（光学专业论文）蝶形soa器件耦合封装技术研究.pdf

蝶形s o a 器件耦合封装技术研究 光学专业 研究生：谭旭东指导教师：蔡邦维教授 摘要 随着宽带传输和宽带接入以及全光网络的组建和发展，大量有源以及无源 器件应用于光通信当中。如此激烈的竞争环境，新产品的开发与研究显得非常 的重要。在扩展通信距离以及信息处理、组建无源光网络方面，半导体光放大 器( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ，s o a ) 由于其易于集成、体积小、非线性 好以及饱和输出大等优点，越来越处于举足轻重的地位，成为光纤透信发展、 全光网络组建以及w d m 、t d m 技术成熟的关键部件之一，世界各国纷纷展开 理论、技术以及工艺上面的研究。s o a 器件的性能、成本与其耦合、封装技术 密切相关，本文针对新产品开发的需求，研究了s o a 中的耦合封装技术，主要 目的就是要研制成功蝶型封装形式的s o a 器件以满足商用的要求。主要的内容 包括： 1 、回顾s o a 的发展。比较了几种主要的光放大器的性能及特点；总结光 通信器件的耦合封装技术；指明了论文研究的目的、意义以及工作内容。 2 、利用高斯光场耦合理论，计算了不同的光纤头形状对耦合损耗的影响， 根据光场参数给出了光纤头微透镜的曲率半径；利用a b c d 传输矩阵计算了耦 合透镜的影响；在实验上测试了不同光纤头形状、透镜位置等因素对耦合效率 的影响。 3 、为更好的提高光通信器件的耦合效率，设计了用于光束耦合的二元光学 器件。 4 、在国内首先研制成功了蝶型封装形式的s o a 器件并在实验上对s o a 器 件进行了各种测试，得到了成品s o a 器件的相关参数，结果表明，器件可以满 足商用的要求。 关键词；半导体光放大器耦合封装二元光学可靠性测试 i i s t u d y o nt h e c o u p l i n g a n d p a c k a g et e c h n o l o g y o f b u t t e r f l ys o a m a j o r ：0 p t i c s c a n d i d a t e ：t a n x u d o n gs u p e r v i s o r ：p m f c a ib a n g w e i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb r o a d b a n dt r a n s m i s s i o na n da c c e s sn e t w o r ka n dt h e b u i l d i n go fa l l - o p t i c a ln e t w o r k ( a o n ) ，m a n ya c t i v ea n dp a s s i v ec o m p o n e n t sa l e i n f f o d u c e di nt h e o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n b e c a u s eo fs m a l lb u l ka n d e a s i l y i n t e g r a t i o na n dl a r g es a t u r a t i o no u t p u tp o w e r , s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ) p l a y si m p o r t a n tr o l ei nt h ee x t e n d i n gc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ea n dt h eb u i l d i n go f t h e p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( p o n ) ，s o a i st h ek e yd e v i c et ot h ed e v e l o p m e n to f o p t i c a l c o m m u n i c a t i o na n da o n ，w d m ，t d m m a n yc o u n t r i e sc a t t yo u ta l lr e s e a r c ho n t h e o r ya n dt e c h n o l o g ya n dc r a l h o r ko fs o a t h ep e r f o r m a n c ea n dc o s to fs o a a r e r e l a t i v et ot h ec o u p l i n ga n dp a c k a g et e c h n o l o g y , s oi nt h i st h e s i s ，t h ec o u p l i n ga n d p a c k a g et e c h n o l o g ya r es t u d i e d ，a n dt h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w 1 t h ed e v e l o p m e n to fs o ai s r e v i e w e d ；t h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i co f s e v e r a lm a i n o p t i c a la m p l i f i e r sa r ec o m p a r e d ；t h ec o u p l i n ga n dp a c k a g et e c h n o l o g y o f o p t i c a lc o m p o n e n ta r es u m m a r i z e d ；t h ep u r p o s e ，s i g n i f i c a n c ea n dw o r kc o n t e n to f t l l i st h e s i sa r ed e m o n s t r a t e d 2 u s et h ef i e l dc o u p l i n gt h e o r yo fg a n s s i a n b e a m ，t h ee f f e c to f t h ef i b e rh e a ds h a p e t ot h ec o u p l i n ge f f i c i e n c yi sc a l c u l a t e d ，a n dt h ed e s i g nm e t h o do f f i b e rm i c r o 1 e n si s g i v e n ；t h ee f f e c to fc o u p l i n gl e n si sc a l c u l a t e db yu s i n gt h ea b c dt r a n s m i s s i o n 1 1 1 m a t r i xa n dt h ee x p e r i m e n td a t ai sg i v e n 3 i no r d e rt oi m p r o v et h e c o u p l i n ge f f i c i e n c y , t h ed e s i g na n df a b r i c a t eo f t h eb i n a r y o p t i c a ld e v i c e a l ed e s i g n e d 4 w ef i r s td e v e l o pt h eb u t t e r f l ys o a d e v i c ei nc h i n a t h et e s to fs o ai sp e r f o r m e d ， s ot h ec o r r e l a t i v ep e r f o r m a n c eo fs o ad e v i c ei sg i v e n k e yw o r d s ：s e m i c o n d u c t o ro p t i e a la m p l i f i e r ( s o a ) ，c o u p l i n g ，p a c k a g e ，b i n a r y o p t i c s ，r e l i a b i l i t y , t e s t i v 四川大学硕士学位论文 1 1 光放大器概述1 d 第一章绪论 一般而言，光通信中用到的光放大器都由增益介质、泵浦源、输出输入耦 合结构组成。可以根据增益介质的不同来对光放大器进行分类，有以下几种类 型：1 、利用活性介质如半导体材料和掺稀土元素( n d ，s m ，h o ，e r ，p r ，t m 和y b ) 的光纤，基于受激发射的机制来实现光的直接放大，这类光放大器属于 线性光放大器，包括半导体光放大器( s o a ) 和掺杂光纤放大器( 目前w d m 光纤通信系统中广泛应用的即是这种类型中的e d f a ) 。2 、基于光纤的非线性 效应，利用受激散射机制实现光的直接放大，这一类光放大器包括光纤拉曼放 大器( f r a ) 和光纤布里渊放大器( f b a ) 。它们的工作机理可以简单的叙述如 下。 ( 1 ) 半导体光放大器( s o a ) 半导体光放大器利用半导体材料固有的受激发射放大机制，实现相干光放 大，其原理与结构与半导体激光器( l d ) 相似。当偏置电流低于振荡阈值时， 激光二极管对输入的相干光具有线性放大作用；当偏置电流高于振荡阈值时， 通过注入锁定，激光二极管可以作为非线性放大器。其中线性放大器可以分为 三种：f - p 光放大器、行波( t w ) 光放大器和注入锁定光放大器( i l s o a ) 。 前两种的主要区别在于两个端面的反射率不同，f - p 腔光放大器端面反射率高， 光在两端面之间来回反射，产生其振放大；t w - s o a 两端面的反射率很低，光 在沿介质行进的过程中被放大( 称单程放大) ，然后由输出端输出，而不产生反 射。由于f p 腔固有的频率选择作用，使得f p s o a 的频宽只有几个或者十几 个g h z ( 1 + 2 ) ：另外，这种谐振放大器本身具有固定的谐振频率，只有当输入光信 号的频率在放大器谐振频率之内时，才能对输入光起到有效的放大作用，所以 抑制了增益带宽的扩展：再者，f p 腔的谐振频率受温度影响很大，温度对谐振 频率的明显影响也将很大的影响到某一频率输入光的放大系数；而对t w 二s o a 而言，由于其两端的反射率极小u 3 钔，它的带宽便不再受f - p 谐振器的限制， 这就使得放大器的频带宽度可以扩展到1 0 t h z 左右( 3 d b 带宽) ，宽的频带可以 同时放大几种频率的光信号，既可以放大窄的光脉冲又可以放大调频及调相 的光信号。所以，f p s o a 只是在某一些特殊用途下使用，而用于光通信中的半 四川大学硕十学位论文 导体光放大器是t w - s o a ，它是一种更具有广阔应用前景的光放大器。 t w - s o a 的简单结构如下15 ) ： t w - s o a 与l d 同样是通过电注入( 即注入载流子) ，使其有源介质具有增 益特性而能对光子进行放大，不同的是，t w - s o a 放大是对外来光子或光信号， 而l d 是对增益介质内部电子与空穴复合所产生的光子进行谐振放大。将l d 偏 置在阈值以下，就可以构成对外来光信号进行放大的f p - s o a ，而将l d 偏置在 阈值以上，就可以将输入的微弱单模光信号锁定到多模l d 的某一模式上而得 到高的单模输出，即构成了i l s o a 。t w - s o a 是将l d 增透或者将端面磨成一 定的斜角而得到的。理想的t w - s o a 一般包括以下几个主要特性“纠舢： a 、 极低的端面反射率( l o 。4 ) 以获得小的增益抖动( r i p p l e 0 5 d b ) 。 b 、 低的光损耗以获得高的净增益( 2 5 - 3 0 d b ) 。 c 、 高的材料增益以获得低的工作电流( 在增益为2 5 - 3 0 d b 时的工作电流 为1 0 0 m a ) 。 d 、 极低的偏振相关损耗( - 3 5 d b m ) 2 5 d b 3 5 d b 噪声系数( 输入 - 3 5 d b m ) 2 0 d b 2 0 d b5 d b 1 5 d b 2 5 d b 泵浦光功率不存在 2 0 m w 5 0 m w1 0 0 m w 2 0 0 m w l o o m a 5 0 0 m a 口，可以忽略损耗项，可以得到： h g 地嚎) - i n g op o 一 ( 2 a ) 其中，g 为放大器增益，g o = e x p ( g 。工) 为小信号放大器增益，l 为有源区 长度，典型值为3 0 0 p l l n 。得到式( 2 4 ) 时已作以下假定：因为经过放大器的放 四川大学硕士学位论文 大，所以气， 只。，从而匕，一r * 气，。 由式( 2 4 ) 可见，由于饱和功率的存在，增益系数随输出功率的增大而减 少，可以从式( 2 4 ) 计算得到3 d b 饱和功率p - ，= ( i n 2 ) h v a f a 。o 。 为了用d b 表示，把式( 2 4 ) 表示如下： pp g ( d b ) = 1 0 1 0 9 l 。( 等) = 1 0 l o g l 。e x p ( 1 n g 。一等) ( 2 - 5 ) 根据式( 2 5 ) 模拟计算的结果如图2 2 2 3 ，分别表示了在不同的电流、不同的 入射波长下增益随输出功率的增益变化以及饱和情况。 图2 2 入射波长为1 3 1 0 n m 下，不同电流下的增益及饱和情况 增益随电流的加大而加大，小功率的情况下，增益在钳制在阈值附近，所 以增益较平坦，而在大功率的情况下增益饱和。在此波长下的3 d b 饱和输出功 率均为4 2 d b m ，但是出于大电流下的增益较大，故可对更小功率的入射光进行 放大并且也可以得到更大的饱和功率。 四川大学硕士学位论文 图2 3 工作电流为5 0 m a 下，不同入射波长下的增益及饱和情况 我们在模拟时并没有考虑增益对波长的依赖关系，所以在小功率的情况下 增益各波长的增益差别较小，在较大功率是则表现不同的饱和，图中由小到大 三种波长的3 d b 饱和输出功率分别为6 1 d b m 、4 2 d b m 、3 5 d b m 。 2 1 3 增益频带 当然希望放大器有足够宽的增益频带并且达到相当的平坦度，宽的频带意 味着放大器能够对尽可能所有的入射光提供平等的放大。但是，因为发射端面 的不可能完全增透，使得放大器并不能对所有的光波长提供相同的增益我们 的目标只能是尽可能的减少反射以增加增益带宽。 用f p 腔的理论很容易推导出增益的表达式如下“”： ， ( 1 一兄i ) ( 1 一r 2 ) g 。 r o 、 ( 1 - 瓶面，) 2 + 4