eng
Выпуск #3/2017
А.Андриевский, В.Ф.Андриевский
Лазерные диодные модули: ввод излучения в волокно и фиксация деталей модулей
Лазерные диодные модули: ввод излучения в волокно и фиксация деталей модулей
Просмотры: 5243
В статье рассмотрены основные технологии ввода излучения из полупроводникового лазерного диода в оптическое волокно и способы фиксации элементов лазерных диодных модулей.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.63.3.74.79
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.63.3.74.79
Теги: laser diode modules laser parts bonding optical coupling ввод излучения в волокно лазерные диодные модули фиксация элементов лазерных диодных модулей
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковый лазер и оптическое волокно – важнейшие изобретения прошлого века, имевшие колоссальное влияние на техническое развитие общества и заслуженно отмеченные Нобелевскими премиями 2000 и 2009 годов, соответственно.
Первые лазерные образцы, созданные в лаборатории Р. Н. Холла в 1962 году, представляли собой гомоструктуры на основе GaAs и работали при криогенных температурах в импульсном режиме, однако уже 1970 году группа Ж. И. Алферова продемонстрировала полупроводниковый лазер на гетероструктуре, работающий при комнатной температуре в непрерывном режиме. Далее, в 1970-х годах последовало стремительное развитие и совершенствование лазерных диодов и были предложены узкочастотные лазеры с распределенной обратной связью (DBR и DFB), лазеры на квантовых ямах и лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL). Однако только в 1990–2000 годах технология производства позволила создавать недорогие и надежные лазерные диоды для широкого спектра применений в оптической связи, датчиках, охранных системах и биомедицинских приборах. На сегодняшний день наиболее популярными типами лазеров являются лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо с широким спектром, состоящим из нескольких мод, лазеры с распределенной обратной связью DFB, работающие в одночастотном режиме, и лазеры с вертикальным резонатором VCSEL (рис. 1).
Эксперименты по передаче оптического излучения по стеклянному волокну проводились с начала XX века, однако только в 1970 г. компании Corning удалось уменьшить величину оптических потерь до 17 дБ/км, что сделало оптическое волокно приемлемым для передачи информации. Последующее развитие технологии позволило уменьшить оптические потери почти в 100 раз. В настоящее время используются различные типы оптических волокон на основе кварцевого стекла: одномодовые и многомодовые, волокна с и без поддержки поляризации, специализированные фотоннокристаллические волокна, spun-волокна, волокна с заполнением металлом и пр.
Чрезвычайно важным с точки зрения практического использования излучения полупроводникового лазерного диода в технике является задача ввода излучения в оптическое волокно. Если в стационарной оптической лаборатории со стабильным температурным режимом можно использовать систему линз и микрометрических подвижек для коллимации выходящего из лазера пучка и его фокусировки на торце волокна, то в составе приборов, подверженных механическим вибрациям и перепадам температур, а также при наличии жестких требований по весу и габаритам, использование громоздких и сложных оптических систем совершенно недопустимо. Именно поэтому волокно и фокусирующая линза точно юстируются и фиксируются с лазерным диодом в одном корпусе, образуя тем самым лазерный диодный модуль. Такой модуль удобно использовать в составе аппаратуры, его можно быстро и многократно монтировать и демонтировать. К лазерным диодным модулям предъявляются разнообразные требования, в частности, малый вес, компактность, высокая эффективность ввода излучения, стабильность работы при тряске, высоких и низких температурах. Все это обеспечивается как точностью и эффективностью оптической юстировки, так и конструкцией корпуса и методами крепления составных частей.
В данной статье мы рассмотрим два важных аспекта изготовления лазерных диодных модулей – ввод оптического излучения в оптическое волокно и фиксацию элементов лазерного диодного модуля в единое целое.
ВВОД ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВОЛОКНО
Не все излучение, выходящее из лазерного диода, попадает в ведущуюся моду (рис. 2a). Часть излучения пролетает мимо волокна, часть попадает в оболочку и далее вытекает наружу, часть отражается от торца. Основная характеристика ввода излучения – коэффициент ввода η, который определяется отношением мощности, попавшей в ведущуюся моду, к падающей мощности:
.
В 1990‑х годах использовалась достаточно сложная технология ввода оптического излучения, требующая предварительного покрытия оптического волокна золотом, а далее юстировки по отношению к лазерному диоду в расплавленном припое и фиксации до остывания припоя (рис.2b). Линза при этом формировалась на торце оптического волокна чаще всего оплавлением в электрической дуге. Для упрощения центрирования припой находился в трубке, куда далее помещалось волокно [1]. Типичный коэффициент ввода излучения при помощи данного метода – 30–40%. Данный способ оказался дорогостоящим и сложным, однако имеет ограниченное применение и в настоящее время.
В конце 1990‑х годов массово стали выпускаться лазерные диоды с линзой, представляющей собой маленький шарик, вмонтированный в защитный колпачок [2] (рис.2c). Таким образом можно было вводить только около 10–20% излучения в волокно, однако несомненным достоинством данной технологии была ее дешевизна.
Эксперименты по вводу излучения в оптическое волокно при помощи градиентной линзы (градана) проводились еще в 1980‑е годы [3], однако только в начале 2000‑х лазерные диоды с граданами вместо шариковых линз стали коммерчески доступными (рис.2d). Несмотря на то, что лазерные диоды с такими линзами были и дороже, коэффициент ввода был выше и достигал 30%. Недостатком же была работоспособность такой системы в более узком диапазоне температур.
Примерно в 2010 году на массовом рынке появились лазерные диоды с асферической линзой более сложной геометрической формы и с антиотражающими покрытиями (рис.2e). Такие линзы используются и в настоящее время в качественных лазерных диодах и обеспечивают коэффициент ввода до 40%.
Компания "Лазерском" выбрала другой метод ввода излучения, при котором используется линза, сформированная прямо на торце волокна при помощи селективного травления. Это позволяет вводить до 80% оптической мощности в серийно выпускаемых изделиях. При этом отсутствуют линзы как отдельные оптические элементы, что делает юстировку оптического волокна проще и надежнее. Такой коэффициент ввода в два раза выше, чем у типичных лазерных диодных модулей, применяемых для производства оптических рефлектометров, и в пять раз выше, чем у типичных модулей, применяемых для оптической связи. Высокий коэффициент ввода позволяет получать ватт-амперные характеристики с большей крутизной и работать при меньших значениях силы тока, что существенно важно для снижения потребления электроэнергии в системах связи.
ФИКСАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЛАЗЕРНОГО ДИОДНОГО МОДУЛЯ
Не менее важную роль в производстве лазерных диодных модулей играет метод фиксации составных элементов. Именно этот аспект обеспечивает надежность, долговечность работы и температурную стабильность параметров модулей.
До 2000 года основным методом фиксации элементов модулей была фиксация при помощи клеев на основе эпоксидных смол [4] (рис.3a). Несмотря на то, что работать с эпоксидными клеями достаточно удобно, после сборки модуля необходимо проводить термоциклирование и ускоренные испытания. Это приводит к тому, что значительная доля изделий уходит в брак.
Начиная с 2000 года в производстве стала внедряться технология лазерной сварки [5] (рис.3b). Производители лазерных диодных модулей в рекламе изделий старались подчеркнуть, что модули не содержат эпоксидной смолы. Однако лазерная сварка не лишена недостатков. Основным из них является необходимость надежной фиксации составных элементов во время сварки во избежание механических деформаций [6] и тщательного контроля воздействия сварки на оптические параметры модуля.
Технология компании "Лазерском" имеет существенное отличие от вышеперечисленных технологий. Она заключается в использовании в качестве связующего материала специально разработанного компаунда с низким коэффициентом термического расширения (рис.3c). Это обеспечивает как высокую прочность, так и отличную температурную стабильность.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Совмещение технологии формирования линзы на торце волокна с технологией фиксации элементов модуля позволяет ООО "Лазерском" создавать лазерные диодные модули с превосходными характеристиками. К примеру, стабильность мощности P излучения при вариации температуры T характеризуется величиной максимального отклонения мощности от опорной, так называемой tracking error
,
где T0 = 25 °C – опорная температура, а Tmin и Tmax – минимальная и максимальная температуры, соответственно. Все модули производства ООО "Лазерском" проходят температурный контроль в диапазоне температур от –20 °C до 50 °C, а также проводится избирательный контроль в диапазоне от –60 до 80 °C, и максимальное отклонение мощности Er не превышает 0,04 дБ. Модули "Лазерском" успешно проходят испытания на вибрации и радиационную стойкость. Малые габаритные размеры и низкое энергопотребление делают лазерные диодные модули перспективными для портативных приборов и аппаратуры, к которой предъявляются строгие требования по размеру и весу. Высокая крутизна ватт-амперных характеристик и высокая энергоэффективность дает разработчикам дополнительные преимущества при создании конкурентоспособной аппаратуры. Еще одной важной особенностью лазерных модулей ООО "Лазерском" является высокая стабильность оптической мощности в широком температурном диапазоне и низкий уровень низкочастотных шумов, что позволяет применять данные модули для изготовления высокостабильных источников оптического излучения.
Кроме лазерных диодных модулей с длинами волн в широком спектральном диапазоне от 400 нм до 1650 нм ООО "Лазерском" производит суперлюминесцентные светодиодные модули, PIN и лавинные фотодиодные модули, фотодиодные модули с трансимпедансным усилителем и автоматической регулировкой усиления, а также гибридные модули, включающие также в состав разветвители, изоляторы, мультиплексоры и прочие пассивные компоненты [7].
Компактные оптоэлектронные модули находят применение в измерительных и эталонных приборах ВОЛС, системах оптической связи, дальнометрии, оптических охранных системах, СВЧ-фотонике, биомедицине и научных исследованиях. Дальнейшее развитие технологии лазерных диодных модулей направлено как на расширение диапазона используемых длины волн, в частности, в средний инфракрасный диапазон, так и на повышение эффективности, надежности и устойчивости к экстремальным условиям работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. W.H.Cheng, M.T.Sheen, G.L.Wang, S.C.Wang, J.H.Kuang. Fiber alignment shift formation mechanisms of fiber-solder-ferrule joints in laser module packaging.– J. Light. Technol., vol. 19, no. 8, pp. 1177–1184, 2001.
2. R.P.Ratowsky, L.Yang, R.J.Deri, K.W.Chang, J.S.Kallman, G.Trott. "Laser diode to single-mode fiber ball lens coupling efficiency: full-wave calculation and measurements. – Appl. Opt., vol. 36, no. 15, pp. 3435–3438, 1997.
3. I.Kitano, H.Ueno, M.Toyama. "Gradient-index lens for low-loss coupling of a laser diode to single-mode fiber. – Appl. Opt., vol. 25, no. 19, p. 3336, 1986.
4. M.S.Cohen, G.W.Johnson, J.M.Trewhella, D.L.Lacey, M.M.Oprysko, D.L.Karst, S.M.Defoster, W.K.Hogan, M.D.Peterson, J.A.Weirick. Low-Cost Fabrication of Optical Subassemblies, vol. 20, no. 3, pp. 256–263, 1997.
5. J.H.Kuang. Crack formation mechanism in laser welded au-coated invar materials for semiconductor laser packaging. – IEEE Trans. Adv. Packag., vol. 22, no. 1, pp. 94–100, 1999.
6. Y.Lin, C.Eichele, and F.G.Shi. Effect of Welding Sequence on Welding-Induced-Alignment-Distortion in Packaging of Butterfly Laser Diode Modules: Simulation and Experiment. – J. Light. Technol., vol. 23, no. 2, pp. 615–623, 2005.
Полупроводниковый лазер и оптическое волокно – важнейшие изобретения прошлого века, имевшие колоссальное влияние на техническое развитие общества и заслуженно отмеченные Нобелевскими премиями 2000 и 2009 годов, соответственно.
Первые лазерные образцы, созданные в лаборатории Р. Н. Холла в 1962 году, представляли собой гомоструктуры на основе GaAs и работали при криогенных температурах в импульсном режиме, однако уже 1970 году группа Ж. И. Алферова продемонстрировала полупроводниковый лазер на гетероструктуре, работающий при комнатной температуре в непрерывном режиме. Далее, в 1970-х годах последовало стремительное развитие и совершенствование лазерных диодов и были предложены узкочастотные лазеры с распределенной обратной связью (DBR и DFB), лазеры на квантовых ямах и лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL). Однако только в 1990–2000 годах технология производства позволила создавать недорогие и надежные лазерные диоды для широкого спектра применений в оптической связи, датчиках, охранных системах и биомедицинских приборах. На сегодняшний день наиболее популярными типами лазеров являются лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо с широким спектром, состоящим из нескольких мод, лазеры с распределенной обратной связью DFB, работающие в одночастотном режиме, и лазеры с вертикальным резонатором VCSEL (рис. 1).
Эксперименты по передаче оптического излучения по стеклянному волокну проводились с начала XX века, однако только в 1970 г. компании Corning удалось уменьшить величину оптических потерь до 17 дБ/км, что сделало оптическое волокно приемлемым для передачи информации. Последующее развитие технологии позволило уменьшить оптические потери почти в 100 раз. В настоящее время используются различные типы оптических волокон на основе кварцевого стекла: одномодовые и многомодовые, волокна с и без поддержки поляризации, специализированные фотоннокристаллические волокна, spun-волокна, волокна с заполнением металлом и пр.
Чрезвычайно важным с точки зрения практического использования излучения полупроводникового лазерного диода в технике является задача ввода излучения в оптическое волокно. Если в стационарной оптической лаборатории со стабильным температурным режимом можно использовать систему линз и микрометрических подвижек для коллимации выходящего из лазера пучка и его фокусировки на торце волокна, то в составе приборов, подверженных механическим вибрациям и перепадам температур, а также при наличии жестких требований по весу и габаритам, использование громоздких и сложных оптических систем совершенно недопустимо. Именно поэтому волокно и фокусирующая линза точно юстируются и фиксируются с лазерным диодом в одном корпусе, образуя тем самым лазерный диодный модуль. Такой модуль удобно использовать в составе аппаратуры, его можно быстро и многократно монтировать и демонтировать. К лазерным диодным модулям предъявляются разнообразные требования, в частности, малый вес, компактность, высокая эффективность ввода излучения, стабильность работы при тряске, высоких и низких температурах. Все это обеспечивается как точностью и эффективностью оптической юстировки, так и конструкцией корпуса и методами крепления составных частей.
В данной статье мы рассмотрим два важных аспекта изготовления лазерных диодных модулей – ввод оптического излучения в оптическое волокно и фиксацию элементов лазерного диодного модуля в единое целое.
ВВОД ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВОЛОКНО
Не все излучение, выходящее из лазерного диода, попадает в ведущуюся моду (рис. 2a). Часть излучения пролетает мимо волокна, часть попадает в оболочку и далее вытекает наружу, часть отражается от торца. Основная характеристика ввода излучения – коэффициент ввода η, который определяется отношением мощности, попавшей в ведущуюся моду, к падающей мощности:
.
В 1990‑х годах использовалась достаточно сложная технология ввода оптического излучения, требующая предварительного покрытия оптического волокна золотом, а далее юстировки по отношению к лазерному диоду в расплавленном припое и фиксации до остывания припоя (рис.2b). Линза при этом формировалась на торце оптического волокна чаще всего оплавлением в электрической дуге. Для упрощения центрирования припой находился в трубке, куда далее помещалось волокно [1]. Типичный коэффициент ввода излучения при помощи данного метода – 30–40%. Данный способ оказался дорогостоящим и сложным, однако имеет ограниченное применение и в настоящее время.
В конце 1990‑х годов массово стали выпускаться лазерные диоды с линзой, представляющей собой маленький шарик, вмонтированный в защитный колпачок [2] (рис.2c). Таким образом можно было вводить только около 10–20% излучения в волокно, однако несомненным достоинством данной технологии была ее дешевизна.
Эксперименты по вводу излучения в оптическое волокно при помощи градиентной линзы (градана) проводились еще в 1980‑е годы [3], однако только в начале 2000‑х лазерные диоды с граданами вместо шариковых линз стали коммерчески доступными (рис.2d). Несмотря на то, что лазерные диоды с такими линзами были и дороже, коэффициент ввода был выше и достигал 30%. Недостатком же была работоспособность такой системы в более узком диапазоне температур.
Примерно в 2010 году на массовом рынке появились лазерные диоды с асферической линзой более сложной геометрической формы и с антиотражающими покрытиями (рис.2e). Такие линзы используются и в настоящее время в качественных лазерных диодах и обеспечивают коэффициент ввода до 40%.
Компания "Лазерском" выбрала другой метод ввода излучения, при котором используется линза, сформированная прямо на торце волокна при помощи селективного травления. Это позволяет вводить до 80% оптической мощности в серийно выпускаемых изделиях. При этом отсутствуют линзы как отдельные оптические элементы, что делает юстировку оптического волокна проще и надежнее. Такой коэффициент ввода в два раза выше, чем у типичных лазерных диодных модулей, применяемых для производства оптических рефлектометров, и в пять раз выше, чем у типичных модулей, применяемых для оптической связи. Высокий коэффициент ввода позволяет получать ватт-амперные характеристики с большей крутизной и работать при меньших значениях силы тока, что существенно важно для снижения потребления электроэнергии в системах связи.
ФИКСАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЛАЗЕРНОГО ДИОДНОГО МОДУЛЯ
Не менее важную роль в производстве лазерных диодных модулей играет метод фиксации составных элементов. Именно этот аспект обеспечивает надежность, долговечность работы и температурную стабильность параметров модулей.
До 2000 года основным методом фиксации элементов модулей была фиксация при помощи клеев на основе эпоксидных смол [4] (рис.3a). Несмотря на то, что работать с эпоксидными клеями достаточно удобно, после сборки модуля необходимо проводить термоциклирование и ускоренные испытания. Это приводит к тому, что значительная доля изделий уходит в брак.
Начиная с 2000 года в производстве стала внедряться технология лазерной сварки [5] (рис.3b). Производители лазерных диодных модулей в рекламе изделий старались подчеркнуть, что модули не содержат эпоксидной смолы. Однако лазерная сварка не лишена недостатков. Основным из них является необходимость надежной фиксации составных элементов во время сварки во избежание механических деформаций [6] и тщательного контроля воздействия сварки на оптические параметры модуля.
Технология компании "Лазерском" имеет существенное отличие от вышеперечисленных технологий. Она заключается в использовании в качестве связующего материала специально разработанного компаунда с низким коэффициентом термического расширения (рис.3c). Это обеспечивает как высокую прочность, так и отличную температурную стабильность.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Совмещение технологии формирования линзы на торце волокна с технологией фиксации элементов модуля позволяет ООО "Лазерском" создавать лазерные диодные модули с превосходными характеристиками. К примеру, стабильность мощности P излучения при вариации температуры T характеризуется величиной максимального отклонения мощности от опорной, так называемой tracking error
,
где T0 = 25 °C – опорная температура, а Tmin и Tmax – минимальная и максимальная температуры, соответственно. Все модули производства ООО "Лазерском" проходят температурный контроль в диапазоне температур от –20 °C до 50 °C, а также проводится избирательный контроль в диапазоне от –60 до 80 °C, и максимальное отклонение мощности Er не превышает 0,04 дБ. Модули "Лазерском" успешно проходят испытания на вибрации и радиационную стойкость. Малые габаритные размеры и низкое энергопотребление делают лазерные диодные модули перспективными для портативных приборов и аппаратуры, к которой предъявляются строгие требования по размеру и весу. Высокая крутизна ватт-амперных характеристик и высокая энергоэффективность дает разработчикам дополнительные преимущества при создании конкурентоспособной аппаратуры. Еще одной важной особенностью лазерных модулей ООО "Лазерском" является высокая стабильность оптической мощности в широком температурном диапазоне и низкий уровень низкочастотных шумов, что позволяет применять данные модули для изготовления высокостабильных источников оптического излучения.
Кроме лазерных диодных модулей с длинами волн в широком спектральном диапазоне от 400 нм до 1650 нм ООО "Лазерском" производит суперлюминесцентные светодиодные модули, PIN и лавинные фотодиодные модули, фотодиодные модули с трансимпедансным усилителем и автоматической регулировкой усиления, а также гибридные модули, включающие также в состав разветвители, изоляторы, мультиплексоры и прочие пассивные компоненты [7].
Компактные оптоэлектронные модули находят применение в измерительных и эталонных приборах ВОЛС, системах оптической связи, дальнометрии, оптических охранных системах, СВЧ-фотонике, биомедицине и научных исследованиях. Дальнейшее развитие технологии лазерных диодных модулей направлено как на расширение диапазона используемых длины волн, в частности, в средний инфракрасный диапазон, так и на повышение эффективности, надежности и устойчивости к экстремальным условиям работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. W.H.Cheng, M.T.Sheen, G.L.Wang, S.C.Wang, J.H.Kuang. Fiber alignment shift formation mechanisms of fiber-solder-ferrule joints in laser module packaging.– J. Light. Technol., vol. 19, no. 8, pp. 1177–1184, 2001.
2. R.P.Ratowsky, L.Yang, R.J.Deri, K.W.Chang, J.S.Kallman, G.Trott. "Laser diode to single-mode fiber ball lens coupling efficiency: full-wave calculation and measurements. – Appl. Opt., vol. 36, no. 15, pp. 3435–3438, 1997.
3. I.Kitano, H.Ueno, M.Toyama. "Gradient-index lens for low-loss coupling of a laser diode to single-mode fiber. – Appl. Opt., vol. 25, no. 19, p. 3336, 1986.
4. M.S.Cohen, G.W.Johnson, J.M.Trewhella, D.L.Lacey, M.M.Oprysko, D.L.Karst, S.M.Defoster, W.K.Hogan, M.D.Peterson, J.A.Weirick. Low-Cost Fabrication of Optical Subassemblies, vol. 20, no. 3, pp. 256–263, 1997.
5. J.H.Kuang. Crack formation mechanism in laser welded au-coated invar materials for semiconductor laser packaging. – IEEE Trans. Adv. Packag., vol. 22, no. 1, pp. 94–100, 1999.
6. Y.Lin, C.Eichele, and F.G.Shi. Effect of Welding Sequence on Welding-Induced-Alignment-Distortion in Packaging of Butterfly Laser Diode Modules: Simulation and Experiment. – J. Light. Technol., vol. 23, no. 2, pp. 615–623, 2005.
Отзывы читателей
