Лазерные диоды с волоконным выводом

Лазерные диоды с волоконным выводом

Лазерные диоды сегодня можно встретить практически везде, ведь это простейший элемент для преобразования электроэнергии в мощное лазерное излучение. Лазерные диоды состоят из слоев полупроводниковых материалов, например, GaAs, InP или GaN. Одномодовые лазерные диоды характеризуются малой мощностью (обычно <1 Вт), многомодовые же лазерные диоды способны развить мощности от 10 Вт до нескольких киловатт.

Оптические волокна

Для передачи света, поступающего от лазерного диода, обычно используются два типа активных волокон:

Одномодовые волокна. Такие волокна имеют сердцевину диаметром в несколько мкм (например, ~ 6 мкм на длине волны 1 мкм и 9 мкм на длине волны 1,5 мкм).

Многомодовые волокна - это волокна большего диаметра, которые могут работать с гораздо более высоким уровнем оптической мощности. Стандартные версии могут иметь диаметр ядра 62, 100, 200, 400, 800 или даже> 1000 мкм. При этом, чем меньше диаметр, тем проще сфокусировать в пятно свет, исходящий от волокна, с помощью линзы или объектива микроскопа.

Рисунок 1. Принцип передачи излучения внутри сердцевины одномодового (сверху) или многомодового волокна (снизу)

Одномодовые лазерные диоды с волоконной связью

Этот тип лазерных диодов обычно заключен в корпус под названием «Бабочка», оснащен системой охлаждения и термистором. Одномодовый лазерный диод с волоконной связью может достигать выходной мощности от нескольких сотен милливатт до полутора ваттт.

Лазерный диод с волоконно-оптической связью в корпусе типа «бабочка» - сложное устройство, имеющее множество различных возможных конфигураций контактов и заземлений (полностью незаземленный, с заземленным анодом и т. д.).

Рисунок 2. Лазерный диод в корпусе типа «бабочка» с одномодовым волокном, излучающим на длине волны 976 нм. Мини-«бабочка» с десятью выводами (слева) и стандартная «бабочка» с 14-ю выводами (справа)

Рисунок 3. Другие форм-факторы лазерных диодов с волоконно-оптической связью

Сегодня среди производителей маломощных лазерных диодов есть тенденция к разработке диодов коаксиального типа. Несмотря на малые габариты, термоохлаждение и термистор по-прежнему будут присутствовать внутри такого диода.

Рисунок 4. 3 типа лазерных диодов, широко используемых в промышленности

Лазерные диоды Фабри Перро с решеткой Брэгга (или без нее)

«Стандартный» лазерный диод с волоконной связью представляет собой обычный частично отражающий полупроводниковый резонатор, у которого задняя грань имеет покрытие с высокой отражающей способностью, а передняя грань - частично отражающее покрытие. Типичный размер микросхемы лазерного диода составляет ~ 1 * 0,5 * 0,2 мм.

Краткие характеристики:

• Диапазон мощности может достигать более 1,5 Вт
• Полоса пропускания обычно широкая, более 1 нм
• Выходной пучок имеет высокую степень эллиптической поляризации

Чтобы сузить полосу излучения и улучшить общую стабильность лазерного диода, производители устанавливают в выходное волокно волоконную решетку Брэгга.

Рисунок 5. Лазерный диод с решеткой Брэгга

Лазерные диоды с распределенным брээговским отражателем и обратной связью

В лазерных DBR - диодах секция брэгговская решетка непосредственно интегрирована в микросхему лазерного диода. Это позволяет сузить полосу излучения с обычных 10 нм до 0,1 нм.

Рисунок 6. Принцип работы DFB - диода и лазерного DBR - диода

Рисунок 7. Пример излучательного DFB - диода

Спектральные свойства

Интересно отметить, что спектр лазерного диода Фабри-Перро, работающего в импульсном режиме, характеризуется скачками в первые 100 с нс. На приведенном ниже графике показаны некоторые измеренные кривые такой полосы пропускания.

Рисунок 8. Скачки ширины полосы излучения лазерного диода Фабри-Перро с брэгговской решеткой

Спектральная ширина DFB - диода в непрерывном режиме намного уже, чем у лазера Фабри-Перро, даже оснащенного брэгговской решеткой.

Диоды с распределенной обратной связью также демонстрируют некоторое колебание длины волны излучения в зависимости от температуры и тока.

Также интересно посмотреть на изменение ширины полосы излучения, рассматривая короткоимпульсное излучение. Можно заметить, что ширина полосы излучения остается узкой только тогда, когда уровень тока не превышает 200 мА.

Рисунок 9. Колебания ширины полосы пропускания лазерного диода при работе в импульсном режиме. Уширение полосы пропорционально уровню тока

Схема одномодового лазерного диода

Компания AeroDIODE разработала три драйвера лазерных диодов, разработанных как для НИОКР, так и для полной интеграции фотонных систем. Все эти драйверы включают в себя элемент управления системой охлаждения, что позволяет пользователю регулировать температуру лазерного диода.

CCS от Aerodiode

Импульсные драйверы дороже линейных, однако они защищают светодиоды от электропомех и колебаний напряжения в питающей сети. Эффективность современных импульсных драйверов достигает 98%, они не требуют дополнительных мер охлаждения, а потребляемая светильником мощность равна мощности использованных светодиодов. Именно импульсные драйверы позволяют воспользоваться всеми благами энергосбережения, которые предоставляют светодиодные технологии.

Драйвер AeroDIODE оснащен двумя каналами. Один оптимизирован для работы в режиме непрерывного излучения с низким уровнем шума, другой - оптимизирован как для непрерывного излучения, так и для короткоимпульсного излучения. Центральная плата драйвера может действовать как «центр управления» для волоконного лазера.

Плата Shaper - еще один драйвер от AeroDIODE, который может решить многие проблемы, связанные с импульсным и непрерывным излучением. С помощью драйвера легко компенсировать форму импульса или снизить влияние сторонних мод. Внутренний генератор сигналов произвольной формы генерирует одну точку каждые 500 пс с динамическим диапазоном 48 дБ.

Рисунок 10. Драйверы лазерных диодов AeroDIODE. CCS - это универсальный драйвер импульсных лазерных диодов, генерирующий импульсы от 1 нс (слева). Плата Centrale - это драйвер многоканального волоконного лазерного диода, оптимизированный для одномодовых лазерных диодов (справа)

Многомодовые лазерные диоды с волоконной связью

Многомодовые лазерные диоды с волоконной связью имеют конфигурацию, схожую с многомодовыми. Существует 4 типа многомодовых лазерных диодов с оптоволоконной связью (см. рис. 11).

Одиночные излучатели: микросхема лазерного диода изолирована, собрана на вспомогательной опоре и заключена в модуль лазерного диода. Обычно их мощность достигает 15 Вт.

Несколько эмиттеров: конфигурация, в которой несколько излучателей разделены и оптически связаны вместе с другими изолированными эмиттерами в многомодовом волокне (рисунок 19 справа). Таким образом, уровень выходной мощности можно увеличить до нескольких сотен ватт, а диаметр ядра оптоволокна может быть небольшим, например, 100 или 200 мкм.

Одиночные полосы: конфигурация, в которой несколько эмиттеров соединены в полосы и заключены в модуль. Мощность достигает 50 Вт.

Несколько стержней: конфигурация, в которой несколько стержней собраны в большой корпус с водяным охлаждением и соединены в многомодовое волокно большого диаметра. Мощность таких излучателей достигает сотни ватт, иногда киловат. Такие диоды обычно подключаются к многомодовым волокнам с сердцевиной диаметром 600 или 800 мкм.

Рисунок 11. Примеры составных конфигураций многомодовых лазерных диодов

Обычно одиночный эмиттер работает на уровне напряжения ~ 1,5 В и тока ~ 15 А.

В лазерном диоде с несколькими излучателе уровень тока не изменяется (обычно 15 А макс.), но из-за последовательного соединения напряжение увеличивается (4,5 В при 15 А для лазерного диода мощностью 60 Вт).

При параллельном соединении излучателей уровень напряжения не меняется, но ток легко может достигать 45 - 50 А.

Принципиальные схемы и форм-факторы

На рисунке 12 показаны некоторые примеры конструкции одноэлементного и многоэлементного лазерного диода. Можно видеть, что разделение нескольких элементов лазерного диода и объединение их лазерного излучения в одно волокно позволяет увеличить мощность на поверхности волокна.

Рисунок 12. Пример конструкции одноэлементного лазерного диода (слева) и многоэлементного лазерного диода (справа)

Рисунок 13. Пример установки волоконного лазерного диода

Спектральные свойства

Во многих приложениях, связанных, например, с накачкой лазеров на редкоземельных ионах, требуется стабилизированный и узкий спектр излучения (стабилизация длины волны). Нужно, чтобы температура лазерного диода контролировалась. Для этого часто диод оснащают дополнительным элементом стабилизации длины волны - объемной брэгговской решеткой.

Рисунок 14. Синхронизированные спектры лазерного диода с длиной волны 930 нм

Схема многомодового лазерного диода

Главная проблема многомодовых лазерных диодов с выходной мощностью более 10 Вт – терморегуляция. Решить эту проблему под силу драйверу, специально разработанному для управления волоконным лазерным диодом.

CCM от AeroDIODE полностью оптимизирован для управления одним или несколькими многомодовыми лазерными диодами накачки (одноэлементными или многоэлементными устройствами). Он снабжен термоэлектрическим охладителем, который позволяет регулировать температуру лазерного диода. Это устройство с воздушным охлаждением, совместимое с лазерными диодами с оптической мощностью до 200 Вт.

©AeroDIODE

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции AeroDIODE на территории РФ