Was sind die Grundlagen fasergekoppelter Laserdioden?

Heutzutage sind Laserdioden allgegenwärtig. Sie sind die einfachsten Komponenten, um elektrische Energie in Laserleistung umzuwandeln. Laserdioden basieren auf verschiedenen Halbleiterverbindungsmaterialien (GaAs, InP oder anderen komplexeren Strukturen wie GaN). Singlemode-Laserdioden sind Laserdioden mit geringer Leistung (typischerweise).<1W), while multimode laser diodes are higher power devices (typically 10 W to several kW).

Faseroptik Es gibt im Allgemeinen zwei Arten von aktiven Fasern, die zur Lichteinkopplung von Laserdioden verwendet werden:

• Singlemode-Faser: Kern typischerweise einige Mikrometer (z. B. ~6 µm Kern bei 1 µm Wellenlänge, ~9 µm Kern bei 1,5 µm Wellenlänge)
• Multimode-Faser: Größerer Durchmesser für höhere optische Leistungen. Standardausführungen haben typischerweise einen Kerndurchmesser von 62, 100, 200, 400, 800 oder sogar > 1000 µm. Je kleiner der Durchmesser, desto einfacher ist es, das Licht der Faser mit einer Linse oder einem Mikroskopobjektiv auf einen kleinen Punkt zu fokussieren.

Prinzipien der Singlemode- und Multimode-Faser. Multimode-Faserkerne sind viel größer

Polarisationserhaltende Faser: Singlemode-Laserdioden können Standardfasern (SMF) oder polarisationserhaltende Fasern (PM) sein. Bei letzterem verfügt die Faser über eine spezielle Mantelstruktur, die die Polarisation des Lichts über die gesamte Länge der Faser aufrechterhält. Die folgende Tabelle zeigt die Eigenschaften verschiedener Arten von polarisationserhaltenden Singlemode-Fasern, die von Corning angeboten werden. Man erkennt, dass der Kerndurchmesser mit abnehmender Wellenlänge sehr klein wird. Ein interessanter Datenpunkt in der Tabelle ist die Grenzwellenlänge. Singlemode-Fasern funktionieren gut, wenn Wellenlängen zwischen ihrer Grenzwellenlänge und etwa dem 1,5-fachen dieser Grenzwellenlänge berücksichtigt werden. Unterhalb dieses Bereichs wird die Faser multimode, und oberhalb dieses Bereichs kann Licht die Faser beim Biegen leicht verlassen.

Fasergekoppelte Singlemode-Laserdioden Dieser Laserdiodentyp wird typischerweise in einem „Butterfly“-Gehäuse zusammengebaut, das einen TEC-Kühler und einen Thermistor enthält (der Trend geht heute zu kleineren Formfaktoren). Fasergekoppelte Singlemode-Laserdioden können typischerweise Ausgangsleistungen von einigen hundert Milliwatt bis 1,5 Watt liefern.

Beispiel einer fasergekoppelten Singlemode-Butterfly-Laserdiode, die bei 1064 nm emittiert (14-Pin-Standard-Butterfly). Diese Laserdiodenmodule bestehen aus einem TE-Kühler, einem Thermistor und einem Monitor (BFM) zur Messung der optischen Leistungspegel.

Es gibt mehrere andere Verpackungsarten auf dem Markt. Auf dem Telekommunikationsmarkt findet man beispielsweise häufig die folgenden DIL-Pakete oder Koaxialpakete, bei denen die Leistung normalerweise weniger als 10 mW beträgt.

VCSEL-Laserdioden sind normalerweise nicht fasergekoppelt. Sie sind ein gängiger Typ von Laserdioden, die in Anwendungen mit großer Diffusionserkennung eingesetzt werden, beispielsweise bei Computermausgeräten oder der 3D-Gesichtserkennung in Smartphones.

DFB- und Fabry-Perrot-Kantenemitterdioden sind normalerweise wie unten beschrieben fasergekoppelt:

Fabry-Perot-Laserdiodenmit Bragg-Gittern Eine „normale“ fasergekoppelte Laserdiode ist ein üblicher teilweise reflektierender Halbleiterhohlraum, bei dem die Rückseite eine hochreflektierende Beschichtung und die Vorderseite eine teilweise reflektierende Beschichtung aufweist. Eine typische Laserdiodenchipgröße beträgt etwa 1*0,5*0,2 mm. Die wichtigsten typischen Merkmale sind wie folgt:

Leistungsbereich bis zu 1,5 W für Singlemode (viel mehr für Multimode)
Generally wide bandwidth (>1nm)
Der Ausgangsstrahl ist stark elliptisch.
Um die Emissionsbandbreite zu reduzieren und die Gesamtstabilität von Laserdioden zu verbessern, fügen Laserdiodenhersteller häufig Faser-Bragg-Gitter in die Ausgangsfaser ein.

Bragg-Gitter verleihen Laserdioden bei sehr präzisen Wellenlängen ein paar Prozent Reflexionsvermögen. Dies ermöglicht eine Gesamtreduzierung der Emissionsbandbreite der Laserdiode. Die Emissionsbandbreite beträgt typischerweise 3-5 nm ohne Bragg-Gitter, wohingegen sie viel schmaler ist (~<0.1 nm) when using a Bragg grating. The wavelength spectral temperature tuning coefficient is typically 0.35 nm/°C without any Bragg gratings and much smaller with Bragg gratings. The main suppliers of 915/976/1064 nm single-mode pump laser diodes are companies that developed the fiber amplifier (EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier) business for the telecom market in the late nineties. Due to their high yield, they offer high reliability and reasonable cost.

DBR- oder DFB-Laserdioden
DFB- oder DBR-Laserdiodengeräte integrieren einen Bragg-Gitter-Wellenlängenstabilisierungsabschnitt direkt auf dem Laserdiodenchip. Dies ergibt typischerweise eine schmalere Emissionswellenlänge (etwa 10^(-5) nm) für einen 1-MHz-DFB statt etwa 0,1 nm für einen Fabry-Perot mit einem Bragg-Gitter.

4 Serie fasergekoppelter Multimode-Laserdioden

Einzelemitter: Wenn der Laserdiodenchip unabhängig auf dem Unterbau montiert und separat im Laserdiodenmodul verpackt ist. Wir sprechen hier von typischerweise 15 W gekoppelt an eine 105 (Kern)/125 µm (Mantel) Laserdiode
Mehrere Emitter: Wenn mehrere Emitter getrennt und optisch mit anderen isolierten Emittern in einer Multimode-Faser gekoppelt werden (Abbildung 19-rechts). Dadurch können Ausgangsleistungen auf Hunderte von Watt skaliert und die Größe der Faser klein gehalten werden, z. B. 100 oder 200 µm Kern.
Monobar: Wenn mehrere Emitter als Monobar zusammengehalten werden (Abbildung 17) und in einem Laserdiodenmodul montiert werden. Wir sprechen hier von typischerweise etwa 50 W, typischerweise eingekoppelt in eine 200 µm (Kern)/240 µm (Mantel) Laserdiode
Multibar: Wenn mehrere Bars in einem großen wassergekühlten Paket zusammengebaut und in einer Multimode-Faser mit großem Durchmesser gekoppelt werden. Wir sprechen hier von 100 Watt oder sogar KW, die beispielsweise in eine Multimode-Faser mit 600 oder 800 µm Kern eingekoppelt sind.

Es ist erwähnenswert, wie typische Spannungs- und Strompegel variieren, wenn man die verschiedenen Serien betrachtet:

Ein typischer einzelner Sender hat einen typischen Spannungspegel von etwa 1,5 V und einen Strom von etwa 15 A.
Bei Multiemitter-Laserdioden sind die Emitter in Reihe geschaltet. Das bedeutet, dass sich der Strompegel nicht ändert (typischerweise maximal 15 A), aber die Spannung steigt, wenn immer mehr Emitter berücksichtigt werden. (z. B. 4,5V/15A für eine 60-W-Laserdiode)
Laserdiodenbarren werden parallel zu allen Emittern montiert. Daher bleibt der Spannungspegel gleich, der Strompegel kann jedoch problemlos 45 oder 50 A erreichen.
Wenn mehrere Stäbe zusammengebaut werden, werden sie außerdem in Reihe geschaltet, sodass sich der Strompegel (z. B. 45 A) nicht ändert, die Spannung jedoch regelmäßig mit der Anzahl der Stäbe zunimmt.

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