翻開(kāi)光器件的產(chǎn)品目錄，光是「激光二極管」這一欄就能排出十幾種：FP、DFB、VCSEL、DBR、ECL、EML、QCL、ICL、SLD、SOA……一串字母組合，看著像密碼。

它們本質(zhì)上都是同一類東西：一塊半導(dǎo)體芯片，通電就出激光。既然原理相同，何必分這么細(xì)？

答案藏在一個(gè)很實(shí)在的地方——半導(dǎo)體激光器只做三件事：產(chǎn)生增益（PN 結(jié)注入，電子與空穴復(fù)合發(fā)光）、提供反饋（諧振腔讓光來(lái)回跑）、把光放出來(lái)。第一件各家都一樣，分家就分在后兩件上：腔怎么搭，光從哪出。每解決一個(gè)具體的工程麻煩，就多出一個(gè)縮寫(xiě)。

一、最樸素的做法：FP

FP 是法布里-珀羅的縮寫(xiě)，顧名思義，腔就是兩面平行的鏡子。在半導(dǎo)體里，這兩面鏡子甚至不用額外做——晶體沿特定方向解理，斷面天然平整如鏡，直接拿來(lái)當(dāng)反射面就行。工藝簡(jiǎn)單，成本低。

代價(jià)是它多縱模。凡是滿足駐波條件的波長(zhǎng)都能在腔里振蕩，于是輸出光譜是一排梳齒，整體寬度常常有幾個(gè)納米。

圖1：有沒(méi)有光柵，決定輸出是幾個(gè)模式

幾個(gè)納米聽(tīng)起來(lái)不多，可一旦進(jìn)了光纖就麻煩了。光纖有色散，不同波長(zhǎng)跑得不一樣快，模式越多、譜越寬，脈沖被拉得越糊——幾十公里之后，信號(hào)就分不清彼此了。

所以 FP 的用場(chǎng)很清楚：距離短、速率不高、對(duì)譜寬不敏感的場(chǎng)合。指示、泵浦、短距傳輸，它都勝任，而且便宜。

二、要單模：把光柵做進(jìn)芯片里

通信要的是單縱模，于是有了 DFB 與 DBR。

DFB（分布式反饋）的做法是：在有源區(qū)里刻上周期性的光柵。只有滿足布拉格條件的那個(gè)波長(zhǎng)能被反復(fù)加強(qiáng)，其余的都被抑制掉。輸出就成了干凈的一根譜線，寬度常常能壓到幾兆赫茲以下。

DBR（分布式布拉格反射）思路相近，但把光柵挪到了腔兩端的無(wú)源區(qū)，中間留出完整的增益區(qū)。區(qū)別聽(tīng)著不大，效果卻有分工：DFB 的單模更穩(wěn)，DBR 的調(diào)諧范圍更大。

打個(gè)比方：FP 像一間空屋子，什么音調(diào)都能引起共鳴；DFB 給屋子裝上了格柵，只留下一個(gè)音能站住。

代價(jià)當(dāng)然有。做光柵要用光柵刻蝕、二次外延這些額外工藝，一片 DFB 的價(jià)格通常是 FP 的幾倍。這筆錢(qián)花得值不值，取決于那段光纖有多長(zhǎng)。

三、換個(gè)方向出光：VCSEL

前面幾種都是邊發(fā)射：光從芯片的側(cè)面出來(lái)。因?yàn)槌龉饪谑且粭l窄縫，光斑是細(xì)長(zhǎng)的橢圓，想耦合進(jìn)圓形的纖芯，得先用透鏡整形。

VCSEL 換了個(gè)思路——讓光從芯片頂面垂直射出。腔不再是橫向的，而是上下兩片反射鏡夾著薄薄的有源區(qū)。

圖2：光從側(cè)面出，還是從頂面出

好處立刻顯現(xiàn)：光斑是圓的，直接耦合，省掉整形；有源區(qū)極薄，閾值很低，毫安級(jí)就能起振；更重要的是，它能在晶圓上直接測(cè)試——不用切成一個(gè)個(gè)再挑，成本優(yōu)勢(shì)非常明顯。此外還容易做成二維陣列，用數(shù)量把功率堆上去。

短板是單管功率不大。常見(jiàn)的 850 納米、940 納米就在它的舒適區(qū)里，短距通信、傳感、消費(fèi)電子都是它的地盤(pán)。

所以 VCSEL 與邊發(fā)射不是替代關(guān)系，而是分工：要圓光斑、要陣列、要便宜，找 VCSEL；要大功率、要窄線寬、要長(zhǎng)距離，還得靠邊發(fā)射那幾位。

四、中紅外那一支：QCL 與 ICL

普通半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)由材料的帶隙決定。想發(fā)中遠(yuǎn)紅外（3 到 12 微米），帶隙得小到幾乎沒(méi)有，常規(guī)材料體系做不到。

QCL（量子級(jí)聯(lián)激光器）繞開(kāi)了這個(gè)限制。它不靠帶隙，而是靠量子阱里的子帶間躍遷：電子從高能級(jí)落到低能級(jí)，發(fā)一個(gè)光子，然后隧穿進(jìn)入下一個(gè)完-全相同的周期，再發(fā)一個(gè)。一個(gè)電子穿過(guò)幾十個(gè)周期，就能串出幾十個(gè)光子。

圖3：一個(gè)電子，一路發(fā)一串光子

關(guān)鍵在于，躍遷能量由量子阱的寬度決定，而寬度是可以設(shè)計(jì)的。想要什么波長(zhǎng)，改阱寬就行，不必等材料。這就把中紅外這塊硬骨頭啃了下來(lái)。

3 到 12 微米這個(gè)區(qū)間，恰好是多數(shù)分子的指紋區(qū)——甲烷、二氧化碳、一氧化氮的吸收線都在這附近。所以氣體檢測(cè)的臺(tái)子，多半要配一支 QCL。

ICL（帶間級(jí)聯(lián)激光器）填補(bǔ)的是 QCL 與近紅外之間的空隙，工作方式介于傳統(tǒng)激光器與 QCL 之間，功耗比 QCL 低不少，適合對(duì)散熱和電池有要求的場(chǎng)合。

五、掐掉反饋：SLD 與 SOA

還有兩位比較特殊——它們的共同點(diǎn)是把反饋掐掉。

做法很直接：把端面斜切，或者鍍上增透膜，讓光走到頭就出去了，不反射回來(lái)。腔于是形同虛設(shè)，只剩放大。

圖4：掐掉反饋，激光器就換了身份

只放大不振蕩的結(jié)果，就是 SLD（超輻射發(fā)光二極管）：亮度接近激光，譜寬卻寬達(dá)幾十納米。

寬譜在很多場(chǎng)合是缺點(diǎn)，但在光學(xué)相干層析這類地方，恰恰是要追求的目標(biāo)。道理來(lái)自相干長(zhǎng)度——L_c ≈ λ2 / Δλ，譜越寬，相干長(zhǎng)度越短，干涉信號(hào)只在極短的光程差附近出現(xiàn)，縱向分辨反而越高。譜寬幾十納米，相干長(zhǎng)度就壓到幾十微米量級(jí)，正好拿來(lái)做層析的「刻度」。

同一枚芯片，不做光源而去做放大器，就成了 SOA（半導(dǎo)體光放大器）：不自己發(fā)光，專門(mén)放大別人過(guò)來(lái)的光，當(dāng)放大器、當(dāng)光開(kāi)關(guān)都合適。

六、要調(diào)得快：EML 與 ECL

把信號(hào)加載到光上，最省事的辦法是直接調(diào)激光器的電流。但電流一變，有源區(qū)的載流子濃度就變，折射率跟著變，波長(zhǎng)也跟著抖——這個(gè)現(xiàn)象叫啁啾。

速率低的時(shí)候還能湊合；到了 25 G、50 G 以上，啁啾遇上光纖色散，脈沖還沒(méi)跑遠(yuǎn)就散了架。

圖5：直接調(diào)制與外調(diào)制的差別

EML（電吸收調(diào)制激光器）的解法是分工：前面的 DFB 恒流工作、波長(zhǎng)穩(wěn)如磐石，后面接一段電吸收調(diào)制器，靠電壓改變吸收強(qiáng)弱來(lái)開(kāi)關(guān)光。調(diào)制只改變光的「有無(wú)」，不碰光源本身，啁啾因此小得多。它就是 DFB 加 EAM 長(zhǎng)在同一塊芯片上，用集成度換性能。

代價(jià)是多了驅(qū)動(dòng)電壓和溫度控制，電路比直接調(diào)制復(fù)雜一截。

另一條路是 ECL（外腔激光器）：干脆把鏡子放到芯片外面。腔一長(zhǎng)，可振蕩的模式就密集，選模之后線寬能窄到千赫茲量級(jí)；再轉(zhuǎn)動(dòng)外腔里的光柵，還能連續(xù)調(diào)波長(zhǎng)。相干通信、高分辨光譜，用的都是它。

七、選型時(shí)究竟看什么

把上面這些串起來(lái)會(huì)發(fā)現(xiàn)，那些縮寫(xiě)并不是隨意堆砌的，而是各自對(duì)應(yīng)一組指標(biāo)。

圖6：一張表看懂各自的地盤(pán)

真到選型的時(shí)候，問(wèn)的無(wú)非是這么幾個(gè)問(wèn)題：

波長(zhǎng)多少——先定材料體系，這一條往往就把范圍砍掉大半；

要單模還是無(wú)所謂——涉及傳輸距離與色散，決定 FP 還是 DFB；

功率多大——單管夠不夠，要不要上陣列；

要不要調(diào)制、多快——低速率直接調(diào)，高速率上 EML；

譜寬是越窄越好，還是故意要寬——通信求窄，層析求寬，目標(biāo)正好相反。

剩下的問(wèn)題——封裝形式、尾纖類型、溫控要不要、驅(qū)動(dòng)怎么配——多半是這五條的延伸。

八、總結(jié)

半導(dǎo)體激光器分出這么多型號(hào)，不是廠商愛(ài)起名字，是因?yàn)?/span>沒(méi)有一個(gè)結(jié)構(gòu)能同時(shí)在所有指標(biāo)上都拿滿分。

差別出在兩處——腔怎么搭（FP 裸腔多模、DFB/DBR 刻光柵選單模、ECL 把鏡子挪到片外求窄線寬）與光從哪出（邊發(fā)射功率大、VCSEL 圓光斑好耦合）；

中紅外帶隙做不了，于是有了靠阱寬設(shè)計(jì)的 QCL；

而 SLD 與 SOA 則是把反饋掐掉后的另一種用法。

要單色性就得做光柵、得多花錢(qián)；要圓光斑就接受功率有限；要中紅外就得忍受量子級(jí)聯(lián)那套復(fù)雜的外延。所謂選型，說(shuō)到底就是先想清楚哪一條最不能讓步，然后接受其他方面的妥協(xié)。

下次再看到那串字母，不妨先問(wèn)一句：它到底是為了解決哪一個(gè)麻煩才被發(fā)明出來(lái)的。想通了這一層，目錄就沒(méi)那么難讀了。

翻開(kāi)光器件的產(chǎn)品目錄，光是「激光二極管」這一欄就能排出十幾種：FP、DFB、VCSEL、DBR、ECL、EML、QCL、ICL、SLD、SOA……一串字母組合，看著像密碼。

它們本質(zhì)上都是同一類東西：一塊半導(dǎo)體芯片，通電就出激光。既然原理相同，何必分這么細(xì)？

答案藏在一個(gè)很實(shí)在的地方——半導(dǎo)體激光器只做三件事：產(chǎn)生增益（PN 結(jié)注入，電子與空穴復(fù)合發(fā)光）、提供反饋（諧振腔讓光來(lái)回跑）、把光放出來(lái)。第一件各家都一樣，分家就分在后兩件上：腔怎么搭，光從哪出。每解決一個(gè)具體的工程麻煩，就多出一個(gè)縮寫(xiě)。

一、最樸素的做法：FP

FP 是法布里-珀羅的縮寫(xiě)，顧名思義，腔就是兩面平行的鏡子。在半導(dǎo)體里，這兩面鏡子甚至不用額外做——晶體沿特定方向解理，斷面天然平整如鏡，直接拿來(lái)當(dāng)反射面就行。工藝簡(jiǎn)單，成本低。

代價(jià)是它多縱模。凡是滿足駐波條件的波長(zhǎng)都能在腔里振蕩，于是輸出光譜是一排梳齒，整體寬度常常有幾個(gè)納米。

圖1：有沒(méi)有光柵，決定輸出是幾個(gè)模式

幾個(gè)納米聽(tīng)起來(lái)不多，可一旦進(jìn)了光纖就麻煩了。光纖有色散，不同波長(zhǎng)跑得不一樣快，模式越多、譜越寬，脈沖被拉得越糊——幾十公里之后，信號(hào)就分不清彼此了。

所以 FP 的用場(chǎng)很清楚：距離短、速率不高、對(duì)譜寬不敏感的場(chǎng)合。指示、泵浦、短距傳輸，它都勝任，而且便宜。

二、要單模：把光柵做進(jìn)芯片里

通信要的是單縱模，于是有了 DFB 與 DBR。

DFB（分布式反饋）的做法是：在有源區(qū)里刻上周期性的光柵。只有滿足布拉格條件的那個(gè)波長(zhǎng)能被反復(fù)加強(qiáng)，其余的都被抑制掉。輸出就成了干凈的一根譜線，寬度常常能壓到幾兆赫茲以下。

DBR（分布式布拉格反射）思路相近，但把光柵挪到了腔兩端的無(wú)源區(qū)，中間留出完整的增益區(qū)。區(qū)別聽(tīng)著不大，效果卻有分工：DFB 的單模更穩(wěn)，DBR 的調(diào)諧范圍更大。

打個(gè)比方：FP 像一間空屋子，什么音調(diào)都能引起共鳴；DFB 給屋子裝上了格柵，只留下一個(gè)音能站住。

代價(jià)當(dāng)然有。做光柵要用光柵刻蝕、二次外延這些額外工藝，一片 DFB 的價(jià)格通常是 FP 的幾倍。這筆錢(qián)花得值不值，取決于那段光纖有多長(zhǎng)。

三、換個(gè)方向出光：VCSEL

前面幾種都是邊發(fā)射：光從芯片的側(cè)面出來(lái)。因?yàn)槌龉饪谑且粭l窄縫，光斑是細(xì)長(zhǎng)的橢圓，想耦合進(jìn)圓形的纖芯，得先用透鏡整形。

VCSEL 換了個(gè)思路——讓光從芯片頂面垂直射出。腔不再是橫向的，而是上下兩片反射鏡夾著薄薄的有源區(qū)。

圖2：光從側(cè)面出，還是從頂面出

好處立刻顯現(xiàn)：光斑是圓的，直接耦合，省掉整形；有源區(qū)極薄，閾值很低，毫安級(jí)就能起振；更重要的是，它能在晶圓上直接測(cè)試——不用切成一個(gè)個(gè)再挑，成本優(yōu)勢(shì)非常明顯。此外還容易做成二維陣列，用數(shù)量把功率堆上去。

短板是單管功率不大。常見(jiàn)的 850 納米、940 納米就在它的舒適區(qū)里，短距通信、傳感、消費(fèi)電子都是它的地盤(pán)。

所以 VCSEL 與邊發(fā)射不是替代關(guān)系，而是分工：要圓光斑、要陣列、要便宜，找 VCSEL；要大功率、要窄線寬、要長(zhǎng)距離，還得靠邊發(fā)射那幾位。

四、中紅外那一支：QCL 與 ICL

普通半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)由材料的帶隙決定。想發(fā)中遠(yuǎn)紅外（3 到 12 微米），帶隙得小到幾乎沒(méi)有，常規(guī)材料體系做不到。

QCL（量子級(jí)聯(lián)激光器）繞開(kāi)了這個(gè)限制。它不靠帶隙，而是靠量子阱里的子帶間躍遷：電子從高能級(jí)落到低能級(jí)，發(fā)一個(gè)光子，然后隧穿進(jìn)入下一個(gè)完-全相同的周期，再發(fā)一個(gè)。一個(gè)電子穿過(guò)幾十個(gè)周期，就能串出幾十個(gè)光子。

圖3：一個(gè)電子，一路發(fā)一串光子

關(guān)鍵在于，躍遷能量由量子阱的寬度決定，而寬度是可以設(shè)計(jì)的。想要什么波長(zhǎng)，改阱寬就行，不必等材料。這就把中紅外這塊硬骨頭啃了下來(lái)。

3 到 12 微米這個(gè)區(qū)間，恰好是多數(shù)分子的指紋區(qū)——甲烷、二氧化碳、一氧化氮的吸收線都在這附近。所以氣體檢測(cè)的臺(tái)子，多半要配一支 QCL。

ICL（帶間級(jí)聯(lián)激光器）填補(bǔ)的是 QCL 與近紅外之間的空隙，工作方式介于傳統(tǒng)激光器與 QCL 之間，功耗比 QCL 低不少，適合對(duì)散熱和電池有要求的場(chǎng)合。

五、掐掉反饋：SLD 與 SOA

還有兩位比較特殊——它們的共同點(diǎn)是把反饋掐掉。

做法很直接：把端面斜切，或者鍍上增透膜，讓光走到頭就出去了，不反射回來(lái)。腔于是形同虛設(shè)，只剩放大。

圖4：掐掉反饋，激光器就換了身份

只放大不振蕩的結(jié)果，就是 SLD（超輻射發(fā)光二極管）：亮度接近激光，譜寬卻寬達(dá)幾十納米。

寬譜在很多場(chǎng)合是缺點(diǎn)，但在光學(xué)相干層析這類地方，恰恰是要追求的目標(biāo)。道理來(lái)自相干長(zhǎng)度——L_c ≈ λ2 / Δλ，譜越寬，相干長(zhǎng)度越短，干涉信號(hào)只在極短的光程差附近出現(xiàn)，縱向分辨反而越高。譜寬幾十納米，相干長(zhǎng)度就壓到幾十微米量級(jí)，正好拿來(lái)做層析的「刻度」。

同一枚芯片，不做光源而去做放大器，就成了 SOA（半導(dǎo)體光放大器）：不自己發(fā)光，專門(mén)放大別人過(guò)來(lái)的光，當(dāng)放大器、當(dāng)光開(kāi)關(guān)都合適。

六、要調(diào)得快：EML 與 ECL

把信號(hào)加載到光上，最省事的辦法是直接調(diào)激光器的電流。但電流一變，有源區(qū)的載流子濃度就變，折射率跟著變，波長(zhǎng)也跟著抖——這個(gè)現(xiàn)象叫啁啾。

速率低的時(shí)候還能湊合；到了 25 G、50 G 以上，啁啾遇上光纖色散，脈沖還沒(méi)跑遠(yuǎn)就散了架。

圖5：直接調(diào)制與外調(diào)制的差別

EML（電吸收調(diào)制激光器）的解法是分工：前面的 DFB 恒流工作、波長(zhǎng)穩(wěn)如磐石，后面接一段電吸收調(diào)制器，靠電壓改變吸收強(qiáng)弱來(lái)開(kāi)關(guān)光。調(diào)制只改變光的「有無(wú)」，不碰光源本身，啁啾因此小得多。它就是 DFB 加 EAM 長(zhǎng)在同一塊芯片上，用集成度換性能。

代價(jià)是多了驅(qū)動(dòng)電壓和溫度控制，電路比直接調(diào)制復(fù)雜一截。

另一條路是 ECL（外腔激光器）：干脆把鏡子放到芯片外面。腔一長(zhǎng)，可振蕩的模式就密集，選模之后線寬能窄到千赫茲量級(jí)；再轉(zhuǎn)動(dòng)外腔里的光柵，還能連續(xù)調(diào)波長(zhǎng)。相干通信、高分辨光譜，用的都是它。

七、選型時(shí)究竟看什么

把上面這些串起來(lái)會(huì)發(fā)現(xiàn)，那些縮寫(xiě)并不是隨意堆砌的，而是各自對(duì)應(yīng)一組指標(biāo)。

圖6：一張表看懂各自的地盤(pán)

真到選型的時(shí)候，問(wèn)的無(wú)非是這么幾個(gè)問(wèn)題：

波長(zhǎng)多少——先定材料體系，這一條往往就把范圍砍掉大半；

要單模還是無(wú)所謂——涉及傳輸距離與色散，決定 FP 還是 DFB；

功率多大——單管夠不夠，要不要上陣列；

要不要調(diào)制、多快——低速率直接調(diào)，高速率上 EML；

譜寬是越窄越好，還是故意要寬——通信求窄，層析求寬，目標(biāo)正好相反。

剩下的問(wèn)題——封裝形式、尾纖類型、溫控要不要、驅(qū)動(dòng)怎么配——多半是這五條的延伸。

八、總結(jié)

半導(dǎo)體激光器分出這么多型號(hào)，不是廠商愛(ài)起名字，是因?yàn)?/span>沒(méi)有一個(gè)結(jié)構(gòu)能同時(shí)在所有指標(biāo)上都拿滿分。

差別出在兩處——腔怎么搭（FP 裸腔多模、DFB/DBR 刻光柵選單模、ECL 把鏡子挪到片外求窄線寬）與光從哪出（邊發(fā)射功率大、VCSEL 圓光斑好耦合）；

中紅外帶隙做不了，于是有了靠阱寬設(shè)計(jì)的 QCL；

而 SLD 與 SOA 則是把反饋掐掉后的另一種用法。

要單色性就得做光柵、得多花錢(qián)；要圓光斑就接受功率有限；要中紅外就得忍受量子級(jí)聯(lián)那套復(fù)雜的外延。所謂選型，說(shuō)到底就是先想清楚哪一條最不能讓步，然后接受其他方面的妥協(xié)。

下次再看到那串字母，不妨先問(wèn)一句：它到底是為了解決哪一個(gè)麻煩才被發(fā)明出來(lái)的。想通了這一層，目錄就沒(méi)那么難讀了。