光通信用光發(fā)射器件

1、光通信用光發(fā)射器件培訓(xùn)教材 武漢昱升光器件有限公司目 錄 1 概述 2 光發(fā)射器件用材料 3 光發(fā)射器件分類 4 半導(dǎo)體光發(fā)射原理 5 激光器結(jié)構(gòu) 6 激光器光電特性 7 激光器制作工藝 8 激光器應(yīng)用與控制1 概述1.1 解題與相關(guān)概念 a) 光通信-采用光纖作媒介光作載波的數(shù)字通信系統(tǒng). b) 光發(fā)射器件-半導(dǎo)體激光器 發(fā)光管 激發(fā)器. c) 激光-偏振方向、頻率、相位相同的光 d) 數(shù)字信號(hào)-在時(shí)間上分離和幅值上量化的信號(hào). e) 模擬信號(hào)-在規(guī)定時(shí)間內(nèi),幅值可以取連續(xù)范圍內(nèi) 的任意數(shù)值的信號(hào). f) 光纖的優(yōu)點(diǎn)-傳輸帶寬極大(可達(dá)幾十Tb/s) 傳輸損 耗極小 不怕電磁干擾 不怕高溫

2、重量輕. g) 數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)-抗噪聲能力強(qiáng) 保密性好 設(shè)備 簡(jiǎn)單 穩(wěn)定可靠 適用各種業(yè)務(wù)要求. h) 模/數(shù)變換-若模擬信號(hào)帶寬為W, 當(dāng)?shù)乳g隔以不小 于2W速率取樣時(shí),則離散取樣信號(hào)可完全恢復(fù)原信號(hào).1.2 數(shù)字同步系統(tǒng)(SDH)1.3 光發(fā)射器件在光通信系統(tǒng)(SDH)中的位置 光發(fā)射接射器 件在光纖用戶接入網(wǎng)中的位置c)光發(fā)射器件在移動(dòng)通信光纖分布式直放站中的位置2 光發(fā)射器件用晶體材料III-V族化合物半導(dǎo)體GaAs; AlGaAs; InP; InGaAsP;晶體結(jié)構(gòu)光發(fā)射器件分類按發(fā)射方式(或光譜純度),可分為: 激光器 (LD) ; 具有相同振動(dòng)方向 相同頻率 相同相位;高 度方

3、向性和窄的光譜寬度(光譜純度高). 發(fā)光管 ( LED); 無(wú)上述“三同 ”,譜寬在30nm以上;按波長(zhǎng)長(zhǎng)短,LD可分為: 短波長(zhǎng)LD, 波長(zhǎng)小于1 微米,如850nm, 980nm; 長(zhǎng)波長(zhǎng)LD,波長(zhǎng)在1200nm至1600nm之間;按選模機(jī)構(gòu)(光諧振腔)形式,可分為: FP (Fabry-Perot) LD 和 分布反饋 (DFB) LD d) 按有源層(發(fā)光層)材料特點(diǎn),可分為: 半導(dǎo)體化合物體材料激光器和; 量子阱結(jié)構(gòu)材料激光器（如下圖）： e) 按表面形狀,可分為: 平面接觸LD; 脊形波導(dǎo)LD;f) 按出射光位置,LD可分為: 邊 (側(cè)面) 發(fā)射LD: (頂)面發(fā)射LD ( VCS

4、EL):g) 按調(diào)制速率,LD可分為: 中低速LD, 這里指小于155Mb/s范圍; 高速LD,這里指(155-622)Mb/s范圍 超高速LD,這里指(1-20)Gb/s范圍;h) 按封裝方式,LD可分為: 單管同軸; 雙列直插; 小型化DIL; 高速蝶形; 4 半導(dǎo)體光發(fā)射原理 半導(dǎo)體光發(fā)射基于有源層材料能帶間的復(fù)合輻射a) 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu) b ) 簡(jiǎn)化能帶圖和復(fù)合輻射示意圖c) PN結(jié) 異質(zhì)結(jié)概念及其能帶圖 PN結(jié)和異質(zhì)結(jié) 異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶圖d) 半導(dǎo)體激光器工作原理要實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體發(fā)射激光,必須滿足3個(gè)基本條件: 在正向電流注入下實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 即處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價(jià)帶頂

5、的空穴數(shù)大很多;有一個(gè)合適的諧振腔,滿足相位條件 使受激輻射在其中得到多次來(lái)回反射而形成較強(qiáng)的穩(wěn)定的激光振蕩.通常有F-P腔和分布反饋(DFB)腔;c) 增益大于等于損耗,滿足閾值條件 R1R2xep(g - )2L = 1 5 激光器結(jié)構(gòu) 根據(jù)激光器工作原理,激光器結(jié)構(gòu)主要由4部分構(gòu)成: A ) 能產(chǎn)生適當(dāng)激射的光有源層; B) 有合適的諧振腔; C ) 有載流子和光的限制層; D) 有施加注入電流的金屬接觸層; 滿足上述4項(xiàng)要求的激光器有很多種,如:美國(guó)專利-脊形波導(dǎo)激光器美國(guó)專利-分布反饋激光器 分布反饋(DFB)激光器 (a) 結(jié)構(gòu)； (b) 光反饋 衍 射 光 柵有 源 層N層P層輸

6、 出 光光 柵有 源 層ba(a)(b) 光發(fā)射器件的結(jié)構(gòu)雖然很多，但從性能和可靠性來(lái)說(shuō)，工程上主要采用脊性波導(dǎo)F-P LD 、 DFB-LD和MQW-DFB-LD 。根據(jù)光電性能、封裝和價(jià)格，通常： A) 對(duì)低速、短距離一般采用發(fā)光管或激發(fā)管； B) 對(duì)(40-155)Mb/s 、中等距離一般采用平面接觸的F-P LD； C) 對(duì)(155-622)Mb/s 、中等距離一般采用平面或脊性波 導(dǎo)F-P LD；如XPON用 D) 對(duì)(622-2500)Mb/s ,中長(zhǎng)距離一般采用DFB-LD； （如千兆以太網(wǎng)、CATV、直放站用） E) 對(duì)(2.5-10)Gb/s、長(zhǎng)距離一般采用MQW-DFB-L

7、D; （如 SDH骨干網(wǎng)和廣域網(wǎng)用）6 激光器光電特性激光器光電特性包括：a) 電流-電壓特性和電流-光功率特性 V、 Po Kink(扭折） 1.6-1.8 Ith Ith_- 閾值電流，一般為（8-20）mA I 通常半導(dǎo)體器件為溫度敏感器件，對(duì)LD，當(dāng)環(huán)境溫度或PN結(jié)溫變化時(shí)，光功率和閾值電流都會(huì)產(chǎn)生變化，如下圖。 為此，對(duì)大功率LD，常采用半導(dǎo)體致冷器來(lái)保持溫度恆定 b) 光譜特性 LED光譜寬度較寬，通常其半寬度大于30nm; LD光譜示意圖如下： LD光譜特性可用光譜寬度和邊模抑制比來(lái)表示 GaAlAs/GaAs DH-LD光譜如下所示： LD光譜不僅隨環(huán)境溫度變化，而且隨工作電流

8、而變化，InGaAsP/InP LD模式和波長(zhǎng)隨電流而變化如下圖所示： C) 瞬態(tài)特性 由于LD在直接脈碼調(diào)制下的電子和光子的相互作用，存在開關(guān)延遲、張弛振蕩、自脈動(dòng)等現(xiàn)象。 d) 模式特性 由于光在諧振腔中形成穩(wěn)定的駐波形態(tài)，在垂直與光發(fā)射方向和光平性防線存在橫模和縱模。只有一個(gè)光斑狀的橫模，稱單橫模；有兩個(gè)和兩個(gè)以上的光斑狀，稱多橫模。如下圖所示。 如果在光譜中只存在一個(gè)波峰，或邊模抑制比大于30dB以上的縱模，稱單縱模。如： e) 碼型效應(yīng) 在高速光通信系統(tǒng)中，由于LD中光電相互作用，產(chǎn)生開關(guān)效應(yīng)，且每個(gè)數(shù)碼寬度很小，所以存在碼型效應(yīng)。 f) 結(jié)發(fā)熱效應(yīng)、強(qiáng)度和頻率調(diào)制噪聲 g) 某公司

9、 的MQW-DFB-LD 技術(shù)指標(biāo)(1)某公司 的MQW-DFB-LD 技術(shù)指標(biāo)(2) h) 美國(guó)某公司的MQW-DFB-LD 技術(shù)指標(biāo)（1） h) 美國(guó)某公司的MQW-DFB-LD 技術(shù)指標(biāo)（2）7 激光器制作工藝 激光器的種類、結(jié)構(gòu)很多，不同結(jié)構(gòu)的器件，制作工藝步驟和工藝條件各不相同，下面以MQW-DFB-LD為例，介紹主要制作工藝步驟如下： MOCVD一級(jí)光刪制作掩埋雙溝制作二次外延 光刻化學(xué)腐蝕LPCVD光刻反應(yīng)離子刻蝕 金 屬濺射金屬剝離電鍍減薄拋光電子束蒸發(fā) 芯條解理端面鍍膜管芯解理8 激光器應(yīng)用與控制激光器應(yīng)用 A 選擇波長(zhǎng)、光功率及線性、光譜寬度、封裝和價(jià)格合適的激光器； B

10、選擇合適的偏置和濾波；考慮消光比、帶寬、開關(guān)延遲和張弛振蕩； D 光纖反射對(duì)光功率、波長(zhǎng)穩(wěn)定性的影響；是否需要隔離器？ E 直接調(diào)制時(shí)應(yīng)考慮阻抗匹配和寄生參數(shù)問(wèn)題； F 嚴(yán)防靜電和浪涌沖擊，光纖折短、表面沾污、焊線溫度和時(shí)間；激光器控制：功率控制、溫度控制、偏置控制、波長(zhǎng)漂移控制、防沖擊控制；光源組件實(shí)例表表3.1 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管和發(fā)光二極管(LED)的一的一般性能般性能-20-50 -20-50-20-50 -20-50工作溫度工作溫度 /C壽命壽命 t/h30120 30120 2050 2050輻射角輻射角50150 30100500-2000500-1000調(diào)制帶寬調(diào)制帶寬 B/MHz0.10.3 0.10.20.53 0.53入纖功率入纖功率 P/mW15(微瓦微瓦 ） 0.