Linienbreite
Die Namen der Linienbreite und Bandbreite des Lasers sind sehr ähnlich, die Bedeutung ist jedoch sehr unterschiedlich. Schauen wir uns zunächst die Linienbreite an. Die Linienbreite ist relativ leicht zu verstehen und entspricht der Halbwertsbreite des Laserspektrums.
Bandbreite
Die Laserbandbreite ist keine Längeneinheit eines Spektrums. Sein vollständiger Name sollte Lasermodulationsbandbreite heißen.
Die Modulationsbandbreite eines Halbleiterlasers bezieht sich auf die maximale Signalrate, die ausgegeben oder geladen werden kann (für digitale Signale), oder auf die maximale Bandbreite des ausgegebenen (oder geladenen) analogen Signals.
Wenn Sie die Bandbreite verstehen möchten, müssen Sie daher zunächst die Modulation des Lasers, den Modulationsmodus und die Definition verstehen. Die Bandbreite ist die Grenze, die in der Modulation auftritt.
Das Prinzip der Laserkommunikation ist eigentlich ein binärer Modus, eine codierte Modulation von 1 und 0.
Beispielsweise ist die Laserlichtintensität bei hoher Ansteuerung groß und entspricht 1, während die Laserlichtleistung bei niedriger Ansteuerung schwach ist und 0 entspricht.
Informationen können durch schnelles Umschalten zwischen verschiedenen Befugnissen übertragen werden.
Durch dieses schnelle Umschalten kann ein vorgegebenes Signal künstlich hinzugefügt und an die Laserleistungskurve ausgegeben werden, die ein „Augendiagramm“ bildet.
Bildung eines Augendiagramms
Bei digitalen Signalen können die Änderungen von High- und Low-Pegeln mehrere Sequenzkombinationen aufweisen. Am Beispiel von 3 Bits kann es 8 Kombinationen von 000-111 geben. Im Zeitbereich werden genügend der oben genannten Sequenzen an einem bestimmten Referenzpunkt ausgerichtet und dann werden die Wellenformen überlagert, um ein Augendiagramm zu bilden. Wie in Abbildung 1 dargestellt. Für das Testgerät wird zunächst das Taktsignal des Signals aus dem zu testenden Signal wiederhergestellt, dann wird das Augendiagramm entsprechend der Taktreferenz überlagert und schließlich angezeigt.
Für ein echtes Augendiagramm, wie in Abbildung 2 dargestellt, können wir zunächst die grundlegenden Pegelumwandlungsparameter der digitalen Wellenform sehen, wie z. B. die durchschnittliche Anstiegszeit (Rise Time), Abfallzeit (Fall Time), Überschwingen (Overshoot) und Unterschwingen (Unterschreitung), Schwellenwertniveau (Threshold/CrossingPercent).
Es ist unmöglich, dass die Spannungswerte des hohen und niedrigen Pegels des Signals jedes Mal vollständig konsistent bleiben, und es ist auch unmöglich sicherzustellen, dass die steigende Flanke und die abfallende Flanke jedes hohen und niedrigen Pegels gleichzeitig sind . Wie in Abbildung 3 dargestellt, wird die Signallinie des Augendiagramms aufgrund der Überlagerung mehrerer Signale dicker und es entsteht Unschärfe (Unschärfe). Daher spiegelt das Augendiagramm auch das Rauschen und den Jitter des Signals wider: Auf der vertikalen Spannungsachse wird es als Spannungsrauschen (VoltageNoise) reflektiert; Auf der horizontalen Zeitachse wird es als Zeitbereichs-Jitter (Jitter) wiedergegeben.
Das ist etwas weit hergeholt. Das Augendiagramm ist kein Patent der Laserübertragung. Es wird in anderen Kommunikationsbereichen verwendet.
Kommen wir zurück zur Bandbreite des Lasers.
Innerhalb des Laserchips sollte die Bandbreite durch die Rekombinationszeitkonstante der Elektronenlöcher begrenzt sein.
Tatsächlich handelt es sich um die Umwandlungsrate von Elektrizität in Licht. Ob schnell oder nicht, denn der eingespeiste Strom muss die Spannungsgröße entsprechend dem Signal schnell umschalten. Während dieser Schaltzeit ist es erforderlich, dass der Strom möglichst schnell in Licht umgewandelt und abgestrahlt wird, um das nächste Signal des Stroms nicht zu beeinträchtigen. Elektronen und Löcher rekombinieren jedoch nicht unmittelbar nach dem Eintritt. Unter einer bestimmten Spannung entscheiden sie sich dafür, langsam zu laufen. Gelegentlich gibt es eine Abkürzung und sie möchten trotzdem direkt durch die Rekombinationszone. Defekte, Widerstände, Kapazitäten usw. im Material haben Auswirkungen. Daher gibt es eine Bandbreitenbegrenzung.
In der Praxis gibt es viele limitierende Faktoren für die Bandbreite.
Wenn die Modulationsbandbreite des Lasers verbessert werden soll, liegt der Schlüssel darin, den Einfluss der elektrischen parasitären Faktoren des Lasers zu reduzieren, insbesondere der parasitären Kapazität und des Transportprozesses von Ladungsträgern in der Quantentopfstruktur.
Bei der Herstellung von Hochgeschwindigkeitslasern können folgende Maßnahmen ergriffen werden, um die 3dB-Bandbreite des Geräts zu verbessern:
① Der aktive Bereich nimmt eine Spannungs-(Kompensations-)Multi-Quantentopf-Struktur an – das Quantentopf-Lasertopfmaterial wird einer biaxialen Druckspannung in Richtung parallel zur Topfoberfläche und einer Zugspannung in Richtung senkrecht zur Topfoberfläche ausgesetzt Das Energieniveau schwerer Löcher an der Spitze des Valenzbandes steigt, und dieses Valenzband ist degeneriert, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Elektronenübergangs vom Spin-Bahn-Aufspaltungsband zum Band schwerer Löcher ungefähr gleich Null wird, was den Auger verringert Rekombinationswahrscheinlichkeit bei Raumtemperatur, was zu einer Verringerung des Schwellenstroms dieses Quantentopflasers, einer Verringerung des Linienbreitenverstärkungsfaktors und einer signifikanten Erhöhung der Relaxationsschwingungsfrequenz, der Modulationsbandbreite und des Differentialverstärkungskoeffizienten führt.
② P-Typ-Dotierung im aktiven Bereich – p-Typ-Dotierung kann den Lochtransport beim Durchgang durch den SCH-Bereich reduzieren, was die Hauptbeschränkung für Hochgeschwindigkeits-Quantentopfgeräte darstellt; Durch p-Typ-Dotierung kann eine sehr hohe Differenzverstärkung erzielt und die Ladungsträgerverteilung im Quantentopf gleichmäßiger gemacht werden.
Wenn die Zn-Dotierungskonzentration im aktiven Bereich nahe bei 1018 cm-3 liegt, kann seine 3-dB-Bandbreite 25 GHz erreichen, und die Dotierung kann auch die Schwingungsfrequenz des Geräts auf 30 GHz erhöhen (Hohlraumlänge beträgt 300 μm). Darüber hinaus ist eine starke Dotierung auch von Vorteil, um den Verstärkungsfaktor der Leitungsbreite zu verringern und die Differenzverstärkung weiter zu verbessern, was sich allesamt positiv auf die Verbesserung der Modulationseigenschaften des Geräts auswirkt.
③ Elektrische parasitäre Parameter reduzieren – Um die elektrischen parasitären Parameter von Hochgeschwindigkeitslasern, insbesondere die parasitäre Kapazität, zu reduzieren, kann die halbisolierende Fe-InP-Nachwuchsvergrabungstechnologie verwendet werden, und gleichzeitig muss die Elektrodenfläche reduziert werden; Eine selbstausrichtende schmale Mesa-Struktur (SA-CM) wird verwendet, um die parasitäre Kapazität des Geräts zu reduzieren. Um die parasitäre Kapazität zu verringern, wird häufig auch die Methode des Füllens von Polyimid verwendet.
④ Erhöhen Sie die Photonenkonzentration und die Differenzverstärkung im Laser. Durch Erhöhen der Photonenkonzentration im Laserhohlraum kann die Eigenresonanzfrequenz erhöht werden. Durch die Verwendung der DFB-Struktur zur negativen Verstimmung der Laserwellenlänge und der Verstärkungsspitzenwellenlänge (-10nm) kann die Differenzverstärkung und damit die Modulationsbandbreite von -3dB erhöht werden.
Bei der obigen Analyse der Faktoren, die die Hochgeschwindigkeitsmodulationseigenschaften von Halbleiterlasern begrenzen, und der Möglichkeiten zur Erhöhung der Modulationsbandbreite von Lasern beeinflussen sich diese Faktoren und ihre statischen Eigenschaften gegenseitig, sodass beim Entwurf von Hochgeschwindigkeitslasern andere Eigenschaften, wie z B. Schwellenwerte, Temperatureigenschaften usw., müssen berücksichtigt werden.
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