DFB雷射器

DFB( Distributed Feedback Laser)雷射器，即分散式反饋雷射器，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雷射器。目前，DFB雷射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雷射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），目前可高達40-50dB以上。

基本介紹

• 中文名：DFB雷射器
• 外文名： Distributed Feedback Laser
• 別名：分散式反饋雷射器
• 屬於：側面發射的半導體雷射器

工藝結構

製造工藝　DFB晶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雷射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）
……

DFB晶片結構設計　DFB晶片大小：如下圖，晶片大小可以在成人大拇指上形象地看出來。

DFB晶片設計：晶片分為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結產生雷射。其注入電流方向和雷射發射示意圖如下：

套用原理

一、光纖通訊

通訊是DFB的主要套用，如1310nm，1550nm DFB雷射器的套用，這裡主要介紹非通訊波段DFB雷射器的套用。

二、可調諧半導體雷射吸收光譜技術（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) 醫療套用 (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、原子光譜學套用

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一些主要波長在雷射氣體分析、原子鐘套用、Nd：YAG雷射器種子源等領域上的套用：

DFB中心波長	主要套用	DFB中心波長	主要套用
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雷射器種子源	1742nm	氯化氫（HCl）氣體分析
1178nm	大功率光纖雷射器種子源	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資料庫在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：

套用案例

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，最佳化PVC材料的生產；

· 監測燃燒室中 O₂, CO, CO₂ 的濃度，控制鋼鐵的熔煉過程。

3．用於管道檢測

天然氣管道成分、泄漏檢測。

4．用於太空研究

比如用於NASA實驗室，俄羅斯航天局等。

廠商現狀

當前，DFB雷射器晶片技術基本上由德國、美國、日本等已開發國家掌握，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。

目前國內還沒有成熟的DFB晶片生產技術，由於成品率低基本上沒有形成商業化，國內生產的DFB雷射器主要是基於對國外晶片的封裝生產，主要表現為對通訊波段的生產和套用。

發展

DFB雷射器的發展方向是，更寬的諧調範圍和更窄的線寬，在一個DFB雷射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雷射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發展；更高的功率，由於目前DFB雷射器功率普遍較低，高功率能夠實現長距離、多路等更廣泛的套用。