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可调谐激光器发展及其市场现状
来源:中国光学电子行业网 | 作者:it-101 | 发布时间: 1106天前 | 6602 次浏览 | 分享到:
与众多激光器类别相比，可调谐激光器提供了根据应用程序的使用调谐输出波长的能力。以往来看，可调谐固体激光器一般是在波长约800纳米的情况下高效运行，面向科研应用居多。可调谐激光器通常通过一个小的发射带宽以连续的方式工作。这种激光系统中，一个Lyot滤波器进入激光腔，激光腔旋转以调谐激光，其他还包括了衍射光栅、标准尺、棱镜等部件。
据市场调研公司DataBridgeMarketResearch分析，2021-2028年期间，可调谐激光市场预计将以8.9%的复合年增长率增长，到2028年将达到166.86亿美元。

与众多激光器类别相比，可调谐激光器提供了根据应用程序的使用调谐输出波长的能力。以往来看，可调谐固体激光器一般是在波长约800纳米的情况下高效运行，面向科研应用居多。可调谐激光器通常通过一个小的发射带宽以连续的方式工作。这种激光系统中，一个Lyot滤波器进入激光腔，激光腔旋转以调谐激光，其他还包括了衍射光栅、标准尺、棱镜等部件。  
据市场调研公司DataBridgeMarketResearch分析，2021-2028年期间，可调谐激光市场预计将以8.9%的复合年增长率增长，到2028年将达到166.86亿美元。  
在新冠疫情肆虐的当下，医疗保健领域对这一市场的技术发展的需求正在攀升，各国政府也在投入大量资金以推动这一行业的技术进步。在此背景下，各种医疗设备和高标准的可调谐激光器获得了改进，进一步拉动了可调谐激光器市场的增长。  

而另一方面，可调谐激光器技术本身的复杂性，则是制约可调谐激光器市场发展的一大“拦路虎”。除了可调谐激光器的进步，各种市场参与者推出的新的先进技术正在为可调谐激光器市场的增长创造新的机会。 

市场类型细分  

根据可调谐激光器的类型，可调谐激光器市场已细分为固态可调谐激光器、气体可调谐激光器、光纤可调谐激光器、液体可调谐激光器、自由电子激光器(FEL)、纳秒脉冲OPO等。2021年，固态可调谐激光器凭借其在激光系统设计上带来的更广泛优势，已经占据了市场占有率第一的位置。  
在技术的基础上，可调谐激光器市场又细分为外腔二极管激光器、分布式布拉格反射器激光器(DBR)、分布式反馈激光器(DFB)、垂直腔面发射激光器(VCSELs)、微电子机械系统(MEMS)等。2021年，外腔式二极管激光器领域占据了最大的市场份额，它能提供宽调谐范围(大于40nm)尽管调谐速度低,可能需要几十毫秒改变波长,因此提高其利用率在光学测试和测量设备。  
按波长划分，可调谐激光市场可细分为＜1000nm、1000nm-1500nm和1500nm以上三个波段类型。在2021年，1000nm-1500nm细分市场因其卓越的量子效率和高的光纤耦合效率而扩大了市场份额。  
在应用的基础上，可调谐激光市场则可细分为微加工、钻孔、切割、焊接、雕刻标记、通信等领域。2021年，随着可调谐激光在波长管理、提高网络效率、开发下一代光网络等方面发挥作用的光通信领域的增长，通信领域占据了市场占有率第一的位置。  
依据销售渠道划分，可调谐激光市场细可分为OEM和售后市场。2021年，OEM领域主导了市场，因为从OEM购买激光设备往往更具有成本效益，并拥有最大的质量保证，成为从OEM渠道购买产品的主要推动因素。  
而根据最终用户的需求，可调谐激光市场可细分为电子和半导体、汽车、航空航天、通信和网络设备、医疗、制造、包装等领域。在2021年，由于可调谐激光有助于提高网络的智能、功能和效率，电信和网络设备领域占据了最大的市场份额。  
另外，InsightPartners的一份报告分析称，可调谐激光器在制造业和工业部门的部署主要是光学技术在消费设备大规模生产中的使用增加所推动的。随着微传感、平板显示器和激光雷达等消费电子应用的增长，半导体和材料加工应用中可调谐激光器的需求也随之增长。  
InsightPartners指出，可调谐激光器的市场增长也影响了工业光纤传感应用，如分布式应变和温度映射和分布式形状测量。航空健康监测、风力发电机健康监测、发电机健康监测成为了该领域蓬勃发展的应用类型。此外，增强现实(AR)显示器中全息光学元件的使用增加，也扩大了可调谐激光器的市场份额范围，这一趋势值得关注。例如，欧洲的TOPTICAPhotonics公司就在开发UV/RGB高功率单频二极管激光器，主要用于光刻、光学测试和检测以及全息摄影。  


市场区域划分  

亚太地区是激光(尤其是可调谐激光器)的消费和制造大国。首先，可调谐激光器在很大程度上依赖于半导体和电子元件(固态激光器等)，而生产激光解决方案所需的原材料在中国、韩国、台湾和日本等几个主要国家都很丰富。此外，在该地区运营的公司之间的合作又进一步推动了市场的增长。基于这些因素，亚太地区预计将成为许多在世界其他地区生产可调谐激光产品的公司的主要进口来源地。  
主要的可调激光生产企业包括：DaylightSolutions(LeonardoDRS的子公司)、EKSPLA、HüBNERPhotonics、TOPTICAPhotonics、KeysightTechnologies、LunaInnovationsIncorporated、LUMIBIRD、II-VIIncorporated、NeoPhotonicsCorporation、SANTECCorporation、EXFOInc、Thorlabs、VIAVISolutions、NewportCorporation(MKSInstruments的子公司)、LumentumOperations、RadiantLight、FreedomPhotonics、SacherLasertechnik、AMETEK、Coherent、AgilentTechnologies、Continuum、Corning、DaylightSolutions、EMCORE、Finisar、FujitsuOpticalComponents、LockheedMartinAculight、LunaTechnologies、NEC等。  


可调谐激光器的工作原理  

实现激光波长调谐的原理大致有三种。大多数可调谐激光器都使用具有宽的荧光谱线的工作物质。构成激光器的谐振腔只在很窄的波长范围内才有很低的损耗。因此，第一种是通过某些元件（如光栅）改变谐振腔低损耗区所对应的波长来改变激光的波长。第二种是通过改变某些外界参数（如磁场、温度等）使激光跃迁的能级移动。第三种是利用非线性效应实现波长的变换和调谐（见非线性光学、受激喇曼散射、光二倍频，光参量振荡）。属于第一种调谐方式的典型激光器有染料激光器、金绿宝石激光器、色心激光器、可调谐高压气体激光器和可调谐准分子激光器。 

可调谐激光器的发展历史

世界上第一台激光器,螺旋式氛灯泵浦的红宝石激光器问世后不久,脉冲可调谐染料激光器于1966年,由F.P.Sehsfer等人首先研制成功,四年后才由0.G.Peterson等人报导了第一台连续波染料激光运转,当时作为连续可调谐激光材料,染料激光得到了充分的发展,至八十年代形成一个高潮。  
八十年代中,由于新型可调谐固体激光材料掺钦宝石(Ti:Sapphire,Ti:AloO3)的问世,吸引很多染料激光研究者包括研制染料激光器的公司转向到掺钦宝石激光的研究和生产中,就1993年度全球激光市场销售情况和1994年市场预测趋势盾,染料激光的市场主要集中在激光医疗和科学研究两个领域,其市场需求及销售额远低于固体激光器(不仅仅可调谐固体激光器),仅为后者的1/20左右,而且呈下降趋势。相反,固体激光,特别是半导体激光泵浦的全固体化激光器,不仅市场广阔,几乎遍及所有激光应用领域,市场需求量及销售额大,而且呈大幅度上涨趋势。  
1975年一1978年我国先后研制出Nd,YAG激光器和闪光灯泵浦的脉冲式可调谐染料激光器。1981年研制成功连续波可调谐环形染料激光器,并形成系列化产品,其最新换代产品也是微机控制的自动扫描环形染料激光器,我国的超短脉冲染料激光技术(21飞秒)居世界领先水平。  
1990年左右我国已生长出掺钦宝石晶体,并报导了用自己生长的晶体完成了脉冲,连续,准连续掺钦宝石激光运转,目前国产优质掺钦宝石晶体的品质因数可达200一300,掺杂浓度可高达4在488nm波长处,应当说国内掺钦宝石激光的研究尚处开始阶段,但发展十分迅速,仅仅几年时间,已利用自聚焦锁模技术得到了184fs掺铁宝石激光运转,和92fs掺铁宝石激光运转,可以预期不远的将来,与世界先进水平的差距将大大缩小。  
1993年,V.Petircevic等人报导了据说是世界上第一台被普遍认为是成功的激光运转,当时尚未采用半导体激光泵浦。1994年度实现半导体激光泵浦掺全固体激光运转。  


可调谐激光器实现技术的分类  

可调谐激光器从实现技术上看主要分为：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。  
其中电控技术是通过改变注入电流实现波长的调谐，具有ns级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较小，基于电控技术的主要有SG-DBR（采样光栅DBR）和GCSR（辅助光栅定向耦合背向取样反射）激光器。温控技术是通过改变激光器有源区折射率，从而改变激光器输出波长的。该技术简单，但速度慢，可调带宽窄，只有几个nm。基于温控技术的主要有DFB（分布反馈）和DBR（分布布喇格反射）激光器。机械控制主要是基于MEMS（微机电系统）技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB（分布反馈）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）等结构。下面从这几个方面可调谐激光器的原理进行说明。  
基于电流控制技术  
基于电流控制技术的一般原理是通过改变可调谐激光器内不同位置的光纤光栅和相位控制部分的电流，从而使光纤光栅的相对折射率会发生变化，产生不同的光谱，通过不同区域光纤光栅产生的不同光谱的叠加进行特定波长的选择，从而产生需要的特定波长的激光。  
一种基于电流控制技术的可调谐激光器采用SGDBR（SampledGratingDistributedBraggReflector）结构。  
该类型的激光器主要分为半导体放大区、前布喇格光栅区、激活区、相位调整区和后布拉格光栅区。其中前布喇格光栅区、相位调整区和后布喇格光栅区分别通过不同的电流来改变该区域的分子分布结构，从而改变布喇格光栅的周期特性。  
对于在激活区（Active）产生的光谱，分别在前布喇格光栅区和后布喇格光栅区形成频率分布有较小差异的光谱。对于需要的特定波长的激光，可调谐激光器分别对前布喇格光栅和后布喇格光栅施加不同电流，使得在这两个区域产生只有此特定波长重叠其他波长不重叠的光谱，从而使需要的特定波长能够输出。同时该种激光器还包含半导体放大器区，使输出的特定波长的激光光功率达到100mW或者20mW。  
基于机械控制技术  
基于机械控制技术一般采用MEMS来实现。一种基于机械控制技术的可调谐激光器采用MEMs-DFB结构。  
可调谐激光器主要包括DFB激光器阵列、可倾斜的MEMs镜片和其他控制与辅助部分。  
对于DFB激光器阵列区存在若干个DFB激光器阵列，每个阵列可以产生带宽约为1.0nm内的间隔为25Ghz的特定波长。通过控制MEMs镜片旋转角度来对需要的特定波长进行选择，从而输出需要的特定波长的光。  
另一种基于VCSEL结构ML系列系列的可调谐激光器，其设计基于光泵浦垂直腔面发射激光器，采用半对称腔技术，利用MEMS实现连续的波长调谐。同时通过此方法可得到大的输出光功率和宽光谱调谐范围，热敏电阻和TEC封装在一起，以便在宽的温度范围内具有稳定的输出。为了精确频率控制一个宽带波长控制器被集成同一管壳内，前端分接光功率检测器及光隔离器用于提供稳定的输出功率。这种可调激光器可以在C波段和L波段提供10/20mW光功率。  
对于这种原理的可调谐激光器主要缺点是调谐时间比较慢，一般需要几秒的调谐稳定时间。  
基于温度控制技术  
基于温度控制技术主要应用在DFB结构中，其原理在于调整激光腔内温度，从而可以使之发射不同的波长。  
一种基于该原理技术的可调激光器的波长调节是依靠控制InGaAsPDFB激光器工作在-5--50℃的变化实现的。模块内置有FP标准具和光功率检测，连续光输出的激光可被锁定在ITU规定的50GHz间隔的栅格上。模块内有两个独立的TEC，一个用来控制激光器的波长，另一个用来保证模块内的波长锁定器和功率检测探测器恒温工作。模块还内置有SOA来放大输出光功率。  
这种控制技术的缺点是单个模块的调谐的宽度不宽，一般只有几个nm，而且调谐时间比较长，一般需要几秒的调谐稳定时间。  
目前可调谐激光器基本上均采用电流控制技术、温度控制技术或机械控制技术，有的供应商可能会采用这些技术的一种或两种。当然随着技术的发展，也可能会出现其他新的可调谐激光器控制技术。  


可调谐激光器的光通信应用  

可调谐激光器是新一代密集波分复用系统以及全光网络中光子交换的关键光电子器件，它的运用使得光纤传输系统容量大大增加，灵活性和可扩展性大大增强，目前已经实现了宽波长范围的连续或准连续调谐。  
世界各公司和研究机构都在积极推进可调谐激光器的研发工作，在这一领域也不断取得新的进展。可调谐激光器的性能不断完善，成本不断降低。目前可调谐激光器主要分为两大类：半导体可调谐激光器和可调谐光纤激光器。  
半导体激光器是目前光通信系统中Z为重要的光源，具有体积小，重量轻，转换效率高，省电等特点，便于与其他器件实现单片光电子集成。可分为可调谐分布反馈激光器、分布布拉格反射镜激光器、微电机系统垂直腔面发射激光器和外腔半导体激光器。  
可调谐光纤激光器作为增益介质的掺杂光纤工艺的成熟以及作为泵浦源的半导体激光二极管的发展极大地推动了光纤激光器的发展。可调谐激光器是基于掺饵光纤80nm增益带宽，在回路中加入滤波元件来控制激光器的激射波长，实现波长的调谐。  
国际上对可调谐半导体激光器的研制十分活跃，进展也很快。随着可调谐激光器在成本和性能方面与固定波长激光器的逐步接近，必然会越来越多地应用于通信系统，并在未来的全光网络中发挥重要作用。  
可调谐激光器的发展前景  
可调谐激光器的类型比较多，一般都是在各种单一波长激光器基础上进一步引入波长调谐机构发展而成的，目前国际上已有部分商品供应市场。除了研制连续光可调谐激光器外，具有集成其他功能的可调谐激光器也已经有了报道，如VCSEL与电吸收调制器单片集成的可调谐激光器，取样光栅布拉格反射器与半导体光放大器、电吸收调制器集成的激光器等。  
由于波长可调谐激光器应用非常广泛，因此出现的各种结构的可调谐激光器可以应用到不同的系统，各有优缺点。外腔半导体激光器由于输出功率大，波长连续可调，因而可用于精密测试仪器中的宽带可调光源。从光子集成以及满足未来全光网的角度来看取样光栅DBR，超结构光栅DBR及与调制器、放大器等集成的可调谐激光器也许可成为Z有前途的可调谐光源。  
光纤光栅外腔可调谐激光器也是很有前途的一类光源，其结构简单、线宽窄、易于光纤耦合，如果腔内可集成EA调制器还可以作为高速可调谐光孤子源。另外，基于光纤激光器的可调谐光纤激光器近年来有相当大的发展。可以预计，在光通信光源中可调谐激光器性能将会进一步完善，市场占有份额将逐渐加大，具有非常光明的应用前景。  
可调谐激光器在DWDM系统的应用  
可调谐激光器在光传输系统中可能的应用方式很多，如对于实验室，可以利用可调谐激光器模拟整个波段的单波光源进行相关的实验等。可调谐激光器在DWDM光传输系统中可自动实施保护和恢复倒换的通道层保护的应用。  
常用的保护光通道业务运行的方法有：一种是为设备提供备份的硬件，当单元出现故障时，通过人工方式进行紧急更换的替代装置;第二种方法是在发射端为光转发单元配置保护装置。保护装置处在上电状态，随时可以替代故障单元进行工作。另外还有一种实现通道保护的方法，是使用固定波长的光转发单元，在WDM系统发送端设备所有的通道中，指定一部分光通道保护通道。在受保护的通道光转发单元出现故障时，将故障单元的输入业务切换到保护通道的光转发单元输入端。因此，由于可调谐激光器自身的优点，使得其在DWDM系统大有用武之地。  
在国内，可调谐激光器首先应用在实验室的长途超大容量(Tb/s以上)光传输设备中。可调谐激光器结合超大容量可升级合分波装置、业务配置和倒换控制装置，可实现设备发射业务的通道级1：N保护或分组1：N保护，构成了大容量系统多样化业务保护手段之一，为运营商构建未来高性能光网络提供了物质准备。  
采用可调谐激光器实现业务保护，在实现通道保护时，增加了冗余装置，且不减少设备容量。并可具有自动保护倒换和恢复能力。整体设备构造较为简单，实现自动操作控制。  


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