楊麗寰,李高清
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不同參數(shù)下大功率量子阱激光器的大信號(hào)調(diào)制特性
*楊麗寰,李高清
(隴東學(xué)院電氣工程學(xué)院,甘肅,隴東 745000)
本文對(duì)大功率量子阱激光器的大信號(hào)調(diào)制特性進(jìn)行了參數(shù)分析。首先對(duì)量子阱激光器的傳輸帶寬進(jìn)行了對(duì)比。在不同寬度的光限制層的條件下,光限制層越窄,傳輸帶寬越寬。其次分析了隨著調(diào)制深度的變化對(duì)激光功率的影響,調(diào)制深度越小時(shí),激光峰值不斷變小。當(dāng)溫度升高時(shí),對(duì)應(yīng)的光子密度降低。偏置信號(hào)減小時(shí),光子密度減小。在同頻率下比較了脈沖和正弦調(diào)制信號(hào)的輸出波形,輸出波形相似。最后分析了啁啾效應(yīng)。多量子阱激光器比單量子阱激光器中的啁啾更小。
量子阱激光器;大信號(hào)調(diào)制;調(diào)制深度;帶寬,頻率啁啾
光通信系統(tǒng)中,用激光做為光源,對(duì)小信號(hào)半導(dǎo)體激光器調(diào)制特性的研究,已經(jīng)有比較成熟的理論做基礎(chǔ)。小信號(hào)理論主要關(guān)注的是通信帶寬和通信質(zhì)量。20世紀(jì)90年代,已有很多理論是對(duì)小功率激光器的大信號(hào)調(diào)制特性進(jìn)行了較深入的研究[1]。對(duì)大信號(hào)的研究,主要是分析其不同參數(shù)對(duì)通信質(zhì)量的影響。在大信號(hào)調(diào)制下,由于載流子濃度的變化,導(dǎo)致介質(zhì)折射率的變化,從而會(huì)產(chǎn)生啁啾效應(yīng)。啁啾效應(yīng)是指輸出光信號(hào)的頻譜展寬,這樣就導(dǎo)致光信號(hào)質(zhì)量變差。
對(duì)小功率激光器的研究,一般是指在1mW到50mW之間。這里我們對(duì)50 mW以上,波長(zhǎng)為980 nm的InGaAs/AlGaAs量子阱激光器在大信號(hào)調(diào)制下的參數(shù)特征進(jìn)行了分析。
用MOCVD 生長(zhǎng)外延片能制造出脊形條寬80 um的大功率激光器。在注入電流為1 A的條件下,輸出功率可以達(dá)到431 mW[2]。注入電流達(dá)到閾值電流后,輸出光功率會(huì)隨注入電流增大而呈線性增加。
輸出光功率與注入電流的關(guān)系可表示為:
為了限制載流子和良好的光波導(dǎo)傳輸,上下波導(dǎo)層與勢(shì)壘層組成了激光器的有源區(qū)。本文對(duì)量子阱大功率激光器相應(yīng)的調(diào)制響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。
量子阱激光器的載流子和光子密度速率的方程可以表示為:
表1是在溫度為300 K時(shí)的參數(shù)取值[3],表示腔長(zhǎng),表示激活層厚度,表示激活區(qū)的寬度。
表1 溫度為300K的參數(shù)LSCH(nm)
運(yùn)用四階龍格庫(kù)塔方法對(duì)速率方程數(shù)值求解,可以得到載流子濃度和光子濃度。
量子阱激光器在大脈沖信號(hào)調(diào)制下的響應(yīng)速率如圖1所示,當(dāng)光限制層寬度為300 nm時(shí),調(diào)制速率比光限制層寬度為76 nm時(shí)小。由此可知,光限制層的寬度影響激光器的調(diào)制速率,光限制層越窄時(shí),在相同功率的時(shí)候調(diào)制速率就越大[4]。可見光限制層寬度是影響光通信質(zhì)量的一個(gè)因素。
圖1 MQW-LD調(diào)制響應(yīng)
這里對(duì)不同參數(shù)的大信號(hào)調(diào)制特性進(jìn)行了比較。圖2是表示對(duì)偏置電流為I=200 mA,調(diào)制脈沖信號(hào)的頻率為= 2.5 GHz時(shí),不同的調(diào)制深度m對(duì)時(shí)域光子密度的影響。圖2(a)、(b)、(c)中調(diào)制深度分別是1.9、1、0.8。比較可知,當(dāng)調(diào)制深度m從0.8到1.9變化的時(shí)候光子密度最大值不斷增大,而且峰值越來(lái)越尖銳。同時(shí),光子密度不斷減小時(shí),激光峰值會(huì)變小。由此可知,調(diào)制深度越大,光信號(hào)質(zhì)量會(huì)更差。為了提高通信質(zhì)量,我們一般把調(diào)制深度控制的0.5以下。
圖2 不同的調(diào)制深度的光子密度
在250 mA的直流調(diào)制下,當(dāng)溫度升高時(shí),因?yàn)樵鲆骐S溫度升高而減小,所以對(duì)應(yīng)的光子密度會(huì)降低,如圖3所示。
圖3 不同溫度下光子的密度
圖4表示在調(diào)制深度為0.85,調(diào)制脈沖的頻率為= 2 GHz的條件下,不同偏置電流下的光子密度。圖4中(a)、(b)、(c)的偏置電流分別是4I、2I、1.4I。偏置電流減小時(shí),光子密度減小。
圖4 不同偏置電流下的光子密度
圖5是在I= 2I,= 2 GHz,ε=2.5×10-23m3,m=1.5時(shí)的脈沖信號(hào)和正弦波的大信號(hào)的調(diào)制波形。圖5(a)是脈沖波形,(b)是正弦波。比較了兩者的波形,發(fā)現(xiàn)二者的波形是相似的。
圖5 脈沖信號(hào)和正弦波的調(diào)制波形
注入調(diào)制信號(hào)時(shí),在大信號(hào)調(diào)制下會(huì)產(chǎn)生頻率啁啾效應(yīng),即波長(zhǎng)的漂移。當(dāng)注入電流增加的時(shí)候,在光輸出不足以彌補(bǔ)電流的增加,載流子濃度上升,導(dǎo)致激活區(qū)暫時(shí)折射率變小,這樣縮短了激光腔里的光程,波長(zhǎng)藍(lán)移。類似的,在載流子濃度下降時(shí)間,波長(zhǎng)開始紅移。啁啾導(dǎo)致光譜加寬,信號(hào)質(zhì)量變差。調(diào)制深度為0.8時(shí),光限制層寬度不變的情況下,多量子阱激光器中的微分增益更高[5]。在多量子阱激光器中啁啾參數(shù)αeff的值要比在單量子阱激光器中小,所以多量子阱激光器中啁啾小些[6],如圖6所示。
圖6 量子阱數(shù)與啁啾參數(shù)的關(guān)系
本文首先對(duì)量子阱激光器在不同寬度光限制層時(shí)的傳輸帶寬進(jìn)行了對(duì)比。光限制層越寬,載流子的傳輸效應(yīng)就越明顯,導(dǎo)致傳輸帶寬減小。接著分別對(duì)不同調(diào)制深度和不同偏置電流下的光子密度進(jìn)行了分析。大信號(hào)調(diào)制下,隨著調(diào)制深度m的增加,激光峰值不斷變窄和變尖銳。當(dāng)偏置電流減小時(shí),光子密度也不斷減小。當(dāng)溫度升高時(shí),對(duì)應(yīng)的光子密度降低。在同頻率下比較了脈沖和正弦調(diào)制信號(hào)的輸出波形,二者輸出波形相似。在大信號(hào)調(diào)制下,會(huì)產(chǎn)生頻率啁啾效應(yīng)。最后分析了啁啾效應(yīng)。多量子阱激光器中的微分增益更高,啁啾效應(yīng)比單量子阱激光器中小。
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LARGE-SIGNAL MODULATION CHARACTERISTICS OF LARGE-POWER QUANTUM WELL LASERS UNDER DIFFERENT PARAMETERS
*YANG Li-huan,LI Gao-qing
(Electrical Engineering College, Longdong University, Longdong , Gansu 745000, China)
The large-signal modulation characteristic of high-power quantum well laser is studied. Under the condition of different width of SCH, the transmission bandwidths of the quantum-well laser are compared. When SCH is narrower, the transmission bandwidth is wider. Under the large signal modulation, the laser peak is reduced with the decrease of modulation depth. When the temperature is higher, the density of photon is lower. With the reduction of bias signal, the photon density is decreasing. The pulse and sinusoidal modulation signal of the output waveform are compared, and the waveform under the same frequency is similar. Finally, we analyze the chirp effect. The multiple quantum-well laser chirps are smaller than the single quantum-well laser chirps.
quantum-well semiconductor laser; large-signal modulation; modulation depth; transmission bandwidth; frequency chirp
1674-8085(2014)01-0011-04
TN248.4
A
10.3969/j.issn.1674-8085.2014.01.003
2013-11-21;
2013-12-18
*楊麗寰(1980-),女,甘肅慶陽(yáng)人,工程師,碩士,主要從事計(jì)算機(jī)通信與理論物理研究(E-mail: 330265525@qq.com);
李高清(1962-),男,甘肅環(huán)縣人,教授,碩士,主要從事理論物理與電氣工程研究(E-mail:lgaoq@163.com).