光通信用光电子器件结构、工艺和性能

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光通信用光电子器件结构、工艺和性能丁国庆,2012年5-6月目录1基本概念、定义和缩略语2光电子器件的分类及基本结构3光电子器件主要工艺制作4激光器光电性能及技术指标5探测器光电性能及技术指标6光电子器件的可靠性7结束语1基本概念、定义和缩略语1.1受激辐射的概念1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念,它奠定了激光器的理论基础。该理论指出,原子中处于高能态的电子,当受到一个能量等于两个能级差的光子的作用时,该电子将跃迁到低能态,并发射出光子。该光子是由于第一个光子的感应作用而辐射射出来的。该过程称为受激辐射。如果受激辐射同时或连续发生,输出的光就能得到放大。这种因受激辐射发出发射方向、频率、位相、偏振完全相同的光,因此称为相干光。1.2激光具有相同发射方向、相同频率、相同相位、相同偏振方向的光,称为激光,或受激辐射、莱塞(Laser)。1.3受激光辐射条件1)外部能源2)增益介质3)谐振腔。外部能源可以是电流、电压、光和高能粒子;增益介质可以是气体、液体和晶体谐振腔可以是平行平面(法布理-泊罗腔,F-P)、分布布喇格光栅(DFB)或外腔。1.4峰值波长和中心波长(PeakWavelengthandCenterWavelength)在发射光谱中,辐射强度(或光功率密度)最大的波长,称为峰值波长。在发射光谱中,最高强度(或幅度)的50%处两点中心所对应的波长,称为中心波长1.5光强度直接调制(DirectlyModulationofOpticalPowerDensity)调制电信号直接控制激光器驱动电流,使激光器输出光强度随调制电信号的幅度而变化的一种调制方式。1.6光功率-电流曲线(OpticalPower-CurrentCurve)激光器输出光功率(P)和其驱动电流(I)之间关系(P-I)的曲线,如下图所示。其中,B处为光功率-电流曲线扭折(thekink)点。1.7阈值电流(ThresholdCurrent)物理上,把激光器发射荧光和激光的交界点相对应的电流称为阈值电流;数学上,它为光功率-电流(PL-I)函数二阶导数(d2P/dI2)极值处所对应的电流。其示意图如下图所示。1.8加于激光器偏置电流之上的、与传输信号相关的控制电流(Im)。它等于激光器总驱动电流与偏置电流之差。调制电流与时间(Im–T)、光功率与驱动电流(PO-I)关系曲线如下图所示。调制电流ModulationCurrent1.9光谱宽度SpectralWidth激光器光谱宽度有三种不同的定义,即均方根谱宽(RMS)、光半高全(FWHM)谱宽和-20dB下的谱宽。对于MQW-DFB-LD,主要采用FWHM谱宽和-20dB下谱宽。在标准工作条件下,用测得的比峰值波长幅度下降一半或下降20dB处、光谱曲线上两点间的波长间隔来表征其光谱宽度。前者称之为FWHM谱宽(或称-3dB谱宽),后者称之为-20dB下谱宽。1.10边模抑制比(SMSR,SideModeSuppressionRatio)在最坏反射条件时、全调制条件下,激光器光谱中主纵模光功率峰值强度(Pm0)与最大边模光功率峰值强度(Pm1)之比的对数,即:SMSR=10lg(Pm0/Pm1)SMSR示意图如右下图所示.1.11光电转换长波长光探测器作用原理光探测器是把光信号转换为电信号(电压或电流)的半导体光电二极管,它是探测器某种材料中处于基态的电子吸收了光子能量,转变为电子动能的过程。如果涉及到光电转换的光波长在范围(1100-1600)nm范围,相对于(400-900)nm为长波长,一般就称为长波长光探测器,制作这种长波长光探测器的主要材料为InGaAS/InP异质结构材料。在长波长光探测器中,InGaAS为光吸收层。当长波长入射光进入InGaAS层时,光子与InGaAS材料的外层电子相互作用,使其处于基态的价带电子进入到导带,而在价带留下空穴,这就是光吸收,从而在导带产生自由的电子和在价带产生自由的空穴。这些自由的电子和空穴,由浓度高处向浓度低处运动。当它们运动到半导体P-N结时,便在P-N结上产生附加的电位差。该附加电位差对外电路(即和光探测器两个电极相连的电路)来说就是一个电池。只要外电路不是开路,就有电流流过。这种由于光的作用而产生的电流叫光生电流。这个过程就是光-电转换过程,它就是长波长光探测器的作用原理。1.15缩略语BERBitErrorRate(orRatio)比特差错率CPChirping啁啾(或频率扫动)DFBDistributionFeed-Back分布反馈DIMDSLMDirectlyIntensityModulation直接强度调制SFPSmallFormFactorPluggable小型化可热插DSLMDynamicSingleLongitudinalMode动态单纵模ESDElectrostaticDischarge静电放电EXExtinctionRatio消光比FWHMFullWideatHalfMaximum半高全宽度LDLaserDiode激光二极管MLMedianLife中值寿命MQW-DFBMultipleQuantumWellDistributionFeed-Back多量子阱分布反馈NRZNonReturntoZero非归零OISOpticalIsolation光隔离OMAOpticalModulationAmplitude光调制幅度TOSATransmitterOpticalSub-Assembly光发送组件OMAOpticalModulationAmplitude光调制幅度ORLOpticalReturnLoss光回损P-IOpticalPowervs.CurrentCurve光功率-电流曲线PIN-PDPIN–PhotodiodePIN型光探测器PRBSPseudoRandomBinarySequence伪随机码序列RINRelativeIntensityNoise相对强度噪声SDHSynchronousDigitalHierarchy同步数字序列SMSRSideModeSuppressionRatio边模抑制比TETrackingError跟踪误差TECThermo-ElectricCooler致冷器WDMWavelengthDivisionMultiple波分复用LP-IOpticalPower–DrivingCurrentLinearityP-I曲线线性度IkCurrentatTheKinkofP-IcurveP-I曲线扭折处电流IthThresholdCurrent阈值电流ImModulationCurrent调制电流PoOutputOpticalPower输出光功率TcCaseoperatingTemperature管壳温度tr/tfRise/Falltimebetween(10-90)%ofmaximum上升/下降时间VfForwardvoltageatratedpowerofLD激光器正向电压λcCentralWavelength中心波长ΔλOpticalSpectrumWidthofLD激光器光谱宽度APDAvalanchePhotodiode雪崩光电二极管APCAutomaticPowerControl自动功率控制ATCAutomaticTermpritureControl自动温度控制BERBitErrorRatio比特差错率CWDMcroustWavelengthDivisionMultiplex密集波分复用DWDMDenseWavelengthDivisionMultiplex密集波分复用F-PFabry–Perot法布里-泊罗腔FCHFrequencyChirp频率啁啾LOSLossofSignal信号丢失MSAMulti-SourceAgreement多源协议NRZNonReturntoZero不归零OAOpticalAmplifier光放大器OMOpticalModule光模块PDPhotodiode光电二极管P-I-NP-type-Intrinsic–N-typeP型-本征-N型RZReturntoZero归零ROSAReceiverOpticalSub-Assembly光接收组件SFPSmallFormFactorPluggable小型化可热插拔TIATrans-ImpedanceAmplifier跨阻抗放大器TO-CANTransistorOutline-CAN晶体管外形TOSATransmitterOpticalSub-Assembly光发射组件TTLTransistortoTransistorlogic晶体管-晶体管耦合逻辑2光电子器件分类及基本结构根据不同的作用原理、结构、技术指标和连接方式,光电子器件可分成不同的种类。2.1按作用原理和功能分类光发射器件,LED,LD光接收器件,PIN-PD,APD;光放大器件,EDFA,SOA,RSOA;光调制器件,EAM,2.2按光电特性和发光方式分类半导体发光管,LED半导体激光器,LD2.3激光器按芯片结构分类如按出光方向,可分为:侧面出光的LD正面出光的LD,如VCSEL如按光谐振腔(即反馈结构),可分为:法布里-泊罗腔LD(即F-PLD);分布反馈结构LD(即DFB-LD);如按光有源区材料结构,可分为:体材料结构;量子阱结构(MQW);量子点结构;如按有源区光限制方式,可分为:脊型波导(双沟)结构LD;双沟掩埋异质结构(BH);如按发射波长,可分为:850nm,980nm,1310nm,1550nm等体材料、侧面出光的F-PLD结构形式(例子)激光器内部的光反馈DFB-MQW-LD量子阱分布反馈激光器具有阈值电流小、光谱窄、输出功率大、温度特性好等优点,是高速直接调制激光器优选的光发射器件,其示意图如下。脊形波导量子阱分布反馈激光器相对比较简单,可以少作一次外延,成品率也较高。倒台形脊形波导量子阱分布反馈激光器示意图如下。上电极DFB量子阱结构正面发射量子阱LD--VCSEL2.4半导体探测器分类和芯片结构如按探测器波长,可分为:Si探测器(或光敏管);可探测波长(0.4-0.9)微米;Ge探测器(或光敏管);可探测波长(0.9-1.7)微米;InGaAs探测器;可探测波长(1.1-1.65)微米如按内部材料结构,可分为体结构材料的PIN-PD和APD量子阱结构的QW-APD如按入射光(进光)方式来分,可分为:正面进光的PIN-PD,底面进光的PIN-PD侧面进光的PIN-PD如按内部光电倍增情况,可分为:无光电倍增:PIN-PD有光电倍增:APD(雪崩光电二极管);如按使用方式,可分为:前光探测器(PIN-PD,APD)背光探测器;正面入射光(进光)的PIN-结构抗反射膜光电极(n)P+N+E电极底面进光的探测器底面和侧面进光的APD芯片结构底面近光的APD侧面近光(波导型)的APDAPD结构SAGM-APD结构2.5光电子组件结构------TOCAN和插拔式组件同轴器件----TOCAN10GTOSA结构2.6光电子组件结构----激光器和外调制器集成组件(EAML,或EML)2.7光电子组件结构-----单纤双向组件40GROSA结构WTD的国家科技攻关项目40Gb/sPIN-TIA组件3光电子器件制作工艺本人从事半导体器件设计与制作的经历:1968-1978我在中科院北京半导体所工作,1978-2005在邮科院WTD工作。以下是曾经拜读过的半导体工艺和激光书籍。3.1光电子器件芯片制作工艺光通信用光电子器件芯片是用III-V族半导体材料制作的,而一般电子器件,包括微电子器件,也是用半导体材料制作的。既然光电子、微电子芯片都是用半导体材料制作的,它们的制作工艺就大同小异。共同的一般制作工艺技术有:1)洁净技术,包括化学清洗,等离子轰击,2)淀积技术(包括介质和金属),如电子束蒸发SiO2或Si3N4,金属淀积和金属溅射3)光刻技术,甩胶、前烘、图形对准和爆光,显影、坚膜、化学腐蚀、清洗、烘干等4)掺杂技术,热扩散、离子注入,5)外延生长技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