外腔半導(dǎo)體激光器在高低溫下的機(jī)械形變與功率變化

李 沖，胡 翀，姚 勇

（1.深圳新飛通光電子技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518057；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055）

引言

密集波分復(fù)用技術(shù)DWDM（dense wavelength multiplexing）實(shí)現(xiàn)了在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長的光載波信號，成為目前光通信的主流技術(shù)。目前DWDM 系統(tǒng)的通道間隔一般為50 GHz,C 波段下約100 個(gè)通道，如果使用固定波長的激光器，庫存的管理就會(huì)顯得很復(fù)雜[1-4]?？烧{(diào)激光器能在一定波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)波長的切換，滿足不同波長輸出的需求，可調(diào)激光器逐漸取代了固定波長激光器，成為了DWDM 的關(guān)鍵器件[5]。

光通信系統(tǒng)中常見的半導(dǎo)體激光器有分布反饋激光器（DFB）[6-7]、分布布拉格反射激光器（DBR）[8-9]、外腔激光器（ECL）[10-11]、垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）[12-13]。激光器作為光通信系統(tǒng)中的光源主要出現(xiàn)在光通信系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端，目前設(shè)備商要求可調(diào)諧激光器在高低溫下（-5 ℃～ 75 ℃）的功率變化在1 dB 左右。外腔半導(dǎo)體激光器（ECL）相對于其他類型激光器線寬更小，相位噪聲小，有利于改善系統(tǒng)的誤碼率（BER），在高速傳輸系統(tǒng)上優(yōu)勢明顯。ECL 設(shè)計(jì)上有別于DFB 和DBR，腔體大部分在光芯片外面而不是整合到芯片內(nèi)部，腔長相較于其他類型的半導(dǎo)體激光器更長，腔內(nèi)增益更高。但同時(shí)較長的諧振腔容易受到外力及機(jī)械件形變的影響，在高低溫下，由于溫度分布不均以及膨脹量不同，會(huì)導(dǎo)致諧振腔發(fā)生變化。高低溫引起的機(jī)械形變很難在實(shí)際中測量出來，但是微小的形變就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)光路上有偏差。有限元是一種對結(jié)構(gòu)的形變、應(yīng)力以及熱場進(jìn)行分析的數(shù)值計(jì)算方法。有限元法將連續(xù)的求解區(qū)域離散為單元組合體，將復(fù)雜的求解區(qū)域進(jìn)行離散化，然后采用變分原理，對微分方程進(jìn)行離散求解[14]。本文將使用有限元商用軟件Ansys 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

在機(jī)械形變仿真求解的基礎(chǔ)上，通過光路仿真軟件Zemax 量化分析高低溫下的機(jī)械形變對于光路和耦合效率的影響，并對設(shè)計(jì)改進(jìn)提供建議。

1 仿真模型

激光器的正常工作需要有增益介質(zhì)、諧振腔和激勵(lì)源，圖1 為典型的外腔激光器模型，由封裝外殼、光芯片、聚焦透鏡、光纖以及半導(dǎo)體制冷器（TEC）等組成。增益介質(zhì)是光芯片，激勵(lì)方式為電激勵(lì)，諧振腔是從光芯片的端面到反射鏡的端面，增益芯片出來的光束質(zhì)量較差，需要準(zhǔn)直透鏡對光束進(jìn)行準(zhǔn)直，聚焦透鏡將光束耦合至光纖中。半導(dǎo)體激光器需要輸出單一波長的激光，實(shí)際的產(chǎn)品還有鎖腔和濾波系統(tǒng)。本文主要討論諧振腔和耦合效率在高低溫下的變化，中間的其他組件在結(jié)構(gòu)仿真中忽略。

圖1 典型的外腔激光器示意圖Fig.1 Schematic diagram of typical external cavity laser

由于半導(dǎo)體芯片的閾值電流、輸出波長及功率受溫度影響，在半導(dǎo)體激光器中一般由TEC來控制芯片的工作溫度。仿真中涉及到的物性參數(shù)見表1所示。由于模型是對稱的，采用對稱邊界條件進(jìn)行分析。本文將詳述改變環(huán)境溫度時(shí)不同環(huán)境溫度下器件各部分的溫度分布，以及不同環(huán)境溫度下的撓度，然后輸入Zemax 中量化分析光路變化以及耦合效率的變化。

表1 Ansys 仿真的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of ANSYS simulation

2 結(jié)果分析

2.1 高低溫下激光器溫度場分析

圖2 是在高低溫（-5 ℃，75 ℃）下，熱平衡狀態(tài)下激光器內(nèi)部的溫度分布。對流為自然對流，考慮了輻射影響，頂蓋為模型頂部，金屬封裝外殼底部為模型底部，后面的結(jié)果討論的描述與此保持一致。設(shè)定激光器的封裝外殼底部的溫度與外界的環(huán)境溫度（-5 ℃或者75 ℃）保持一致。由于TEC 的工作，高低溫下TEC 靠近激光器諧振腔的一側(cè)保持恒溫50 ℃，-5 ℃和75 ℃兩種狀態(tài)下的溫度差主要是在激光器的外殼和TEC 上。從仿真云圖可以看到，TEC 上有較大的溫度梯度，-5 ℃下的溫度變化范圍是-5.2 ℃～50.2 ℃，溫度梯度為55 ℃；75 ℃下的溫度梯度范圍是50 ℃～75.6 ℃，溫度梯度為25.6 ℃。較大的溫度梯度會(huì)導(dǎo)致較大的撓度，影響光路。諧振腔內(nèi)光芯片是主要的發(fā)熱器件，光芯片上的溫度約為60 ℃。

圖2 高低溫下激光器的溫度場分布Fig.2 Temperature field distribution of laser at high or low temperatures

2.2 高低溫下激光器的撓度分析

圖3 顯示了高低溫下的激光器應(yīng)變。在高溫（75 ℃）和低溫（-5 ℃）下，激光器的形變方向有區(qū)別。在高溫下激光器金屬殼底座和TEC 的底部相較于參考溫度狀態(tài)（35 ℃）下是膨脹的，而TEC 靠近諧振腔的端面保持恒定溫度，這個(gè)端面是沒有溫度帶來的膨脹的，從而導(dǎo)致TEC 和金屬殼底座向下彎曲；在低溫下，激光器封裝金屬殼底座和TEC 的底座相較于光路耦合時(shí)是收縮的，而TEC 靠近諧振腔的端面依然保持恒定的溫度，不會(huì)收縮，從而導(dǎo)致TEC 和金屬殼底座向上彎曲。高低溫下的彎曲主要是由于TEC 靠近諧振腔的端面和封裝殼底的膨脹量不一致所導(dǎo)致。

圖3 激光器在高低溫下的應(yīng)變分布(2×Auto)Fig.3 Strain distribution of laser at high or low temperatures(2×Auto)

表2 列出了關(guān)鍵組件在高低溫下的位移偏移。本次仿真分析的主要目的是評價(jià)高低溫下的形變對于光路的影響。表2 列出的撓度 變化都是各個(gè)組件相對于光芯片出光端面 空間位置的變化（相對于物理腔長的的變化比例）。從量化的角度來看，應(yīng)變是很小的，但是激光器光路精密，對于器件偏移較為敏感。由于模型在垂直于視圖方向（即Y-Z平面）的撓度變化較小，在結(jié)果的討論中我們僅討論Y-Z方向的撓度。從表2 中可以看到，尾纖端面的撓度變化是最大的，尾纖距離光芯片距離較遠(yuǎn)。光路的撓度角度雖然較小，但是跨越長距離后，垂直于光軸方向的位移撓度（相對于物理腔長的的變化比例）最大能達(dá)到449.9E-6。表3 列出了關(guān)鍵組件在高低溫下的角度偏轉(zhuǎn)。表3 中角度偏轉(zhuǎn)值為繞X軸的角度偏轉(zhuǎn)值，正值表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，負(fù)值表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

表2 高低溫下相對于光軸的位移撓度變化（相對于物理腔長的變化比例）Table 2 Displacement deflection change relative to optical axis at high or low temperatures(change ratio relative to physical cavity length)

表3 角度撓度Table 3 Angle deflection

2.3 高低溫下激光器的撓度變化對于光路的影響

將表2 和表3 的位移以及偏轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)輸入Zemax 中，分析撓度帶來的光路影響。耦合模型中光纖的模場直徑為（9.0±0.4）μm ＠1 550 nm，包層直徑為125 μm，光學(xué)腔長為12.5 mm，分析結(jié)果如表4所示。位移撓度和角度撓度都會(huì)對耦合效率產(chǎn)生影響，僅考慮位移變化時(shí)，實(shí)際的耦合效率變化并不很大，但是同時(shí)考慮角度偏轉(zhuǎn)和位移撓度后，耦合效率則有了較大的損失（0.81 dB）。因此，克服角度撓度變化是能夠有效改善功率變化的。

表4 Zemax 仿真結(jié)果Table 4 Zemax simulation results Unit：%

2.4 高低溫下的實(shí)際光路變化量測與諧振腔的耦合損失分析

為了探測溫度變化帶來的光路變化，我們搭建了帶加熱臺(tái)的光束分析臺(tái)，如圖4（a）所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的量測是在防震試驗(yàn)臺(tái)完成，通過加熱臺(tái)控制環(huán)境溫度，外腔激光器與加熱臺(tái)保持良好熱接觸，光束分析儀位于外腔激光器的出光光窗口附近。通過加熱臺(tái)控制外腔激光器的工作環(huán)境溫度，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，通過光束分析儀測量光束的角度。光束分析儀直接量測到的是光斑的位置信息，實(shí)驗(yàn)開始前使用出光角度為0°的激光進(jìn)行標(biāo)定，便可以通過光斑在光束分析儀的位置以及產(chǎn)品與光束分析儀的距離計(jì)算得到出光的角度。產(chǎn)品的光路在聚焦透鏡前是準(zhǔn)直光，外腔激光器的光束角度是拆除了聚焦透鏡后量測的準(zhǔn)直光線的角度。圖4（b）為測量的3 個(gè)溫度點(diǎn)下光線的角度。對比35 ℃和75 ℃，光路的角度變化約為0.35 mrad～0.4 mrad,轉(zhuǎn)化為角度約為0.02°～0.023°，與Ansys 仿真結(jié)果接近。

圖4 外腔激光器的光束角度量測Fig.4 Beam angle measurement of external cavity laser

撓度變化會(huì)直接影響諧振腔的效率。圖5（a）為諧振腔靈敏度分析實(shí)驗(yàn)簡圖。實(shí)驗(yàn)中保持外腔激光器工作的環(huán)境溫度為35 ℃，光功率探頭在光窗附近，通過調(diào)整諧振腔的俯仰角來模擬相應(yīng)的諧振腔的變化，順時(shí)針方向?yàn)檎鏁r(shí)針方向?yàn)樨?fù)。首先大范圍掃描達(dá)到最大功率，使諧振腔處于耦合最佳點(diǎn)；然后變化俯仰角，監(jiān)控光功率的變化，探測諧振腔由于撓度變化帶來的腔內(nèi)損耗。通過Ansys 得到諧振腔的2 個(gè)端面的相對角度變化為0.7 mrad，圖5（b）對應(yīng)的功率損失約為8.5%（約為0.3 dB）。

圖5 外腔激光器諧振腔的耦合效率Fig.5 Coupling efficiency of resonant cavity of external cavity laser

2.5 設(shè)計(jì)的改進(jìn)方向

TEC 和封裝外殼底部材料（CuW）隨著外界溫度變化出現(xiàn)了熱脹冷縮現(xiàn)象，但是基座保持恒定溫度，無熱脹冷縮現(xiàn)象。形變量的不匹配直接導(dǎo)致了陶瓷基座的彎曲變形，如圖6（a）所示。將基座簡化為梁，Δθ為兩端面的中性軸的切線夾角，根據(jù)Roark’s formula[15]有：

式中：M為微分單元上的彎矩；E為材料的楊氏模量；I為截面對于中性軸（NA）的慣性矩。對于矩形截面（如圖6（a）），慣性矩為

圖6 彎曲方程模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of bending equation model

在M分布不變的情況下，要減少夾角θ的值，可以采取以下方法：1）通過選用楊氏模量（E）更大的材料；2）通過增加基座厚度t，使慣性矩更大；3）加寬基底材料，使慣性矩更大。

圖6（b）為基座下部分（TEC+金屬封裝外殼底座）形變模型。為了簡化分析，將TEC 底座和金屬封裝底座視為一體，忽略外殼底座四周與金屬側(cè)壁的作用，僅考慮溫度梯度帶來的影響。假設(shè)底座溫度為Tb，TEC 頂部的溫度為Ta，TEC 的長度為L，則上下表面應(yīng)變分別為εa=αa(Ta-Tref),εb=αb(Tb-Tref)。A1A2為膨脹面,長度為a1a2，B1B2為收縮面，長度為b1b2。中性軸的長度為c1c2，ρ為曲率半徑。那么有：

角度撓度為

減小角度，則需增加d1+d2值，即增加TEC 的高度。在不改變光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)的同時(shí)，通過縮減沿光軸方向其他部件距離,即減小L減少位移撓度和轉(zhuǎn)角帶來的耦合效率的損失。

3 結(jié)論

本文通過有限元仿真和光路仿真的結(jié)合，對外腔激光器在高低溫下的功率降低現(xiàn)象進(jìn)行了理論解釋和實(shí)驗(yàn)分析。激光器中不同部件由于膨脹系數(shù)不同，在不同的環(huán)境溫度下工作時(shí)各個(gè)部件的溫度變化會(huì)有差異，導(dǎo)致部件之間形變量有差異，整個(gè)激光器高低溫下出現(xiàn)形變，最終帶來光路變化。在使用端可看到，環(huán)境溫度為高溫和低溫時(shí)功率相較于常溫是減小的。要克服撓度變化帶來的影響，可以增加諧振腔基座本身的厚度，使用楊氏模量更高的材料或者加寬基座寬度，或者增加TEC 的高度和縮短腔長。本文提出的思路對于類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。