Почему полупроводниковым лазерам нужна узкая ширина линии?

В настоящее время, в связи с взрывным ростом спроса на сетевой трафик, скорость передачи данных по оптоволоконному кабелю значительно улучшилась. Одним из способов увеличения скорости передачи является использование более высоких и сложных форматов модуляции, что требует более высокой ширины линии лазеров.

Кроме того, более высокие требования предъявляются к ширине линии лазеров в области спектроскопии, метрологии и биохимического зондирования. Например, ширина линии FMCW-лидара должна быть достаточно маленькой, чтобы гарантировать, что свет, отраженный с расстояния 200 м, также может быть когерентным с эталонным светом.

Рисунок Принципиальная схема лидара FMCW

Откуда берется ширина линии полупроводниковых лазеров?

Большинство обсуждений теории ширины линии полупроводниковых лазеров основано на статье К. Х. Генри «Теория ширины линии полупроводниковых лазеров» 1982 года. В этой статье дается более подробное описание факторов, влияющих на ширину линии лазеров, и предлагается амплитуда поля. и коэффициенты увеличения ширины линии из-за эффектов фазовой связи поля. То есть фаза и амплитуда будут влиять друг на друга, увеличивая ширину линии. Формула ширины линии выглядит следующим образом:

В формуле Vg — эквивалентная групповая скорость, hv — энергия лазерной линии, g — коэффициент усиления лазера, nsp — коэффициент спонтанного излучения, альфа — потери на торце, Po — выходная мощность торца. лицо, а альфа — коэффициент увеличения ширины линии.

Согласно теории ширины линии полупроводниковых лазеров, разработанной Генри в 1982 году, ширину линии лазера можно грубо объяснить фазовым джиттером светового поля. Часть фазового джиттера возникает из-за изменения фазы, вызванного спонтанным излучением, а другая часть — из-за изменения фазы, вызванного изменениями интенсивности света и плотности носителей. Фаза и амплитуда спонтанно излучаемого света мгновенно изменятся, а амплитуда, в свою очередь, повлияет на фазу;

В чем разница между лазерами EML и DML? Следовательно, изменение фазы можно считать происходящим с двух сторон: один — это изменение фазы самого спонтанного излучения, другой — изменение фазы светового поля, вызванное изменением амплитуды;

Рисунок Изменение комплексной амплитуды светового поля вследствие спонтанного излучения

На изображении выше показано изменение комплексной амплитуды светового поля из-за спонтанного излучения. Используя треугольник на рисунке выше, мы можем использовать тригонометрическую формулу, чтобы вывести изменение собственной фазы (формула 1). С помощью тригонометрической формулы и уравнения скорости мы можем вывести изменение фазы светового поля, вызванное изменение амплитуды (Формула 2)

（1）

（2）

（3）

Первый член представляет собой постоянный член, а второй член представляет собой расширение ширины линии. Выражение для ширины линии Лоренца:

tcohВремя когерентности можно выразить как

Изменение фазы можно получить интегрированием уравнения (3)

поместите скорость спонтанного излученияR,Затем замените его групповой скоростью, коэффициентом спонтанного излучения, усилением и т. д.,интенсивность светаIИспользуйте силуPзаменить,Получил окончательную формулу:

Распространенные методы сужения ширины линии лазера

Уменьшение потерь и увеличение мощности дополняют друг друга и согласно формуле оказывают сужающий эффект на ширину линии. Увеличение времени жизни фотона может увеличить время когерентности и сузить ширину линии.

Рисунок Пять способов уменьшить ширину линии

Ниже в основном подробно представлены пять методов внешней полости, добавление внешней полости, самоинъекция, отрицательная обратная связь и блокировка взаимной инъекции.

• внешняя полость

Рисунок Использование внешних полостей на основе кремния для уменьшения ширины линии

Как показано выше, использование внешней полость, чтобы сузить ширину линии. Этот метод в последнее время часто используется, потому что процесс гибридной интеграции становится все более широко используемым. Используйте внешнюю основу на основе силикона. полость Есть два преимущества в этом：Один из них — внешняя на основе кремния. Потеря полость невелика; вторая внешняя; полостьиспользуется для Увеличение длины полости；Обе эти характеристики могут бытьиспользуется для Узкая ширина линии。

• Увеличение длины полости

Увеличение длины резонатора делится на увеличение физической длины резонатора и увеличение эффективной длины резонатора. Увеличение длины резонатора имеет недостатки и не может увеличиваться бесконечно, поскольку слишком большая длина резонатора приведет к слишком близкому расположению продольных мод и потребует более высоких требований к фильтру.

Длина физической полости должна увеличить длину волновода в полости. Как показано на рисунке 5, длина физической полости, установленная Технологическим университетом Эйндховена, увеличена, а диапазон настройки расширен за счет фильтрации и эффекта нониуса за счет двух. кольца, состоящие из MMI и волновода. Выше также находится асимметричный фильтр MZI.

Рисунок: Пример увеличения длины физической полости

Эффективная длина резонатора обычно определяется высокойQреализуется кольцом ценностей,Эффективной длиной резонатора можно управлять, регулируя коэффициент связи между контуром и прямым волноводом.,вышекартина<Использование внешней полоски на основе кремния для сужения ширины линии.>Это просто увеличивает эффективную длину резонатора.。

• самоинъекция

Самоинжекция означает, что после выхода лазера из лазера он снова инжектируется в резонансный резонатор после отражения от внешнего резонатора для дальнейшего стимулированного излучения. Носители в резонаторе изменяются, что приводит к уменьшению усиления других мод. , и усиление режима обратной связи становится больше, а усиление интенсивности значительно улучшается, подавляя другие режимы. Отличие его от первого метода внешней полости состоит в том, что внешняя полость в первом методе является частью резонансной полости, а внешняя полость здесь - нет.

Рисунок Резонансный пик, создаваемый обратной связью внешнего резонатора

Как показано на рисунке выше, поскольку обратная связь с внешним резонатором также создает некоторые резонансные пики, эффект нониуса, создаваемый двумя кольцами, используется для подавления этих резонансных пиков.

• отрицательный отзыв

Не нужно быть высокимQполость,Нужен только один фильтр. этот метод,Точка Работа должна находиться на переднем фронте своего спектра фильтраотражения.,следующеекартина（b）показано。отрицательный Формирование отзыва аналогично изображению на крайнем правом углу. Если частота увеличивается, скорость отражения увеличивается, концентрация фотонов в полости DFB увеличивается, концентрация носителей в полости DFB уменьшается, а показатель преломления увеличивается за счет плазмы. эффект, поэтому частота выхода уменьшается.

Рисунок Процесс формирования отрицательной обратной связи

• взаимный замок впрыска

Таким образом, как показано на рисунке ниже, вся система состоит из двух DFB без изоляторов, оптического аттенюатора, двух делителей мощности 1*2 и двух оптических изоляторов. Среди них задержка оптоволоконной связи между двумя лазерами составляет 10 нс. Эффективность связи регулируется оптическим аттенюатором, а частотный шум измеряется на портах 1 и 2. Зафиксируйте ток одного лазера и отрегулируйте ток и силу связи другого лазера, чтобы найти режим MIL.

Рисунок системы блокировки взаимного впрыска

По сути, в некоторых недавних работах по теме используются описанные выше методы для уменьшения ширины линии, и они схожи. Есть некоторые неточности, но я надеюсь, что вы на них укажете.

Эта статья составлена ​​на основе публичного аккаунта Lightigo.

Рекомендовано в прошлом