半导体激光二极管(laser diode，LD)如今无处不在。它们是将电能转换为激光功率的最简单元件。激光二极管基于几种半导体组装材料(GaAs、InP或其他更复杂的结构，如GaN)。单模半导体激光管是低功率半导体激光管(通常为<1W)，而多模半导体激光管是更高功率的器件(通常>10W至几千瓦)。

光纤输出的LD分为两种：

一、单模光纤。纤芯通常为几微米(例如，波长为1μm时，纤芯为6μm，波长为1.5μm时，纤芯为9μm)

二、多模光纤。直径较大的光纤，能够承受更大的光功率。纤芯通常为62、100、200、400、800甚至1000μm。在应用中，直径越小，就越容易用透镜或显微镜物镜将来自光纤的光聚焦到一个小点上。

图 1

单模光纤耦合LD可以是标准光纤(SMF)或保偏光纤(PM)。区别是，在保偏光纤中，光纤具有特殊的包层结构，允许沿光纤长度保持光的偏振。表2是康宁公司(Corning)不同型号的单模保偏光纤的特性。可以看到，随着波长的减小，核心直径变得越来越小。需要注意的一个数据是截止波长：当考虑其截止波长和该截止波长的1.5倍之间的波长时，单模光纤工作正常。低于此范围，光纤变为多模，高于此范围，激光在光纤弯曲时会泄漏出去。

图 2

单模光纤耦合LD通常是组装在称为“蝶形”(Butterfly)的封装中。它的TEC冷却器和热敏电阻集成在封装中。这种单模LD通常能够达到几百mW的输出功率，最高可以做到1.5W。

图 3 蝶形封装单模LD

此外，在通信领域，还有这种DIL封装和同轴(coaxial)封装。它们的功率通常<10mW。

图 4左边mini-DIL封装，中间14-pin DIL 封装，右侧coaxial封装

图5显示了市场上常见的3种激光二极管：VCSEL半导体激光管，它通常应用在传感方面，例如计算机鼠标设备或者智能手机3D传感人脸识别等，不做光纤耦合。能够光纤耦合的，是DFB和法布里-珀罗边缘激发二极管(FP)：

图 5 三种LD

FP-LD是基于部分反射半导体腔技术，其中腔后端是高反射涂层，前端是部分反射涂层。芯片尺寸大概为1*0.5*0.2mm，功率可以达到>1.5W，带宽通常很宽(>1nm)，输出光束为强椭圆形。这种FP-LD为了降低带宽并提高LD的整体稳定性，会在输出光纤内添加布拉格光栅，如图6所示：

图6 光纤布拉格光栅

布拉格光栅能够在非常精确的波长下，提高LD反射率，从而降低LD带宽：没有布拉格光栅的LD带宽通常为3-5nm。而使用布拉格光栅时，带宽<0.1nm；同时，在没有布拉格光栅的情况下，波长光谱温度调谐系数通常为0.35nm/°C，而使用布拉格光栅时要小得多。

DFB-LD/DBR-LD将布拉格光栅直接集成到LD芯片里。所以，DFB的带宽更窄，通常为1MHz。

图 7 DFB/DBR

图 8 多模光纤耦合激光二极管

多模光纤耦合激光二极管(LD)基于宽区域发射激光二极管芯片，有4种类型：

1、单激发管(Single emitters)：LD芯片被隔离、组装在子支架上并单独封装在半导体激光管模块中，耦合到105/125μm多模光纤，功率可以达到15W。

2、多激发管(Single emitters)：多个LD芯片在多模光纤中与其他隔离发射器分开并光耦合在一起(图2-右)。输出功率可以达到几百瓦，同时光纤尺寸可以保持很小，芯径100或200um。

3、单条(Single bars)：将多个激发管作为单条组装在LD模块中，耦合到200/240μm多模光纤，功率可以达到50W。

4、多条(Multiple bars)：将多个激发管组装在一个大型水冷封装中，再耦合到大直径(600/800μm)多模光纤中，功率可以达到100W以上。

图 9 组装在子支架上的单个元件(左)，由19个激发管组成的单条(右)

在多模LD中，需要关注不同类型的LD，其电压和电流是如何变化的：

1、单激发管的电压电平为1.5V，电流为15A。

2、多激发管是串联激发。这意味着电流不会改变(通常最大为15A)，但是随着激发管的数量增加，电压也会增加。(60W的LD，电压电流分别为4.5V/15A)

3、单条是并联激发管。因此，电压不会改变，但电流可以轻松达到45或50A。

4、多条是把多个单条串联起来。因此它的电流(例如45A)不会改变，但电压会随着条形的数量而增加。

图 10 单管示意图(左)多管示意图(右)

图 11多模LD结构