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