半导体激光器信号有限时间同步传输实验分析

何景瓷

九江职业技术学院，江西 九江 332005

0 引言

半导体激光器除具备激光器的基本特点，还兼具易于制作、低电流、低驱动功率、高工作效率等优势，在应用时可很好地与各类电子器件结合，表现出良好的电子集成特性。因此，半导体激光器在保密通信、光信息处理、光传输等领域被广泛使用并取得显著成果[1]。一般，在传输光信号时，半导体激光器可控制光信号的输入与输出，保证光输出与人们的期望目标信号保持一致。

1 半导体激光器的发展历程和工作原理

1.1 半导体激光器的发展历程

半导体二极管在使用一段时间后，性能会逐渐退化，甚至有些功能会丧失，这种变化是不可逆转的，最终导致半导体二极管不能使用。半导体二极管无法在不方便更换、需要长期工作的场合中使用，因此，半导体激光器应运而生[2]。半导体激光器体积小、效率高、应用广泛、价格低，波长范围宽，通过简单的操作可实现光电转换，提升了激光功率。

20世纪80年代，研究人员通过学习和借鉴半导体物理的发展成果，综合应变量子阱和量子阱等新型结构，结合增强调制Bragg发射器、折射率调制Bragg发射器，融合CBE、MOCVD、MBE等晶体生长技术新工艺，使用全新的外延生长工艺，对晶体的生长情况作出精确的控制，并使精准度达到原子层厚度，获得了高质量的应变量子阱和量子阱材料，制得半导体激光器[3]。这种类型的半导体激光器大幅度提高了转换效率，降低了阈值电流，明显延长了使用寿命，输出功率也成倍增长。

小功率半导体激光器也在信息技术领域获得突飞猛进的发展，基于小功率半导体激光器的器件表现出速率高、单频窄线宽、光电单片集成化、波段长化、可调谐等特点[4]。

高功率半导体激光器发展势头同样很强，高功率、高效率的半导体激光器及其列阵已经成为全固化激光器，为半导体激光泵浦固体激光器的发展奠定基础。如今，输出功率达到120 W、1 500 W、3 000 W的高功率半导体激光器已经研发成功，在光存储、激光通信、激光打印、测距等方面的应用十分广泛[5]。

1.2 半导体激光器的工作原理

半导体激光器的工作原理为激励方式，在能量间通过半导体物质实现迁跃发光，组合半导体晶体解理面获得2个呈平行状态的反射镜面作为反射镜，得到谐振腔，使得光振荡、反馈，放大光的辐射，从而实现激光输出。

半导体激光器结构封装技术的基础是分立器件封装技术，其通过合理化的演变和发展形成半导体激光器结构封装技术，这种技术存在很大的特殊性。分立器件的管芯普遍在封装体内被封装，其主要作用是保护管芯，实现与电气互连的目标[6]；封装半导体激光器需要输出电信号，维系管芯的正常稳定工作，输出要以电参数、光参数、可见光功能要求等为依据，不能简单地设置半导体激光器的分装分立器件。

半导体激光器核心发光构件为PN结管芯，其组成为N型半导体和P型半导体，当多数载流子和PN结的少数载流子发生复合时，将会出现近红外光或紫外光等光线。但是，从PN结区发射出来的光子是非定向状态的，在不同方向发射光子的概率相同，不能完全释放管芯产生的光。这种现象的出现主要受到管芯结构、半导体材料质量、封装内部结构和几何形状、包封材料等因素的影响，实际应用中需要提升半导体激光器内部量子效率和外部量子效率[7]。在今后的研究工作中，不仅需要改善材料内部杂质数量、位错和晶格缺陷等，以提升内部效率；还需要采取措施优化封装内部结构和管芯，提升半导体激光器内部发射光子的概率，提高光效[8]。

2 半导体激光器信号有限时间同步传输实验

2.1 实验系统

半导体激光器信号有限时间同步传输实验系统如图1所示。

在图1中，SL1为半导体激光器1，当其发出的光经过准直镜准直以后，会传输到分束器BS1中被分成2个部分。其中一部分光经过中性滤波器NDF后，通过分束器BS2注入半导体激光器SL2内，从而得到延迟互耦结构；另一部分光通过隔离度超过55 dB的隔离器OI1及光纤耦合器FC1，进入检测系统内。半导体激光器SL2传出的光，经过准直镜准直以后，会被传输到分束器BS2中被分成2个部分。其中一部分光经过中性滤波器NDF后，通过分束器BS1注入半导体激光器SL1内，从而得到延迟互耦结构；另一部分光通过隔离度超过55 dB的隔离器OI2及光纤耦合器FC2，进入检测系统内。

图1 半导体激光器实验系统示意图

光传输的飞行时间约为3.45 ns，通过中性滤波器可以控制互耦强度；光电探测器设备的带宽为12 GHz，型号为New Focus 1544-B，可以将光信号转变得到电信号；数字示波器的带宽为6 GHz，型号为Agilent 54855A，其主要作用是记录时间序列；光谱分析仪的精准度为0.01 nm，型号为Ando AQ6317，其主要作用是完成半导体激光器光谱探测；应用精度小于0.01 K的温度控制器可以划分参数相近的InP和InGaAsP半导体激光器的工作温度，将半导体激光器SL1的温度维系在20.00 ℃，半导体激光器SL2的温度维系在20.63 ℃；高精度电流源（ILX-Lightwave，LDX-3620）和低噪声电流源对半导体激光器偏置电流有控制作用。在整个实验过程中，半导体激光器SL1电流偏置控制在20.15 mA，约为半导体激光器SL1阈值的1.81倍。当半导体激光器SL1左右运行时，峰值的波长λ1的取值为1 549.814 nm。在电流为18.8～21.0 mA时，半导体激光器SL2电流值是连续可调的。当半导体激光器SL2的电流偏置取值为20.00 mA时，半导体激光器SL2的电流偏置大约为阈值的1.8倍。当半导体激光器SL2自由运动时，其峰值波长λ2与λ1相等，均为1 549.814 nm。

2.2 实验结果

在半导体激光器信号有限时间同步传输实验中，阻断半导体激光器SL1和半导体激光器SL2的耦合光路，会得到半导体激光器SL1的自由运行光谱。而后，连接断开的耦合光路，调节中性滤波器，在延迟互耦状态下，半导体激光器SL1和半导体激光器SL2进入混沌状态。根据实验分析发现，处于混沌状态的半导体激光器的光谱输出明显展宽。

假设半导体激光器SL1的偏置电流为20.15 mA，半导体激光器SL2的偏置电流为20.20 mA，此时两个半导体激光器的输出呈无规则状态，类噪声且存在亚纳秒脉冲。从时间上看来，两个半导体激光器形成的脉冲轨迹不完全一致，甚至会出现时间差。

为了更进一步探究半导体激光器SL1和半导体激光器SL2之间的有限时间同步传输效果，在分析时引入互相关函数，得到的关系表达式如下：

式中：C(Δt)为互相关函数，半导体激光器SL1和半导体激光器SL2用下标数字1和2表示，<>表示取时间平均值；Δt为时间移动；P为时间序列。C的取值越大，表示有限时间同步传输质量越高。当C的取值为1时，表示有限时间同步传输已经实现完全同步。

在半导体激光器SL1和半导体激光器SL2两个半导体激光器实现有限时间同步传输时，时间延迟为3.45 ns。但是，两个半导体激光器输出的信号相关关系存在2个近似相等的极大值，这个现象表明半导体激光器信号有限时间同步传输系统在进行信号传输时不能实现稳定同步，而且两个半导体激光器之间的滞后和超前关系会出现随机性的变动。

3 系统模型与理论分析

构建以延迟互耦半导体激光器为基础的有限时间同步系统模型，如图2所示。

图2 延迟互耦半导体激光器系统模型

在模型中，中性滤波器的作用主要是对注入强度作出简单调节。在分析延迟互耦半导体激光器的动态行为时，可使用以下速率方程组：

式中：下标数字1和2分别为半导体激光器SL1和半导体激光器SL2；E为慢变复电场；t为时间；α为线宽增长因子；τ为飞行时间；τp为光子寿命；τn为载流子寿命；τin为两个半导体激光器耦合的时间；i为半导体激光器偏置电流；f为频率；G为光增益系数；k为耦合系数。光增益系数的函数关系表达式如下：

式中：G1.2为半导体激光器SL1和半导体激光器SL2的光增益系数；g1.2为微分增益系数；N1.2为透明载流子数；N0为透明载流子数； 为增益饱和系数。

利用四阶龙格库塔法计算式（2）～式（4），假设线宽增长因子取值为3，飞行时间取值为3.45 ns，载流子寿命取值为4 ns，光子寿命取值为4 ps，微分增益系数取值为8.9×10-6ns-1，透明载流子数取值为108，半导体激光器SL1和半导体激光器SL2的偏置电流取值为20.15 mA。经计算得知，半导体激光器SL1和半导体激光器SL2两个激光器信号可在有限时间内完成同步传输。但是在信号传输时，会受到自发辐射噪音的影响，破坏该系统的对称性。相关函数有两个近似相关的极大值，该系统不能保证半导体激光器信号有限时间内同步传输具有稳定性。

4 结束语

文章重点分析了半导体激光器信号有限时间传输同步情况，首先对半导体激光器的基本特点和作用原理展开简要分析，了解了半导体激光器的应用特征。然后重点研究半导体激光器信号有限时间同步传输的相关试验，综合试验设备、定量分析作出实践性探讨。实验结果具有一定的参考价值，可以为半导体激光器信号有限时间传输技术的发展提供参考。