半導(dǎo)體激光器信號有限時間同步傳輸實驗分析

何景瓷

九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 九江 332005

0 引言

半導(dǎo)體激光器除具備激光器的基本特點，還兼具易于制作、低電流、低驅(qū)動功率、高工作效率等優(yōu)勢，在應(yīng)用時可很好地與各類電子器件結(jié)合，表現(xiàn)出良好的電子集成特性。因此，半導(dǎo)體激光器在保密通信、光信息處理、光傳輸?shù)阮I(lǐng)域被廣泛使用并取得顯著成果[1]。一般，在傳輸光信號時，半導(dǎo)體激光器可控制光信號的輸入與輸出，保證光輸出與人們的期望目標(biāo)信號保持一致。

1 半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷程和工作原理

1.1 半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷程

半導(dǎo)體二極管在使用一段時間后，性能會逐漸退化，甚至有些功能會喪失，這種變化是不可逆轉(zhuǎn)的，最終導(dǎo)致半導(dǎo)體二極管不能使用。半導(dǎo)體二極管無法在不方便更換、需要長期工作的場合中使用，因此，半導(dǎo)體激光器應(yīng)運而生[2]。半導(dǎo)體激光器體積小、效率高、應(yīng)用廣泛、價格低，波長范圍寬，通過簡單的操作可實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，提升了激光功率。

20世紀80年代，研究人員通過學(xué)習(xí)和借鑒半導(dǎo)體物理的發(fā)展成果，綜合應(yīng)變量子阱和量子阱等新型結(jié)構(gòu)，結(jié)合增強調(diào)制Bragg發(fā)射器、折射率調(diào)制Bragg發(fā)射器，融合CBE、MOCVD、MBE等晶體生長技術(shù)新工藝，使用全新的外延生長工藝，對晶體的生長情況作出精確的控制，并使精準(zhǔn)度達到原子層厚度，獲得了高質(zhì)量的應(yīng)變量子阱和量子阱材料，制得半導(dǎo)體激光器[3]。這種類型的半導(dǎo)體激光器大幅度提高了轉(zhuǎn)換效率，降低了閾值電流，明顯延長了使用壽命，輸出功率也成倍增長。

小功率半導(dǎo)體激光器也在信息技術(shù)領(lǐng)域獲得突飛猛進的發(fā)展，基于小功率半導(dǎo)體激光器的器件表現(xiàn)出速率高、單頻窄線寬、光電單片集成化、波段長化、可調(diào)諧等特點[4]。

高功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展勢頭同樣很強，高功率、高效率的半導(dǎo)體激光器及其列陣已經(jīng)成為全固化激光器，為半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。如今，輸出功率達到120 W、1 500 W、3 000 W的高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)研發(fā)成功，在光存儲、激光通信、激光打印、測距等方面的應(yīng)用十分廣泛[5]。

1.2 半導(dǎo)體激光器的工作原理

半導(dǎo)體激光器的工作原理為激勵方式，在能量間通過半導(dǎo)體物質(zhì)實現(xiàn)遷躍發(fā)光，組合半導(dǎo)體晶體解理面獲得2個呈平行狀態(tài)的反射鏡面作為反射鏡，得到諧振腔，使得光振蕩、反饋，放大光的輻射，從而實現(xiàn)激光輸出。

半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)封裝技術(shù)的基礎(chǔ)是分立器件封裝技術(shù)，其通過合理化的演變和發(fā)展形成半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)封裝技術(shù)，這種技術(shù)存在很大的特殊性。分立器件的管芯普遍在封裝體內(nèi)被封裝，其主要作用是保護管芯，實現(xiàn)與電氣互連的目標(biāo)[6]；封裝半導(dǎo)體激光器需要輸出電信號，維系管芯的正常穩(wěn)定工作，輸出要以電參數(shù)、光參數(shù)、可見光功能要求等為依據(jù)，不能簡單地設(shè)置半導(dǎo)體激光器的分裝分立器件。

半導(dǎo)體激光器核心發(fā)光構(gòu)件為PN結(jié)管芯，其組成為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，當(dāng)多數(shù)載流子和PN結(jié)的少數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合時，將會出現(xiàn)近紅外光或紫外光等光線。但是，從PN結(jié)區(qū)發(fā)射出來的光子是非定向狀態(tài)的，在不同方向發(fā)射光子的概率相同，不能完全釋放管芯產(chǎn)生的光。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要受到管芯結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體材料質(zhì)量、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)和幾何形狀、包封材料等因素的影響，實際應(yīng)用中需要提升半導(dǎo)體激光器內(nèi)部量子效率和外部量子效率[7]。在今后的研究工作中，不僅需要改善材料內(nèi)部雜質(zhì)數(shù)量、位錯和晶格缺陷等，以提升內(nèi)部效率；還需要采取措施優(yōu)化封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管芯，提升半導(dǎo)體激光器內(nèi)部發(fā)射光子的概率，提高光效[8]。

2 半導(dǎo)體激光器信號有限時間同步傳輸實驗

2.1 實驗系統(tǒng)

半導(dǎo)體激光器信號有限時間同步傳輸實驗系統(tǒng)如圖1所示。

在圖1中，SL1為半導(dǎo)體激光器1，當(dāng)其發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直以后，會傳輸?shù)椒质鰾S1中被分成2個部分。其中一部分光經(jīng)過中性濾波器NDF后，通過分束器BS2注入半導(dǎo)體激光器SL2內(nèi)，從而得到延遲互耦結(jié)構(gòu)；另一部分光通過隔離度超過55 dB的隔離器OI1及光纖耦合器FC1，進入檢測系統(tǒng)內(nèi)。半導(dǎo)體激光器SL2傳出的光，經(jīng)過準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直以后，會被傳輸?shù)椒质鰾S2中被分成2個部分。其中一部分光經(jīng)過中性濾波器NDF后，通過分束器BS1注入半導(dǎo)體激光器SL1內(nèi)，從而得到延遲互耦結(jié)構(gòu)；另一部分光通過隔離度超過55 dB的隔離器OI2及光纖耦合器FC2，進入檢測系統(tǒng)內(nèi)。

圖1 半導(dǎo)體激光器實驗系統(tǒng)示意圖

光傳輸?shù)娘w行時間約為3.45 ns，通過中性濾波器可以控制互耦強度；光電探測器設(shè)備的帶寬為12 GHz，型號為New Focus 1544-B，可以將光信號轉(zhuǎn)變得到電信號；數(shù)字示波器的帶寬為6 GHz，型號為Agilent 54855A，其主要作用是記錄時間序列；光譜分析儀的精準(zhǔn)度為0.01 nm，型號為Ando AQ6317，其主要作用是完成半導(dǎo)體激光器光譜探測；應(yīng)用精度小于0.01 K的溫度控制器可以劃分參數(shù)相近的InP和InGaAsP半導(dǎo)體激光器的工作溫度，將半導(dǎo)體激光器SL1的溫度維系在20.00 ℃，半導(dǎo)體激光器SL2的溫度維系在20.63 ℃；高精度電流源（ILX-Lightwave，LDX-3620）和低噪聲電流源對半導(dǎo)體激光器偏置電流有控制作用。在整個實驗過程中，半導(dǎo)體激光器SL1電流偏置控制在20.15 mA，約為半導(dǎo)體激光器SL1閾值的1.81倍。當(dāng)半導(dǎo)體激光器SL1左右運行時，峰值的波長λ1的取值為1 549.814 nm。在電流為18.8～21.0 mA時，半導(dǎo)體激光器SL2電流值是連續(xù)可調(diào)的。當(dāng)半導(dǎo)體激光器SL2的電流偏置取值為20.00 mA時，半導(dǎo)體激光器SL2的電流偏置大約為閾值的1.8倍。當(dāng)半導(dǎo)體激光器SL2自由運動時，其峰值波長λ2與λ1相等，均為1 549.814 nm。

2.2 實驗結(jié)果

在半導(dǎo)體激光器信號有限時間同步傳輸實驗中，阻斷半導(dǎo)體激光器SL1和半導(dǎo)體激光器SL2的耦合光路，會得到半導(dǎo)體激光器SL1的自由運行光譜。而后，連接斷開的耦合光路，調(diào)節(jié)中性濾波器，在延遲互耦狀態(tài)下，半導(dǎo)體激光器SL1和半導(dǎo)體激光器SL2進入混沌狀態(tài)。根據(jù)實驗分析發(fā)現(xiàn)，處于混沌狀態(tài)的半導(dǎo)體激光器的光譜輸出明顯展寬。

假設(shè)半導(dǎo)體激光器SL1的偏置電流為20.15 mA，半導(dǎo)體激光器SL2的偏置電流為20.20 mA，此時兩個半導(dǎo)體激光器的輸出呈無規(guī)則狀態(tài)，類噪聲且存在亞納秒脈沖。從時間上看來，兩個半導(dǎo)體激光器形成的脈沖軌跡不完全一致，甚至?xí)霈F(xiàn)時間差。

為了更進一步探究半導(dǎo)體激光器SL1和半導(dǎo)體激光器SL2之間的有限時間同步傳輸效果，在分析時引入互相關(guān)函數(shù)，得到的關(guān)系表達式如下：

式中：C(Δt)為互相關(guān)函數(shù)，半導(dǎo)體激光器SL1和半導(dǎo)體激光器SL2用下標(biāo)數(shù)字1和2表示，<>表示取時間平均值；Δt為時間移動；P為時間序列。C的取值越大，表示有限時間同步傳輸質(zhì)量越高。當(dāng)C的取值為1時，表示有限時間同步傳輸已經(jīng)實現(xiàn)完全同步。

在半導(dǎo)體激光器SL1和半導(dǎo)體激光器SL2兩個半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)有限時間同步傳輸時，時間延遲為3.45 ns。但是，兩個半導(dǎo)體激光器輸出的信號相關(guān)關(guān)系存在2個近似相等的極大值，這個現(xiàn)象表明半導(dǎo)體激光器信號有限時間同步傳輸系統(tǒng)在進行信號傳輸時不能實現(xiàn)穩(wěn)定同步，而且兩個半導(dǎo)體激光器之間的滯后和超前關(guān)系會出現(xiàn)隨機性的變動。

3 系統(tǒng)模型與理論分析

構(gòu)建以延遲互耦半導(dǎo)體激光器為基礎(chǔ)的有限時間同步系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 延遲互耦半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)模型

在模型中，中性濾波器的作用主要是對注入強度作出簡單調(diào)節(jié)。在分析延遲互耦半導(dǎo)體激光器的動態(tài)行為時，可使用以下速率方程組：

式中：下標(biāo)數(shù)字1和2分別為半導(dǎo)體激光器SL1和半導(dǎo)體激光器SL2；E為慢變復(fù)電場；t為時間；α為線寬增長因子；τ為飛行時間；τp為光子壽命；τn為載流子壽命；τin為兩個半導(dǎo)體激光器耦合的時間；i為半導(dǎo)體激光器偏置電流；f為頻率；G為光增益系數(shù)；k為耦合系數(shù)。光增益系數(shù)的函數(shù)關(guān)系表達式如下：

式中：G1.2為半導(dǎo)體激光器SL1和半導(dǎo)體激光器SL2的光增益系數(shù)；g1.2為微分增益系數(shù)；N1.2為透明載流子數(shù)；N0為透明載流子數(shù)； 為增益飽和系數(shù)。

利用四階龍格庫塔法計算式（2）～式（4），假設(shè)線寬增長因子取值為3，飛行時間取值為3.45 ns，載流子壽命取值為4 ns，光子壽命取值為4 ps，微分增益系數(shù)取值為8.9×10-6ns-1，透明載流子數(shù)取值為108，半導(dǎo)體激光器SL1和半導(dǎo)體激光器SL2的偏置電流取值為20.15 mA。經(jīng)計算得知，半導(dǎo)體激光器SL1和半導(dǎo)體激光器SL2兩個激光器信號可在有限時間內(nèi)完成同步傳輸。但是在信號傳輸時，會受到自發(fā)輻射噪音的影響，破壞該系統(tǒng)的對稱性。相關(guān)函數(shù)有兩個近似相關(guān)的極大值，該系統(tǒng)不能保證半導(dǎo)體激光器信號有限時間內(nèi)同步傳輸具有穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

文章重點分析了半導(dǎo)體激光器信號有限時間傳輸同步情況，首先對半導(dǎo)體激光器的基本特點和作用原理展開簡要分析，了解了半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用特征。然后重點研究半導(dǎo)體激光器信號有限時間同步傳輸?shù)南嚓P(guān)試驗，綜合試驗設(shè)備、定量分析作出實踐性探討。實驗結(jié)果具有一定的參考價值，可以為半導(dǎo)體激光器信號有限時間傳輸技術(shù)的發(fā)展提供參考。