14.2 Прямая амплитудная модуляция излучения полупроводникового лазера.

Для осуществления прямой высокочастотной модуляции излучения полупроводникового лазера необходимо вывести полупроводниковый лазер подачей постоянного напряжения в рабочую точку. Затем модулировать полупроводниковый лазер от синусоидального источника напряжения (генератора). Схема приведена ниже. Индуктивность разделяет нерпрерывный и высокочастотный сигнал модуляции.

Рис.203. Схема эксперимента высокочастотной синусоидальной модуляции полупроводникового лазера малым сигналом.

Ниже приведены выходные характеристики полупроводникового лазера промодулированного малым синусоидальным сигналом.

Рис.204. Выходная оптическая мощность меняется в соответствии с синусоидальным сигналом генератора напряжения.

Определяющим в этом эксперименте является глубина модуляции. Глубина модуляции определяется следующим образом:

(94)

где Р_р – пиковая оптическая мощность , а Р_m – минимальная оптическая мощность. Максимальная глубина модуляции достигается когда Р_m = Р_пор – оптическая мощность на пороге генерации. Поэтому максимальная глубина генерации может достигать 90% и более.

(95)

Скоростные уравнения для концентрации электронов в активной области и фотонов в резонаторе полупроводникового лазера:

(96)

где N_e – число инжектированных электронов, N_ph – число фотонов, I – ток накачки, V - напряжение, τ_sp – спонтанное время жизни, τ_ph – время жизни фотона, G – скорость стимулированной.

Проанализировав скоростные уравнения в предположении малых сигналов можно получить выражение для глубины модуляции в зависимости от частоты синусоидального сигнала, в котором имеется ярко выраженный пик:

(97)

Этот пик четко виден на зависимостях глубины модуляции от частоты синусоидального модулирующего сигнала.

Рис. 205. Расчетная зависимость относительной характеристики модуляции от частоты и времени жизни носителей заряда.

Чем меньше время жизни фотонов в резонаторе полупроводникового лазера, тем выше частота модулирующего сигнала соответствующего пику на частотной зависимости. Поэтому с увеличением тока постоянной составляющей тока накачки максимальная частота модуляции резко возрастает. При этом условие малости модулирующего сигнала должно сохраняться.

Ниже на рисунке приведены зависимости экспериментальные высокочастотной модуляции полупроводникового лазера в зависимости от уровня постоянного тока накачки. Максимальные значения лучших экспериментаторов достигают 40-50 ГГц.

Рис.206. Экспериментальная зависимость глубины модуляции от частоты.

Частота прямой модуляции зависит от конструктивных особенностей одномодового полупроводникового лазера. В зависимости от конструкции одномодового полупроводникового лазера эквивалентная схема принимает свой характерный вид и изменяет свои параметры.

Эквивалентная схема полупроводникового лазера это набор идеальных элементов, которые будучи собранными в электронную схему моделируют свойства реального прибора. Этот набор эквивалентной цепи лазера можно получить из решения скоростных уравнений, описывающих взаимодействие между интенсивностью света (плотностью фотонов) и концентрацией инжектированных носителей заряда. Использование такого подхода показывает, что полупроводниковый лазер может быть смоделирован параллельной RLC –цепью.

Рис.207. Эквивалентная схема собственно полупроводникового лазера без учета спонтанного излучения в нем.

Рис. 208. Эквивалентная схема собственно полупроводникового лазера с учетом спонтанного излучения в нем.

Рис. 209.Принципиальная конструкция полупроводникового лазера с оксидной изоляцией

Рис. 210. Эквивалентная схема оксидного полупроводникового лазера с учетом всех паразитных элементов: проводов, емкость изолирующего диэлектрика, сопротивление контактов и сам идеальный лазерный диод.

Рис. 211 Оптимизированная конструкция полупроводникового лазера для высокочастотной модуляции.

Данная конструкция одномодового полоскового лазера позволяет снизить паразитную емкость и емкость р-п перехода до минимума. Смена подводящих проводов на полосковую линию в данной полосковом лазере позволяет сместить резонансный пик в частотной зависимости до 40 ГГц, что в настоящее время является рекордным значением.

Лекция 15. Полупроводниковые лазеры для генерации сверх коротких импульсов.