作為20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一，激光器在各行各業(yè)發(fā)揮了日益重要的作用。和自然的普通光源不同，激光是一種相干光，即具有頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位相同（或者說相位相差保持恒定）的特性；而現(xiàn)在的光通信系統(tǒng)，很大程度上就依賴高質(zhì)量的激光光源。本文主要為大家介紹和光模塊產(chǎn)品相關(guān)的激光器種類及其優(yōu)缺點(diǎn)的對比，并結(jié)合具體產(chǎn)品和使用場景給大家加深理解。

一、光模塊激光器

光模塊使用的激光器主要是VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）、FP（Fabry-perot 法布里-珀羅激光器）、DFB（分布式布拉格反饋式激光器）、可調(diào)諧激光器等幾種激光器。

1、FP激光器
FP（Fabry-perot）激光器是以FP腔為諧振腔，發(fā)出多縱模相干光的半導(dǎo)體發(fā)光器件。FP激光器主要用于低速率短距離傳輸，比如傳輸距離一般在20公里以內(nèi)，速率一般在1.25G以內(nèi)，F(xiàn)P的分兩種波長，1310nm/1550nm。

2、DFB激光器
DFB激光器是在FP激光器的基礎(chǔ)上采用光柵慮光器件使器件只有一個(gè)縱模輸出。DFB( Distributed Feedback Laser)一般也用2種波長1310nm、1550nm，分為制冷和無制冷，主要用于高速中長距離傳輸，傳輸距離一般在40公里以上。

3、VCSEL激光器
VCSEL激光器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、圓形輸出光斑、單縱模輸出、閾值電流小、價(jià)格低廉、易集成為大面積陣列等等，目前與多模光纖的耦合效率可達(dá)90%, 廣泛應(yīng)用于光通信、光互連、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域。在相同的輸出功率下，它比DFB激光器和FP激光器的效率更高。相比FP激光器和DFB激光器，制造和調(diào)整準(zhǔn)直VCSEL都比較容易，這樣就能夠生產(chǎn)低成本基于VCSEL的收發(fā)器。

二、光模塊VCSEL、FP與DFB激光器的區(qū)別以及優(yōu)點(diǎn)

VCSEL具有完美的光速質(zhì)量、小的發(fā)散角和圓對稱光分布使其與光纖的耦合效率較高，

其與多模光纖的耦合效率可大于90%。其較小的有源體積，使其產(chǎn)生的激光的閾值電流較低。

極短的諧振腔長度，使得縱模間距變大，易于實(shí)現(xiàn)縱模激光運(yùn)轉(zhuǎn)。具有垂直于襯底表面光出射方向，易于通過高密度集成實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出。高的傳輸速率和調(diào)制頻率，也有利于高速光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸通信。

VCSEl 在傳感器應(yīng)用方面也展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，相比于早期3D攝像頭系統(tǒng)使用的LED紅外源，結(jié)構(gòu)更加簡單、提交更小、功耗更低、距離檢測更加精確。

VCSEL激光器是面發(fā)射激光器，多橫模單縱模輸出。其結(jié)構(gòu)如圖所示。

我們可以看到VCSEL激光器的光束方向是由下而上的。

FP激光器的性能參數(shù)：

1）工作波長：激光器發(fā)出光譜的中心波長。

2）光譜寬度：多縱模激光器的均方根譜寬。

3）閾值電流：當(dāng)器件的工作電流超過閾值電流時(shí)激光器發(fā)出相干性很好的激光。

4）輸出光功率：激光器輸出端口發(fā)出的光功率。

DFB激光器的性能參數(shù)：

1）工作波長：激光器發(fā)出光譜的中心波長。

2）邊模抑制比：激光器工作主模與最大邊模的功率比。

3）-20dB光譜寬度：由激光器輸出光譜的最高點(diǎn)降低20dB處光譜寬度。

4）閾值電流：當(dāng)器件的工作電流超過閾值電流時(shí)激光器發(fā)出相干性很好的激光。

5）輸出光功率：激光器輸出端口發(fā)出的光功率.

其中FP激光器和DFB激光器都屬于邊發(fā)射激光器，單橫模輸出。

FP結(jié)構(gòu)的激光器通過兩側(cè)反射鏡作光反饋，DFB通過光柵作光反饋。

FP無需刻蝕光柵，工藝簡單，但諧振腔只能選擇特定波長，譜寬較寬，屬于多縱模激光器。

DFB激光器需要刻蝕光柵，工藝復(fù)雜，諧振腔選擇單一波長，譜寬窄，邊模抑制比高，屬于單縱模激光器。

總結(jié)一下：

多模光模塊使用VCSEL激光器，工作波長為850nm；

單模光模塊使用FP或者DFB激光器，工作于1310nm和1550nm的波長，色散小，傳輸距離遠(yuǎn)。

這里的多模是“多橫模”的縮寫——光纖系統(tǒng)的單模多模是指光纖中光的橫向模式；而FP激光器既可以用于單模又可用于多模，此處的“?！笔侵讣す馄鞯目v模，可以通過波長的調(diào)節(jié)來完成。

三、激光器的調(diào)制方式

說完了這三種光模塊中的常見激光器以及模式，還有一個(gè)很重要的概念就是激光器的調(diào)制。光模塊里的調(diào)制方式主要分為直接調(diào)制（DML）和電吸收調(diào)制（EML），主要應(yīng)用于DFB激光器。

DML的原理是通過調(diào)制激光器的注入電流來實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制，由于注入電流的大小會(huì)改變激光器有源區(qū)的折射率，造成波長漂移（啁啾）從而產(chǎn)生色散，從而限制了傳輸距離；另外DML的寬帶有限，并且調(diào)制電流大時(shí)激光器容易飽和，難以實(shí)現(xiàn)較高的消光比，增加了系統(tǒng)誤碼率。

在改善傳統(tǒng)激光器的封裝形式及高頻性能的情況下，采用倒裝焊新工藝和以可調(diào)硅FP濾波器為代表的混合集成技術(shù)，DML將有希望實(shí)現(xiàn)10km以上單路50G波特率的傳輸。

EML一般帶制冷器，是由利用量子限制Stark效應(yīng)（QCSE）工作的EAM電吸收調(diào)制器和利用內(nèi)光柵耦合確定波長的DFB激光器集成的小體積、低波長啁啾的高性能光通信通用光源。EML的波長啁啾低，信號傳輸質(zhì)量高，易實(shí)現(xiàn)高傳輸速率，但是價(jià)格昂貴、耗電量大。

數(shù)據(jù)中心光模塊的特點(diǎn)是價(jià)格低和功耗低，不過當(dāng)前非制冷的EML已經(jīng)問世，部分解決了成本和功耗的問題。EML可以延伸至高速率的2km應(yīng)用領(lǐng)域，比如易飛揚(yáng)即將推出的200G QSFP56 FR4 PAM4 2km光模塊。

簡單總結(jié)一下就是：在高速率的10G、25G以上的鏈路中，DML應(yīng)用在2km到10km左右的距離場景；而10km到40km的場景大都使用EML。

DML適用于數(shù)據(jù)中心場景，

EML適用于電信級長距離場景。

四、光模塊激光器不同應(yīng)用

VCSEL激光器應(yīng)用

（1）消費(fèi)電子3D成像：VCSEL是消費(fèi)電子視覺成像、三維感應(yīng)的基礎(chǔ)元器件，預(yù)計(jì)2020年，僅智能手機(jī)為VCSEL市場貢獻(xiàn)超過20億美元的收入。

（2）物聯(lián)網(wǎng)：VCSEL是物聯(lián)網(wǎng)的重要傳感器件，預(yù)計(jì)2025年，全球?qū)⒂袛?shù)十億設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)，全球物聯(lián)網(wǎng)市場有望超過30萬億美元。

（3）數(shù)據(jù)中心/云計(jì)算：VCSEL用于數(shù)據(jù)中心，預(yù)計(jì)2020年，全球VCSEL數(shù)據(jù)通訊的市場規(guī)模將達(dá)到100億美元。

（4）自動(dòng)駕駛：VCSEL應(yīng)用于自動(dòng)駕駛中的車身通訊、傳感器等，預(yù)計(jì)到2030年，激光雷達(dá)的使用數(shù)量將超過3億枚。

DFB激光器應(yīng)用
通訊是DFB的主要應(yīng)用，如1310nm，1550nm DFB激光器的應(yīng)用，主要介紹非通訊波段DFB激光器的應(yīng)用。

FB激光器應(yīng)用

FP激光器是以FP腔為諧振腔，發(fā)出多縱模相干光的半導(dǎo)體發(fā)光器件。這類器件的特點(diǎn)；輸出光功率大、發(fā)散角較小、光譜較窄、調(diào)制速率高，適合于較長距離通信。

五、總結(jié)

光模塊根據(jù)不同場景的選擇和使用是完全不同的，其中最主要的就是根據(jù)傳輸距離選擇激光器類型和調(diào)制方式，希望這篇圖文能讓大家對光模塊選型背后的原因做一個(gè)較為深層和全面的了解。易飛揚(yáng)（Gigalight）擁有業(yè)界少見的全面光模塊產(chǎn)線，種類豐富多樣，完全有能力按客戶的不同需求定制產(chǎn)品，若想了解更多相關(guān)的信息，可訪問我們官網(wǎng)www.gigalight.com或者詢問我們的銷售人員。