半导体激光器的直接调制.docx

第 16 章 半导体激光器的直接调制在第 9 章和第 10 章中介绍了用外部电光或声光调制器,对半导体激光器的输出进行调制的技术.然而,也可以直接通过控制流经器件的电流,或者控制某些内部腔体参数,对半导体激光器的输出进行内调制.这种对激光器的输出直接调制的优点是简单,并且有用于高频调制的潜力.本章将介绍半导体注入式激光器的直接调制,它是第 11-14 章关于半导体激光器和放大器的基本原理和工作特性讨论的继续,读者可在此基础上更好地理解这些方法的细微之处.16.1 直接调制的基本原理半导体激光器的光输出能够直接调制,也就是说,光输出可随激光器腔内部的变化而改变,产生幅度调制(AM),光频率调制(FM)或脉冲调制(PM).最常用的激光器输出调制是控制流经器件的电流进行幅度调制或脉冲调制,但是通过改变其他参数,如介电常数或激光器腔体材料的吸收率,也能得到输出的幅度调制,光频率调制和脉冲调制.本节中讨论的这些调制技术的基本原理,大部分实在 20 世纪 60 年代和 70 年代发展起来的.后来,采用更为复杂的改进措施,已经可以再微波频段下可靠地直接调制激光二极管,这部分内容将在 16.2节中介绍.16.1.1 幅度调制通过控制电流对激光二极管进行幅度调制的基本装置如图 16.1 所示.激光二极管必须直流偏置在激光阈值点以上,以避免阈值处输出曲线的突然扭折.制作良好的激光二极管在阈值以上的输出功率与注入电流之间有很好的线性关系,如第 13 章中所述.交流调制信号必须与直流偏置源想隔离,而直流偏置源也必须避免影响调制信号源.当调制频率较低时,这种隔离可用简单的电感和电容来实现,如图 16.1 所示.当调制频率高于大约 50MHz时,必须使用较复杂的高通和低通滤波电路.图 16.1 直接幅度调制激光二极管的基本偏置电路和输出特性若用图 16.1 所示的直流电流调制方法,则调制深度为𝜂 =𝑃𝑝‒ 𝑃𝑚𝑃𝑝式中,是峰值光功率,是最小光功率.性响应范围内最大调制深度为𝑃𝑝 𝑃𝑚𝜂𝑚𝑎𝑥=𝑃𝑝‒ 𝑃𝑡𝑃𝑝式中,是阈值点处的光输出功率.因为通常仅为的 5%或 10%,所以理论上最大调制𝑃𝑡𝑃𝑡𝑃𝑝深度能大于 90%.式(16.2)已暗含了直流偏置的选择是使输入信号为零时,工作点在输出曲线线性区的中心[即功率为(/2)处]这一假设.𝑃𝑝‒ 𝑃𝑡幅度调制过程可用一对非线性速率方程描述.Lasher 给出其关系式为ⅆ𝑁𝑒ⅆ𝑡=1 ⅇ𝑉‒𝑁𝑒𝜏𝑠 𝑃‒ 𝐺𝑁𝑝ℎ和ⅆ𝑁𝑝ℎⅆ𝑡=(𝐺 ‒1 𝜏𝑝ℎ)𝑁𝑝ℎ式中,Ne是反转电子数,是光子数,I 是电流,V 是有源区的体积,是自发电子寿命,𝑁𝑝ℎ 𝜏𝑠𝑝是光子寿命,G 是受激辐射率.在式(16.3)和式(16.4)中,假设为单模激射并忽略了自发𝜏𝑝ℎ辐射.在进行小信号分析时,要把时变小信号 I(t)叠加到直流偏置电流 Idc上.在传统的小信号近似中,光子数 nph(t)和反转电子数 ne(t)相对各自的平均值和的微小变化为𝑁𝑝ℎ𝑁ⅇ𝑑2𝑑𝑡2{𝑛𝑒 𝑛𝑝ℎ}+ 𝛾𝑑 𝑑𝑡{𝑛𝑒 𝑛𝑝ℎ}+ 𝜔20{𝑛𝑒 𝑛𝑝ℎ}= {1 𝑒𝑉𝑑𝐼(𝑡) 𝑑𝑡 𝑔𝑁𝑝ℎ𝐼(𝑡)𝑒𝑉}式中,𝜔20=1 𝜏𝑠𝑝(𝑔𝑁0+1 𝜏𝑝ℎ)(𝐼𝑑𝑐𝐼𝑡ℎ‒ 1)和𝛾 =1 𝜏𝑠𝑝+ 𝜏𝑝ℎ𝜔20在式(16.5)和式(16.6)中,假设受激辐射率为G=g(Ne-N0)式中 N0是克服体损耗所需的反转电子数,g 是比例常数.若用正弦调制电流I(t)=Imcosmt𝜔则调制深度为𝜂 =𝑛𝑝ℎ(𝜔𝑚)𝑁𝑝ℎ=𝑔𝐼𝑚𝑒𝑉𝜔20‒ 𝜔2 𝑚+ 𝑖𝜔𝑚𝛾表达式(16.10)在频率𝑣𝑚𝑎𝑥=𝜔𝑚𝑎𝑥2𝜋=1 2𝜋(𝜔2 0‒𝛾2 2)1 2处出现显著的峰,如图 16.2 所示.这是 Ikegami 和 Suematsu 给出的理论结果,他们在实验中也观察到了这个峰.传统 GaAs 激光二极管的 vmax在几 GHz 的数量级.这个峰出现后,接着调制响应有对调制频率的增加而快速下降,这意味着调制频率有一个上限.这些重要效应使某些经过特殊设计的激光二极管能工作在更高频率,然后到目前为止提出来的一些简单模型却没能将这些效应包括在内.这些效应将在 16.2 节中详细讨论.图 16.2 调制深度与调制频率关系的理论曲线.曲线是基于 GaAs 激光器的典型参数计算得到的,并相对接近零时的 值做了归一化.两个值的曲线表明改变激光腔的 Q𝜔𝑚𝜂𝜏𝑠𝑝𝜏𝑝ℎ值影响很大16.1.2 脉冲调制半导体激光器用脉冲调制特别方便,因为当泵浦电流为脉冲形式时,开关时间很短.如在典型的 DH 条形激光器中,若脉冲上升和下降时间在几百皮秒的数量级,则能产生间隔为纳秒的亚纳秒脉冲.但是,为了得到这样的高速脉冲,激光器必须偏置在恰好低于阈值,否则,在电流脉冲施加和光脉冲发射之间将有一个初始延迟𝑡𝑑= 𝜏𝑠𝑝𝑙𝑛⁡[𝐼𝑝/(𝐼𝑝‒ 𝐼𝑡ℎ)]式中,Ip是峰值脉冲电流.当激光器偏置在阈值电流 Ith时,这个延迟消失.激光器所容许的最大占空比还限制了脉冲以高重复频率工作.DH 条形激光器能在室温下连续运转,占空比不是问题,但是,价格低廉的 SH 或同质结激光器不应超过其所容许的最大占空比,否则,结发热效应会导致波长漂移和阈值电流增大.当占空比成为一个限制因素时,通过编码使每个脉冲携带多于一个比特的信息,这样最大数据率可大于脉冲重复频率.例如,若用脉冲间隔调制,平均重复频率为 30MHz 的 1ns 脉冲能够传输的数据率为150Mbps.通过控制驱动电流脉冲的宽度,激光二极管的输出还能用脉宽调制.在另外一种选择中,Fenner 曾提出利用从市价电流脉冲到开始光发射之间的初始延迟来产生脉宽调制.由式(16.12)可见,td随 Ip变化很大.如果驱动电流脉冲是幅度调制的,则产生的光脉冲将是脉宽调制的.因为 Ip和 td之间的关系是非线性的,若用这种脉宽调制方法,在解码网络中必须进行适当的补偿.利用自脉动现象能在半导体激光二极管中产生高重复频率的窄脉冲序列.注意到,式(16.5)的形式意味着当激光器偏置在阈值以上时,若 I(t)=0,则在某一频率R处可能存在驰豫振荡,𝜔R为𝜔𝜔𝑅= 𝜔20‒ (𝛾 2)2通常认为这种尖峰振荡不利于激光器的调制,因为它导致 AM 调制频率响应曲线的峰值畸变,如 16.1.1 节中所述.然而,出于驰豫振荡增强,在某些情况下能有利地运用自脉动产生重复频率为 GHz 的窄脉冲.例如,D’Asaro et al.曾报道过重复频率从 0.5GHz 到 3.0GHz的脉冲,式(16.1.5)所预计的阻尼驰豫振荡与在许多激光二极管中观察到的自激振荡之间的确切关系,还没有被完全理解.人们曾提出过许多不同的模型,这将在 16.2 节中的高频调制部分更详细地讨论.自脉动激光器能比较方便地用模拟脉冲位置调制的方法调制.在这种调制方法中,光脉冲重复频率对外加注入电流调制信号锁频在接近于共振频率或其谐波频率处.如果锁定𝜈𝑟信号的频率随信息信号的导数变化,则脉冲位置与其平均值的偏离正比于信息信号本身.用仅几毫瓦的微波调制功率,脉冲重复频率的偏离就可高达的 10%.另一方面,也可以用𝜈𝑟如下方法实现自脉动激光器的脉冲位置调制,一是利用自感应脉冲的重复频率与电流𝜈𝑟的关系,二是利用外部的锁相环,它能提供注入电流自感应振荡的再生反馈,电流自感应振荡是和光振荡同时发生的.迄今所讨论的调制激光二极管的所有方法,在某种程度上都依赖于发射光功率与注入电流的关系,但是,也可通过改变腔体材料的某些参数直接调制激光二极管.16.1.3 频率调制通过改变腔体材料的介电常数 ε,可直接调制激光二极管的光频.在 16.1.2 节中介绍的作为脉冲调制器件的双区激光器,也能工作在频率调制模式下.此时,通过改变流经双二极管吸收区的电流,来引起墙体材料平均介电常数 ε 的变化.当然,双二极管必须运转在能发生自脉动振荡的偏置区以外.即便如此,还会有一些幅度调制在输出中出现,这是因为在吸收区中电流的改变会导致平均增益的变化.双区激光器的一个改进形式是解理耦合腔(C3)激光器,在这种激光器中,不但电接触被分为两部分,而且激光器本身也被分成两部分.在制作 C3激光器时,首先制作腔长大约为250μm 的标准条形法布里-珀罗激光器,然后在腔的中间位置附近解理,形成两个耦合的激光腔.这两个腔仅分开几微米,并保持呈一直线,通过一个相对厚的电镀接触固定.工作时,激光器的第一段用注入电流 I1在阈值以上泵浦,而第二段的介电常数通过调制电流 I2而改变.通过控制 I2,既可能将激光器调谐到所希望的波长上,也可能改变该波长光的调制频率.例如,已报道的一种发射波长为 1.3μm 的 GaInAsP C3激光器,其最大波长漂移为150 ,调谐率为 10.𝐴𝐴/𝑚𝐴双腔结构的激光器除了允许频率调制外,还能非常稳定地工作在单模状态.构成解理腔的两个腔的模式间隔分别为Δ𝜆1=𝜆20 2𝑛𝑒𝑓𝑓1𝐿1和Δ𝜆2=𝜆20 2𝑛𝑒𝑓𝑓2𝐿2式中,是峰值发射波长,和是有效折射率,L1和 L2是两个腔的长度.因为这两𝜆0 𝑛𝑒𝑓𝑓1𝑛𝑒𝑓𝑓2个腔是强耦合的,只有频谱上重合的那些模式才能相长复合,从而形成耦合腔的模式.于是,耦合腔的模式间隔为Δ𝜆𝑐=Δ𝜆1Δ𝜆2|Δ𝜆1‒ Δ𝜆2|=𝜆20 2[|𝑛𝑒𝑓𝑓1𝐿1‒ 𝑛𝑒𝑓𝑓2𝐿2|]由于,在增益曲线的峰值附近只有一个模式存在.因此,当通过改变 I2的直Δ𝜆𝑐≫ Δ𝜆1或Δ𝜆2流分量而将激光器调谐到所希望的频率时,激光器非常稳定,而且通过将一小信号交流调制加载到 I2上,可以产生频率调制.另外,如果以常规方式,通过改变 I1产生直接的幅度调制,激光器还能维持稳定的单模运转.例如,已经表明,在误码率小于 10-10的 2Gbps 直接调制下,激光器能维持稳定的单频模式.GaInAsP C3激光器稳定的调谐和调制特性,使它们在长距离通信的波分复用发射机中的使用很有吸引力.C3结构还能用于在 GaAlAs 上制作高度稳定的单模激光器.要得到幅度调制可忽略的频率调制,可用声波产生腔体材料介电常数 ε 的变化.在垂直于结的方向通过激光二极管的纵向声波使激光模式的频率 ν 位移到𝜈 = 𝜈0+ 𝐴𝑒𝑥𝑝( ‒𝜔2𝑎𝑊28𝜈2𝑎)𝑐𝑜𝑠⁡(𝜔𝑎𝑡)式中,是没有声波时激光模式的频率,A 是与峰值声波强度成比例的常数,是声波频𝜈0 𝜔𝑎率,是材料中的声速,W 是激光模式峰值振幅 1/3 处的宽度.正如在布拉格型声光调制𝜈𝑎器中一样,用于发射声波的换能器的频率响应是限制调制带宽的主要因素.理论计算预计,腔长为 400μm,声光调制的 GaAs 激光器的最大调制带宽可达 43GHz,但最终受模式跳变的限制.16.2 激光二极管的微波频段调制在上一节中,已初见半导体注入式激光器在微波频段的调制能力.因为这种调制在确定光载频系统携带信息容量的上限中起关键作用,所以这里针对以较高(一直到 40GHz)的频率直接调制激光二极管所使用(或提出)的各种技术,详细地评述其成就和局限性是适当的.16.2.1 早起实验结果总结人们较早就意识到,由于半导体激光器固有的较短的电子和空穴寿命,使之能很好地适合于要求微波频段调制的应用场合.在室温下运转的激光二极管出现以前,低温冷却激光二极管已能在 X 波段(8-12GHz)频率,甚至高达 46GHz 的频率下实现调制.在这些早期研究工作之后的五年内,又围绕寿命测量和共振现象进行了研究.在所有这些工作中,要求激光二极管被低温冷却。