不同参数下大功率量子阱激光器的大信号调制特性

杨丽寰，李高清



不同参数下大功率量子阱激光器的大信号调制特性

*杨丽寰，李高清

(陇东学院电气工程学院，甘肃，陇东 745000)

本文对大功率量子阱激光器的大信号调制特性进行了参数分析。首先对量子阱激光器的传输带宽进行了对比。在不同宽度的光限制层的条件下，光限制层越窄，传输带宽越宽。其次分析了随着调制深度的变化对激光功率的影响，调制深度越小时，激光峰值不断变小。当温度升高时，对应的光子密度降低。偏置信号减小时，光子密度减小。在同频率下比较了脉冲和正弦调制信号的输出波形，输出波形相似。最后分析了啁啾效应。多量子阱激光器比单量子阱激光器中的啁啾更小。

量子阱激光器；大信号调制；调制深度；带宽,频率啁啾

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。20世纪90年代，已有很多理论是对小功率激光器的大信号调制特性进行了较深入的研究[1]。对大信号的研究，主要是分析其不同参数对通信质量的影响。在大信号调制下，由于载流子浓度的变化，导致介质折射率的变化，从而会产生啁啾效应。啁啾效应是指输出光信号的频谱展宽，这样就导致光信号质量变差。

对小功率激光器的研究，一般是指在1mW到50mW之间。这里我们对50 mW以上，波长为980 nm的InGaAs/AlGaAs量子阱激光器在大信号调制下的参数特征进行了分析。

1 理论分析

用MOCVD 生长外延片能制造出脊形条宽80 um的大功率激光器。在注入电流为1 A的条件下，输出功率可以达到431 mW[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：

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。

2 大功率LD的大信号调制特性分析

2.1 调制响应及速率

量子阱激光器的载流子和光子密度速率的方程可以表示为：

表1是在温度为300 K时的参数取值[3]，表示腔长，表示激活层厚度，表示激活区的宽度。

表1 温度为300K的参数LSCH(nm)

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。

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，当光限制层宽度为300 nm时，调制速率比光限制层宽度为76 nm时小。由此可知，光限制层的宽度影响激光器的调制速率，光限制层越窄时，在相同功率的时候调制速率就越大[4]。可见光限制层宽度是影响光通信质量的一个因素。

图1 MQW-LD调制响应

2.2 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是表示对偏置电流为I=200 mA，调制脉冲信号的频率为= 2.5 GHz时，不同的调制深度m对时域光子密度的影响。图2(a)、(b)、(c)中调制深度分别是1.9、1、0.8。比较可知，当调制深度m从0.8到1.9变化的时候光子密度最大值不断增大，而且峰值越来越尖锐。同时，光子密度不断减小时，激光峰值会变小。由此可知，调制深度越大，光信号质量会更差。为了提高通信质量，我们一般把调制深度控制的0.5以下。

图2 不同的调制深度的光子密度

在250 mA的直流调制下，当温度升高时，因为增益随温度升高而减小，所以对应的光子密度会降低，如图3所示。

图3 不同温度下光子的密度

图4表示在调制深度为0.85，调制脉冲的频率为= 2 GHz的条件下，不同偏置电流下的光子密度。图4中（a）、（b）、（c）的偏置电流分别是4I、2I、1.4I。偏置电流减小时，光子密度减小。

图4 不同偏置电流下的光子密度

图5是在I= 2I，= 2 GHz，ε=2.5×10-23m3，m=1.5时的脉冲信号和正弦波的大信号的调制波形。图5（a）是脉冲波形，（b）是正弦波。比较了两者的波形，发现二者的波形是相似的。

图5 脉冲信号和正弦波的调制波形

注入调制信号时，在大信号调制下会产生频率啁啾效应，即波长的漂移。当注入电流增加的时候，在光输出不足以弥补电流的增加，载流子浓度上升，导致激活区暂时折射率变小，这样缩短了激光腔里的光程，波长蓝移。类似的，在载流子浓度下降时间，波长开始红移。啁啾导致光谱加宽，信号质量变差。调制深度为0.8时，光限制层宽度不变的情况下，多量子阱激光器中的微分增益更高[5]。在多量子阱激光器中啁啾参数αeff的值要比在单量子阱激光器中小，所以多量子阱激光器中啁啾小些[6]，如图6所示。

图6 量子阱数与啁啾参数的关系

3 小结

本文首先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。接着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。当偏置电流减小时，光子密度也不断减小。当温度升高时，对应的光子密度降低。在同频率下比较了脉冲和正弦调制信号的输出波形，二者输出波形相似。在大信号调制下，会产生频率啁啾效应。最后分析了啁啾效应。多量子阱激光器中的微分增益更高，啁啾效应比单量子阱激光器中小。

[1] Zhang L M, John E. Carroll Large-Signal Dynamic Model of the DFB Laser[J].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.

[3] Jorge Manuel Torres Pereira. Large-signal modulation of MQW long-wavelength lasers[J]. Compel ABI/INFORM Global,2002,1(21):138-146.

[4] Nagarajan R, Fukushima T, Corzine S W, et al. Effects of carrier transport on high-speed quantum well lasers[J]. Appl. Phys. Lett., 1991, 59:1835-1836.

[5] De Temple, Thomas A. On the semiconductor laser logarithmic lain-current density relation[J]. IEEE J Quantum Electron，1993 ,QE-29: 1246-1252.

[6] 段慧.基于速率方程的半导体激光器响应特性研究[D].秦皇岛:燕山大学,2010:55-56.

LARGE-SIGNAL MODULATION CHARACTERISTICS OF LARGE-POWER QUANTUM WELL LASERS UNDER DIFFERENT PARAMETERS

*YANG Li-huan，LI Gao-qing

(Electrical Engineering College, Longdong University, Longdong , Gansu 745000, China)

The large-signal modulation characteristic of high-power quantum well laser is studied. Under the condition of different width of SCH, the transmission bandwidths of the quantum-well laser are compared. When SCH is narrower, the transmission bandwidth is wider. Under the large signal modulation, the laser peak is reduced with the decrease of modulation depth. When the temperature is higher, the density of photon is lower. With the reduction of bias signal, the photon density is decreasing. The pulse and sinusoidal modulation signal of the output waveform are compared, and the waveform under the same frequency is similar. Finally, we analyze the chirp effect. The multiple quantum-well laser chirps are smaller than the single quantum-well laser chirps.

quantum-well semiconductor laser; large-signal modulation; modulation depth; transmission bandwidth; frequency chirp

1674-8085(2014)01-0011-04

TN248.4

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.01.003

2013-11-21；

2013-12-18

*杨丽寰(1980-)，女，甘肃庆阳人，工程师，硕士，主要从事计算机通信与理论物理研究(E-mail: 330265525@qq.com);

李高清(1962-)，男，甘肃环县人，教授，硕士，主要从事理论物理与电气工程研究(E-mail:lgaoq@163.com).