中财网学生创意沙龙活动:半导体激光器的 调制特性
来源：百度文库 编辑：中财网 时间：2024/05/11 21:57:41
半导体激光器的 调制特性
半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，如常见的电光延迟、 张弛振荡和自脉动现象。
这些特性严重限制系统传输速率和通信质量，因此在电路的设计时要给予充分考虑。
1. 电光延迟和张弛振荡现象
半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应波形如图4.3所示。
输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为 ns。
当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡， 称为张弛振荡，其振荡频率fr(=ωr/2π)一般为0.5~2 GHz。
这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。
张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。
当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率。
电光延迟要产生码型效应。
当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“1”码丢失， 这种现象称为“码型效应”。
如图4.4，在两个接连出现的“1”码中，第一个脉冲到来前，有较长的连“0”码， 由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间的影响，因此脉冲变小。
第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲的电子复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短， 脉冲较大。
“码型效应”的特点是：在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。用适当的“过调制”补偿方法， 可以消除码型效应，见图4.4(c)所示。
通过LD速率方程组的瞬态解得到的张弛振荡频率ωr及其幅度衰减时间τo和电光延迟时间td的表达式为：
(4.1)
(4.2)
(4.3)
式中，τo是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth分别为注入电流密度和阈值电流密度。τsp和τph分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，τsp≈10-9s,τph≈10-12s，即τspτph。
由式(4.1)~式(4.3)可以看到:
(1) 张弛振荡频率ωr随τsp、τph的减小而增加，随j的增加而增加。这个振荡频率决定了LD的最高调制频率。
(2) 张弛振荡幅度衰减时间τo与τsp为相同数量级，并随j的增加而减小。
(3) 电光延迟时间td与τsp为相同数量级，并随j的增加而减小(j>jth)。
由此可见，增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率ωr，减小其幅度衰减时间τo，以及减小电光延迟时间td，因此对LD施加偏置电流是非常必要的。
2. 自脉动现象
某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象，如图4.5所示。
自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。
自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的， 往往和LD的P - I曲线的非线性有关, 自脉动发生的区域和P -