужденного излучения. Их конструкция подобна обычным лазерным диодам. Они также состоят из областей, легированных положительно (p) и отрицательно (n), и излучают свет за счет подачи электрического тока. Принципиальным отличием суперлюминесцентных диодов от ЛД является отсутствие резонатора и, как следствие, отсутствие положительной обратной связи, что препятствует лазерной генерации. Вместо этого SLD используют процесс усиления спонтанного излучения (ASE). 

SLD сочетают в себе преимущества светодиодов и лазерных диодов: они обладают широким (до десятков нм) спектром излучения, что обуславливает низкую временную когерентность, подобно светодиодам. Вместе с тем они демонстрируют высокую пространственную когерентность и высокое качество пучка, как лазерные диоды.

Ключевые особенности:

• Широкий спектр излучения.
• Отсутствие резонансных мод.
• Низкий уровень когерентности.
• Высокое качество пучка.

Применения

Такие уникальные характеристики, как широкополосный спектр, высокая направленность излучения, отсутствие паразитных мод и высокая выходная мощность, позволяют применять суперлюминесцентные диоды во многих областях, среди которых:

• Оптическая когерентная томография.
• Волоконно-оптические гироскопы и датчики.
• Спектроскопия.
• Интерферометрия.
• Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).

Полная линейка SLD лазерных диодов в диапазоне от 670 до 1700 нм доступна по ссылке:

Суперлюминесцентные лазерные диоды (SLD) > >

Лазерные диоды для ВОЛС

Специально для задач ВОЛС и радиофотоники могут быть предложены компактные излучатели – лазерные диоды с SM или PM волоконным выводом. Они являются отличной альтернативой использованию коаксиальных кабельных систем для передачи сигналов, обеспечивая высокую эффективность и надежность.

В своем большинстве, такие устройства основаны на DFB ЛД с прямой модуляцией в коаксиальном или «бабочка» корпусе, а также могут включать оптический изолятор или контроллер температуры. Могут быть оснащены РЧ вводом и волоконным выводом.

Лазерные диоды с волоконным выводом подходят для следующих применений:

• Распределенные антенные системы.
• Широкополосные аналоговые ВОЛС.
• РЧ линии задержки.
• Тестирования и измерения.
• Радиофотонные системы.

Лазерные диоды и оптические передатчики для ВОЛС с CWDM и DWDM длинами волны и частотой модуляции до 18 ГГц:

Лазерные диоды с прямой модуляцией до 6 ГГц > >

Лазерные диоды с прямой модуляцией до 18 ГГц > >

Диодные излучатели с волоконным выводом (FCDE)

Для многих применений удобно подключать выходной сигнал лазерного диода к оптическому волокну, чтобы доставлять свет туда, где он необходим. В этом случае эффективную передачу и фокусировку света могут обеспечить диодные излучатели с волоконным выводом (FCDE – Fiber-Coupled Diode Emitters).

Такой излучатель, как правило, представляет собой систему из лазерного диода и волоконно-оптических элементов для вывода излучения и обеспечения волоконной связи. Такая интеграция обладает следующими преимуществами:

• Круглый и гладкий профиль интенсивности пучка.
• Высокая эффективность передачи.
• Тепловая стабильность и высокоэффективная теплоотдача.
• Компактность, модульность и удобство использования.
• Герметичность конструкции и устойчивость к внешним воздействиям.
• Возможность подключения к одномодовому и многомодовому волокну.

Применения

Надежность и расширенные возможности диодных излучателей позволяют применять их в различных областях:

• Накачка твердотельных лазеров.
• Системы иллюминации.
• Контроль качества.
• Научные исследования.

По ссылке ниже Вы можете ознакомиться с полным ассортиментом диодных излучателей и модулей с длиной волны от 405 до 976 нм и мощностью до 670 Вт:

Диодные сборки и модули накачки с волоконным выводом > >

Матрицы и сборки лазерных диодов

Матрицы и сборки лазерных диодов представляют собой массивы лазерных излучателей или стеки, которые состоят из определённого числа диодных лазерных сборок или баров, формируя единый излучающий массив. Эти устройства предназначены для увеличения выходной мощности и плотности излучения, что делает их незаменимыми в ряде промышленных и научных приложений.

Конструкция и особенности

1. Массивы и стеки:

• Массивы лазерных диодов: состоят из ряда диодов, расположенных горизонтально или вертикально, что позволяет достичь высокой мощности излучения на заданной площади.
• Стеки лазерных диодов: включают несколько слоёв лазерных диодов, уложенных один над другим, что позволяет ещё больше увеличить плотность мощности излучения.

2. Охлаждение:

• Пассивное охлаждение: включает использование теплоотводов и радиаторов для рассеивания тепла без использования активных компонентов, таких как вентиляторы или насосы.
• Активное охлаждение: включает использование жидкостных систем охлаждения, термоэлектрических охладителей или вентиляторов для более эффективного рассеивания тепла, что особенно важно для высокомощных систем.

3. Расположение диодов:

• Вертикальные сборки: обеспечивают высокую плотность мощности в вертикальной плоскости и часто используются в приложениях, где важна компактность и высокая выходная мощность на малой площади.
• Горизонтальные сборки: обеспечивают распределение излучения в горизонтальной плоскости и могут использоваться в приложениях, где важна равномерность распределения света на большой площади.

Мы предлагаем следующие решения:

Диодные сборки QCW с коллимацией FAC > >

Вертикальные сборки (стеки) лазерных диодов > >

Горизонтальные сборки (стеки) лазерных диодов > >

Квантроны и блоки диодной накачки твердотельных лазеров > >

Одиночные немонтированные диодные излучатели > >

Драйверы и контроллеры лазерных диодов

Управление лазерными диодами осуществляется с помощью специальных драйверов и контроллеров, обеспечивающих их стабильное и безопасное функционирование. Эти устройства играют ключевую роль в различных приложениях, от телекоммуникаций до научных исследований.

Драйверы лазерных диодов

Драйверы лазерных диодов представляют собой линейные высокоточные источники постоянного тока с низким уровнем шумов. Они предназначены для подачи стабильного тока на лазерный диод, что необходимо для его эффективной работы. Основные функции драйверов включают:

• Регулирование тока. Драйверы позволяют пользователю выбирать и устанавливать уровень тока для лазерного диода, а также для контрольного фотодиода. Это позволяет поддерживать оптимальный режим работы диода и предотвращать его повреждение.
• Контроль и подстройка. После установки необходимого значения тока, система контроля автоматически подстраивает его для обеспечения безопасной и стабильной работы лазерного диода на требуемом уровне.
• Низкий уровень шума. Высокоточные драйверы обеспечивают низкий уровень шума, что важно для поддержания качества и стабильности излучения.

Контроллеры температуры

Контроллеры температуры предназначены для прецизионного управления температурой и током лазерного диода в более сложных системах, таких как передающие оптические модули. Основные функции контроллеров температуры включают:

• Прецизионное управление температурой. Контроллеры позволяют точно регулировать температуру лазерного диода, что важно для поддержания стабильности его параметров и предотвращения перегрева.
• Перестройка длины волны. Перестройка температуры позволяет настраивать центральную длину волны лазерного излучения до требуемого значения в пределах заявленного диапазона. Это особенно важно в оптических системах, где точность длины волны имеет критическое значение.
• Интеграция с драйверами. Контроллеры температуры часто интегрируются с драйверами тока, обеспечивая комплексное управление параметрами лазерного диода.

Весь ассортимент управляющих устройств представлен в разделе по ссылке:

Драйверы и контроллеры лазерных диодов > >

Компания «Специальные Системы. Фотоника» является официальным дистрибьютором представленных решений и оказывает техническую поддержку по всей линейке продукции на территории России и ЕАЭС.

Наши специалисты готовы помочь с подбором оборудования и предложить решения, соответствующие Вашим потребностям. Обратитесь к нам для оформления заказа и получите профессиональную поддержку на каждом этапе работы с лазерными диодами.