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VCSEL, FP, DFB, EML 区别与联系

2025-08-25

VCSEL、 FP、DFB、 EML是通信常用的四种半导体激光器芯片；很多小伙伴经常被其中各种各样的术语搞得迷糊，本文对这几个概念之间的区别与联系以言简意赅的方式进行简要剖析。

01

分类


02

定义、区别与联系

  • EEL vs VCSEL

  • 二者主要区别为光发射方向的不同；

  • 如下图所示，EEL(Edge Emitting Laser)顾名思义，光从芯片边缘发射；VCSEL(Vertical-Cavity Surface Emitting Laser )顾名思义，光垂直于半导体表面发射；

  • FP, DFB, EML均属于EEL；

    EEL VS VCSEL.png

  • FP vs DFB

  • FP是Fabry-Perot的简称，FP腔如下图左所示，前后两个端面镀膜形成激光器谐振腔，光在两个端面来回反射，当光在腔内往返总行程等于其波长的整数倍的时候，该波长的光可以形成激光输出；由于该谐振腔较长，能够满足该条件的波长不止一个，故形成多波长激射；

  • DFB是Distributed Feedback的简称，与FP主要区别是在有源区附近刻蚀光栅来选波长，光栅的参数与其他激光器参数相配合，可以实现单波长激射，如下图右所示；

  • 故FP与DFB区别为前者是多波长工作，后者是单波长工作；

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  • DFB vs EML

  • EML(Electro-absorption Modulated Laser)可以理解为DFB+EA(Electro-absorption)调制器的组合；

  • 如下图所示，当给EA施加反向偏压时，DFB发出直流光会被吸收；反向偏压大小不同，吸收光的多少不同，故通过调制该反向偏压幅度，可以实现对最终输出光功率的调制；

  • DML vs EML



  • DML(Directly Modulated Laser)如下图所示，即用携带信号的交流电流去直接驱动和调制激光器芯片，使其直接发出调制光；VCSEL, FP、DFB均属于DML，

  • EML如下图所示，用直流电流驱动EML的DFB部分，使其产生直流光；用调制信号控制EA反向偏压，反向偏压不同则对该直流光的吸收不同，进而实现对光的调制；

  • DML与EML主要区别是，前者是一步完成，直接采用调制电流驱动激光器芯片，产生调制光；后者是分两步完成，第一步是直流电流驱动激光器产生直流光，第二步是通过外加调制信号控制EA调制器反向偏压，进而对直流光调制产生信号光。

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03

激光横模与纵模

  • 之前讲过光纤的模式，有单模和多模之分，这个一般是指横模的区别；而对于激光器来讲，除了横模之外，还有纵模；横模一般指激光光场在横向空间上的分布，纵模是指不同波长的激光；

  • 对于VCSEL，如下图所示，由于其发光区域横向较宽，所以一般是多横模；而纵向因为距离较短，所以只有一个波长可以满足往返路径等于波长整数倍的条件，故一般是单纵模；单横模也可以通过一些方式选模实现，但目前还不太成熟；有一点需要注意的是，尽管对于每个横模来讲，都是单纵模工作，但由于VCSEL有多个横模，每个横模对应的波长(纵模)都略有差别，故光谱测试的时候会发现其实有多个波长(对应不同横模)，如下面对应光谱图所示；

  • FP和DFB均为单横模，其中FP为单横模多纵模，DFB为单横模单纵模; FP靠谐振腔端面来回反射激射，由于谐振腔较长，满足往返路径等于波长整数倍的波长较多，故为多纵模工作；而DFB由于靠光栅选模，故可以实现单纵模工作，如下图所示。

  • 总结：VCSEL一般为多横模单纵模，FP为单横模多纵模，DFB为单横模单纵模；

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04

主要特性汇总


VCSEL

  • 单横模VCSEL在文献屡有报道，主要是传感领域，通信未见批量商用报道；

  • VCSEL在通信中一般工作在850nm，这是光纤的其中一个低损耗窗口；长波长VCSEL虽屡有报道，但由于技术挑战，还没有批量商用；

  • 由于数通领域对VCSEL速率要求较高，故目前VCSEL主要是在应对高速领域的挑战。

  • FP

    FP工作在1310波段，这也是光纤低损耗窗口之一；由于FP激光器谱宽较宽，色散受限，故不能用于长距离传输，选择1310nm这个窗口色散相对较小，可以使传输距离尽量延长；

  • DFB

  • 提到DFB的模内色散，就避不开啁啾的概念；如下图所示，啁啾是指在调制过程中，光脉冲的上升沿和下降沿频率会发生变化；

  • DFB是正啁啾，即上升沿蓝移(短波方向移动)，下降沿红移(长波方向移动)；由于在1550nm波段，短波传输速度较长波快，故上升沿较下降沿传输更快，形成色散，导致脉冲展宽；

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  • 此处要注意的是，如下图所示，在1550nm波段，在光纤内部，由于波导效应的影响，判断传播速度要看群折射率指标ng而非材料折射率指标n；如下图所示，在1550nm波段，波长越长，群折射率ng越高，这与材料折射率n的变化趋势是相反的；由于光速与折射率成反比，在1550nm波段，波长越长，群折射率越高，则光速越低，故短波比长波速度快；这一点同光纤色散变化是一致的，波长较零色散波长短时，长波比短波速度快；较零色散波长长时，短波较长波速度快；具体可参考光纤常用参数介绍。

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  • EML

  • EML是外调制，啁啾较小，甚至可以是负啁啾，即上升下降沿的频移与DFB相反，某种程度起到脉宽压缩的作用；这也是为什么有的小伙伴在测试色散代价时会出现负值的原因；

  • 同等条件下，EML传输距离较DFB更长或者速率更高；


05

Reference

  • https://ar.inspiredpencil.com/pictures-2023/chirped

  • Fiber Optic Communication Systems, GOVIND P.AGRAWAL.

  • VCSELs, Fundamentals, Technology and Applications of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers，Rainer Michalzik，2013

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