外腔半导体激光器在高低温下的机械形变与功率变化

李 冲，胡 翀，姚 勇

（1.深圳新飞通光电子技术有限公司，广东 深圳 518057；2.哈尔滨工业大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055）

引言

密集波分复用技术DWDM（dense wavelength multiplexing）实现了在一根光纤中同时传输多个波长的光载波信号，成为目前光通信的主流技术。目前DWDM 系统的通道间隔一般为50 GHz,C 波段下约100 个通道，如果使用固定波长的激光器，库存的管理就会显得很复杂[1-4]。可调激光器能在一定波长范围内实现波长的切换，满足不同波长输出的需求，可调激光器逐渐取代了固定波长激光器，成为了DWDM 的关键器件[5]。

光通信系统中常见的半导体激光器有分布反馈激光器（DFB）[6-7]、分布布拉格反射激光器（DBR）[8-9]、外腔激光器（ECL）[10-11]、垂直腔面发射激光器（VCSEL）[12-13]。激光器作为光通信系统中的光源主要出现在光通信系统的发射端和接收端，目前设备商要求可调谐激光器在高低温下（-5 ℃～ 75 ℃）的功率变化在1 dB 左右。外腔半导体激光器（ECL）相对于其他类型激光器线宽更小，相位噪声小，有利于改善系统的误码率（BER），在高速传输系统上优势明显。ECL 设计上有别于DFB 和DBR，腔体大部分在光芯片外面而不是整合到芯片内部，腔长相较于其他类型的半导体激光器更长，腔内增益更高。但同时较长的谐振腔容易受到外力及机械件形变的影响，在高低温下，由于温度分布不均以及膨胀量不同，会导致谐振腔发生变化。高低温引起的机械形变很难在实际中测量出来，但是微小的形变就会导致整个系统光路上有偏差。有限元是一种对结构的形变、应力以及热场进行分析的数值计算方法。有限元法将连续的求解区域离散为单元组合体，将复杂的求解区域进行离散化，然后采用变分原理，对微分方程进行离散求解[14]。本文将使用有限元商用软件Ansys 进行结构分析。

在机械形变仿真求解的基础上，通过光路仿真软件Zemax 量化分析高低温下的机械形变对于光路和耦合效率的影响，并对设计改进提供建议。

1 仿真模型

激光器的正常工作需要有增益介质、谐振腔和激励源，图1 为典型的外腔激光器模型，由封装外壳、光芯片、聚焦透镜、光纤以及半导体制冷器（TEC）等组成。增益介质是光芯片，激励方式为电激励，谐振腔是从光芯片的端面到反射镜的端面，增益芯片出来的光束质量较差，需要准直透镜对光束进行准直，聚焦透镜将光束耦合至光纤中。半导体激光器需要输出单一波长的激光，实际的产品还有锁腔和滤波系统。本文主要讨论谐振腔和耦合效率在高低温下的变化，中间的其他组件在结构仿真中忽略。

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

由于半导体芯片的阈值电流、输出波长及功率受温度影响，在半导体激光器中一般由TEC来控制芯片的工作温度。仿真中涉及到的物性参数见表1所示。由于模型是对称的，采用对称边界条件进行分析。本文将详述改变环境温度时不同环境温度下器件各部分的温度分布，以及不同环境温度下的挠度，然后输入Zemax 中量化分析光路变化以及耦合效率的变化。

表1 Ansys 仿真的物性参数Table 1 Physical parameters of ANSYS simulation

2 结果分析

2.1 高低温下激光器温度场分析

图2 是在高低温（-5 ℃，75 ℃）下，热平衡状态下激光器内部的温度分布。对流为自然对流，考虑了辐射影响，顶盖为模型顶部，金属封装外壳底部为模型底部，后面的结果讨论的描述与此保持一致。设定激光器的封装外壳底部的温度与外界的环境温度（-5 ℃或者75 ℃）保持一致。由于TEC 的工作，高低温下TEC 靠近激光器谐振腔的一侧保持恒温50 ℃，-5 ℃和75 ℃两种状态下的温度差主要是在激光器的外壳和TEC 上。从仿真云图可以看到，TEC 上有较大的温度梯度，-5 ℃下的温度变化范围是-5.2 ℃～50.2 ℃，温度梯度为55 ℃；75 ℃下的温度梯度范围是50 ℃～75.6 ℃，温度梯度为25.6 ℃。较大的温度梯度会导致较大的挠度，影响光路。谐振腔内光芯片是主要的发热器件，光芯片上的温度约为60 ℃。

图2 高低温下激光器的温度场分布Fig.2 Temperature field distribution of laser at high or low temperatures

2.2 高低温下激光器的挠度分析

图3 显示了高低温下的激光器应变。在高温（75 ℃）和低温（-5 ℃）下，激光器的形变方向有区别。在高温下激光器金属壳底座和TEC 的底部相较于参考温度状态（35 ℃）下是膨胀的，而TEC 靠近谐振腔的端面保持恒定温度，这个端面是没有温度带来的膨胀的，从而导致TEC 和金属壳底座向下弯曲；在低温下，激光器封装金属壳底座和TEC 的底座相较于光路耦合时是收缩的，而TEC 靠近谐振腔的端面依然保持恒定的温度，不会收缩，从而导致TEC 和金属壳底座向上弯曲。高低温下的弯曲主要是由于TEC 靠近谐振腔的端面和封装壳底的膨胀量不一致所导致。

图3 激光器在高低温下的应变分布(2×Auto)Fig.3 Strain distribution of laser at high or low temperatures(2×Auto)

表2 列出了关键组件在高低温下的位移偏移。本次仿真分析的主要目的是评价高低温下的形变对于光路的影响。表2 列出的挠度 变化都是各个组件相对于光芯片出光端面 空间位置的变化（相对于物理腔长的的变化比例）。从量化的角度来看，应变是很小的，但是激光器光路精密，对于器件偏移较为敏感。由于模型在垂直于视图方向（即Y-Z平面）的挠度变化较小，在结果的讨论中我们仅讨论Y-Z方向的挠度。从表2 中可以看到，尾纤端面的挠度变化是最大的，尾纤距离光芯片距离较远。光路的挠度角度虽然较小，但是跨越长距离后，垂直于光轴方向的位移挠度（相对于物理腔长的的变化比例）最大能达到449.9E-6。表3 列出了关键组件在高低温下的角度偏转。表3 中角度偏转值为绕X轴的角度偏转值，正值表示顺时针旋转，负值表示逆时针旋转。

表2 高低温下相对于光轴的位移挠度变化（相对于物理腔长的变化比例）Table 2 Displacement deflection change relative to optical axis at high or low temperatures(change ratio relative to physical cavity length)

表3 角度挠度Table 3 Angle deflection

2.3 高低温下激光器的挠度变化对于光路的影响

将表2 和表3 的位移以及偏转角度数据输入Zemax 中，分析挠度带来的光路影响。耦合模型中光纤的模场直径为（9.0±0.4）μm ＠1 550 nm，包层直径为125 μm，光学腔长为12.5 mm，分析结果如表4所示。位移挠度和角度挠度都会对耦合效率产生影响，仅考虑位移变化时，实际的耦合效率变化并不很大，但是同时考虑角度偏转和位移挠度后，耦合效率则有了较大的损失（0.81 dB）。因此，克服角度挠度变化是能够有效改善功率变化的。

表4 Zemax 仿真结果Table 4 Zemax simulation results Unit：%

2.4 高低温下的实际光路变化量测与谐振腔的耦合损失分析

为了探测温度变化带来的光路变化，我们搭建了带加热台的光束分析台，如图4（a）所示。整个实验的量测是在防震试验台完成，通过加热台控制环境温度，外腔激光器与加热台保持良好热接触，光束分析仪位于外腔激光器的出光光窗口附近。通过加热台控制外腔激光器的工作环境温度，达到稳定状态后，通过光束分析仪测量光束的角度。光束分析仪直接量测到的是光斑的位置信息，实验开始前使用出光角度为0°的激光进行标定，便可以通过光斑在光束分析仪的位置以及产品与光束分析仪的距离计算得到出光的角度。产品的光路在聚焦透镜前是准直光，外腔激光器的光束角度是拆除了聚焦透镜后量测的准直光线的角度。图4（b）为测量的3 个温度点下光线的角度。对比35 ℃和75 ℃，光路的角度变化约为0.35 mrad～0.4 mrad,转化为角度约为0.02°～0.023°，与Ansys 仿真结果接近。

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

挠度变化会直接影响谐振腔的效率。图5（a）为谐振腔灵敏度分析实验简图。实验中保持外腔激光器工作的环境温度为35 ℃，光功率探头在光窗附近，通过调整谐振腔的俯仰角来模拟相应的谐振腔的变化，顺时针方向为正，逆时针方向为负。首先大范围扫描达到最大功率，使谐振腔处于耦合最佳点；然后变化俯仰角，监控光功率的变化，探测谐振腔由于挠度变化带来的腔内损耗。通过Ansys 得到谐振腔的2 个端面的相对角度变化为0.7 mrad，图5（b）对应的功率损失约为8.5%（约为0.3 dB）。

图5 外腔激光器谐振腔的耦合效率Fig.5 Coupling efficiency of resonant cavity of external cavity laser

2.5 设计的改进方向

TEC 和封装外壳底部材料（CuW）随着外界温度变化出现了热胀冷缩现象，但是基座保持恒定温度，无热胀冷缩现象。形变量的不匹配直接导致了陶瓷基座的弯曲变形，如图6（a）所示。将基座简化为梁，Δθ为两端面的中性轴的切线夹角，根据Roark’s formula[15]有：

式中：M为微分单元上的弯矩；E为材料的杨氏模量；I为截面对于中性轴（NA）的惯性矩。对于矩形截面（如图6（a）），惯性矩为

图6 弯曲方程模型示意图Fig.6 Schematic diagram of bending equation model

在M分布不变的情况下，要减少夹角θ的值，可以采取以下方法：1）通过选用杨氏模量（E）更大的材料；2）通过增加基座厚度t，使惯性矩更大；3）加宽基底材料，使惯性矩更大。

图6（b）为基座下部分（TEC+金属封装外壳底座）形变模型。为了简化分析，将TEC 底座和金属封装底座视为一体，忽略外壳底座四周与金属侧壁的作用，仅考虑温度梯度带来的影响。假设底座温度为Tb，TEC 顶部的温度为Ta，TEC 的长度为L，则上下表面应变分别为εa=αa(Ta-Tref),εb=αb(Tb-Tref)。A1A2为膨胀面,长度为a1a2，B1B2为收缩面，长度为b1b2。中性轴的长度为c1c2，ρ为曲率半径。那么有：

角度挠度为

减小角度，则需增加d1+d2值，即增加TEC 的高度。在不改变光学透镜设计的同时，通过缩减沿光轴方向其他部件距离,即减小L减少位移挠度和转角带来的耦合效率的损失。

3 结论

本文通过有限元仿真和光路仿真的结合，对外腔激光器在高低温下的功率降低现象进行了理论解释和实验分析。激光器中不同部件由于膨胀系数不同，在不同的环境温度下工作时各个部件的温度变化会有差异，导致部件之间形变量有差异，整个激光器高低温下出现形变，最终带来光路变化。在使用端可看到，环境温度为高温和低温时功率相较于常温是减小的。要克服挠度变化带来的影响，可以增加谐振腔基座本身的厚度，使用杨氏模量更高的材料或者加宽基座宽度，或者增加TEC 的高度和缩短腔长。本文提出的思路对于类似产品的设计和改进具有指导意义。