高速半導(dǎo)體激光器同軸封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

劉 勇,吳振剛,周 雷,王燕飛

(中國電子科技集團公司第8研究所,合肥 230041)

基礎(chǔ)理論

高速半導(dǎo)體激光器同軸封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

劉 勇,吳振剛,周 雷,王燕飛

(中國電子科技集團公司第8研究所,合肥 230041)

對于高速半導(dǎo)體激光器(LD),由于同軸封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)對高速LD組件耦合效率的影響,導(dǎo)致高速LD的性能下降。為了合理設(shè)置高速LD同軸封裝結(jié)構(gòu)參數(shù),詳細分析高速LD同軸封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)對高速LD組件耦合效率的影響,并得出結(jié)論：減少高速LD管帽的高度和透鏡的大小,增加透鏡的折射率可以提高高速LD封裝的耦合效率。

半導(dǎo)體激光器；高速；耦合效率；同軸封裝；結(jié)構(gòu)參數(shù)；

0 引 言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對通信技術(shù)的要求越來越高。光通信技術(shù)以其獨有的速度快，帶寬高，架設(shè)成本低等諸多優(yōu)點，已在各個行業(yè)領(lǐng)域逐步取代傳統(tǒng)的電信號通訊。尤其在航天航空，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以及軍用信息技術(shù)等領(lǐng)域，光通信技術(shù)正發(fā)揮著無可替代的作用。半導(dǎo)體激光器是現(xiàn)代的光通信系統(tǒng)所需要的核心光器件之一，發(fā)展與其相應(yīng)的封裝技術(shù)是十分重要的。但最主要的封裝形式是同軸封裝，因其工藝簡單、成本低等特點，逐步成為各個器件生產(chǎn)商研發(fā)生產(chǎn)的話題。

目前，低速率的同軸封裝技術(shù)已經(jīng)成熟，但高速率的同軸封裝技術(shù)還需要進一步研究。特別在高速半導(dǎo)體激光器封裝中，由于光通信市場競爭越來越來激烈，光通信系統(tǒng)對高速LD的要求：體積小，成本低等等，以致高速LD組件的耦合效率下降，導(dǎo)致其性能下降。對于高速VCSEL半導(dǎo)體激光器而言，改小其結(jié)構(gòu)封裝比較困難。因高速VCSEL激光器TO的結(jié)構(gòu)一般都是平窗式或斜窗式，對其光耦合封裝有兩種方式：（1）對其TO直接進行光耦合封裝，增大其長度；（2）在其TO原有的基礎(chǔ)上外加透鏡或自聚焦透鏡進行光耦合封裝，雖然其長度有所改變，但其外直徑卻增大。因此，這兩種封裝形式未能滿足光通信系統(tǒng)對高速LD的要求。為了適應(yīng)光通信系統(tǒng)對高速LD的要求，提高其組件耦合效率，增大其光輸出功率，只有去掉其TO的平窗或斜窗形式，采用儲能焊機在氮氣保護環(huán)境下對其TO封裝帶有透鏡的管帽。這種封裝既要滿足高速LD組件高的耦合效率，又要注意減少反射。因為在高速率狀況下光反射會引起激光器的強度噪聲、脈沖失真和相位噪聲?？紤]這些因數(shù)，合理設(shè)置高速LD同軸封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)（透鏡的折射率、管帽高度、透鏡的大?。?，才能有效減少高速半導(dǎo)體激光器的體積，保證其性能不變，滿足光通信系統(tǒng)的使用。本文不考慮高速LD封裝過程中產(chǎn)生寄生參數(shù)[1]和工藝誤差對其組件耦合效率的影響，分析討論高速LD同軸封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對其組件耦合效率的影響。

1 高速LD的工作原理

高速半導(dǎo)體激光器同軸封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，激光器芯片是燒焊在載體上，激光器發(fā)出的光經(jīng)過透鏡聚焦，投射到外面的光纖端面，經(jīng)光纖傳輸出去。激光器芯片通過金絲連接在兩個管腳上。調(diào)制信號和偏置電流都通過這個兩個管腳，管座上的探測器芯片監(jiān)測激光器芯片的工作狀況。探測器芯片可接收到激光器芯片背面發(fā)出的光，產(chǎn)生光電流。當(dāng)激光器的發(fā)光強度隨著外界環(huán)境的變化而產(chǎn)生變化時，探測器芯片產(chǎn)生的光電流也會變化。通過外電路的負反饋作用，控制激光器的偏置電流，使得激光器工作狀態(tài)穩(wěn)定。探測器芯片用金絲與另外兩個管腳相連[1，2]。

圖1 高速LD同軸封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

另外，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上看，高速半導(dǎo)體激光器由封裝寄生網(wǎng)絡(luò)、芯片寄生網(wǎng)絡(luò)和本證激光器三部分構(gòu)成[3]，任何激光器本身必須與外界有電的連接，必須有電極引線，所以存在一定的寄生參數(shù)[4]。在激光器封裝過程中，必須用到芯片的載體、連接用金絲、偏置電路、匹配電路、各種過渡用的傳輸線和管殼等部件。每個部件都會產(chǎn)生一個寄生參數(shù)，該寄生參數(shù)都會對激光器的響應(yīng)特性產(chǎn)生一定的影響。如芯片電極焊盤將引入并聯(lián)寄生電容，該電容將對光電流進行分流，特別是對高頻調(diào)制信號，分流的結(jié)果導(dǎo)致高頻響應(yīng)信號幅度下降[5]。但這些寄生參數(shù)并不是總引起高速LD的性能下降，金絲引入的電感和電極焊盤帶來的電容會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，這一現(xiàn)象可以對高速激光器的頻率響應(yīng)進行補償，從而改善激光器的高頻響應(yīng)特性。但在高速LD同軸封裝設(shè)計過程中，這些寄生參數(shù)對高速LD組件的耦合效率存在一定影響，但相對結(jié)構(gòu)參數(shù)對高速LD組件耦合效率的影響可忽略不計。

2 高速LD同軸封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)對高速LD組件耦合效率的影響

高速半導(dǎo)體激光器同軸封裝的光耦合系統(tǒng)示意圖如2所示。從圖可以看出，光耦合系統(tǒng)損耗主要體現(xiàn)在以下幾個方面：菲涅爾反射損耗、透鏡的像差、透鏡表面的不平整產(chǎn)生的波前形變、高速LD與多模光纖的模場形狀的失配和尺寸的差異[6]。菲涅爾反射損耗是由于光纖和透鏡表面存在菲涅爾反射引起的，通過透鏡鍍膜可以減反射來消除；高速LD與多模光纖的模場形狀的失配，高速LD的模場通常為橢圓形，而光纖的模場為圓形，兩者在理想狀態(tài)下可以近似為圓形，這種模場形狀的產(chǎn)生的損耗可以忽略不計；至于透鏡表面不平整產(chǎn)生的損耗可以通過質(zhì)量檢驗可以消除；因此，高速LD組件耦合效率的變化，只需考慮激光器射出的高斯光束與多模光纖模場之間的模式匹配程度以及透鏡的像差產(chǎn)生的影響，即考慮高速LD同軸封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)。合理設(shè)置封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)，才能有效使激光器發(fā)射的光功率最大幅度地耦合到光纖端面上。為了減少反射光束對激光光源的影響，提高高速LD的性能，只有將光纖端面研磨成APC面，增大其光耦合難度。

圖2 高速LD與光纖的耦合系統(tǒng)示意圖

從物理波動光學(xué)的角度來說，透鏡對光場振幅和相位起到變換作用，為了簡化問題，在理性狀態(tài)下，把透鏡看成一個面，建立光耦合系統(tǒng)的理論分析模型，高速LD組件的耦合效率可以通過如下計算公式[7]得到：

式中ψL( x，y)表示激光光束的高斯光場分布式；ψF( x，y)表示多模光纖的高斯模場分布式，*表示復(fù)數(shù)共軛。

結(jié)合以上分析，從圖1可以看出，管帽是高速半導(dǎo)體激光器同軸封裝結(jié)構(gòu)的核心部件，起到透鏡定位的作用。因此，在選擇管帽合格前提下，高速半導(dǎo)體激光器同軸封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化主要考慮管帽的高度以及耦合透鏡的形狀、大小和折射率的變化。

實驗室設(shè)計的高速半導(dǎo)體激光器組件為尾纖型結(jié)構(gòu)，如圖3所示。根據(jù)圖2采用ZEMAX軟件繪制高速LD與光纖的耦合光路，分析光場分布，結(jié)合MATLAB軟件編程分析高速LD組件的耦合效率與高速LD結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。高速LD的參數(shù)：VCSEL芯片，其遠場發(fā)散角為15°，輸出光功率為1.5 nw；傳輸速率為10 Gbps，波長為850 nm的多模光纖；選擇帶有透鏡的兩種管帽，其參數(shù)如表1所示，分析了高速LD同軸封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對高速LD組件耦合效率的影響。

圖3 高速LD為尾纖型實物圖

表1 選擇的高速LD兩種管帽結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 高速LD管帽的高度對高速LD組件耦合效率的影響

在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，先將管帽1的高度典型值選取為由2.60，2.90，3.20和3.50 mm，再將管帽2的高度典型值選取為2.30，2.50，2.10和1.90 mm時，分析管帽高度對高速LD組件耦合效率的影響。從圖4（a）和（b）可以看出，改變高速LD管帽的高度直接導(dǎo)致其組件耦合效率的變化，即激光器芯片與透鏡之間距離的變化。增加管帽的高度，耦合峰值對應(yīng)多模光纖與透鏡之間的耦合距離減少，從不同角度入射的激光光束不能有效地聚焦在透鏡的焦距上，導(dǎo)致高速LD組件的耦合效率下降。降低管帽的高度，耦合峰值對應(yīng)多模光纖與透鏡之間耦合距離增大，高速LD組件的耦合效率也增大，這是由于透鏡物距減少，像距增大的緣故。隨著管帽的高度降低，高速LD組件的耦合效率增大，其原因：這兩種管帽高度降低時，耦合峰值對應(yīng)的激光器芯片與光纖端面的耦合距離減少，導(dǎo)致透鏡成像光束的孔徑角減小，使激光光束經(jīng)透鏡折射后能夠有效聚焦在透鏡的焦距上，像差減小，所以高速LD組件的耦合效率增大。

圖4 高速LD管帽高度與高速LD組件耦合效率的關(guān)系

2.2 高速LD透鏡的大小對高速LD組件耦合效率的影響

由于透鏡的焦距、半徑和折射率的關(guān)系[8]為：

其中f，r和n分別為透鏡的焦距、半徑和折射率。從表達式可以看出，當(dāng)透鏡的半徑增加時，透鏡的焦距也增加，成像的位置離透鏡遠[7]。將兩種管帽的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)固定不變，調(diào)整高速LD透鏡的大小。先將管帽1透鏡的直徑典型值選取為1.70，2.10和2.50 mm，再將管帽2透鏡的直徑典型值選取為0.7，1.10和1.50 mm時，分析透鏡的大小對高速LD組件耦合效率的影響，如圖5（a）和（b）所示。從這兩組耦合曲線的變化中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)透鏡半徑逐漸增大時，耦合峰值對應(yīng)多模光纖與透鏡之間的耦合距離增大，高速LD組件的耦合效率下降。其原因：隨著透鏡半徑的增大，透鏡的焦距也增大，經(jīng)透鏡折射后的激光光束并不全部聚焦在同一點上，使近軸光束與邊緣光束在透鏡的焦距附件產(chǎn)生間隔距離，引起像差增大，導(dǎo)致高速LD組件耦合效率下降。

圖5 高速LD透鏡尺寸與高速LD組件耦合效率的關(guān)系

2.3 高速LD透鏡的折射率對高速LD組件耦合效率的影響

根據(jù)菲涅耳定律：

其中n1和n2分別為空氣和透鏡的折射率，θ1為光線的入射角，θ2光線的折射角。從表達式可以看出，不改變空氣的折射率和入射角時，增大透鏡的折射率，相應(yīng)地減少光線經(jīng)透鏡折射后的折射角。透鏡的材料主要有：Hardglass，Sapphire，Taf-3和Bk-7，不同的材料對應(yīng)不同的折射率，即它們的折射率分別為1.6341，1.7901，1.9042，1.4157，分析透鏡的折射率對高速LD組件耦合效率的影響，如圖6（a）和（b）所示。增大透鏡的折射率，耦合峰值對應(yīng)多模光纖與透鏡之間的耦合距離減少，高速LD組件的耦合效率增大。其原因：根據(jù)（3）式，增大透鏡的折射率，減少激光光束在透鏡內(nèi)產(chǎn)生的折射角，不管近軸光束還是邊緣光速經(jīng)透鏡折射后能夠有效地聚焦在同一點上，引起像差減少，導(dǎo)致高速LD組件的耦合效率增大。相反，減少透鏡的折射率，導(dǎo)致高速LD組件的耦合效率下降。另外，從公式（2）中還可以看出，增大透鏡的折射率，透鏡的焦距減少，從不同角度入射的激光光束經(jīng)透鏡折射后路徑差減少，像差產(chǎn)生的損耗減少，導(dǎo)致高速LD組件耦合效率增大。

圖6 高速LD透鏡折射率與高速LD組件耦合效率的關(guān)系

3 在實際生產(chǎn)中高速LD同軸封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)對高速LD組件耦合效率的影響

高速半導(dǎo)體激光器TO管芯是無法直接使用的，必須通過一定的方法將電信號加載到激光器的正負端，并通過穩(wěn)定的光學(xué)鏈路將光引出[9]。為達到此目的，需要對高速LD進行光耦合與焊接封裝。通常，對高速LD的耦合與焊接封裝必須從光、電子、機械、熱等多方面進行考慮，通過設(shè)計巧妙的耦合夾具將加工精密的光學(xué)、電子學(xué)和金屬元器件按照一定的順序進行準直和裝配[10]。這種高速半導(dǎo)體激光器同軸封裝的工藝流程如7所示。這個工藝流程圖也適合高速半導(dǎo)體探測器的同軸封裝。

圖7 高速半導(dǎo)體激光器同軸封裝的工藝流程圖

根據(jù)上述的理論分析，在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，按照工藝流程選取高速LD同軸封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)的最大值和最小值進行封裝，然后封焊金屬件和移動多模光纖的位置對高速LD組件進行光耦合封裝如7，8所示，光耦合輸出的最大光功率值如表2所示。從表2中可以看出：增大高速LD管帽的高度，導(dǎo)致高速LD組件的耦合光功率下降，這是激光器發(fā)射的光束經(jīng)透鏡折射后的光路徑存在差異，未能有效聚焦在透鏡的焦距上，導(dǎo)致光束能量分散，耦合在光纖APC端面上光束能量少，引起高速LD組件的耦合光功率下降；增大高速LD透鏡的直徑，引起高速LD組件的耦合光功率下降，這是激光光束經(jīng)透鏡折射后近軸光束與邊緣光束的聚散度存在差異，導(dǎo)致高速LD組件的耦合光功率下降；增大透鏡的折射率，導(dǎo)致高速LD組件的耦合光功率增大，這是因為透鏡的焦距減少以及光束的折射角減少，光束經(jīng)透鏡折后能夠有效將光束能量聚集在一點上，導(dǎo)致高速LD組件的耦合光功率增大。這個結(jié)論與上述高速LD結(jié)構(gòu)參數(shù)變化分析結(jié)論基本符合。因此，保證高速LD性能不變情況下，減少高速LD體積最有效的方法是減少高速LD管帽的高度和透鏡的直徑，增大透鏡的折射率。此方法可以為其它類型高速半導(dǎo)體激光器同軸封裝提供價值參考和指導(dǎo)。

圖8 高速LD光耦合封裝組件圖

圖9 高速LD組件光耦合封裝過程圖

表2 高速LD同軸封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)值對應(yīng)其耦合光功率值

4 結(jié) 語

本文詳細分析了高速半導(dǎo)體激光器管帽的高度、透鏡的直徑和透鏡的折射率這三種結(jié)構(gòu)參數(shù)對高速LD組件耦合效率的影響，并得出結(jié)論：為了減少高速半導(dǎo)體激光器的體積，提高其耦合效率，保證其性能不變情況下，減小高速LD管帽的高度、透鏡的半徑和增大透鏡的折射率。此結(jié)論在生產(chǎn)中得以驗證。這些結(jié)構(gòu)參數(shù)在高速LD同軸封裝過程中必須合理設(shè)置，才能有效地提高高速LD組件耦合效率，提高其性能指標(biāo)，才能使高速半導(dǎo)體激光器的體積做到盡可能小，滿足光通信系統(tǒng)使用要求。這個結(jié)論還可為其它類型高速半導(dǎo)體激光器和探測器同軸封裝提高價值參考和指標(biāo)。

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Analysis of Structure Parameters of the Coaxial Package w ith High-Speed Sem iconductor Lasers

LIU Yong，WU Zhen-gang，ZHOU-lei，WANG Yan-fei
（The 8thResearch Institute of CETC，Hefei230041，China）

The influence of the coaxial package parameters for the high-speed semiconductor laser（LD）on coupling efficiencies of high-speed LD components results in the decrease of high-speed LD index.In order to set up structure parameters of the high-speed LD modules on coaxial packages，the dependence of the coupling efficiencies of the high-speed LD modules on structure parameters of coaxial package are analyzed in detail，proposing conclusion that the coupling efficiencies of the high-speed LD components can be improved by decreasing the height of the cap or the size of the lens and increasing the refractive index of the lens in the high-speed LD.

semiconductor lasers；high-speed；coupling efficiencies；coaxial package；structure parameters

TN305.94

A

1673-5692（2015）05-350-06

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.04.004

2015-06-11

2015-07-30

劉 勇(1979—),男,云南人,工程師,工學(xué)碩士,主要研究方向為光器件、模塊研發(fā)與生產(chǎn)；

E-mail：ly8598@163.com