不同參數(shù)下大功率量子阱激光器的大信號調制特性

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調制特性

*楊麗寰，李高清

(隴東學院電氣工程學院，甘肅，隴東 745000)

本文對大功率量子阱激光器的大信號調制特性進行了參數(shù)分析。首先對量子阱激光器的傳輸帶寬進行了對比。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。其次分析了隨著調制深度的變化對激光功率的影響，調制深度越小時，激光峰值不斷變小。當溫度升高時，對應的光子密度降低。偏置信號減小時，光子密度減小。在同頻率下比較了脈沖和正弦調制信號的輸出波形，輸出波形相似。最后分析了啁啾效應。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；大信號調制；調制深度；帶寬,頻率啁啾

光通信系統(tǒng)中，用激光做為光源，對小信號半導體激光器調制特性的研究，已經(jīng)有比較成熟的理論做基礎。小信號理論主要關注的是通信帶寬和通信質量。20世紀90年代，已有很多理論是對小功率激光器的大信號調制特性進行了較深入的研究[1]。對大信號的研究，主要是分析其不同參數(shù)對通信質量的影響。在大信號調制下，由于載流子濃度的變化，導致介質折射率的變化，從而會產(chǎn)生啁啾效應。啁啾效應是指輸出光信號的頻譜展寬，這樣就導致光信號質量變差。

對小功率激光器的研究，一般是指在1mW到50mW之間。這里我們對50 mW以上，波長為980 nm的InGaAs/AlGaAs量子阱激光器在大信號調制下的參數(shù)特征進行了分析。

1 理論分析

用MOCVD 生長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，輸出功率可以達到431 mW[2]。注入電流達到閾值電流后，輸出光功率會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系可表示為：

為了限制載流子和良好的光波導傳輸，上下波導層與勢壘層組成了激光器的有源區(qū)。本文對量子阱大功率激光器相應的調制響應特性進行了研究。

2 大功率LD的大信號調制特性分析

2.1 調制響應及速率

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時的參數(shù)取值[3]，表示腔長，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)

運用四階龍格庫塔方法對速率方程數(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調制下的響應速率如圖1所示，當光限制層寬度為300 nm時，調制速率比光限制層寬度為76 nm時小。由此可知，光限制層的寬度影響激光器的調制速率，光限制層越窄時，在相同功率的時候調制速率就越大[4]?？梢姽庀拗茖訉挾仁怯绊懝馔ㄐ刨|量的一個因素。

圖1 MQW-LD調制響應

2.2 參數(shù)分析

這里對不同參數(shù)的大信號調制特性進行了比較。圖2是表示對偏置電流為I=200 mA，調制脈沖信號的頻率為= 2.5 GHz時，不同的調制深度m對時域光子密度的影響。圖2(a)、(b)、(c)中調制深度分別是1.9、1、0.8。比較可知，當調制深度m從0.8到1.9變化的時候光子密度最大值不斷增大，而且峰值越來越尖銳。同時，光子密度不斷減小時，激光峰值會變小。由此可知，調制深度越大，光信號質量會更差。為了提高通信質量，我們一般把調制深度控制的0.5以下。

圖2 不同的調制深度的光子密度

在250 mA的直流調制下，當溫度升高時，因為增益隨溫度升高而減小，所以對應的光子密度會降低，如圖3所示。

圖3 不同溫度下光子的密度

圖4表示在調制深度為0.85，調制脈沖的頻率為= 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，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時的脈沖信號和正弦波的大信號的調制波形。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 脈沖信號和正弦波的調制波形

注入調制信號時，在大信號調制下會產(chǎn)生頻率啁啾效應，即波長的漂移。當注入電流增加的時候，在光輸出不足以彌補電流的增加，載流子濃度上升，導致激活區(qū)暫時折射率變小，這樣縮短了激光腔里的光程，波長藍移。類似的，在載流子濃度下降時間，波長開始紅移。啁啾導致光譜加寬，信號質量變差。調制深度為0.8時，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)的關系

3 小結

本文首先對量子阱激光器在不同寬度光限制層時的傳輸帶寬進行了對比。光限制層越寬，載流子的傳輸效應就越明顯，導致傳輸帶寬減小。接著分別對不同調制深度和不同偏置電流下的光子密度進行了分析。大信號調制下，隨著調制深度m的增加，激光峰值不斷變窄和變尖銳。當偏置電流減小時，光子密度也不斷減小。當溫度升高時，對應的光子密度降低。在同頻率下比較了脈沖和正弦調制信號的輸出波形，二者輸出波形相似。在大信號調制下，會產(chǎn)生頻率啁啾效應。最后分析了啁啾效應。多量子阱激光器中的微分增益更高，啁啾效應比單量子阱激光器中小。

[1] Zhang L M, John E. Carroll Large-Signal Dynamic Model of the DFB Laser[J].IEEE Journal of quantum electronics, 1992, 3 (28):604-610.

[2] 鄒德恕,廉鵬,徐晨.量子阱半導體激光器 P-I 特性曲線扭折的研究[J].光電子·激光,2002,6(13):547-549.

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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，甘肅慶陽人，工程師，碩士，主要從事計算機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).