小縱橫比光電器件發(fā)射端耦合工藝研究及優(yōu)化

江秋月，仲順順，周雄鋒*，吳國(guó)棟，馬 著，孫 翔

(1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

引 言

本文中基于2.5G BOSA，采用小縱橫比(豎直和水平方向發(fā)散角比值小于2)半導(dǎo)體激光器，建立LD-lens-SMF的耦合模型，利用物理光線追蹤法，分析耦合過(guò)程中各個(gè)方向自由度改變對(duì)模型耦合效率的影響，并搭建耦合平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；將仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了耦合效率對(duì)各自由度變化的敏感程度，研究結(jié)果指導(dǎo)了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的選型和耦合設(shè)備的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了耦合封裝工藝流程。

1 實(shí)體模型與耦合原理

BOSA光電元件主要由發(fā)射端(LD TO-can)、接收端(PD TO-can)、基體、SMF等零件利用膠粘和焊接等方式組合而成，如圖1所示。其發(fā)射端的主要作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，主要用于發(fā)射機(jī)；接收端主要作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，主要用于接收機(jī)；光纖的作用是用于光信號(hào)傳輸[10]。圖中，PD(photo-diode)是光電二極管,TO-can表示晶體管外形是罐型(transistor outline can)封裝方式。

Fig.1 Bi-directional optical sub-assembly

同軸型光電子器件發(fā)射端中，LD發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)透鏡的匯聚后耦合進(jìn)SMF，其耦合的基本原理如圖2所示。LD為單模激光器，球透鏡匯聚光線，LD發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)球透鏡的聚焦，在另一方向的焦點(diǎn)處產(chǎn)生光斑，移動(dòng)SMF與光斑的相對(duì)位置可以改變進(jìn)入光纖中光的能量高低，當(dāng)SMF與LD產(chǎn)生的光斑兩者模場(chǎng)達(dá)到最佳匹配時(shí)，即達(dá)到了整個(gè)系統(tǒng)的最佳耦合效率。

Fig.2 Coupling schematic

2 仿真模型與實(shí)驗(yàn)

2.1 仿真模型的建立

2.1.1 光纖及激光器參量 建立BOSA發(fā)射端的耦合模型，即實(shí)現(xiàn)SMF與LD的高精度耦合，首先需對(duì)光束的模場(chǎng)、束腰半徑及數(shù)值孔徑進(jìn)行計(jì)算和研究。SMF芯徑很小，只有8μm～10μm左右，只能傳輸一種模式的光，其模間色散小，適用于遠(yuǎn)程通訊，SMF模場(chǎng)高斯分布是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式所示[14]:

(1)

式中，A代表振幅，r代表光纖的徑向長(zhǎng)度，w0代表單模光纖的模場(chǎng)半徑。

采用國(guó)產(chǎn)G652.B單模光纖(中心波長(zhǎng)為1310nm,模場(chǎng)直徑為9μm～10μm)為研究對(duì)象，其束腰半徑定義為4.6μm，數(shù)值孔徑為0.14。模場(chǎng)仿真分布如圖3所示，基本為標(biāo)準(zhǔn)的圓形。

可以看出,陳、張兩位先生對(duì)借代辭格的類(lèi)型劃分大體上是一致的。只是借代的小類(lèi)名稱(chēng)和數(shù)量略有不同:《發(fā)凡》中的“事物和事物的作家相代”,《修辭學(xué)》中沒(méi)有涉及；《修辭學(xué)》中的“以特征的喻體代本體(可以看成比喻兼借代)”在《發(fā)凡》中沒(méi)有提及。

Fig.3 Simulation diagram of fiber mode field distribution

BOSA發(fā)射端內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。通過(guò)設(shè)置光源類(lèi)型可以模擬單模激光器光束，其光束分布可以近似看作高斯分布[15]，LD發(fā)出的光束經(jīng)透鏡匯聚后與SMF進(jìn)行耦合，耦合前經(jīng)透鏡整形后在光纖端面形成的光斑如圖5所示。選用的激光器類(lèi)型為(InGa)(AsP)/InP雙異質(zhì)結(jié)小縱橫比激光器，其具體參量如下：標(biāo)準(zhǔn)功率P0=6mW，加載電流30mA，工作中心波長(zhǎng)λ=1310nm，發(fā)散角θ∥=25°,θ⊥=38.27°。激光器的數(shù)值孔徑由以下兩式求出[16],分別為：dNA,∥=0.363，dNA,⊥=0.537。

dNA,∥=sin(0.85×θ∥)

(2)

dNA,⊥=sin(0.85×θ⊥)

(3)

高斯函數(shù)中，發(fā)散角與光束強(qiáng)度為1/e2時(shí)的半角的比值為0.84932，通常取0.85[14]。dNA,∥表示水平方向的數(shù)值孔徑，dNA,⊥表示垂直方向的數(shù)值孔徑。得出激光器光束的束腰半徑[17]：w∥=1.911μm，w⊥=3.6755μm。

Fig.4 3-D picture of BOSA device emitter

Fig.5 Simulation diagram of mode field distribution

建立仿真模型后，設(shè)置仿真工藝參量，如表1所示。

Table 1 The value of specific parameters

2.1.2 仿真及耦合效率的計(jì)算 在光學(xué)仿真軟件中，首先設(shè)置LD、透鏡以及SMF的參量，通過(guò)物理光線軌跡追蹤的方法，調(diào)整SMF與LD的相對(duì)位置和角度位置，使LD與SMF的模場(chǎng)的達(dá)到最佳匹配，從而獲得最佳耦合效率。仿真耦合效率利用下式進(jìn)行計(jì)算：

T=

(4)

式中,Fr(x,y)是描述接收光纖復(fù)振幅的函數(shù)，W(x,y)是描述耦合到光纖中的光束的復(fù)振幅的函數(shù)，上標(biāo)′表示復(fù)共軛。當(dāng)光束模式的幅度和相位在所有點(diǎn)處完全匹配光纖模式時(shí)，實(shí)現(xiàn)最大接收器效率T=1.0； 模式形狀或相位的任何偏差都會(huì)對(duì)T的值產(chǎn)生較大影響，使其減小到小于1.0。

在SMF與LD的耦合過(guò)程中，忽略光的吸收以及散射等其它情況，經(jīng)過(guò)透鏡匯聚的光斑模場(chǎng)與SMF的模場(chǎng)匹配程度越高，則耦合效率越大[18]，選用小縱橫比的半導(dǎo)體激光器其模場(chǎng)分布更加接近于圓形，在經(jīng)過(guò)球透鏡聚焦后，其光斑模場(chǎng)與光纖模場(chǎng)的匹配程度更高，有利于總的耦合效率的提高。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

BOSA激光器端與光纖的耦合精度達(dá)到0.1μm量級(jí)， 因此在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建過(guò)程中，需要選取高精密的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)LD和SMF的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合全局最優(yōu)搜索算法，才能達(dá)到最大的耦合效率。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家合格器件通常選擇在最大耦合效率處波動(dòng)3%～5%為可接受范圍，結(jié)合仿真結(jié)果，x,y運(yùn)動(dòng)方向選用日本駿河生產(chǎn)的型號(hào)為KYG06020-C的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，該平臺(tái)的重復(fù)定位精度為0.1μm，z運(yùn)動(dòng)方向選用型號(hào)為KYL06050-N1-C運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，重復(fù)定位精度為0.5μm；x′,y′運(yùn)動(dòng)方向(表示繞x,y旋轉(zhuǎn))的平臺(tái)選用型號(hào)為KAWO6100-LA，旋轉(zhuǎn)中心為100mm；可以滿足本次激光器與光纖耦合試驗(yàn)的要求。運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)的LD自動(dòng)耦合系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)LD和SMF的自動(dòng)耦合對(duì)準(zhǔn)，其基本原理為：上夾具夾持SMF保持豎直，LD插入其管座并且放入下夾具中夾緊，z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)保

Fig.6 Diagram of the coupling platform

證光纖與LD的縱向距離，x,y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)保證SMF與LD的橫向距離，x′,y′運(yùn)動(dòng)平臺(tái)保證LD分別繞x,y軸旋轉(zhuǎn)，將激光二極管插座和光纖尾端分別通過(guò)導(dǎo)線和探頭連入光功率計(jì)即可對(duì)耦合功率的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。耦合平臺(tái)實(shí)物圖如圖6所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 最大耦合效率比較分析

仿真得到的最大耦合效率為64.29%，并不能達(dá)到理想的100%耦合效率。分析原因如下：雖然本文中采用的激光器快軸和慢軸發(fā)散角十分接近，但是球透鏡不能對(duì)光束進(jìn)行整形，這就導(dǎo)致在光纖端面仍然形成了一個(gè)橢圓形，光斑模場(chǎng)與光纖模場(chǎng)并不匹配；同時(shí)由于球透鏡存在球差(見(jiàn)圖7)，導(dǎo)致光線難以聚焦到一點(diǎn)，如圖8所示。在入瞳半徑為0.6684mm時(shí)，球差的尺寸為1.584mm，這導(dǎo)致產(chǎn)生的光斑的尺寸要大于單模光纖模場(chǎng)的尺寸；另外，透鏡對(duì)光線具有吸收作用以及激光在傳輸過(guò)程中存在折射、衍射等情況，均會(huì)造成傳輸過(guò)程中能量的損耗。以上幾點(diǎn)造成了模型的耦合效率為64.29%。

Fig.7 Coupled simulation diagram

Fig.8 Spherical aberration distribution

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為避免實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)偶然誤差，選取3組相同規(guī)格的LD TO-can和SMF，分別放在搭建的耦合平臺(tái)上進(jìn)行光功率搜索，通過(guò)光功率計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控耦合功率，并讀取其最大功率記錄。經(jīng)過(guò)后期數(shù)據(jù)處理，得到實(shí)際的最大耦合效率為51.46%。

對(duì)比仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，理論的耦合效率與實(shí)際耦合效率存在約13%的誤差，主要原因有以下幾點(diǎn)：(1)透鏡的實(shí)際生產(chǎn)中不可能為理想球形，產(chǎn)生的球差相比較仿真系統(tǒng)中要大，這會(huì)導(dǎo)致光線匯聚更為分散，造成耦合效率減小；(2)系統(tǒng)仿真時(shí)，透鏡表面涂有一層抗反射膜，可以有效減少菲涅耳反射，提高耦合效率，實(shí)際試驗(yàn)中球透鏡的鍍膜工藝存在限制，并不可能在表面鍍一層均勻完整的抗反射膜，因此會(huì)造成光線反射，減少通光量；(3)LD芯片發(fā)光功率不恒定，對(duì)耦合效率也存在影響。另外，在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中，器件的貼片工藝、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的精度以及算法的優(yōu)良程度都對(duì)最大耦合效率產(chǎn)生一定的影響，綜合分析，實(shí)際與理論存在約13%的耦合誤差屬于可接受范圍。

3.2 容忍度比較分析

3.2.1 水平范圍容忍度分析比較 耦合效率隨x,y軸偏移量的變化如圖9所示。當(dāng)角度偏差忽略不計(jì)且縱向距離位于最佳位置時(shí)，仿真與實(shí)驗(yàn)耦合效率均隨x,y偏移量的增加而下降，且仿真耦合效率均高于實(shí)驗(yàn)值。以耦合效率下降一定值時(shí)x,y方向偏移量的大小定義為x,y方向的容忍度，現(xiàn)以仿真結(jié)果為例進(jìn)行定義說(shuō)明(實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定義與仿真類(lèi)似)，即當(dāng)耦合效率下降A(chǔ)s時(shí)，若x,y方向偏移量分別為xs和ys，則x,y方向容忍度分別為xs和ys，如圖9所示。當(dāng)仿真耦合效率As和實(shí)驗(yàn)耦合效率Ae均為10%，即耦合效率下降10%時(shí)，仿真值xs和實(shí)驗(yàn)值xe均為1.1μm左右，仿真值ys和實(shí)驗(yàn)值ye均為1.5μm左右。x,y方向的容忍度有一定的差距，主要是因?yàn)長(zhǎng)D的光束發(fā)散具有快軸和慢軸的區(qū)別，快軸的發(fā)散角要大于慢軸的發(fā)散角，因此在遠(yuǎn)場(chǎng)形成的光斑只是類(lèi)似于高斯光束的橢圓光斑，由此導(dǎo)致LD在與SMF的模場(chǎng)耦合中x,y方向的容忍度略有區(qū)別。通過(guò)圖9還可以看出：耦合效率對(duì)x,y方向的位移變化相當(dāng)敏感，容許度非常?。划?dāng)LD與SMF的相對(duì)位置達(dá)到了5μm時(shí)，耦合效率下降50%左右， 因此在做x,y方向的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)選型時(shí)，首先要確保平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度要在亞微米級(jí)別，

Fig.9 Planar offset vs. coupling efficiency

否則運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的微小移動(dòng)都會(huì)造成耦合效率的急劇降低，無(wú)法達(dá)到耦合要求。

3.2.2 縱向范圍容忍度分析比較 耦合效率隨z軸偏移量的變化如圖10所示。由圖可知，在保證角度偏差忽略不計(jì)且橫向(x,y軸)位置位于最佳時(shí)，仿真和實(shí)驗(yàn)耦合效率隨z軸位移的變化趨勢(shì)基本相同。對(duì)比x,y軸容忍度可以發(fā)現(xiàn)：縱向(z軸)耦合效率對(duì)位移的敏感度遠(yuǎn)不如橫向位移。當(dāng)SMF與LD的距離增加或減少50μm(仿真值z(mì)s和實(shí)驗(yàn)值z(mì)e分別為50μm)，仿真耦合效率下降7%左右,即As≈7%，實(shí)驗(yàn)耦合效率下降10%左右，即Ae≈10%，實(shí)際與理論存在3%左右的偏差，主要因?yàn)樵隈詈掀脚_(tái)裝配過(guò)程中，z軸與x,y方向并不能保證絕對(duì)的垂直，而是存在一定的角度偏轉(zhuǎn)，同時(shí)零件加工誤差也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)耦合效率產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致理論與實(shí)際出現(xiàn)偏差,這種偏差在允許范圍內(nèi)。通過(guò)縱向距離對(duì)耦合效率影響的分析發(fā)現(xiàn)，z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的精度達(dá)到微米級(jí)別就能完全滿足耦合要求。

Fig.10 Longitudinal offset vs. coupling efficiency

3.2.3 角度旋轉(zhuǎn)范圍容忍度分析比較 目前所研究的2.5G BOSA，其SMF的結(jié)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的，且LD中未封裝隔離器，所以z方向角度的旋轉(zhuǎn)變化對(duì)耦合效率的影響很小，在此不作分析。為方便研究，現(xiàn)假設(shè)x,y,z方向處于最佳耦合位置，僅分析x,y方向偏轉(zhuǎn)對(duì)耦合效率的影響[19-22]。由圖11可知，仿真和實(shí)際驗(yàn)

Fig.11 Angle offset vs. coupling efficiency

3.3 大縱橫比激光器對(duì)比實(shí)驗(yàn)

選用較大縱橫比(豎直和水平方向發(fā)散角比值大于2)的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其發(fā)散角為θ∥=15°,θ⊥=41.25°，得出激光器光束的束腰半徑為：w∥=3.1855μm，w⊥=9.108μm。仿真得到的最大耦合效率為34.44%，選取3組相同規(guī)格的LD TO-can和SMF進(jìn)行耦合實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)后期數(shù)據(jù)處理，得到實(shí)際的最大耦合效率為21.34%。分析原因可知：因?yàn)椴捎玫募す馄骺燧S和慢軸發(fā)散角差距較大，球透鏡的折射率是有限的，得到的光斑尺寸大于小縱橫比器件的光斑，光斑模場(chǎng)與光纖模場(chǎng)不匹配程度更高，從而導(dǎo)致耦合效率較低。在其它條件滿足最佳時(shí)，對(duì)x軸、y軸、z軸以及x′,y′角度進(jìn)行一定量的偏移，得出其偏移量與耦合效率之間的關(guān)系如圖12所示。

通過(guò)對(duì)容忍度的分析發(fā)現(xiàn)，大縱橫比半導(dǎo)體激光器耦合時(shí)的容忍度要略高于小縱橫比半導(dǎo)體激光器，這是因?yàn)榇罂v橫比半導(dǎo)體激光器光束經(jīng)過(guò)耦合之后在光纖端面形成的光斑尺寸更大，而光纖模場(chǎng)半徑尺寸是固定的，這就造成兩者之間耦合會(huì)有更大的容忍度。但是，大縱橫比半導(dǎo)體激光器的最大耦合效率遠(yuǎn)低于小縱橫比半導(dǎo)體激光器的最大耦合效率；在光通信系統(tǒng)中，更大的耦合效率意味著更長(zhǎng)的信號(hào)傳輸距離和更低的網(wǎng)絡(luò)搭建成本。因此，在耦合平臺(tái)的精度滿足要求的情況下，選擇小縱橫比半導(dǎo)體激光器進(jìn)行器件的制造，更加具有優(yōu)勢(shì)。

Fig.12 Planar offset vs. coupling efficiency

3.4 耦合流程優(yōu)化

BOSA包括發(fā)射端和探測(cè)端，每一步流程都會(huì)對(duì)器件最終性能產(chǎn)生影響，本文中僅討論發(fā)射端耦合工藝流程。通過(guò)上述仿真與實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，小縱橫比半導(dǎo)體激光器的耦合效率敏感度因子由大到小分別是：x軸、y軸位移的耦合效率敏感度因子>x′軸、y′軸角位移的耦合效率敏感度因子>z軸位移的耦合效率敏感度因子。因此，進(jìn)行自動(dòng)化耦合時(shí)，在保證一定的縱向高度和較小偏轉(zhuǎn)角度前提下，首先要進(jìn)行平面范圍內(nèi)的光功率搜索；在找到平面位置的最佳耦合點(diǎn)后，進(jìn)行x′,y′的角度旋轉(zhuǎn)搜索，同時(shí)還要結(jié)合平面搜索，因?yàn)檠b配誤差的存在，角位臺(tái)在旋轉(zhuǎn)時(shí)不可能保證LD剛好位于旋轉(zhuǎn)中心，旋轉(zhuǎn)時(shí)總會(huì)存在一定的橫向位移，進(jìn)行平面搜索的目的是保證再次找回最佳平面耦合點(diǎn)；最后進(jìn)行縱向范圍內(nèi)的光功率搜索，因?yàn)檠b配誤差的存在，此時(shí)同樣需要配合平面搜索才能找到整個(gè)系統(tǒng)的最佳耦合位置。

4 結(jié) 論

建立了同軸型半導(dǎo)體激光器與單模光纖的耦合模型，通過(guò)仿真比較分析了模型的耦合效率與各個(gè)方向位移敏感度的關(guān)系，并搭建自動(dòng)耦合平臺(tái)研究了實(shí)際耦合過(guò)程中耦合效率與各個(gè)方向容忍度的關(guān)系，與仿真的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本吻合；最后，對(duì)同軸型半導(dǎo)體激光器與單模光纖的耦合流程進(jìn)行了優(yōu)化。

(1)小縱橫比LD與SMF進(jìn)行耦合，實(shí)際效率可達(dá)51.46%；水平面范圍內(nèi)的位置變化對(duì)耦合效率的影響最為顯著，其次是LD與SMF的角度偏差，最后是LD與SMF之間的縱向距離。因此，LD-TO-can的封裝要盡量控制LD中心與透鏡中心在水平面的偏差，確保兩者中心位于同一軸線，以保證耦合效率。

(2)耦合封裝時(shí)在x,y方向選擇分辨率為0.1μm的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，x′,y′方向選擇分辨率為0.1°的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，z方向選擇分辨率為1μm的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以基本保證LD和SMF的耦合精度，達(dá)到生產(chǎn)要求。

(3)耦合效率曲線存在明顯的峰值且變化敏感，容許度很小，這對(duì)耦合設(shè)備的穩(wěn)定性提出了更高的要求，同時(shí)對(duì)后續(xù)的焊接封裝帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

(4)對(duì)比x,y發(fā)散角差異較大的大縱橫比半導(dǎo)體激光器，在耦合平臺(tái)精度滿足要求的情況下，采用小縱橫比的LD可以提高光電器件發(fā)射端的耦合效率，采用折射率漸變的透鏡可以有效減少球差造成的影響，提高耦合效率。