vcsels噪声影响因子的仿真分析

vcsels噪声影响因子的仿真分析

1外光反馈条件下的噪声性能垂直腔发射多功能分析仪（rcsels）性能优良，在光谱工具领域得到广泛应用。通信系统中,由于光纤发射、接收端的发射;光盘系统中,由于光盘的反射等,输出光的一部分会反馈回激光器,严重影响VCSELs噪声性能,使其显示出与本身完全不同的行为,需要抑制。关于外光反馈对VCSELs和边发射器件相对强度噪声的影响已分别有文献报道,但多数文献只强调两者在外光反馈下噪声特性的相似性,对于外光反馈条件下VCSELs噪声性能的分析只是针对个别参数进行的。本文基于前期工作,通过Simulink动态仿真研究了在不同电流孔径、自发辐射因子和线宽增强因子三个参数下外光反馈水平对VCSELs相对强度噪声的影响,分析了其噪声灵敏性。2接收点波长级别不同于传统的边发射器件,VCSELs属于微腔结构,它的有源区体积是边发射激光器的几十甚至上百分之一,它腔长很小,在波长数量级上,面反射率极高,自发辐射因子也比边发射器件大几个数量级。它们的典型参数对比见表1。2.1氧化膜的基本原理考虑到外光反馈以及本征噪声,在速率方程中分别引入了外光反馈项Refp(t)、Refue001φ(t)和Langevin噪声项Fp(t)、Fn(t)、Fue001φ(t),表示如下[1.9]:dpdt=ΓvgGp−pτph+βNτsp+Fp(t)+Refp(t)(1)dndt=1eV−nτsp−ΓvgGp+Fn(t)(2)dφdt=12avg∂G∂n(n−nth)+Fφ(t)Refφ(t)(3)其中:p、n、ue001φ分别表示光子密度、载流子密度和光场相位;G为有源区增益,用p和n广义对数形式表示;V=πdw2(w为选择氧化膜的电流孔径,它决定有源区的面积大小);Refp(t)和Refue001φ(t)分别用下式表示Refp(t)=kextτlp(t)−−−√p(t−τext)−−−−−−−−√cos(θ(t))(4)Refφ(t)=−kextτlp(t−τext)√p(t)√sin(θ(t))(5)其中:ωth是振荡临限值;text是外部光返回延时;τl是腔内光子往返时间。kext=η(1−R1)Rext−−−−√/R1−−−√(6)式中:Rext为外光反射系数;η为外部反射面与出光面之间的耦合系数。VCSELs对外光反馈的灵敏性,可以通过分析外光反馈对其相对强度噪声的影响得到,定义如下RIN=p(t)2−p(t)¯¯¯¯¯¯2¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯p(t)¯¯¯¯¯¯2(7)以上讨论均假设腔内载流子和光子在空间均匀分布,突出了主要因素(典型参数变化的影响),又不失普遍性。3质量长的质性仿真建立数学模型后,在Simulink里选择固定步长的Runge-Kutta法进行仿真。考虑到弛豫振荡频率为数十GHz以上,仿真步长选择为10-3ns,此时的仿真精度完全满足理论分析的要求。3.1线宽增强因子对rin值的影响图1是以电流孔径w为参变量的RIN随外光反馈水平的变化曲线。可以看出,外部光反射率从10-6～10-4变化时,三条曲线相继产生一个突变(电流孔径大的最先产生突变),RIN增大了几十dB,这是因为VCSELs进入了相干崩塌状态。在相当大的范围内(Rext<10-2),电流孔径越大,相同Rext对应的RIN值越大。仿真结果基本与文献相符,不同的是RIN的值比文献结果稍大,这是因为仿真中考虑了本征噪声的影响。图2是以自发辐射因子参变量的RIN随外光反馈水平的变化曲线,可以看出三条曲线大约在Rext=10-5时产生突变并重合,这说明VCSELs对外光反馈的敏感程度基本不受自发辐射因子大小的影响。图3是以线宽增强因子为参变量的RIN随外光反馈水平的变化曲线,可以看出线宽增强因子越大越容易产生突变。从三幅图的结论可以看出,电流孔径和线宽增强因子越大,VCSELs对外光反馈越敏感,越容易进入不稳定状态,而自发辐射因子对此基本不影响。3.2外光反馈仿真图4是RIN随自发辐射因子β大小变化的曲线,可以看出,在β=10-6～10-4时RIN浮动不超过几dB,β>10-3时随着β的增大RIN呈明显下降趋势,相邻数量级间对应RIN的大小相差10dB以上。实际上VCSELs中β一般都是大于10-3的,这样选择β值较大的VCSELs可以减小RIN的大小。而一般面发射激光器的β值远小于10-3,改变其大小对RIN的影响不大。图5是RIN随有源区体积大小变化的曲线,Vo是参考体积(电流孔径1.5μm),横坐标表示有源区体积与参考体积的比。可以看出随着体积的增大,RIN也不断增大并逐渐趋于饱和。由于不同类型的VCSELs体积可以相差很大,可达100倍以上,因此实际应用时可以选择合适的结构参数来减小外光反馈的影响。相比之下边发射激光器的有源区体积变化范围就没有如此之大。另外,VCSELs反馈光属于弱反馈,它受外光反馈的影响要比边发射器件弱得多。4电流孔径和线宽增强因子对vcsens稳定性的影响通过建立有效的仿真模型,得到了VCSELs的外光反馈特性;