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半導體雷射應用於光通訊產品之介紹

這篇文章主要彙整介紹光通訊產品中應用的雷射。

在光通訊產品中主要應用的雷射為半導體雷射。因此這篇文章先從半導體的能隙開始介紹起。


能隙 Bandgap

能隙分為直接能隙(direct bandgap)和間接能隙 (indirect bandgap)。


電子吸收足夠的能量之後會從valence band躍遷到conduction band,變成自由電子產生電流。此過程即為光檢測器的光電轉換過程。反之,若電子從conduction band掉到valence band後會放出能量,此過程即為雷射的電光轉換過程。為了滿足動量守恆,非直接能隙在電子躍遷時,還會牽扯到聲子(Phonon)的轉換。因此直接能隙的半導體材料較適合作為吸光或是發光的材料。


能隙和波長能透過以下公式做簡單的換算

Eg= 1240/Lambda

其中Eg為能隙,單位為eV。

Lambda為波長,單位為nm。


因此透過下圖(ref: http://web.tiscali.it/decartes/phd_html/node4.html),黑色實點為直接能隙的材料,大部分為三五族化合物半導體。



另外三五族化合物半導體除了具有直接能隙的優點之外,可透過元素比例調整能隙的大小進而做到不同波長的應用。下表(ref: https://www.ushio.eu/laser-explained/)為常見三五族化合物半導體材料與其應用波長


雷射二極體分類

雷射二極體可以從發射光的方向與調製的方式作為出發點進行分類。



發射光方向主要分為

  • 面射型:VCSEL

  • 邊射型:Fabry-Perot,DFB,DBR

製程差異

邊射型雷射在磊晶結束後,需要將晶片劈成晶條,並針對端面鍍膜形成反射面,因此良率相對面射型雷射低。



縱模 (Longitudinal Mode)模態差異

雷射的發光原理主要光在共振腔內共振並藉由增益物質(gain media)將能量放大。滿足共振頻率的光會被留下而產生雷射。而這些特定的共振頻率的光稱之為模態,更精確地說是縱模 (Longitudinal Mode)模態。當共振腔越長,滿足共振頻率的模態越多。對於光通訊產品來說,會希望光的頻率越單一越好,如此才能減少在光纖中的材料色散 (Material Dispersion)。相關介紹可參考: https://www.drflyout.com/post/fiberoptics

  • 面射型:共振腔和磊晶方向平行,長度短,因此較容易達到單縱模 (Longitudinal Mode)的輸出。

  • 邊射型:共振腔和磊晶方向垂直,長度長,因此較容易達到高功率的輸出。但也可能會產生多個縱模 (Longitudinal Mode),因此才有了Distributed Feaback (DFB)雷射。DFB雷射相對於傳統Fabry-Perot雷射,在主動層多了布拉格光柵,因此可達到單縱模 (Longitudinal Mode)的輸出。



橫模 (Transverse Mode)模態差異:

橫模 (Transverse Mode)模態主要和Gain Medium的橫截面大小有關,越小的橫截面較不容易容納較高橫模 (Transverse Mode)模態。橫模越單一,模態色散越小(Modal Dispersion),越容易達到遠距離的傳輸。而此處的多模或是單模即為光纖規格的單模與多模。

  • 面射型:通常為多橫模 (Transverse Mode)態,通常可以藉由外加microlens達到單模的輸出。

  • 邊射型:通常為單橫模 (Transverse Mode)態。


調製方式則可分為

  • 直接調製(Direct Modulation):透過Laser Driver將Laser調整到驅動狀態後,透過電流的大小直接對雷射的光強做直接的調製。

  • 優點:直接,簡單。可以達到相對低的功耗

  • 缺點:因為是對雷射調製,因此雷射的驅動的狀態不斷的改變。可能會延伸熱,或是光學上色散的問題。相對EML頻寬較低。


  • 外部調製(External Modulation):Laser輸出光源之後,會先進入到調製器 Modulator進行額外的調製。


  • 優點:可以應用在較高功耗輸出的雷射並且達到較高的頻寬應用。

  • 缺點:電路相對複雜,也因此較昂貴。


常見的調製方式有光學與電致吸收的調製方式。

  • 電致吸收主要是透過電壓改變該材料的吸收係數,進而造成輸出光強的強弱變化。

  • 光學調製又叫Mach-Zehnder modulator (MZM),光先分成兩路其中一路透過外加電壓造成兩路的相位產生改變進而造成輸出端的建設性與破壞性干涉而有光強的強弱變化。



最後用頻寬和長度的分布圖說明雷射二極體於光通訊的應用。傳輸的長度越長,速率越高越需要單縱模 (Longitudinal Mode)與單橫模 (Transverse Mode)的信號傳輸。

多模光纖的模態為多橫模 (Transverse Mode),支援信號傳輸僅能達到百米等級。多使用VCSEL作為雷射光源。目前到達50Gbaud的速率下的VCSEL理論可支援的長度已經縮短到百米以內,VCSEL的開發還在為頻寬做努力。相關近況可以參考https://www.drflyout.com/post/_800g

單模光纖的模態為單橫模 (Transverse Mode),支援信號傳輸僅能達到公里等級。其中EML的色散小,因此可支援的長度相對DML更長。



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