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DML激光器与EML激光器

这一篇笔记扫除下自己的一个知识盲点,主要调研了DML激光器与EML激光器的原理与性能比较。

先做下名词解释,DML是Directly Modulated Laser的简称,即直调激光器。顾名思义,DML通过改变激光器的注入电流,来控制激光器输出的强度。激光器的强度大小对应了信号0和1,示意图如下

(图片来自文献1)

DML激光器利用电流改变来调制信号,但是注入电流的变化导致载流子浓度的变化,进而引起材料折射率的改变。而DFB激光器利用光栅进行模式的选择,折射率的变化会带来波长的变化。波长的改变会带来啁啾效应,而光纤本身也存在色散,这会导致脉冲展宽,信号失真。因此,DML激光器不适用于长距离的传输。

DML激光器工作时,信号0对应的电流大于激光器的阈值电流。如果0对应的电流在阈值以下,则每次电流注入都需要一定的时间达到粒子数反转,这个时间在纳秒量级。以10G的信号为例,每个脉冲的时间为100ps,纳秒级的开关延迟显然不能满足高速调制的要求。实际工作时,注入电流一直大于阈值,如下图所示,

(图片来自文献1)

DML的频率带宽主要和弛豫振荡频率、阻尼系数和RC时间等参数有关,表达式如下,

可以通过减小有源区的面积、提高差分增益(differential gain, dg/dn)等方式来提高带宽。

关于EML, 有两个名词的简称与之对应。一个是External Modulated Laser, 即外调激光器,与直调激光器相对,激光器的注入电流不发生改变,激光器输出连续光,光强通过外置的调制器进行调节, 示意图如下;另一个是Electro-absorption Moduled Laser, 即电吸收调制激光器。它是外调激光器的一种,通过电吸收效应来改变光强,达到调制信号的目的。InP的电吸收调制器可以与激光器集成在单个芯片上,通常所说的EML就是指电吸收调制激光器。除了电吸收调制器外,另外一种常用的调制器是基于电光效应的Mach-Zehnder调制器。

(图片来自文献1)

电吸收调制激光器主要基于量子限制Stark效应,在量子阱结构中,未施加电场时,光子能量小于带隙,光场通过材料不被吸收;当施加外场后,能级结构发生倾斜, 等效的带隙降低,入射光被材料吸收。通过改变外场的强度,就可以调制输出光场的强度。

(图片来自 http://photonics.intec.ugent.be/research/topics.asp?ID=175)

EML的频率带宽主要决定于电吸收调制区的RC时间。由于EML激光器需要额外的电流输入给调制器,因此它的功耗相比DML激光器会有所提高。

下表给出了这两种激光器的性能对比 (表格来自http://www.gigalight.com/news_detail/newsId=181.html),

从性能上看,EML各方面的性能(包括啁啾效应、消光比、眼图、抖动、传输距离等)都优于DML。 DML的优势在于体积小,成本低,功耗小。基于此,DML更适用于数据中心的应用,而EML适用于电信级的应用。

以上是对DML和EML的简单调研,希望在后续的产品研发过程中,加深对它们的认识,知行合一。

文章中如果有任何错误和不严谨之处,还望不吝指出!

参考文献:

  1. Christophe Peucheret, Direct and External Modulation of Light
  2. Tsuyoshi Yamamoto,High-Speed Directly Modulated Lasers

本文分享自微信公众号 - 光学小豆芽(photonwalker),作者:Photonwalker

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原始发表时间:2017-08-01

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