一文解析分布式反馈（DFB）激光器

分布式反馈（Distributed Feedback, DFB）激光器是一种高性能单纵模半导体激光器，广泛应用于光纤通信、光传感和精密测量等领域。其特点是利用内置光栅结构实现波长选择性反馈，从而实现稳定的单模输出。本文将从工作原理、结构特点、性能优势及应用场景等方面进行解析。

1. DFB激光器的工作原理

DFB激光器的在于其内置布拉格光栅（Bragg Grating），该光栅沿激光器的有源区分布，通过周期性折射率调制形成波长选择性反馈机制。

关键原理：

• 布拉格反射条件：
  光栅的周期（Λ）满足布拉格条件：

  λB=2neffΛ

  其中：

  • λBλB 为布拉格波长（激光输出波长），

  • neffneff 为有效折射率，

  • ΛΛ 为光栅周期。

• 分布式反馈：
  与传统法布里-珀罗（FP）激光器不同，DFB激光器的反馈不是依赖端面反射镜，而是通过光栅的周期性结构在整个有源区提供分布式的反馈，从而抑制多纵模振荡，实现单纵模输出。

• 模式选择：
  由于光栅的波长选择性，只有满足布拉格条件的特定波长才能获得足够增益并形成激光振荡，其他波长被抑制。

2. DFB激光器的结构特点

DFB激光器的典型结构包括：

1. 有源区（Active Region）：

   • 通常由InGaAsP（用于1550 nm通信波段）或AlGaAs（用于850 nm波段）等材料构成，提供光增益。

2. 布拉格光栅（Bragg Grating）：

   • 通过电子束曝光或全息光刻技术在波导层上制作周期性折射率调制结构（如脊形波导或掩埋异质结结构）。

3. 相位移区（Phase Shift, 可选）：

   • 部分DFB激光器引入λ/4相移（在光栅中间插入一个相位突变），以进一步优化单模特性并降低阈值电流。

4. 抗反射涂层（AR Coating）：

   • 在激光器端面镀抗反射膜，减少端面反射对模式稳定性的影响。

3. DFB激光器的性能优势

4. DFB激光器的应用

1. 光纤通信

   • 用于密集波分复用（DWDM）系统，提供稳定的单波长光源（如1550 nm C波段）。

   • 高速直接调制（10 Gbps及以上）适用于5G前传、数据中心光互联。

2. 光传感

   • 气体检测（如TDLAS可调谐激光吸收光谱技术），利用DFB激光器的窄线宽和波长可调性。

   • 光纤布拉格光栅（FBG）传感系统的光源。

3. 精密测量

   • 激光雷达（LiDAR）、干涉仪等需要高相干性的场景。

4. 医学与生物技术

   • 光学相干断层扫描（OCT）、激光荧光检测等。