安立光器件開(kāi)發(fā)史 |（一）半導(dǎo)體激光器開(kāi)發(fā)的黎明期

  ICC訊 本系列文章介紹安立傳感與器件公司(Anritsu Sensing &Devices Company)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)歷史。1964年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)之后的日本經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)時(shí)期，通信需求大幅增加。日本電信電話公社(NTT的前身)決定建設(shè)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著光通信時(shí)代的開(kāi)始。因此，安立傳感與器件公司的前身開(kāi)始開(kāi)發(fā)用于光網(wǎng)絡(luò)測(cè)量?jī)x器的關(guān)鍵器件，如半導(dǎo)體激光器和高速混合集成電路。安立傳感器件公司今天的許多產(chǎn)品都繼承了這一時(shí)期的產(chǎn)品基礎(chǔ)。本系列文章介紹了安立傳感器件公司開(kāi)發(fā)的器件的歷史。本篇文章首先闡述了光器件發(fā)展的機(jī)遇和早期階段。

  (1)半導(dǎo)體激光器開(kāi)發(fā)的黎明期

  光纖通信具有傳輸損耗低、速度快、容量大等優(yōu)點(diǎn)，但玻璃光纖芯極易斷裂。在長(zhǎng)距離光纖中定位斷裂部位需要一種稱為光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)的測(cè)量?jī)x器。制造這種儀器需要高輸出半導(dǎo)體激光二極管(LD)，該器件在光通信使用的1μm波段發(fā)光。

  20世紀(jì)80年代CD播放機(jī)普及之后，LDs和發(fā)光二極管(LED)等半導(dǎo)體激光設(shè)備在辦公室和家庭中得到廣泛應(yīng)用。而在當(dāng)時(shí)，“激光”指的是固定激光器和氣體激光器。雖然這些類(lèi)型的激光器具有較高的輸出，但設(shè)備較大，不適合臺(tái)式測(cè)量?jī)x器，且光輸出與光纖輸入不匹配。因此，我們開(kāi)始研究LD的未來(lái)發(fā)展。

  東京工業(yè)大學(xué)的末松研究室是這一領(lǐng)域的先驅(qū)，根據(jù)他們的建議，安立在20世紀(jì)60年代后半期開(kāi)始了LD開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)研究。1975年引進(jìn)的晶體生長(zhǎng)設(shè)備使安立能夠進(jìn)行LD開(kāi)發(fā)，我們最終成功地在砷化鎵(GaAs)襯底上成功實(shí)現(xiàn)了0.85μm帶LD的室溫連續(xù)振蕩。1979年，在NTT電氣通信研究所的技術(shù)協(xié)助下，開(kāi)始研究使用磷化銦(InP)襯底的長(zhǎng)波LD。

  在0.85μm波段OTDR產(chǎn)品化之后，安立開(kāi)發(fā)的1μm波段LD最終于1984年用于期待已久的通信波段OTDR(上圖左中為MW98A)。

  此OTDR中使用的LD如上右圖所示。帶孔的金屬部分是一個(gè)6mm寬的銅散熱器，連接到頂部的LD芯片上;芯片本身非常小，只有0.3(長(zhǎng))x0.4(寬)x0.1(高)毫米。由于銅散熱片的線膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于LD-InP襯底，直接焊接的鍵合存在可靠性問(wèn)題。因此，我們?cè)贚D芯片和銅散熱器之間使用了具有中等線膨脹系數(shù)和優(yōu)良熱輻射特性的工業(yè)金剛石層。

  OTDR分析在光纖中傳播的散射和反射光信號(hào)，以定位光纖中的斷點(diǎn)并測(cè)量損耗等?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量發(fā)射和返回光信號(hào)之間的時(shí)間差和電平來(lái)計(jì)算故障和損耗的距離。因此，光源的光輸出必須是矩形脈沖，而不是連續(xù)波(CW)。當(dāng)時(shí)，制造工藝還不成熟，盡管連續(xù)光的輸出沒(méi)有問(wèn)題，但由于脈沖驅(qū)動(dòng)和反射光的影響，仍然存在強(qiáng)度波動(dòng)、共振和不穩(wěn)定反射(見(jiàn)下圖)的問(wèn)題，因此有必要檢查每個(gè)光波形。

  多數(shù)人對(duì)激光的印象是直線發(fā)射的光，就像激光指針一樣，但半導(dǎo)體發(fā)射的光是通過(guò)自由空間擴(kuò)散的，因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器的發(fā)射面積非常小。因此，必須使用由兩個(gè)透鏡組成的光收集系統(tǒng)將該光輸入到直徑為10μm(千分之一毫米)的光纖芯中進(jìn)行通信：一個(gè)球面透鏡和梯度折射率(GRIN)透鏡。后者是一種柱面透鏡，其中折射率從外圍到中心軸發(fā)生變化。由于透鏡長(zhǎng)度控制著透鏡放大率，因此它具有體積小、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。如下圖所示，這些部件從靠近LD端面到光纖端面按順序安裝，這要求光纖軸在微米級(jí)對(duì)齊。安裝使用兩種液體粘合劑，需要幾個(gè)小時(shí)才能完全硬化。由于硬化時(shí)間和粘合劑收縮的變化，有時(shí)不可能防止軸錯(cuò)位，這需要使用專家調(diào)整軸對(duì)齊，以考慮粘合劑硬化時(shí)的移動(dòng)。1.55μm OTDR是世界上第一臺(tái)支持單模光纖(SMF)的測(cè)量?jī)x器，為光纖通信帶來(lái)了創(chuàng)新的質(zhì)量。