高速率半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制技術(shù)研究

于新雨 王博鈺 楊光 鐘文才

[摘 ? ? ? ? ?要] ?半導(dǎo)體激光器可以進(jìn)行直接調(diào)制， 在空間光通信中具有巨大應(yīng)用前景。針對(duì)半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制中的啁啾效應(yīng)、調(diào)制特性開展仿真研究和調(diào)制電路設(shè)計(jì)。

[關(guān) ? 鍵 ? ?詞] ?半導(dǎo)體激光器;直接調(diào)制;啁啾效應(yīng);高速率

[中圖分類號(hào)] ?G712 ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? [文章編號(hào)] ?2096-0603（2015）27-0122-02

激光調(diào)制分為直接調(diào)制和外調(diào)制。直接調(diào)制也稱內(nèi)調(diào)制，是利用調(diào)制信號(hào)改變激光器振蕩特性的方法，可以通過改變激光器諧振腔內(nèi)諧振特性或者改變激光器驅(qū)動(dòng)注入電流來實(shí)現(xiàn)直接調(diào)制。半導(dǎo)體激光器采用直接調(diào)制方式，結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體激光器注入電流進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電光延遲和弛豫振蕩，在調(diào)制速率高于2 Gbps時(shí)，這種現(xiàn)象更為明顯，限制了空間激光通信的距離。本文重點(diǎn)分析直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性。

一、激光直接調(diào)制工作原理

本文采用的直接調(diào)制方案是通過將調(diào)制信號(hào)加載于激光器驅(qū)動(dòng)電流對(duì)激光輸出進(jìn)行直接調(diào)制，使激光器輸出光的強(qiáng)度隨信號(hào)而變化，屬于激光強(qiáng)度調(diào)制。

二、影響直接調(diào)制速率因素

分析制約激光器影響高速調(diào)制特性的因素以實(shí)現(xiàn)更大的調(diào)制帶寬、更高的調(diào)制速率。

（一）電光延遲

激光器的電光延遲導(dǎo)致輸出光脈沖展寬，如果注入的電流調(diào)制信號(hào)脈沖寬度與電光延遲時(shí)間特別接近時(shí)，調(diào)制輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生影響，影響嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)畸變。為實(shí)現(xiàn)高速激光調(diào)制，應(yīng)盡量減小電光延遲時(shí)間。主要通過增大激光器的偏置電流，使其接近閾值電流，可以有效地減小電光延遲時(shí)間。

（二）弛豫振蕩

半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制的最大頻率取決于弛豫振蕩頻率，當(dāng)調(diào)制信號(hào)的頻率接近于弛豫振蕩頻率，激光器不能正常調(diào)制。因此半導(dǎo)體激光器要想實(shí)現(xiàn)高速直接調(diào)制，必須提高激光器的弛豫振蕩頻率。

（三）電學(xué)寄生參數(shù)

半導(dǎo)體激光器的電學(xué)寄生參數(shù)主要有器件結(jié)構(gòu)和電極連線的寄生電阻、點(diǎn)接觸引線的寄生電感、有源區(qū)電容和電極間電容的寄生電容，減小寄生參數(shù)可以有效提高弛豫振蕩頻率，相應(yīng)地可以增加激光器的調(diào)制帶寬，因此有必要對(duì)激光器結(jié)構(gòu)和封裝進(jìn)行優(yōu)化。

（四）熱效應(yīng)

半導(dǎo)體激光器溫度特性差，溫度升高時(shí)導(dǎo)致其工作特性下降，甚至無法調(diào)制。激光器驅(qū)動(dòng)電流增加使激光器結(jié)溫度隨之提升，散熱不及時(shí)導(dǎo)致調(diào)制效果變差或出現(xiàn)信號(hào)畸變，嚴(yán)重時(shí)激光器被損壞。

（五）增益飽和

增益飽和對(duì)半導(dǎo)體激光器高速調(diào)制特性的影響嚴(yán)重。增益飽和越大則峰值越低，振蕩頻率也相應(yīng)下降。增益飽和限制了半導(dǎo)體激光器弛豫振蕩頻率，當(dāng)然也限制了激光器的調(diào)制帶寬。

三、直接調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制為實(shí)現(xiàn)線性調(diào)制，必須保證靜態(tài)工作點(diǎn)位于特性曲線的直線區(qū)間，因此需要在給激光器加調(diào)制信號(hào)的同時(shí)注入合適的直流偏置電流Ib。半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制時(shí)，調(diào)制信號(hào)和直流電流共同作用所以功耗較大，需要對(duì)激光器工作溫度進(jìn)行穩(wěn)定控制，否則影響或破壞正常調(diào)制。

使用半導(dǎo)體激光器作光源，要施加偏置電流Ib，使其工作點(diǎn)處于半導(dǎo)體激光器的P-I特性曲線的直線段。其調(diào)制線性好壞與調(diào)制深度m有關(guān)：

因?yàn)閿?shù)字光信號(hào)在信道上傳輸過程中抗干擾能力強(qiáng)且對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)的線性要求不高，可充分利用光源（LD）的發(fā)光功率。

根據(jù)在大氣激光通信中激光功率的損耗和對(duì)激光光束散角小的要求，選用了數(shù)字直接調(diào)制的，輸出功率為200 mW，調(diào)制速率大于300 Mbps，束散角小于1 mrad的集成激光器模塊。

（一）直接調(diào)制激光驅(qū)動(dòng)器調(diào)制電流的參數(shù)設(shè)計(jì)

采用PECL電平格式，高速、高強(qiáng)度電流固態(tài)混合激光二極管驅(qū)動(dòng)技術(shù)。采用一種后向匹配技術(shù)，不用匹配阻抗終端，可直接驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器，避免熱源對(duì)高性能激光器的損害。利用數(shù)字、高速的半導(dǎo)體激光器電流驅(qū)動(dòng)調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)直接調(diào)制發(fā)射系統(tǒng)，調(diào)制電流的峰-峰值可達(dá)到400 mA，最高調(diào)制速率622 Mbps，偏置電流選擇范圍0～40 mA。

設(shè)計(jì)直接調(diào)制高速激光器驅(qū)動(dòng)器電路時(shí)，調(diào)制電流的大小由調(diào)制電流設(shè)置端和溫度補(bǔ)償端所接的電阻值決定。其中調(diào)制電流設(shè)置端的外接電阻決定溫度恒定不變時(shí)的電流值，當(dāng)激光管選定后，調(diào)制電流一般就已決定。而溫度補(bǔ)償端的電阻值決定當(dāng)溫度變化時(shí)的補(bǔ)償電流值。因此調(diào)制電流的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于確定調(diào)制電阻值和溫度補(bǔ)償?shù)碾娮柚怠?/p>

根據(jù)下式可以計(jì)算出它的溫度系數(shù)L：

其中a為激光器的輸出功率與激光器電流所確定的直線斜率。

求得后，根據(jù)以下兩個(gè)公式，確定熱敏電阻R和調(diào)節(jié)電阻R：

（二）APC電路的參數(shù)設(shè)計(jì)

從驅(qū)動(dòng)器模塊功能來考慮，激光器和監(jiān)控二極管，RSET和功率控制放大器形成了功率控制環(huán)路?？刂骗h(huán)路實(shí)現(xiàn)維持輸出功率穩(wěn)定的目的。當(dāng)選定激光器后，激光器電流ID、偏置電流IBIAS也就確定了。

（三）直接調(diào)制系統(tǒng)測試

對(duì)高速直接調(diào)制激光系統(tǒng)進(jìn)行了測試，發(fā)射功率200 mW，調(diào)制速率500 Mbps，利用帶有前置放大器的APD進(jìn)行信號(hào)探測，其接收波形如1所示。波形規(guī)整，時(shí)間穩(wěn)定，調(diào)制效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛志偉.大功率半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制特性研究[D].長春理工大學(xué)，2013.

[2]羅毅，徐建明，黃縉.基于直接調(diào)制和外調(diào)制的高速半導(dǎo)體激光光源[J].紅外與激光工程，2008，37（2）：200-204.

[3]秦玉玲.激光通信系統(tǒng)直接調(diào)制發(fā)射單元研究[D].長春理工大學(xué)，2008.