1、光通信用光发射器件目 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。b)光发射器件-半导体激光器、发光管、激发器和光泵浦源。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、重量轻。g)数字通信的优点-抗噪声能力强、保密性好、
2、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 光数字同步通信系统(SDH)在光通信核心网、广域网（包括城域网和局域网）和光纤接入网（包括CATV）中都采用光同步数字通信系统。1.3 光发射器件在核心网和广域网（包括城域网和局域网）光发射器件在核心网和广域网通信系统光端机和光中继器的光发射部分，都是必不可少的关键光电子器件。1.4 光发射器件在光纤用户接入网 光发射器件在光纤用户接入网（包括三网合一）E-PON、G-PON光模块和CATV光模块的光发射部分中也是必不可少的关键光电子器件。1.5
3、 光发射器件在移动通信光纤分布式直放站 光发射器件在移动通信光纤分布式直放站光纤的光发射部分中也是必不可少的关键光电子器件。光发射器件分类按发射方式(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 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;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;按选模机构(光谐振腔)形式,可分为:Fabry-Perot腔激光器（F-P LD）和分布布喇格反馈（或反射）激光器（DFB-LD）。双异质结构Fab
4、ry-Perot腔激光器（F-P LD）典型结构如下：Fabry-Perot腔激光器有多种结构形式，其分类如下：其中，比较成熟的F-P LD主要有脊形波导激光器和掩埋异质结构激光器。按有源层(发光层)材料特点,激光器可分为:半导体化合物体材料（厚度大于20nm)激光器；量子阱结构材料(每层厚度小于15nm)激光器(QW-LD);量子阱结构材料如下图：e)按表面形式,激光器可分为:平面接触激光器；台面（如脊形波导）接触激光器。f)按出射光位置,激光器可分为:边(侧面)发射激光器:g)按调制速率,激光器可分为: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
5、 超高速LD,这里指(1-20)Gb/s范围;h)按发射功率,激光器可分为: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范围）I)按封装方式,激光器可分为:单管同轴、双列直插、小型化DIL、高速蝶形激光器。按激光器集成方式，可分为单管式和集成式激光器。集成方式中，主要有：激光器阵列和光调制器-分布反馈激光器单片集成等。4 半导体光发射原理 半导体光发射基于激光器有源层材料导带和价带间电子、空穴的复合辐射。a)半导体能带结构和能带间受激发射示意图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：PN
6、结：同材料、同组分而不同掺杂（p、n）的交界面；异质结：不同材料或不同组份的交界面。PN结、异质结示意图如下：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: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比处在低能态价带顶的空穴数大很多;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 粒子数反转分布示意图粒子数反转：导带电子数很多 价带电子数很少 只有激光器有源层材料的总光增益大于等于总光损耗,并达到阈值增
7、益时才有稳定的光发射。5 激光器核心结构 激光器层次很多，作用不同，但其核心结构主要由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 栅有 源 层N层P层输 出 光光 栅有 源 层ba(a)(b)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 b)光
8、谱特性 LED光谱宽度较宽，通常其半宽度大于30nm;LD光谱特性可由光谱宽度、边模抑制比和消光比（脉冲情况下）表示。其示意图如下：-20dB LD光谱不仅随环境温度变化，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)温度特性 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。d)瞬态特性(包括调制特性）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。e)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
9、，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：强度和频率调制噪声 眼图 直接强度调制LD的光特性可用眼图来大致衡量，包括消光比、噪声、码间干扰、上升/下降时间、均衡情况、抖动、调制电路匹配情况等。各种各样的眼图的例子：眼图模框及要求的例子 光通信用激光器光电技术指标 光通信用激光器光电技术指标有：a)光发射波长 b)光谱宽度 c）出纤光功率 d）阈值电流 e）微分（或斜率）效率 f）边模抑制比 g）可调制带宽（或脉冲光上升/下降时间）h)接触电阻 i)正向电压 J)中值寿命 k)工作温度 激光器参数和一
10、般表示符号 光发射器件技术指标典型值范围-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）0.510 0.510输出功率输出功率 P/mW100150 10015040-60 40-60工作电流工作电流 I/mA2030 3060阀值电流阀值电流 Ith/mA50100 6012012 13谱线宽度谱线宽度1.3 1.551.3 1.5
11、5工作波长工作波长LEDLD/nm/)/(761010651010810710 WTD 的MQW-DFB-LD 技术指标(1)WTD 的MQW-DFB-LD 技术指标(2)h)美国Lasertron 公司的MQW-DFB-LD 技术指标（1）h)美国Lasertron 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
12、镀膜管芯解理8 激光器应用激光器应用注意事项 A 选择波长、光功率及线性、光谱宽度、封装和价格合适的激光器；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；可靠性试验与性能测试 a 可靠性试验 可靠性试验包括机械完整性试验、耐久性试验和特殊试验。机械完整性试验一般包括机械冲击、振动、热冲击、可焊性和光纤拉力。耐久性试验一般包括加速老化（高温）、温度循环、抗循环潮湿、高/低温存储等。特殊试验一般包括内部潮湿、可燃性和ESD阈值。C 应用实例 扩束激光器和DFB-LD阵列 可变波长DBR-LD 和 DBR-LD+锥型SOAA low-cost light source for WDM-PON witha Fabry-Perot semiconductor laser Korea Advanced Institute of Science and Technology
