高速半导体激光器同轴封装结构参数分析

2015-06-23吴振刚王燕飞

中国电子科学研究院学报 2015年4期

关键词：同轴透镜激光器

刘勇,吴振刚,周雷,王燕飞

(中国电子科技集团公司第8研究所,合肥 230041)

基础理论

高速半导体激光器同轴封装结构参数分析

刘勇,吴振刚,周雷,王燕飞

(中国电子科技集团公司第8研究所,合肥 230041)

对于高速半导体激光器(LD),由于同轴封装结构参数对高速LD组件耦合效率的影响,导致高速LD的性能下降。为了合理设置高速LD同轴封装结构参数,详细分析高速LD同轴封装结构参数对高速LD组件耦合效率的影响,并得出结论：减少高速LD管帽的高度和透镜的大小,增加透镜的折射率可以提高高速LD封装的耦合效率。

半导体激光器；高速；耦合效率；同轴封装；结构参数；

0 引言

随着现代信息技术的飞速发展，人们对通信技术的要求越来越高。光通信技术以其独有的速度快，带宽高，架设成本低等诸多优点，已在各个行业领域逐步取代传统的电信号通讯。尤其在航天航空，互联网应用以及军用信息技术等领域，光通信技术正发挥着无可替代的作用。半导体激光器是现代的光通信系统所需要的核心光器件之一，发展与其相应的封装技术是十分重要的。但最主要的封装形式是同轴封装，因其工艺简单、成本低等特点，逐步成为各个器件生产商研发生产的话题。

目前，低速率的同轴封装技术已经成熟，但高速率的同轴封装技术还需要进一步研究。特别在高速半导体激光器封装中，由于光通信市场竞争越来越来激烈，光通信系统对高速LD的要求：体积小，成本低等等，以致高速LD组件的耦合效率下降，导致其性能下降。对于高速VCSEL半导体激光器而言，改小其结构封装比较困难。因高速VCSEL激光器TO的结构一般都是平窗式或斜窗式，对其光耦合封装有两种方式：（1）对其TO直接进行光耦合封装，增大其长度；（2）在其TO原有的基础上外加透镜或自聚焦透镜进行光耦合封装，虽然其长度有所改变，但其外直径却增大。因此，这两种封装形式未能满足光通信系统对高速LD的要求。为了适应光通信系统对高速LD的要求，提高其组件耦合效率，增大其光输出功率，只有去掉其TO的平窗或斜窗形式，采用储能焊机在氮气保护环境下对其TO封装带有透镜的管帽。这种封装既要满足高速LD组件高的耦合效率，又要注意减少反射。因为在高速率状况下光反射会引起激光器的强度噪声、脉冲失真和相位噪声。考虑这些因数，合理设置高速LD同轴封装结构参数（透镜的折射率、管帽高度、透镜的大小），才能有效减少高速半导体激光器的体积，保证其性能不变，满足光通信系统的使用。本文不考虑高速LD封装过程中产生寄生参数[1]和工艺误差对其组件耦合效率的影响，分析讨论高速LD同轴封装结构参数变化对其组件耦合效率的影响。

1 高速LD的工作原理

高速半导体激光器同轴封装的内部结构如图1所示，激光器芯片是烧焊在载体上，激光器发出的光经过透镜聚焦，投射到外面的光纤端面，经光纤传输出去。激光器芯片通过金丝连接在两个管脚上。调制信号和偏置电流都通过这个两个管脚，管座上的探测器芯片监测激光器芯片的工作状况。探测器芯片可接收到激光器芯片背面发出的光，产生光电流。当激光器的发光强度随着外界环境的变化而产生变化时，探测器芯片产生的光电流也会变化。通过外电路的负反馈作用，控制激光器的偏置电流，使得激光器工作状态稳定。探测器芯片用金丝与另外两个管脚相连[1，2]。

图1 高速LD同轴封装的内部结构

另外，从内部结构上看，高速半导体激光器由封装寄生网络、芯片寄生网络和本证激光器三部分构成[3]，任何激光器本身必须与外界有电的连接，必须有电极引线，所以存在一定的寄生参数[4]。在激光器封装过程中，必须用到芯片的载体、连接用金丝、偏置电路、匹配电路、各种过渡用的传输线和管壳等部件。每个部件都会产生一个寄生参数，该寄生参数都会对激光器的响应特性产生一定的影响。如芯片电极焊盘将引入并联寄生电容，该电容将对光电流进行分流，特别是对高频调制信号，分流的结果导致高频响应信号幅度下降[5]。但这些寄生参数并不是总引起高速LD的性能下降，金丝引入的电感和电极焊盘带来的电容会产生谐振现象，这一现象可以对高速激光器的频率响应进行补偿，从而改善激光器的高频响应特性。但在高速LD同轴封装设计过程中，这些寄生参数对高速LD组件的耦合效率存在一定影响，但相对结构参数对高速LD组件耦合效率的影响可忽略不计。

2 高速LD同轴封装结构参数对高速LD组件耦合效率的影响

高速半导体激光器同轴封装的光耦合系统示意图如2所示。从图可以看出，光耦合系统损耗主要体现在以下几个方面：菲涅尔反射损耗、透镜的像差、透镜表面的不平整产生的波前形变、高速LD与多模光纤的模场形状的失配和尺寸的差异[6]。菲涅尔反射损耗是由于光纤和透镜表面存在菲涅尔反射引起的，通过透镜镀膜可以减反射来消除；高速LD与多模光纤的模场形状的失配，高速LD的模场通常为椭圆形，而光纤的模场为圆形，两者在理想状态下可以近似为圆形，这种模场形状的产生的损耗可以忽略不计；至于透镜表面不平整产生的损耗可以通过质量检验可以消除；因此，高速LD组件耦合效率的变化，只需考虑激光器射出的高斯光束与多模光纤模场之间的模式匹配程度以及透镜的像差产生的影响，即考虑高速LD同轴封装结构参数。合理设置封装结构参数，才能有效使激光器发射的光功率最大幅度地耦合到光纤端面上。为了减少反射光束对激光光源的影响，提高高速LD的性能，只有将光纤端面研磨成APC面，增大其光耦合难度。

图2 高速LD与光纤的耦合系统示意图

从物理波动光学的角度来说，透镜对光场振幅和相位起到变换作用，为了简化问题，在理性状态下，把透镜看成一个面，建立光耦合系统的理论分析模型，高速LD组件的耦合效率可以通过如下计算公式[7]得到：

式中ψL( x，y)表示激光光束的高斯光场分布式；ψF( x，y)表示多模光纤的高斯模场分布式，*表示复数共轭。

结合以上分析，从图1可以看出，管帽是高速半导体激光器同轴封装结构的核心部件，起到透镜定位的作用。因此，在选择管帽合格前提下，高速半导体激光器同轴封装结构参数的变化主要考虑管帽的高度以及耦合透镜的形状、大小和折射率的变化。

实验室设计的高速半导体激光器组件为尾纤型结构，如图3所示。根据图2采用ZEMAX软件绘制高速LD与光纤的耦合光路，分析光场分布，结合MATLAB软件编程分析高速LD组件的耦合效率与高速LD结构参数的关系。高速LD的参数：VCSEL芯片，其远场发散角为15°，输出光功率为1.5 nw；传输速率为10 Gbps，波长为850 nm的多模光纤；选择带有透镜的两种管帽，其参数如表1所示，分析了高速LD同轴封装结构参数变化对高速LD组件耦合效率的影响。

图3 高速LD为尾纤型实物图

表1 选择的高速LD两种管帽结构参数

2.1 高速LD管帽的高度对高速LD组件耦合效率的影响

在其他结构参数不变的情况下，先将管帽1的高度典型值选取为由2.60，2.90，3.20和3.50 mm，再将管帽2的高度典型值选取为2.30，2.50，2.10和1.90 mm时，分析管帽高度对高速LD组件耦合效率的影响。从图4（a）和（b）可以看出，改变高速LD管帽的高度直接导致其组件耦合效率的变化，即激光器芯片与透镜之间距离的变化。增加管帽的高度，耦合峰值对应多模光纤与透镜之间的耦合距离减少，从不同角度入射的激光光束不能有效地聚焦在透镜的焦距上，导致高速LD组件的耦合效率下降。降低管帽的高度，耦合峰值对应多模光纤与透镜之间耦合距离增大，高速LD组件的耦合效率也增大，这是由于透镜物距减少，像距增大的缘故。随着管帽的高度降低，高速LD组件的耦合效率增大，其原因：这两种管帽高度降低时，耦合峰值对应的激光器芯片与光纤端面的耦合距离减少，导致透镜成像光束的孔径角减小，使激光光束经透镜折射后能够有效聚焦在透镜的焦距上，像差减小，所以高速LD组件的耦合效率增大。

图4 高速LD管帽高度与高速LD组件耦合效率的关系

2.2 高速LD透镜的大小对高速LD组件耦合效率的影响

由于透镜的焦距、半径和折射率的关系[8]为：

其中f，r和n分别为透镜的焦距、半径和折射率。从表达式可以看出，当透镜的半径增加时，透镜的焦距也增加，成像的位置离透镜远[7]。将两种管帽的其他结构参数固定不变，调整高速LD透镜的大小。先将管帽1透镜的直径典型值选取为1.70，2.10和2.50 mm，再将管帽2透镜的直径典型值选取为0.7，1.10和1.50 mm时，分析透镜的大小对高速LD组件耦合效率的影响，如图5（a）和（b）所示。从这两组耦合曲线的变化中可以发现当透镜半径逐渐增大时，耦合峰值对应多模光纤与透镜之间的耦合距离增大，高速LD组件的耦合效率下降。其原因：随着透镜半径的增大，透镜的焦距也增大，经透镜折射后的激光光束并不全部聚焦在同一点上，使近轴光束与边缘光束在透镜的焦距附件产生间隔距离，引起像差增大，导致高速LD组件耦合效率下降。

图5 高速LD透镜尺寸与高速LD组件耦合效率的关系

2.3 高速LD透镜的折射率对高速LD组件耦合效率的影响

根据菲涅耳定律：

其中n1和n2分别为空气和透镜的折射率，θ1为光线的入射角，θ2光线的折射角。从表达式可以看出，不改变空气的折射率和入射角时，增大透镜的折射率，相应地减少光线经透镜折射后的折射角。透镜的材料主要有：Hardglass，Sapphire，Taf-3和Bk-7，不同的材料对应不同的折射率，即它们的折射率分别为1.6341，1.7901，1.9042，1.4157，分析透镜的折射率对高速LD组件耦合效率的影响，如图6（a）和（b）所示。增大透镜的折射率，耦合峰值对应多模光纤与透镜之间的耦合距离减少，高速LD组件的耦合效率增大。其原因：根据（3）式，增大透镜的折射率，减少激光光束在透镜内产生的折射角，不管近轴光束还是边缘光速经透镜折射后能够有效地聚焦在同一点上，引起像差减少，导致高速LD组件的耦合效率增大。相反，减少透镜的折射率，导致高速LD组件的耦合效率下降。另外，从公式（2）中还可以看出，增大透镜的折射率，透镜的焦距减少，从不同角度入射的激光光束经透镜折射后路径差减少，像差产生的损耗减少，导致高速LD组件耦合效率增大。

图6 高速LD透镜折射率与高速LD组件耦合效率的关系

3 在实际生产中高速LD同轴封装结构参数对高速LD组件耦合效率的影响

高速半导体激光器TO管芯是无法直接使用的，必须通过一定的方法将电信号加载到激光器的正负端，并通过稳定的光学链路将光引出[9]。为达到此目的，需要对高速LD进行光耦合与焊接封装。通常，对高速LD的耦合与焊接封装必须从光、电子、机械、热等多方面进行考虑，通过设计巧妙的耦合夹具将加工精密的光学、电子学和金属元器件按照一定的顺序进行准直和装配[10]。这种高速半导体激光器同轴封装的工艺流程如7所示。这个工艺流程图也适合高速半导体探测器的同轴封装。

图7 高速半导体激光器同轴封装的工艺流程图

根据上述的理论分析，在其它结构参数不变的情况下，按照工艺流程选取高速LD同轴封装结构参数的最大值和最小值进行封装，然后封焊金属件和移动多模光纤的位置对高速LD组件进行光耦合封装如7，8所示，光耦合输出的最大光功率值如表2所示。从表2中可以看出：增大高速LD管帽的高度，导致高速LD组件的耦合光功率下降，这是激光器发射的光束经透镜折射后的光路径存在差异，未能有效聚焦在透镜的焦距上，导致光束能量分散，耦合在光纤APC端面上光束能量少，引起高速LD组件的耦合光功率下降；增大高速LD透镜的直径，引起高速LD组件的耦合光功率下降，这是激光光束经透镜折射后近轴光束与边缘光束的聚散度存在差异，导致高速LD组件的耦合光功率下降；增大透镜的折射率，导致高速LD组件的耦合光功率增大，这是因为透镜的焦距减少以及光束的折射角减少，光束经透镜折后能够有效将光束能量聚集在一点上，导致高速LD组件的耦合光功率增大。这个结论与上述高速LD结构参数变化分析结论基本符合。因此，保证高速LD性能不变情况下，减少高速LD体积最有效的方法是减少高速LD管帽的高度和透镜的直径，增大透镜的折射率。此方法可以为其它类型高速半导体激光器同轴封装提供价值参考和指导。

图8 高速LD光耦合封装组件图

图9 高速LD组件光耦合封装过程图

表2 高速LD同轴封装结构参数值对应其耦合光功率值

4 结语

本文详细分析了高速半导体激光器管帽的高度、透镜的直径和透镜的折射率这三种结构参数对高速LD组件耦合效率的影响，并得出结论：为了减少高速半导体激光器的体积，提高其耦合效率，保证其性能不变情况下，减小高速LD管帽的高度、透镜的半径和增大透镜的折射率。此结论在生产中得以验证。这些结构参数在高速LD同轴封装过程中必须合理设置，才能有效地提高高速LD组件耦合效率，提高其性能指标，才能使高速半导体激光器的体积做到尽可能小，满足光通信系统使用要求。这个结论还可为其它类型高速半导体激光器和探测器同轴封装提高价值参考和指标。

[1] 祝宁华.光电子器件微波封装和测试[M].北京：科学出版社，2011.

[2] 许杨.半导体激光器AuSn焊料烧结工艺优化与器件特性评价高[D].长春：长春理工大学，2011.

[3] 李林科.10KM高速同轴激光器的研究[J].激光与光电子学进展，2010（9）：092301-4.

[4] 张尚剑.半导体激光器TO封装的高频影响：分析与实验[J].光学学报，2005，25（9）：1214-1218.

[5] 崔洋.基于等效电路模型的APD特性分析[J].四川兵工学报，2013 34（8）：127-130.

[6] 刘超.垂直腔面发射激光器的TO封装的耦合效率模拟分析[J].半导体学报，2006 27（4）：751-755.

[7] 李潮.大功率光纤激光器耦合技术研究[D].广州：华南理工大学，2004.

[8] 高树理.半导体激光器和光纤的耦合[J].煤炭技术，2010（2）：28-29.

[9] 胡先志.光器件及其应用[M].北京：电子工业出版社，2010.1

[10]石章如.10G小型化可热插拔光收发模块的设计[D].武汉：武汉理工大学，2005.

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

1673-5692（2015）05-350-06