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有线电视HFC网络技术(六、七)
作者:丁炜

  前面讲了各种不同的激光器的原理及特性,实际上要做成实用的半导体激光器,首先要把管芯焊在热沉上,热沉是镀金的铜块,主要作用是加强散热,如果激光器散热不良,就不能连续的产生激光,除激光器管芯以外还要有一系列附属功能器件及良好的封装。
  在CATV光发射机中采用的激光器是一个包含激光器管芯、光隔离器、尾纤、半导体制冷器、热敏电阻、光探测器的综合体,在这里最恰当的名称应称为激光器组件,而不应称为激光器,激光器组件的结构图如下图所示。以下举例的激光器组件是采用14PIN蝶型管壳金属化封装的激光器组件,其内部集成1310 nm光波的直接调制DFB激光器芯片、热敏电阻、致冷器、背光探测器及光隔离器,其结构图及引脚功能如下:

      事实上,上述举例的激光器组件的结构是一种通用的结构,无论是国产的激光器还是进口的激光器,其管脚功能和上述结构是一致的,也就是说所有的激光器组件是可以互相替换的,无需更改光发射机的电路结构。为了深刻的理解激光器组件各部分的原理特性,下面详细分述之。
  1.激光器管芯。激光器管芯也就是前面所讲的激光器,与热沉紧密焊接,它是产生的激光的本源。不同类型的激光器管芯具有不同的优缺点,它是决定光发射机性能指标的决定因素,也是激光器组件价格悬殊的重要因素。
   2.光隔离器。光隔离器是无源的、单向的光学器件,它的基础是法拉第效应。从激光器组件向光纤传输的激光,总会有部分被反射;如果反射光进入激光器,将会使激光器输出功率发生波动,噪声增加,使相对强度噪声RIN恶化10dB-20dB。光隔离器的作用就是为了避免从光纤反射的光再返回激光器,它可以使从激光器管芯输出的正向光很容易的进入光纤(期损耗仅为0.5dB-0.7dB);从光纤反射回来的反向光则不能进入激光器(其损耗达35dB以上);正向损耗与反向损耗之差称光隔离器的隔离度。在有些激光器中采用两级光隔离器,隔离度则达到60dB以上。
  3.尾纤。尾纤用于光功率的耦合输出,在一些低速数据传输应用中,激光器也有不用尾纤而用玻璃窗口直接输出的结构形式,但在CATV应用中,激光器(组件)都采用尾纤输出。光源到尾纤光纤的耦合是激光器制造的一大技术难题,它关系到激光器输出光功率的大小,又在很大程度上决定光源的实际使用寿命,因为激光器管芯发出的光束是一个水平张角小,竖直张角大的椭圆光斑;而单模光纤的纤芯很细,模斑为圆形,这就注定了激光器管芯在一个端面的发射功率的很大一部分将进入不了光纤,不能形成有用的功率输出,固而需要加装耦合器,现在的耦合器加工技术是利用二氧化碳激光器将光纤烧熔。在计算机的控制下,拉成双曲锥体,这样构成的聚焦系统的耦合效率可达60%-90%。耦合过程的另一个难题是如何将尾纤最佳位置作永久的固定;现在的办法是先将尾纤表面金属化后穿过金属套管,灌锡封死,然后将带有金属套管的尾纤与光源对准。最后用激光点焊的办法将金属套管固定在热沉上。这种工艺生产的激光器彻底解决了尾纤偏移所造成的激光器组件寿命问题。
  4.半导体致冷器(TEC)。半导体致冷器是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应,是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时,其一端吸热,一端放热的现象。重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料,碲化铋元件采用电串联,并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对(组),它们通过电极连在一起,并且夹在两个陶瓷电极之间;TEC组件每一侧的陶瓷电极的作用是防止由TEC电路引起的激光器管芯的短路;TEC的控制温度可达30℃-40℃,当有电流从TEC流过时,电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧,在TEC上产生″热″侧和″冷″侧,这就是TEC的加热与致冷原理。是致冷还是加热,以及致冷、加热的速率,由通过它的电流方向和大小来决定。在实际应用中,TEC通常安装在热沉和组件外壳之间。其冷侧与激光器芯接触,起到致冷作用,它的热侧与散热片接触,把热量散到外部去,这也只是一种最普遍的情况。在对激光器工作温度的稳定性要求较高的场所,一般都采用双向温控,即在常温和高温时对激光器制冷,在低温环境中则制热;半导体致冷器在电流方向逆转时,原来的冷端和热端的位置就互换;则贴近激光器芯的一则就变成了热端,对激光器芯加热。具体的温度控制功能电路将在后面详述。
  5.热敏电阻。热敏电阻是激光器组件的测温元件,它通常贴在热沉之测,直接探测结区温度。当激光器温度升高时,热敏电阻的电阻下降,当激光器的温度降低时,热敏电阻的阻值增大。因此热敏电阻起到了温度传感器的作用。其阻值变化精度越高越好。热敏电阻与半导体致冷器配合即可完成对激光器的精密温度控制。通过光发射机的自动温度控制电路,可把激光器的温度控制在25±0.3℃的范围内,使激光器的工作稳定。
  6.背光探测器。光探测器是把光信号转变与电信号的半导体器件,其安装在热沉之上,用来探测激光器的背向光,以提供光功率的监视,并用于激光器的自动功率控制。常用的光探测器主要有PIN光电二极管和雪崩二极管,但在光纤CATV系统中一般都采用PIN光电二极管,其由P型和N型半导体组成,它们中间轻微掺杂了本征半导体材料,也称耗尽层。在N型半导体中,主要的载流子是电子,而在P型半导体中,主要的载流子是空穴,由于电荷的移动,耗尽层两侧就堆积了电荷,在内部形成一个由N区指向P区的自建电场,阻止空穴的继续扩散。如果这时有入射光照射到PN结的耗尽层,就会使其中的电子吸收光子能量,跃迁到导带中,形成可以导电的电子空穴对。这种在光的照射下产生的电子和空穴称为光生载流子;它们在自建电场的作用下,作定向运动,其中空穴沿电场方向P区运动,电子逆电场方向N区运动(它们形成的电场使自建电场削弱)形成光电流。入射光越强,光电流越大,这就把光信号变成了电信号,正因为光电流随着入射光的增强而增强,如果入射光太强,使光电流增大到超过PIN管的极限就会烧坏PIN管,所以光接收机的说明书中都明确规定了输入光功率的上限,如果不能确定输入光的光功率,千万不能和PIN管对接,以防烧坏PIN管。如果在PN结两端加上反向电压,则外加电场在耗尽层内的方向与自建电场相同,使光生载流子的运动变得更加容易,提高了光探测器对微弱光强的探  实际上,在没有光照射时,也会有少量的电流产生,这是由于P型半导体中的电子和N型半导体中的空穴在反向偏压作用下的定向运动引起的,这种电流称为暗电流,暗电流的存在成为光探测器噪声的主要来源。
  背光探测器是用于自动功率控制的关键器件,为保证功率控制的精度,要求光探测器具备以下特点:a、在工作波长范围内有足够高的相应度,即对工作波长范围内的背向光,光探测器能输出较大的光电流;b、在完成光电转换的过程中引入的附加噪声应尽可能小;c、响应速度快使光探测器输出的光电流尽可能重现入射光信号的波形;d、工作稳定可靠,有较好的温度稳定性及较长的工作寿命。
  最后谈一下激光器组件的封装与寿命,半导体激光器的外壳封装主要有同轴式,双列直插式和蝶形三类。其中同轴式封装组件中不含半导体制冷器与热敏电阻,是最简单的一种激光器,在CATV中,同轴封装一般用于双向光接收机的回传模块。双列直插式封装的缺点是从焊接管芯的副热沉到外壳管脚的引线相当长,加上管脚又很长,所以引线电感较大,这种封装不适用于信号频率高于500MHZ的场合。在CATV应用中光发射机中的激光器组件一般采用蝶形封装。由于采用侧向引脚,蝶形封装从管芯到管脚引线较短,而扁平的管脚又可以被包括进外围电路的印制板中,作为微带线的一部分,所以这种结构的的引线电感小,杂散电容小。
  半导体激光器本身比较娇嫩,从它刚出现就面临着使用寿命的问题,经过不断的研究改进,目前激光器的寿命可达10万小时,以能够满足光纤通信使用的需要。激光器在工作中易退化的原因主要有以下几个方面:
  a、半导体激光器的管芯极小,工作电流密度和光功率密度很高,而作为激光物质的半导体单晶材料又较容易发生缺陷,这些缺陷在电和光的作用下逐渐发展,从而引起器件性能的退化。
  b、半导体激光器的镜面是用解理工艺形成的,镜面本身受到环境条件影响而污染也会也会导致激光器性能退化。
  c、管芯焊接也是关键技术,管芯焊在热沉之上,而有源去距离热沉只有几微米;半导体激光器工作会发热,如果焊料太多,受热时会发生缓慢的攀移,使半导体激光器发生短路,导致激光器退化。
  d、随着工作时间的延长,激光器的阈值电流会缓慢增加,从而导致激光器退化。
  半导体激光器工作寿命的定义并不统一,生产厂家在其产品说明书中提供了足够资料。有的厂家认为当激光器工作一段时间以后,其阈值电流增大到初始值得1.1倍就宣告失效;采用这个标准并不意味着激光器此时就不能激射,只说明器件本身特性已经偏离原始状态有一定距离,如果让器件勉强工作,除非更进一步加大注入电流;此时发热更严重,对自动功率控制也不利,因为工作状态偏离太大,激光器的工作波长和谱线结构也会发生较大变化。有时也会把阈值电流增大到初始值的1.15或1.25作为激光器寿命的标准。半导体激光器的寿命预测也是比较复杂的工作;同一批制作的激光器,其寿命也是不同的,有的可能工作几小时就失效,有的可能工作长达10万小时。在室温下进行寿命试验,时间耗费十分惊人,通常进行高温老化试验,就批量的半导体而言,其寿命的分散符合对数正态分布规律。
  下面是一国产品牌的激光器组件(1310nm)性能指标举例,供读者参考。(请见以下表格)
  激光器组件是光发射机中的核心部件,其价值约占光发射机材料成本的90%以上,是相当贵重的部件。不同品牌的产品价格悬殊较大,因而各个厂家生产的光发射机都注明采用什么品牌的激光器,用户在定购时也应注意选择,不能只看价格。目前激光器已经实现国产化,国产的激光器比进口的激光器价格便宜许多,从技术角度讲是有差别的。市场上个别厂家采用国产激光器冒充进口品牌低价销售着实令广电人士费解。在不能确认的情况下,购买光设备还是采用知名品牌为宜。■



来源:
阅读:6419
日期:2004/7/31

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