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=Pp-PmPp式中, Pp是峰值光功率, Pm是最小光功率.在线性响应范围内最大调制深度为max=Pp-PtPp式中, Pt是阈值点处的光输出功率.因为Pt通常仅为Pp的5%或10%,所以理论上最大调制深度能大于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(Pp-Pt/2)处这一假设.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Net=1V-NesP-GNph和Npht=G-1phNph式中,Ne是反转电子数, Nph是光子数,I是电流,V是有源区的体积, sp是自发电子寿命, ph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Nph和N的微小变化为d2dt2nenph+ddtnenph+02nenph=1eVdI(t)dtgNphI(t)eV式中,02=1spgN0+1phIdcIth-1和=1sp+ph02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)=Imcos mt则调制深度为=nph(m)Nph=gImeV02-m2+im表达式(16.10)在频率vmax=max2=12(02-22)12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m接近零时的值做了归一化.两个spph值的曲线表明改变激光腔的Q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=splnIp/(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, R为R=02-(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,DAsaro 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r或其谐波频率处.如果锁定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r的10%.另一方面,也可以用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r与电流的关系,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,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250m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1.3m的GaInAsP C3激光器,其最大波长漂移为150A,调谐率为10A/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1=022neff1L1和2=022neff2L2式中, 0是峰值发射波长, neff1和neff2是有效折射率,L1和L2是两个腔的长度.因为这两个腔是强耦合的,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c=12|1-2|=022|neff1L1-neff2L2|由于c1或2,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位移到=0+Aexp(-a2W28a2)cos(at)式中, 0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, a是声波频率, a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400m,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(典型温度为77K),并被安装在微波波导或同轴线中.调制频率达到毫米波范围,甚至高达46GHz,但通常调制深度只有百分之几.因为冷却到77K对任何应用来说都是一个很大的障碍,所以在1970年获得了室温下连续运转的激光器之后,微波调制的进一步尝试就是实现其在这些器件中的使用.20世纪70年代,有关室温下连续运转激光器的微波调制的工作表明,这些器件能以高达10GHz的频率直接调制,其调制深度为百分之几,而在1-3GHz频率范围内直接调制,其调制深度可达30%.但是,当频率高于3GHz时,调制响应应受两个因素限制:一个是激光器本身的响应特性,另一个是二极管封装,周围的微波腔和(或)传输线的寄生电感电容和电阻.16.2.2 限制调制频率的因素限制激光二极管直接调制频率上限的因素总结在表16.1中.表中的前四项是激光二极管管芯本身固有的,后四项则是与二极管封装和微波电路有关.当然,并非所有这些因素在每一种情况下都是重要的,然而,它们中任何一个若单独起作用,则足以限制最大调制频率.在16.1.2节曾讨论了与载流子反转的建立有关的光开启延迟,通过把激光二极管恰好偏置在阈值以下,可以基本上消除这一延迟.即使频率一直到100GHz,光关闭延迟也不太可能是一个限制因素,这是因为在GaAs和GaAlAs中粒子数反转区内的载流子寿命约为10-11s,而光子的寿命甚至更短.然而,粒子数反转区内载流子的寿命比非粒子数反转材料中载流子的寿命要长100倍左右.因此,接近阈值偏置的激光二极管还有消除光子相当缓慢的衰减尾的作用,这些光子是在激光二极管电流低于阈值电流时通过自发辐射产生的.表16.1 限制激光二极管调制频率的因素延迟开启和关闭寄生电容和电感瞬态多模激发射频漏泄辐射驰豫振荡射频吸收损耗自激振荡阻抗失配瞬态多模激发使脉冲激光器在电流脉冲突然开启时输出谱变宽.当比特率较高时,此效应特别重要,因为这种瞬态多模激发会影响与光纤的耦合,并导致脉冲性状发生畸变.在这种应用场合下,建议采用优质,低阈值的单模激光器.在式(16.5)中,若I(t)等于零,显然可能产生光强的阻尼驰豫振荡.当驱动电流突然接通时,在频率R处会发生阻尼驰豫振荡, R为R=02-(2)2式中,0和见16.1.1节中的定义.在脉冲激光器的应用中,阻尼驰豫振荡具有光脉冲前沿减幅振荡的形式,并能大大增加比特误码率.Channin等对这种振荡波形及其对激光二极管高数据率调制的影响做了详细的研究.Lau和Yariv曾报道,由驰豫振荡共振引起的调制频率响应曲线的畸变(峰化),能通过减小激光器其中一个端面的反射率来消除.这样的反馈抑制缩短了光子寿命,能扩展调制响应曲线的平坦范围.参考式(16.6),式(16.7),式(16.10)和式(16.11),能够看出通过三种方式可以增大max和调制深度,即减小光子寿命,增大光子密度,以及增大光增益系数g.注意,通过增大驱动水平Idc/Ith能实现所有这三种希望的效应.为微波调制而专门设计的激光器的响应曲线如图16.3所示,其中粗实线表示松散耦合到外腔时,激光器的响应,而细实线对应紧耦合时的情形.该激光器腔长较短(约100m),而且两个端面的反射率不等,这可以增大峰值光子密度和减小光子寿命,另外,激光器运转在高驱动水平下.输出镜处加入一个窗结构,这样可以达到更高的光子密度,而不会对镜面造成破坏.输出激光的3dB带宽大约为10GHz,而且通过激光耦合到外腔,可以使响应峰值移到更高的频率处.高驱动水平对激光二极管微波响应的影响可以由图16.4中的数据看出.所用器件是带100m短腔的掩埋异质结InGaAsP激光器.将器件轻微冷却到20,能在一定程度上改进频率响应,因为这增大了增益系数.观察到的激光器18GHz的带宽,必须使寄生效应小,共振频率高.图16.5所示的压缩台面激光器具有很低的电容量,因为焊盘电容通常只有0.35pF(由于焊盘下面的厚聚酰亚胺层,并且焊盘本身只有50-100m宽),电流限制压缩台面结构的电容也非常小(0.18pF).另外,从图16.5中的响应数据中还能看到驱动水平的强效应.图16.3 高频激光二极管的调制响应图16.4 InGaAsP掩埋异质结激光器的频率响应Chen等也得到了类似的结果,他们用一个空气桥接触结构和一个窄台面来减小寄生效应,结果在发射波长为1.3m的DFB激光器中得到18GHz的3dB带宽.该器件还能组装到一个多量子阱结构中,这进一步提高了激光器的性能(激光器性能的提高源于采用了多量子阱结构,相关内容将在18.2节中详细介绍).Lipsanen等还报道了发射波长为1.55m的多量子阱DFB激光器的调制,调制带宽为20GHz,在不考虑寄生效应时激光器的本征带宽估计为35GHz.图16.5所示为激光器的偏置电流对最大调制频率的影响,在Ralston等报道的InGaAs/GaAs/AlGaAs多量子阱脊形激光器中也很明显.他们观察到当偏置电流为25mA时,调制带宽为24GHz,而当偏置电流为65mA时,调制带宽增大到33GHz.这些器件的阈值电流约为10mA.尽管增大偏置电流对调制带宽有积极的影响,但应指出的是,这些激光器中的电流仍相对较低,这归因于采用了复杂的激光器结构-短腔,多量子阱以及脊形波导结构.图16.5 压缩台面激光器的频率响应当考虑使调制频率达到毫米波范围(大于30GHz)时,最好采用行波方法.Tromberg等发展了一种行波分析方法,该方法适用于一大类半导体激光器,包括多段DFB和DBR激光器以及增益耦合DFB激光器.该分析方法将激光器的强度调制和频率调制都考虑在内.关于高频调制激光二极管的历史回顾,可以参见Suematsu和Arai的论文.16.2.3 微波调制激光二极管封装设计除了表16.1中的前四项频率限制因素是激光二极管管芯本身固有的以外,还有许多与器件封装和微波电路相关的因素也必须考虑.当传统的低频激光二极管用于1GHz以上频率时,其封装的寄生电容和电感往往是限制调制频率的最重要的因素.典型的低频激光二极管封装如图16.6所示.从图中可见,加偏置的引线与管座的螺纹形成同轴电容器,典型电容值为3pF.因此,若将频率为10GHz的微波信号加到偏置引线上,并联容抗仅约为5.因为从引线柱到激光器管芯的电感约2nH,在10GHz时相当于140左右的串联感抗.显然,若将10GHz的调制信号通过偏置引线加到激光器管芯上,实际上将导致所有的信号经电容分流到地.跨于引线柱和激光二极管管芯之间的非屏蔽键合线,在频率为10GHz的数量级时还能起到天线的作用,使相当一部分微波能量被激光二极管辐射.这不但对于光的产生是一种能量损失,而且它还能够耦合到领近的器件和电路中,引起严重的射频干扰(RFI).常规激光二极管的封装会产生微波调制能量的附加损耗,这是因为用于隔离偏置引线的介质材料和金属表面的射频吸收.上述所有微波损耗机制加上大部分入射微波能量被反射(这是因为激光二极管封装与波导或传输线之间的阻抗匹配很差),其共同作用的必然结果是,实际上只有极少的(或没有)微波能量被输送到激光器管芯.显然,必须专门设计供微波频段用的激光二极管的封装.避免激光二极管封装有害效应最有效的方法是,直接把激光二极管安装到微波带状线上.这种微波传输线由分布在金属背介电衬底表面上相当细的金属条组成,可以方便地制作在半绝缘GaAs或InP衬底以及陶瓷衬底上.当针对所用频带合理设计微波带状线的尺寸时,这样的带状线可具有非常低的寄生效应和微波损耗.用于1GHz以上频率的商用激光二极管通常被安装在一个热沉上,热沉上有一个带状导线,以与带状线馈电适当匹配.微波带状线能够在半绝缘GaAs或InP衬底上制作这个事实,使将微波调制激光二极管单片集成到光集成回路中成为可能.图16.6 典型商用激光二极管的封装图,图中所有尺寸均为英寸作为单位16.3 单片集成的直接调制器激光二极管及其微波调制器单片集成的前景是引人注目的,不但因为它明显适用于光集成回路,而且因为它有减小互联电路的集成电感和电容的优点.激光二极管与场效应晶体管(FET)可单片组合的实例如图16.7所示.在这一器件中,激光器结构成FET漏区的主要部分,两者在电性上串联连接.FET的栅极由微波调制信号控制,产生相应的调制漏区电流,此电流流经激光二极管.在高阻GaAs衬底上形成肖特基势垒栅FET,如图16.7所示,其截止频率在10-100GHz范围,主要取决于栅极的长度.由于激光器结与FET漏区单片集成,使互联电感和电容减至最小,因此预期可改进高频调制的响应特性.图16.7 在GaAs衬底上单片集成的激光二极管和场效应晶体管调制器激光二极管与微波调制器件单片集成所要求的制作工艺是相当复杂的,需要这两个领域的专门知识,而这两个领域通常是分开处理的.尽管如此,仍有许多这种单片集成的成功范例.Margalit等在Cr掺杂的GaAs衬底上制作了单片集成的GaAlAs激光器FET,工作频率在1GHz以上.Ury和Fukuzawa也在GaAs上制作了集成的MESFET和激光器芯片.随着这些早期的对激光器与FET集成的论证,其他研究者继续研制单片集成的发射机,借手机,中继器和收发机.这些回路将光器件和电器件组合起来,称为光电集成回路或OEIC.图16.8给出了OEIC发射机的一个实例,该回路将一个掩埋异质结激光器和一个FET前置放大器组合到一起.激光器采用三个异质结双极晶体管(HBT)驱动,因为HBT具有高驱动电流的能力,而FET用作前置放大器是因为它的输入阻抗较高.该OEIC能工作在大于21Gbps的数据率下.图16.8 基于GaInAsP的长波长OEIC发射机,衬底是半绝缘的InP单片激光器/调制器结构(如图16.7和图16.8所示的那些)不仅增加了微波耦合的效率,而且为改进光耦合提供了机遇,因为正如第14章中讨论的那样,激光器能够单片耦合到波导.Ota等在GaAs衬底上实现了垂直腔表面发光激光器(VCSEL)与一个外腔的单片集成,其中外腔的长度为300m.模拟结果表明,当VCSEL单纵模运转,并且由外腔反馈提供反向耦合时,这种结合的直接调制期望带宽为40GHz.16.4 放大激光调制限制光导体激光器最大调制频率的几个因素,与流经激光二极管的电流成反比.这些因素包括:因注入载流子造成的折射率改变而引起的脉冲的频移(啁啾),结发热效应,以及寄生电容和电感造成的延迟.减轻这些因素影响的一种方法是,使激光二极管工作在驱动电流相对低的低功率水平,随后用光放大器再将激光输出放大到传输所需要的功率水平.第13章中讨论的任意一种光放大器均可使用,但通常半导体光电放大器(SOA)的兼容性最佳.如果在同一半导体材料体系中制作激光器和放大器,它们就能够方便地集成.例如,Verdi