光通信用光发射器件

1、光通信用光发射器件培训教材 武汉昱升光器件有限公司目 录 1 概述 2 光发射器件用材料 3 光发射器件分类 4 半导体光发射原理 5 激光器结构 6 激光器光电特性 7 激光器制作工艺 8 激光器应用与控制1 概述1.1 解题与相关概念 a) 光通信-采用光纤作媒介光作载波的数字通信系统. b) 光发射器件-半导体激光器 发光管 激发器. c) 激光-偏振方向、频率、相位相同的光 d) 数字信号-在时间上分离和幅值上量化的信号. e) 模拟信号-在规定时间内,幅值可以取连续范围内 的任意数值的信号. f) 光纤的优点-传输带宽极大(可达几十Tb/s) 传输损 耗极小 不怕电磁干扰 不怕高温

2、重量轻. g) 数字通信的优点-抗噪声能力强 保密性好 设备 简单 稳定可靠 适用各种业务要求. h) 模/数变换-若模拟信号带宽为W, 当等间隔以不小 于2W速率取样时,则离散取样信号可完全恢复原信号.1.2 数字同步系统(SDH)1.3 光发射器件在光通信系统(SDH)中的位置 光发射接射器 件在光纤用户接入网中的位置c)光发射器件在移动通信光纤分布式直放站中的位置2 光发射器件用晶体材料III-V族化合物半导体GaAs; AlGaAs; InP; InGaAsP;晶体结构3光发射器件分类a)按发射方式(或光谱纯度),可分为: 激光器 (LD) ; 具有相同振动方向 相同频率 相同相位;高

3、 度方向性和窄的光谱宽度(光谱纯度高). 发光管 ( LED); 无上述“三同 ”,谱宽在30nm以上;b)按波长长短,LD可分为: 短波长LD, 波长小于1 微米,如850nm, 980nm; 长波长LD,波长在1200nm至1600nm之间;C)按选模机构(光谐振腔)形式,可分为: FP (Fabry-Perot) LD 和 分布反馈 (DFB) LD d) 按有源层(发光层)材料特点,可分为: 半导体化合物体材料激光器和; 量子阱结构材料激光器（如下图）： e) 按表面形状,可分为: 平面接触LD; 脊形波导LD;f) 按出射光位置,LD可分为: 边 (侧面) 发射LD: (顶)面发射L

4、D ( VCSEL):g) 按调制速率,LD可分为: 中低速LD, 这里指小于155Mb/s范围; 高速LD,这里指(155-622)Mb/s范围 超高速LD,这里指(1-20)Gb/s范围;h) 按封装方式,LD可分为: 单管同轴; 双列直插; 小型化DIL; 高速蝶形; 4 半导体光发射原理 半导体光发射基于有源层材料能带间的复合辐射a) 半导体能带结构 b ) 简化能带图和复合辐射示意图c) PN结 异质结概念及其能带图 PN结和异质结 异质结构能带图d) 半导体激光器工作原理要实现半导体发射激光,必须满足3个基本条件: a)在正向电流注入下实现粒子数反转分布 即处在高能态导带底的电子数

5、比处在低能态价带顶的空穴数大很多;b)有一个合适的谐振腔,满足相位条件 使受激辐射在其中得到多次来回反射而形成较强的稳定的激光振荡.通常有F-P腔和分布反馈(DFB)腔;c) 增益大于等于损耗,满足阈值条件 R1R2xep(g - )2L = 1 5 激光器结构 根据激光器工作原理,激光器结构主要由4部分构成: A ) 能产生适当激射的光有源层; B) 有合适的谐振腔; C ) 有载流子和光的限制层; D) 有施加注入电流的金属接触层; 满足上述4项要求的激光器有很多种,如:美国专利-脊形波导激光器美国专利-分布反馈激光器 分布反馈(DFB)激光器 (a) 结构； (b) 光反馈 衍 射 光

6、栅有 源 层N层P层输 出 光光 栅有 源 层ba(a)(b) 光发射器件的结构虽然很多，但从性能和可靠性来说，工程上主要采用脊性波导F-P LD 、 DFB-LD和MQW-DFB-LD 。根据光电性能、封装和价格，通常： A) 对低速、短距离一般采用发光管或激发管； B) 对(40-155)Mb/s 、中等距离一般采用平面接触的F-P LD； C) 对(155-622)Mb/s 、中等距离一般采用平面或脊性波 导F-P LD；如XPON用 D) 对(622-2500)Mb/s ,中长距离一般采用DFB-LD； （如千兆以太网、CATV、直放站用） E) 对(2.5-10)Gb/s、长距离一般

7、采用MQW-DFB-LD; （如 SDH骨干网和广域网用）6 激光器光电特性激光器光电特性包括：a) 电流-电压特性和电流-光功率特性 V、 Po Kink(扭折） 1.6-1.8 Ith Ith_- 阈值电流，一般为（8-20）mA I 通常半导体器件为温度敏感器件，对LD，当环境温度或PN结温变化时，光功率和阈值电流都会产生变化，如下图。 为此，对大功率LD，常采用半导体致冷器来保持温度恆定 b) 光谱特性 LED光谱宽度较宽，通常其半宽度大于30nm; LD光谱示意图如下： LD光谱特性可用光谱宽度和边模抑制比来表示 GaAlAs/GaAs DH-LD光谱如下所示： LD光谱不仅随环境温

8、度变化，而且随工作电流而变化，InGaAsP/InP LD模式和波长随电流而变化如下图所示： C) 瞬态特性 由于LD在直接脉码调制下的电子和光子的相互作用，存在开关延迟、张弛振荡、自脉动等现象。 d) 模式特性 由于光在谐振腔中形成稳定的驻波形态，在垂直与光发射方向和光平性防线存在横模和纵模。只有一个光斑状的横模，称单横模；有两个和两个以上的光斑状，称多横模。如下图所示。 如果在光谱中只存在一个波峰，或边模抑制比大于30dB以上的纵模，称单纵模。如： e) 码型效应 在高速光通信系统中，由于LD中光电相互作用，产生开关效应，且每个数码宽度很小，所以存在码型效应。 f) 结发热效应、强度和频率

9、调制噪声 g) 某公司 的MQW-DFB-LD 技术指标(1)某公司 的MQW-DFB-LD 技术指标(2) h) 美国某公司的MQW-DFB-LD 技术指标（1） h) 美国某公司的MQW-DFB-LD 技术指标（2）7 激光器制作工艺 激光器的种类、结构很多，不同结构的器件，制作工艺步骤和工艺条件各不相同，下面以MQW-DFB-LD为例，介绍主要制作工艺步骤如下： MOCVD一级光删制作掩埋双沟制作二次外延 光刻化学腐蚀LPCVD光刻反应离子刻蚀 金 属溅射金属剥离电镀减薄抛光电子束蒸发 芯条解理端面镀膜管芯解理8 激光器应用与控制激光器应用 A 选择波长、光功率及线性、光谱宽度、封装和价

10、格合适的激光器； B 选择合适的偏置和滤波；考虑消光比、带宽、开关延迟和张弛振荡； D 光纤反射对光功率、波长稳定性的影响；是否需要隔离器？ E 直接调制时应考虑阻抗匹配和寄生参数问题； F 严防静电和浪涌冲击，光纤折短、表面沾污、焊线温度和时间；激光器控制：功率控制、温度控制、偏置控制、波长漂移控制、防冲击控制；光源组件实例表表3.1 半导体激光器半导体激光器(LD)和发光二极管和发光二极管(LED)的一的一般性能般性能-20-50 -20-50-20-50 -20-50工作温度工作温度 /C寿命寿命 t/h30120 30120 2050 2050辐射角辐射角50150 30100500-2000500-1000调制带宽调制带宽 B/MHz0.10.3 0.10.20.53 0.53入纤功率入纤功率 P/mW15(微瓦微瓦 ） 0.