TO激光器原理及制作工艺流程报告

4 3 2 1 0
0
50
100
I /mA
图1:LD的P-I特性曲线
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●
温度特性 温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：一是 激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温 度升高而减小。图2 给出了LD的P-I曲线随温度变化的实例。
5
发 射 光 功 率 P/m W
22℃ 4 3 2 1 0 0 50
50℃ 70℃
100
I /mA
图2 LD的P-I曲线随温度的变化
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●
波长特性
激光器的波长特性用中心波长、光谱宽度以及光谱模数三个参数来描述 光谱范围内辐射强度最大值所对应的波长叫中心波长。光谱范围内辐射强度 最大值下降50%处所对应波长的宽度叫谱线宽度，光谱模数有多模LD和单模 LD。 常 用 LD 的 中 心 波 长 与 光纤低损耗窗口对应 λ＝850nm 980nm 1310nm 1550nm
Tr, Tf
Im Id Ct
Rise and Fall time
Monitoring output current(PD) Dark current(PD) Capacitance(PD)
If=Ith+20mA，10-90%
CW, If=Ith+20mA,VRD=1V VRD=5V VRD=5V,f=1MHz Aspherical lens Ball lens
λp
θ∥ θ⊥ SMSR
Peak Wavelength
Farfield(Horizontal) Farfield(Vertical) Side Mode Suppression Ratio
CW, Po=5mW
CW, If=Ith+20mA CW, If=Ith+20mA CW, Po=5mW
nm
Deg Deg dB
的一类激光器 。
优点：体积小、效率高、寿命长，可采用简单的电流注入方式来泵浦；其工作
电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成；并且还可用高 达GHZ的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出，可实行 温度调谐和电流调谐。
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1.1 激光器的结构
注入电流
解理面
有源区
……
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TO激光器封装
工 艺 简 介
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一、产品简介：
输速率为1.25G/2.5GbpS,工作中心波长在1310nm/1550nm.采 用密封的TO-5.6MM同轴封装，内置光电二极管监控光功率。低 阈值电流和工作电流、高可靠性，工作温度范围宽。适合应用 在数据传输系统、光纤到户（FTTH）和其他光网络系统。
单位：mm
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• 平窗 （Flat Window）
封装尺寸
单位：mm
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4、管脚定义（PIN Dimension）
Bottom View
工作物质
：实现粒子数反转
激励源：使原子被激发 谐振腔：光放大作用
a、能实现粒子反转分布
导带(原子核最外层的电子) Eg=h
处在价带的原子受到外来能 量时,吸收这一能量跃迁到 高能级的过程。
价带（原子核次外层的电子）
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导带：自由电子能带，没有自由电子时导带是空的 价带：共价键束缚电子所占据的能带Leabharlann Baidu价带被电子填满，是不导电的。 禁带：导带与价带之间的能带，又称带隙，电子不存在的区域。价电子 获得足够的能量就成为自由电子，从价带跃迁到导带，此时在价带上留 下空穴位置。半导体的禁带比绝缘体小，导带上有少量电子；导体无禁 带。
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b、激励源：较低的直流电（TOLD一般为25～40mA@25℃），达到阈值条件。 c、谐振腔：
激光工作物质
全 反 射 镜 半 反 射 镜
光输出 光放大
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3.2 光发射的三种跃迁过程：
a、自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低能级跃迁，同时发出一个 光子的过程，a）图； b、受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一 定的几率自发向低能级跃迁，同时发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图； C、 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在低能级的原子向高 能级跃迁，c）图 受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质原子数很多，处在各个能级上的 原子都有，在满足两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受激辐射和受激吸 收过程同时存在。当吸收过程占优势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。
TO激光器系列产品是使用无制冷FP/DFB激光二极管，传
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1 、 极 限 参 数 （ Absolute Maximum Rating） Symbol If VRL Parameter Forward current(Laser diode) Reverse Voltage(Laser diode) Ratings 100 2 Unit mA V
260
℃
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2、电光特性 Electrical/optical Characteristics(Tc=25℃)
Symbol Ith Po η Vf Parameter Threshold Current Output Power Slope Efficiency Forward Voltage Test conditions CW CW, If=Ith+20mA CW, If=Ith+20mA CW, If=Ith+20mA 5 0.25 1290 1530 8 0.40 1.12 1310 1550 28 31 35 0.1 0.01 10 7.0 5.8 7.5 6.3 42 1.50 1330 1570 30 34 Min Typ Max 15 Unit mA mW W/A V
Maiman
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1964年10月，物理学家钱学森建议称之为-----激光 Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 表示“受激辐射的光放大”
激光器：发光二极管LED 半导体激光器LD 光器LD 量子阱激光器LD 传输速率：MHz Gb/s 10Gb/s 40Gb/s
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3.3 LD的主要特性 阈值特性
激光器的输出光功率通常用P-I曲线表示，图1为典型LD的光 功率特性曲线。当 I＜ Ith 时，激光器发出的是自发辐射光，当 I＞ Ith时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。
5
P
Ith
I
发 射 光 功 率 P/m W
分布反馈激
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一、激光器的基本知识
1、激光器的分类
固体激光器：把金属离
子掺入晶体或玻璃基质中 气体激光器：原子气体、 分子气体和离子气体
按工作 物质分 类
液体激光器：有机染料溶 液和无机化合物溶液 半导体激光器：半导体材 料
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半导体激光器又称为半导体激光二 极管，或简称激光二极管，英文缩写为 LD (Laser Diode)，是实用中最重要
3、半导体激光器的基本特性 激光工作物质：直接带隙半导体材料------砷化稼(GaAs)、砷 化铟(InAs)、铝稼砷(A1xGaAs)、铟磷砷(InPxAs)等等
谐振腔：半导体介质的自然解理面
构成平行平面腔
泵浦源：通常采用电压很低的
直流电源
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3.1 激光的产生原理
A、激光的定义：受激（外界因素影响）辐射的光。 B、激光产生的条件：
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1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了世 界上第一台红宝石激光器。
1962年，He－Ne气体激光器在美 国贝尔实验室研制成功。 这两次发明开创了传统的固体激 器和气体激光器的时代，自此，激光 走上了高速发展的道路。此后，半导 体激光器、染料激光器、自由电子激 光器都在相应学科的支持下出现。特 别是八十年代，随着光电子学和半导 体技术的发展，光纤激光器和孤子激 光器相继出现，将激光引入以光电子 和微电子为主的信息时代。
IFD
VRD TC Tstg
Forward current(photodiode)
Reverse Voltage(photodiode) Case temperature Storage temperature
2
20 -40 to +85 -40 to +100
mA
V ℃ ℃
Stemp
Soldering temperature(＜10S)
100
150
1.0 0.1 20 8.0 6.7
PS
mA μA PF mm mm
F(Note)
Focus Length
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3、TO激光器外观：
• 非球透镜 （Aspherical Lens）
封装尺寸
单位：mm
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• 球透镜 （Ball Lens）
封装尺寸
解理面
L R1 增益介质 法布里 —泊洛腔激光器 (FP- R2 LD)
z=0 z=L
分布反馈激光器(DFB-LD)
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2、半导体激光器的应用 信息存储 与处理 军事 应用
半导体激光器的应用
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信息的 传递
半导体激光器
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TO激光器
培 训 资 料
编制：汪涛
日期：2014.11.23
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背景介绍
激光的发展简史
1916年，爱因斯坦 提出了“受激辐射”的 概念，奠定了激光的理 论基础。 1958年，贝尔实验室的 汤斯和肖洛发表了关于激光 器的经典论文，奠定了激光 发展的基础。