数值研究大功率激光器的大电流调制特性

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【摘要】本文对大功率激光器的大信号调制特性进行了分析。由于激光的弛豫振荡行为，会产生瞬态响应。在不同宽度的光限制层的条件下，对量子阱激光器的传输带宽进行了对比。光限制层越宽，载流子的传输效应越明显，导致传输带宽减小。大信号调制下，随着调制深度的增加激光峰值不断变尖锐。随着偏置信号的增大，光子密度也不断增大。

【关键词】量子阱激光器；大信号调制；调制深度；带宽

1.引言

光通信系统中，用激光做为光源，对小信号半导体激光器调制特性的研究，已经有比较成熟的理论做基础。小信号理论主要关注的是通信带宽和通信质量。在小信号理论的研究基础上，已有很多对小功率激光器的大信号调制特性的较深入的研究[1]。半导体激光器在调制过程中表现出动态特性，主要包括弛豫振荡行为、自发辐射、非线性效应、纵向空间烧孔效应等。大信号调制下，会产生啁啾效应，从而能使光谱展宽，导致光信号质量变差。

对小功率激光器的研究，它一般是指在1mW到50mW之间。这里我们对功率在100mW以上，波长为980nm的InGaAs/AlGaAs量子阱F-P腔激光器在大信号调制下的不同参数特征进行了研究和分析。

2.理论分析

根据设计，用MOCVD生长外延片，可以制造出脊形条宽80um的大功率激光器，具有良好的P-I曲线特性，如图1所示。在注入电流为1A的条件下，输出光功率可以达到431mW[2]。注入电流达到阈值电流后，输出光功率会随注入电流增大而呈线性增加。

输出光功率与注入电流的关系可表示为：

其中Ith是阈值电流，hv是光子能量，是内量子效率，e是电子电量，是镜面反射损耗，是内部损耗，R1和R2是镜面反射率。

为了限制载流子和良好的光波导传输，上下波导层与势垒层组成了激光器的有源区。本文对量子阱大功率激光器相应的调制响应特性进行了研究。

3.大功率LD的大信号调制特性分析

3.1 调制响应及速率

载流子和光子密度速率的方程是

上式中，N是载流子密度，S是光子密度，I是注入电流，g是增益，M是量子阱个数，V是单个量子阱体积，q是电子电荷，是单个量子阱的限制因子，是群速度，是光子寿命，是载流子的复合寿命，是注入电流效率。

表1是在温度为300K时的参数，表中的L为腔长，d为激活层厚度，w为激活区的宽度。

表1 方程中所用参数的取值

运用四阶龙格库塔方法对速率方程数值求解，可以得到载流子浓度和光子浓度。调制脉冲信号的频率选为f=2GHz。激光器加上直流电脉冲之后产生的激射光脉冲相对于电脉冲的延迟。直流调制下光子密度有瞬态振荡。

量子阱激光器在大脉冲信号调制下的响应速率如图1所示，如图1的（a）和（b），当光限制层宽度为76nm时，调制速率要大于相同功率下SCH宽度是300nm的情况。由此可知，光限制层的宽度影响激光器的调制速率，光限制层越宽时，在相同功率的时候调制速率就越小。

3.2 参数分析

这里对不同参数的大信号调制特性进行了比较。图2表示了偏置电流为Ib=250mA，调制脉冲信号的频率为f=2GHz时，不同的调制深度m对时域光子密度的影响。

从图3的（a）、（b）、（c）比较可知，当调制深度m从0.8到1.9变化的时候光子浓度最大值不断增大，而且峰值越来越尖锐。所以调制深度越大，光通信质量会更差。

图3表示在调制深度为0.85，调制脉冲的频率为f=2GHz时，随着偏置电流的增大，光子密度的波形幅度会不断增大。

4.小结

本文研究了980nm波长的量子阱F-P腔大功率激光器的大信号调制响应，对不同参数进行了比较与分析。

本文对量子阱激光器在不同宽度光限制层时的传输带宽进行了对比。光限制层越宽，载流子的传输效应就越明显，导致传输带宽减小。分别对不同调制深度和不同偏置电流下的光子密度进行了分析。大信号调制下，随着调制深度m的增加，激光峰值不断变窄和变尖锐。当偏置电流增大时，光子密度也不断增大。

参考文献

[1]L.M.Zhang and John E.Carroll Large-Signal Dynamic Model of the DFB Laser.IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS，1992，3（28）：604-610.

[2]邹德恕，廉鹏，徐晨.量子阱半导体激光器P-I特性曲线扭折的研究[J].光电子·激光，2002，6（13）：547-549.