高速率半导体激光器直接调制技术研究

2015-10-21于新雨王博钰杨光钟文才

现代职业教育·职业培训 2015年9期

于新雨王博钰杨光钟文才

[摘要] 半导体激光器可以进行直接调制，在空间光通信中具有巨大应用前景。针对半导体激光器直接调制中的啁啾效应、调制特性开展仿真研究和调制电路设计。

[关键词] 半导体激光器;直接调制;啁啾效应;高速率

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2015）27-0122-02

激光调制分为直接调制和外调制。直接调制也称内调制，是利用调制信号改变激光器振荡特性的方法，可以通过改变激光器谐振腔内谐振特性或者改变激光器驱动注入电流来实现直接调制。半导体激光器采用直接调制方式，结构简单、易于实现。半导体激光器注入电流进行激励时，会产生相应的电光延迟和弛豫振荡，在调制速率高于2 Gbps时，这种现象更为明显，限制了空间激光通信的距离。本文重点分析直接调制半导体激光器的调制特性。

一、激光直接调制工作原理

本文采用的直接调制方案是通过将调制信号加载于激光器驱动电流对激光输出进行直接调制，使激光器输出光的强度随信号而变化，属于激光强度调制。

二、影响直接调制速率因素

分析制约激光器影响高速调制特性的因素以实现更大的调制带宽、更高的调制速率。

（一）电光延迟

激光器的电光延迟导致输出光脉冲展宽，如果注入的电流调制信号脉冲宽度与电光延迟时间特别接近时，调制输出信号会产生影响，影响严重时出现畸变。为实现高速激光调制，应尽量减小电光延迟时间。主要通过增大激光器的偏置电流，使其接近阈值电流，可以有效地减小电光延迟时间。

（二）弛豫振荡

半导体激光器直接调制的最大频率取决于弛豫振荡频率，当调制信号的频率接近于弛豫振荡频率，激光器不能正常调制。因此半导体激光器要想实现高速直接调制，必须提高激光器的弛豫振荡频率。

（三）电学寄生参数

半导体激光器的电学寄生参数主要有器件结构和电极连线的寄生电阻、点接触引线的寄生电感、有源区电容和电极间电容的寄生电容，减小寄生参数可以有效提高弛豫振荡频率，相应地可以增加激光器的调制带宽，因此有必要对激光器结构和封装进行优化。

（四）热效应

半导体激光器温度特性差，温度升高时导致其工作特性下降，甚至无法调制。激光器驱动电流增加使激光器结温度随之提升，散热不及时导致调制效果变差或出现信号畸变，严重时激光器被损坏。

（五）增益饱和

增益饱和对半导体激光器高速调制特性的影响严重。增益饱和越大则峰值越低，振荡频率也相应下降。增益饱和限制了半导体激光器弛豫振荡频率，当然也限制了激光器的调制带宽。

三、直接调制系统设计

半导体激光器直接调制为实现线性调制，必须保证静态工作点位于特性曲线的直线区间，因此需要在给激光器加调制信号的同时注入合适的直流偏置电流Ib。半导体激光器直接调制时，调制信号和直流电流共同作用所以功耗较大，需要对激光器工作温度进行稳定控制，否则影响或破坏正常调制。

使用半导体激光器作光源，要施加偏置电流Ib，使其工作点处于半导体激光器的P-I特性曲线的直线段。其调制线性好坏与调制深度m有关：

因为数字光信号在信道上传输过程中抗干扰能力强且对数字通信系统的线性要求不高，可充分利用光源（LD）的发光功率。

根据在大气激光通信中激光功率的损耗和对激光光束散角小的要求，选用了数字直接调制的，输出功率为200 mW，调制速率大于300 Mbps，束散角小于1 mrad的集成激光器模块。

（一）直接调制激光驱动器调制电流的参数设计

采用PECL电平格式，高速、高强度电流固态混合激光二极管驱动技术。采用一种后向匹配技术，不用匹配阻抗终端，可直接驱动半导体激光器，避免热源对高性能激光器的损害。利用数字、高速的半导体激光器电流驱动调制技术实现直接调制发射系统，调制电流的峰-峰值可达到400 mA，最高调制速率622 Mbps，偏置电流选择范围0～40 mA。

设计直接调制高速激光器驱动器电路时，调制电流的大小由调制电流设置端和温度补偿端所接的电阻值决定。其中调制电流设置端的外接电阻决定温度恒定不变时的电流值，当激光管选定后，调制电流一般就已决定。而温度补偿端的电阻值决定当温度变化时的补偿电流值。因此调制电流的设計，关键在于确定调制电阻值和温度补偿的电阻值。

根据下式可以计算出它的温度系数L：