CATV中激光器组件各部分的原理特性

2005/4/12/10:20在ＣＡＴＶ光发射机中采用的激光器是一个包含激光器管芯、光隔离器、尾纤、半导体制冷器、热敏电阻、光探测器的综合体。

　　１．激光器管芯。激光器管芯也就是前面所讲的激光器，与热沉紧密焊接，它是产生的激光的本源。不同类型的激光器管芯具有不同的优缺点，它是决定光发射机性能指标的决定因素，也是激光器组件价格悬殊的重要因素。

 　　２．光隔离器。光隔离器是无源的、单向的光学器件，它的基础是法拉第效应。从激光器组件向光纤传输的激光，总会有部分被反射；如果反射光进入激光器，将会使激光器输出功率发生波动，噪声增加，使相对强度噪声ＲＩＮ恶化１０ｄＢ－２０ｄＢ。光隔离器的作用就是为了避免从光纤反射的光再返回激光器，它可以使从激光器管芯输出的正向光很容易的进入光纤（期损耗仅为０．５ｄＢ－０．７ｄＢ）；从光纤反射回来的反向光则不能进入激光器（其损耗达３５ｄＢ以上）；正向损耗与反向损耗之差称光隔离器的隔离度。在有些激光器中采用两级光隔离器，隔离度则达到６０ｄＢ以上。

　　３．尾纤。尾纤用于光功率的耦合输出，在一些低速数据传输应用中，激光器也有不用尾纤而用玻璃窗口直接输出的结构形式，但在ＣＡＴＶ应用中，激光器（组件）都采用尾纤输出。光源到尾纤光纤的耦合是激光器制造的一大技术难题，它关系到激光器输出光功率的大小，又在很大程度上决定光源的实际使用寿命，因为激光器管芯发出的光束是一个水平张角小，竖直张角大的椭圆光斑；而单模光纤的纤芯很细，模斑为圆形，这就注定了激光器管芯在一个端面的发射功率的很大一部分将进入不了光纤，不能形成有用的功率输出，固而需要加装耦合器，现在的耦合器加工技术是利用二氧化碳激光器将光纤烧熔。在计算机的控制下，拉成双曲锥体，这样构成的聚焦系统的耦合效率可达６０％－９０％。耦合过程的另一个难题是如何将尾纤最佳位置作永久的固定；现在的办法是先将尾纤表面金属化后穿过金属套管，灌锡封死，然后将带有金属套管的尾纤与光源对准。最后用激光点焊的办法将金属套管固定在热沉上。这种工艺生产的激光器彻底解决了尾纤偏移所造成的激光器组件寿命问题。

　　４．半导体致冷器（ＴＥＣ）。半导体致冷器是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。重掺杂的Ｎ型和Ｐ型的碲化铋主要用作ＴＥＣ的半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。ＴＥＣ包括一些Ｐ型和Ｎ型对（组），它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；ＴＥＣ组件每一侧的陶瓷电极的作用是防止由ＴＥＣ电路引起的激光器管芯的短路；ＴＥＣ的控制温度可达３０℃－４０℃，当有电流从ＴＥＣ流过时，电流产生的热量会从ＴＥＣ的一侧传到另一侧，在ＴＥＣ上产生″热″侧和″冷″侧，这就是ＴＥＣ的加热与致冷原理。是致冷还是加热，以及致冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定。在实际应用中，ＴＥＣ通常安装在热沉和组件外壳之间。其冷侧与激光器芯接触，起到致冷作用，它的热侧与散热片接触，把热量散到外部去，这也只是一种最普遍的情况。在对激光器工作温度的稳定性要求较高的场所，一般都采用双向温控，即在常温和高温时对激光器制冷，在低温环境中则制热；半导体致冷器在电流方向逆转时，原来的冷端和热端的位置就互换；则贴近激光器芯的一则就变成了热端，对激光器芯加热。具体的温度控制功能电路将在后面详述。

　　５．热敏电阻。热敏电阻是激光器组件的测温元件，它通常贴在热沉之测，直接探测结区温度。当激光器温度升高时，热敏电阻的电阻下降，当激光器的温度降低时，热敏电阻的阻值增大。因此热敏电阻起到了温度传感器的作用。其阻值变化精度越高越好。热敏电阻与半导体致冷器配合即可完成对激光器的精密温度控制。通过光发射机的自动温度控制电路，可把激光器的温度控制在２５±０．３℃的范围内，使激光器的工作稳定。

　　６．背光探测器。光探测器是把光信号转变与电信号的半导体器件，其安装在热沉之上，用来探测激光器的背向光，以提供光功率的监视，并用于激光器的自动功率控制。常用的光探测器主要有ＰＩＮ光电二极管和雪崩二极管，但在光纤ＣＡＴＶ系统中一般都采用ＰＩＮ光电二极管，其由Ｐ型和Ｎ型半导体组成，它们中间轻微掺杂了本征半导体材料，也称耗尽层。在Ｎ型半导体中，主要的载流子是电子，而在Ｐ型半导体中，主要的载流子是空穴，由于电荷的移动，耗尽层两侧就堆积了电荷，在内部形成一个由Ｎ区指向Ｐ区的自建电场，阻止空穴的继续扩散。如果这时有入射光照射到ＰＮ结的耗尽层，就会使其中的电子吸收光子能量，跃迁到导带中，形成可以导电的电子空穴对。这种在光的照射下产生的电子和空穴称为光生载流子；它们在自建电场的作用下，作定向运动，其中空穴沿电场方向Ｐ区运动，电子逆电场方向Ｎ区运动（它们形成的电场使自建电场削弱）形成光电流。入射光越强，光电流越大，这就把光信号变成了电信号，正因为光电流随着入射光的增强而增强，如果入射光太强，使光电流增大到超过ＰＩＮ管的极限就会烧坏ＰＩＮ管，所以光接收机的说明书中都明确规定了输入光功率的上限，如果不能确定输入光的光功率，千万不能和ＰＩＮ管对接，以防烧坏ＰＩＮ管。如果在ＰＮ结两端加上反向电压，则外加电场在耗尽层内的方向与自建电场相同，使光生载流子的运动变得更加容易，提高了光探测器对微弱光强的探　　实际上，在没有光照射时，也会有少量的电流产生，这是由于Ｐ型半导体中的电子和Ｎ型半导体中的空穴在反向偏压作用下的定向运动引起的，这种电流称为暗电流，暗电流的存在成为光探测器噪声的主要来源。

　　背光探测器是用于自动功率控制的关键器件，为保证功率控制的精度，要求光探测器具备以下特点：ａ、在工作波长范围内有足够高的相应度，即对工作波长范围内的背向光，光探测器能输出较大的光电流；ｂ、在完成光电转换的过程中引入的附加噪声应尽可能小；ｃ、响应速度快使光探测器输出的光电流尽可能重现入射光信号的波形；ｄ、工作稳定可靠，有较好的温度稳定性及较长的工作寿命。

　　最后谈一下激光器组件的封装与寿命，半导体激光器的外壳封装主要有同轴式，双列直插式和蝶形三类。其中同轴式封装组件中不含半导体制冷器与热敏电阻，是最简单的一种激光器，在ＣＡＴＶ中，同轴封装一般用于双向光接收机的回传模块。双列直插式封装的缺点是从焊接管芯的副热沉到外壳管脚的引线相当长，加上管脚又很长，所以引线电感较大，这种封装不适用于信号频率高于５００ＭＨＺ的场合。在ＣＡＴＶ应用中光发射机中的激光器组件一般采用蝶形封装。由于采用侧向引脚，蝶形封装从管芯到管脚引线较短，而扁平的管脚又可以被包括进外围电路的印制板中，作为微带线的一部分，所以这种结构的的引线电感小，杂散电容小。