-光通信用光發(fā)射器件培訓(xùn)課件

1、光通信用光發(fā)射器件目 錄1 概述2 光發(fā)射器件用材料3 光發(fā)射器件分類(lèi)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。 b) 光發(fā)射器件-半導(dǎo)體激光器、發(fā)光管、激發(fā)器和光泵浦源。 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 、 重量輕。 g) 數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)-抗

2、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 光數(shù)字同步通信系統(tǒng)(SDH) 在光通信核心網(wǎng)、廣域網(wǎng)（包括城域網(wǎng)和局域網(wǎng)）和光纖接入網(wǎng)（包括CATV）中都采用光同步數(shù)字通信系統(tǒng)。1.3 光發(fā)射器件在核心網(wǎng)和廣域網(wǎng)（包括城域網(wǎng)和局域網(wǎng)） 光發(fā)射器件在核心網(wǎng)和廣域網(wǎng)通信系統(tǒng)光端機(jī)和光中繼器的光發(fā)射部分，都是必不可少的關(guān)鍵光電子器件。 1.4 光發(fā)射器件在光纖用戶(hù)接入網(wǎng) 光發(fā)射器件在光纖用戶(hù)接入網(wǎng)（包括三網(wǎng)合一）E-PON、G-PON光模塊和CATV光模塊的光發(fā)射

3、部分中也是必不可少的關(guān)鍵光電子器件。1.5 光發(fā)射器件在移動(dòng)通信光纖分布式直放站 光發(fā)射器件在移動(dòng)通信光纖分布式直放站光纖的光發(fā)射部分中也是必不可少的關(guān)鍵光電子器件。2 光發(fā)射器件用晶體材料 光發(fā)射器件一般采用III-V族化合物半導(dǎo)體GaAs、 AlGaAs、 InP、 InGaAsP、InAlGaAs晶體材料;對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光發(fā)射器件,采用InP、InGaAsP 、 InAlGaAs 等材料，其晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)。光發(fā)射器件分類(lèi)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 度方向性和窄的光譜寬度(光譜純度高). 發(fā)光管 ( LED); 無(wú)上述

4、“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: Fabry-Perot腔激光器（F-P LD）和分布布喇格反饋（或反射）激光器（DFB-LD）。 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)Fabry-Perot腔激光器（F-P LD ）典型結(jié)構(gòu)如下：Fabry-Perot腔激光器有多種結(jié)構(gòu)形式，其分類(lèi)如下： 其中，比較成熟的F-P LD主要有脊形波導(dǎo)激光器和掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器。按有源層(發(fā)光層)材料特點(diǎn),激光器可分為: 半導(dǎo)體化合物體材料（厚度大于20nm)激光器；

5、量子阱結(jié)構(gòu)材料(每層厚度小于15nm)激光器(QW-LD); 量子阱結(jié)構(gòu)材料如下圖： e) 按表面形式,激光器可分為: 平面接觸激光器； 臺(tái)面（如脊形波導(dǎo)）接觸激光器。f) 按出射光位置,激光器可分為: 邊 (側(cè)面) 發(fā)射激光器:g) 按調(diào)制速率,激光器可分為: 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) 按發(fā)射功率,激光器可分為: 超大功率激光器（如980nm 500mW激光器）; 大功率激光器（10mW以上） 中小功率激光器（0.2-5.0mW范圍）I) 按封裝方式,激光器可分為: 單管同軸

6、、雙列直插、小型化DIL、 高速蝶形激光器。按激光器集成方式，可分為單管式和集成式激光器。 集成方式中，主要有：激光器陣列和光調(diào)制器-分布反饋激光器單片集成等。 4 半導(dǎo)體光發(fā)射原理 半導(dǎo)體光發(fā)射基于激光器有源層材料導(dǎo)帶和價(jià)帶間電子、空穴的復(fù)合輻射。a) 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和能帶間受激發(fā)射示意圖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)： PN結(jié)：同材料、同組分而不同摻雜（p、n）的交界面； 異質(zhì)結(jié)：不同材料或不同組份的交界面。 PN結(jié)、異質(zhì)結(jié)示意圖如下：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(mǎn)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

7、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?shù)目昭〝?shù)大很多;有一個(gè)合適的諧振腔,滿(mǎn)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(mǎn)足閾值條件 R1R2xep(g - )2L = 1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布示意圖粒子數(shù)反轉(zhuǎn)： 導(dǎo)帶電子數(shù)很多 價(jià)帶電子數(shù)很少 只有激光器有源層材料的總光增益大于等于總光損耗,并達(dá)到閾值增益時(shí)才有穩(wěn)定的光發(fā)射。5 激光器核心結(jié)構(gòu) 激光器層次很多，作用不同，但其核心結(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)

8、 有施加注入電流的金屬接觸層; 滿(mǎn)足上述4項(xiàng)要求的激光器有很多種,如:美國(guó)專(zhuān)利-脊形波導(dǎo)激光器美國(guó)專(zhuān)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 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 b) 光譜特性 LED光譜寬度較寬，通常其半寬度大于30nm; LD光譜特性可由光譜寬度、邊模抑制比和消光比（脈沖情況下）表示。其示意圖如下： - 20dB LD光譜不僅隨環(huán)境溫度變化，而且隨工作電流而變化，InGaAsP/InP LD模式

9、和波長(zhǎng)隨電流而變化如下圖所示：c) 溫度特性 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。 d) 瞬態(tài)特性(包括調(diào)制特性） 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(kāi)關(guān)延遲、張弛振蕩、自脈動(dòng)等現(xiàn)象。e) 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(xiàn)存在橫模和縱模。只有一個(gè)光斑狀的橫模，稱(chēng)單橫模；有兩個(gè)和兩個(gè)以上的光斑狀，稱(chēng)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(chēng)單縱模。如：強(qiáng)度和頻率調(diào)制噪聲 眼圖 直接強(qiáng)度調(diào)制LD的光特性可用眼圖來(lái)大致衡量，包括消光

10、比、噪聲、碼間干擾、上升/下降時(shí)間、均衡情況、抖動(dòng)、調(diào)制電路匹配情況等。 各種各樣的眼圖的例子： 眼圖?？蚣耙蟮睦?光通信用激光器光電技術(shù)指標(biāo) 光通信用激光器光電技術(shù)指標(biāo)有： a) 光發(fā)射波長(zhǎng) b) 光譜寬度 c）出纖光功率 d）閾值電流 e）微分（或斜率）效率 f）邊模抑制比 g）可調(diào)制帶寬（或脈沖光上升/下降時(shí)間） h) 接觸電阻 i) 正向電壓 J) 中值壽命 k) 工作溫度 激光器參數(shù)和一般表示符號(hào) 光發(fā)射器件技術(shù)指標(biāo)典型值范圍-20-50 -20-50-20-50 -20-50工作溫度 /C壽命 t/h30120 30120 2050 2050輻射角50150 30100500-

11、2000500-1000調(diào)制帶寬 B/MHz0.10.3 0.10.20.53 0.53入纖功率 P/mW15(微瓦 ） 0.510 0.510輸出功率 P/mW100150 10015040-60 40-60工作電流 I/mA2030 3060閥值電流 Ith/mA50100 6012012 13譜線(xiàn)寬度1.3 1.551.3 1.55工作波長(zhǎng)LEDLD WTD 的MQW-DFB-LD 技術(shù)指標(biāo)(1)WTD 的MQW-DFB-LD 技術(shù)指標(biāo)(2)h) 美國(guó)Lasertron 公司的MQW-DFB-LD 技術(shù)指標(biāo)（1）h) 美國(guó)Lasertron 公司的MQW-DFB-LD 技術(shù)指標(biāo)（2）7

12、激光器制作工藝激光器的種類(lèi)、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)用激光器應(yīng)用注意事項(xiàng) A 選擇波長(zhǎng)、光功率及線(xiàn)性、光譜寬度、封裝和價(jià)格合適的激光器； B 選擇合適的偏置和濾波；考慮消光比、帶寬、開(kāi)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(xiàn)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；可靠性試驗(yàn)與性能測(cè)試 a 可靠性試驗(yàn) 可靠性試驗(yàn)包括機(jī)械完整性試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)和特殊試驗(yàn)。 機(jī)械完整性試驗(yàn)一般包括機(jī)械沖擊、振動(dòng)、熱沖擊、可焊性和光纖拉力。 耐久性試驗(yàn)一般包括加速老化（高溫）、溫度循環(huán)、抗循環(huán)潮濕、高/低溫存儲(chǔ)等