激光器的线宽和带宽

激光器的线宽和带宽名字很相近,但是表示的意思差很大的。首先看线宽,线宽比较好理解,就是激光光谱的半峰全宽。

激光器带宽,就不是一个光谱的长度单位了,它的全名应该叫激光器调制带宽。

半导体激光器的调制带宽是指可以输出的或者加载的最高信号速率(对数字信号而言),或者是输出(或加载的)模拟信号的最大带宽。

因此想弄明白带宽,就要先明白激光器的调制,调制的模式,以及定义。带宽就是在调制中出现的极限。

激光通信的原理其实也是二进制的模式,1和0的编码调制。

比如高电平驱动下的激光发光强度大,代表1,低电平驱动下的激光发光功率弱,代表0。

通过不同功率间的快速切换,就可以传播信息。

这个快速切换就可以人为的加入预定信号,输出到激光功率曲线上,就会形成“眼图”。

眼图的形成

对于数字信号,其高电平与低电平的变化可以有多种序列组合。以3个bit为例,可以有000-111共8中组合,在时域上将足够多的上述序列按某一个基准点对齐,然后将其波形叠加起来,就形成了眼图。如图1。对于测试仪器而言,首先从待测信号中恢复出信号的时钟信号,然后按照时钟基准来叠加出眼图,最终予以显示。

对于一幅真实的眼图,如图2,首先我们可以看出数字波形的平均上升时间(Rise Time)、下降时间(Fall Time)、上冲(Overshoot)、下冲(Undershoot)、门限电平(Threshold/CrossingPercent)等基本的电平变换的参数。

信号不可能每次高低电平的电压值都保持完全一致,也不能保证每次高低电平的上升沿、下降沿都在同一时刻。如图3,由于多次信号的叠加,眼图的信号线变粗,出现模糊(Blur)的现象。所以眼图也反映了信号的噪声和抖动:在纵轴电压轴上,体现为电压的噪声(VoltageNoise);在横轴时间轴上,体现为时域的抖动(Jitter)。

扯得有点远,眼图也不是激光传输的专利,其他通信领域都在用的。

回到激光器的带宽上来。

在激光器芯片内部,直观的来看带宽本来就应该通过电子空穴的复合时间常数限定。

其实就是电转化光的速率,快不快,因为注入电流要根据信号快速切换电压大小,这个切换的时间内,就要求电尽快变成光发射出去,不要影响电的下一个信号发出。但是电子和空穴不是一进去就马上复合的,一定电压下,它都会 选择慢慢悠悠的跑,偶尔有捷径还想着不过复合区直接穿过去,材料里面有缺陷、电阻、电容等等都会有影响。因此也就有了带宽极限一说。

实际中带宽的极限限制因素有很多

如果要使激光器的调制带宽得到提高,关键是降低激光器的电学寄生因素的影响,尤其需要降低寄生电容及载流子在量子阱结构中的输运过程。

制造高速激光器时,要想提高器件的3dB带宽,可以采取以下措施:

①有源区采用应变(补偿)多量子阱结构——量子阱激光器阱材料由于在平行于阱面方向受到双轴压应变和垂直于阱面方向的拉伸应变,其价带顶的重空穴能级上 升,而且这种价带发生退简并,使电子从自旋轨道分裂带向重孔穴带的跃迁几率近似等于零,使室温下的俄歇复合几率减小,从而导致这种量子阱激光器的阈值电流 下降,线宽增强因子减小以及弛豫振荡频率、调制带宽、微分增益系数显着提高。

②有源区p型掺杂 ——p型掺杂可减小穿过SCH区域时的空穴输运,这对高速量子阱器件是主要的限制;p型掺杂可以得到非常高的微分增益,并且使量子阱中载流子的分布更加均匀。

若有源区Zn掺杂浓度接近1018 cm-3时,其3dB带宽可达25GHz,而且掺杂还可使器件的振荡频率增加到30GHz(腔长为300μm)。此外,重掺杂还有利于降低线宽增强因子和进一步提高微分增益,这些都有利于提高器件的调制特性。

③降低电学寄生参数——为了降低高速激光器的电学寄生参数,尤其是寄生电容,可采用半绝缘Fe-InP再生长掩埋技术,同时还需减小电极面积;采用自对准窄台面结构(SA-CM)以减小器件的寄生电容。人们还常利用填充聚酰亚胺的方法来减小寄生电容。

④提高激光器内部光子浓度和微分增益——增加激光器腔内的光子浓度,可增加本征谐振频率。利用DFB结构使激射波长与增益峰波长为负失谐(-10nm),可以提高微分增益,这些都可以增加-3dB调制带宽。

以上分析了限制半导体激光器高速调制特性的因素以及提高激光器调制带宽的途径,这些因素之间与其静态特性之间是相互影响的,所以在设计高速激光器时,还需考虑其它特性,如阈值、温度特性等。