半導體激光器信號有限時間同步傳輸實驗分析

何景瓷

九江職業技術學院，江西 九江 332005

0 引言

半導體激光器除具備激光器的基本特點，還兼具易于制作、低電流、低驅動功率、高工作效率等優勢，在應用時可很好地與各類電子器件結合，表現出良好的電子集成特性。因此，半導體激光器在保密通信、光信息處理、光傳輸等領域被廣泛使用并取得顯著成果[1]。一般，在傳輸光信號時，半導體激光器可控制光信號的輸入與輸出，保證光輸出與人們的期望目標信號保持一致。

1 半導體激光器的發展歷程和工作原理

1.1 半導體激光器的發展歷程

半導體二極管在使用一段時間后，性能會逐漸退化，甚至有些功能會喪失，這種變化是不可逆轉的，最終導致半導體二極管不能使用。半導體二極管無法在不方便更換、需要長期工作的場合中使用，因此，半導體激光器應運而生[2]。半導體激光器體積小、效率高、應用廣泛、價格低，波長范圍寬，通過簡單的操作可實現光電轉換，提升了激光功率。

20世紀80年代，研究人員通過學習和借鑒半導體物理的發展成果，綜合應變量子阱和量子阱等新型結構，結合增強調制Bragg發射器、折射率調制Bragg發射器，融合CBE、MOCVD、MBE等晶體生長技術新工藝，使用全新的外延生長工藝，對晶體的生長情況作出精確的控制，并使精準度達到原子層厚度，獲得了高質量的應變量子阱和量子阱材料，制得半導體激光器[3]。這種類型的半導體激光器大幅度提高了轉換效率，降低了閾值電流，明顯延長了使用壽命，輸出功率也成倍增長。

小功率半導體激光器也在信息技術領域獲得突飛猛進的發展，基于小功率半導體激光器的器件表現出速率高、單頻窄線寬、光電單片集成化、波段長化、可調諧等特點[4]。

高功率半導體激光器發展勢頭同樣很強，高功率、高效率的半導體激光器及其列陣已經成為全固化激光器，為半導體激光泵浦固體激光器的發展奠定基礎。如今，輸出功率達到120 W、1 500 W、3 000 W的高功率半導體激光器已經研發成功，在光存儲、激光通信、激光打印、測距等方面的應用十分廣泛[5]。

1.2 半導體激光器的工作原理

半導體激光器的工作原理為激勵方式，在能量間通過半導體物質實現遷躍發光，組合半導體晶體解理面獲得2個呈平行狀態的反射鏡面作為反射鏡，得到諧振腔，使得光振蕩、反饋，放大光的輻射，從而實現激光輸出。

半導體激光器結構封裝技術的基礎是分立器件封裝技術，其通過合理化的演變和發展形成半導體激光器結構封裝技術，這種技術存在很大的特殊性。分立器件的管芯普遍在封裝體內被封裝，其主要作用是保護管芯，實現與電氣互連的目標[6]；封裝半導體激光器需要輸出電信號，維系管芯的正常穩定工作，輸出要以電參數、光參數、可見光功能要求等為依據，不能簡單地設置半導體激光器的分裝分立器件。

半導體激光器核心發光構件為PN結管芯，其組成為N型半導體和P型半導體，當多數載流子和PN結的少數載流子發生復合時，將會出現近紅外光或紫外光等光線。但是，從PN結區發射出來的光子是非定向狀態的，在不同方向發射光子的概率相同，不能完全釋放管芯產生的光。這種現象的出現主要受到管芯結構、半導體材料質量、封裝內部結構和幾何形狀、包封材料等因素的影響，實際應用中需要提升半導體激光器內部量子效率和外部量子效率[7]。在今后的研究工作中，不僅需要改善材料內部雜質數量、位錯和晶格缺陷等，以提升內部效率；還需要采取措施優化封裝內部結構和管芯，提升半導體激光器內部發射光子的概率，提高光效[8]。

2 半導體激光器信號有限時間同步傳輸實驗

2.1 實驗系統

半導體激光器信號有限時間同步傳輸實驗系統如圖1所示。

在圖1中，SL1為半導體激光器1，當其發出的光經過準直鏡準直以后，會傳輸到分束器BS1中被分成2個部分。其中一部分光經過中性濾波器NDF后，通過分束器BS2注入半導體激光器SL2內，從而得到延遲互耦結構；另一部分光通過隔離度超過55 dB的隔離器OI1及光纖耦合器FC1，進入檢測系統內。半導體激光器SL2傳出的光，經過準直鏡準直以后，會被傳輸到分束器BS2中被分成2個部分。其中一部分光經過中性濾波器NDF后，通過分束器BS1注入半導體激光器SL1內，從而得到延遲互耦結構；另一部分光通過隔離度超過55 dB的隔離器OI2及光纖耦合器FC2，進入檢測系統內。

圖1 半導體激光器實驗系統示意圖

光傳輸的飛行時間約為3.45 ns，通過中性濾波器可以控制互耦強度；光電探測器設備的帶寬為12 GHz，型號為New Focus 1544-B，可以將光信號轉變得到電信號；數字示波器的帶寬為6 GHz，型號為Agilent 54855A，其主要作用是記錄時間序列；光譜分析儀的精準度為0.01 nm，型號為Ando AQ6317，其主要作用是完成半導體激光器光譜探測；應用精度小于0.01 K的溫度控制器可以劃分參數相近的InP和InGaAsP半導體激光器的工作溫度，將半導體激光器SL1的溫度維系在20.00 ℃，半導體激光器SL2的溫度維系在20.63 ℃；高精度電流源（ILX-Lightwave，LDX-3620）和低噪聲電流源對半導體激光器偏置電流有控制作用。在整個實驗過程中，半導體激光器SL1電流偏置控制在20.15 mA，約為半導體激光器SL1閾值的1.81倍。當半導體激光器SL1左右運行時，峰值的波長λ1的取值為1 549.814 nm。在電流為18.8～21.0 mA時，半導體激光器SL2電流值是連續可調的。當半導體激光器SL2的電流偏置取值為20.00 mA時，半導體激光器SL2的電流偏置大約為閾值的1.8倍。當半導體激光器SL2自由運動時，其峰值波長λ2與λ1相等，均為1 549.814 nm。

2.2 實驗結果

在半導體激光器信號有限時間同步傳輸實驗中，阻斷半導體激光器SL1和半導體激光器SL2的耦合光路，會得到半導體激光器SL1的自由運行光譜。而后，連接斷開的耦合光路，調節中性濾波器，在延遲互耦狀態下，半導體激光器SL1和半導體激光器SL2進入混沌狀態。根據實驗分析發現，處于混沌狀態的半導體激光器的光譜輸出明顯展寬。

假設半導體激光器SL1的偏置電流為20.15 mA，半導體激光器SL2的偏置電流為20.20 mA，此時兩個半導體激光器的輸出呈無規則狀態，類噪聲且存在亞納秒脈沖。從時間上看來，兩個半導體激光器形成的脈沖軌跡不完全一致，甚至會出現時間差。

為了更進一步探究半導體激光器SL1和半導體激光器SL2之間的有限時間同步傳輸效果，在分析時引入互相關函數，得到的關系表達式如下：

式中：C(Δt)為互相關函數，半導體激光器SL1和半導體激光器SL2用下標數字1和2表示，<>表示取時間平均值；Δt為時間移動；P為時間序列。C的取值越大，表示有限時間同步傳輸質量越高。當C的取值為1時，表示有限時間同步傳輸已經實現完全同步。

在半導體激光器SL1和半導體激光器SL2兩個半導體激光器實現有限時間同步傳輸時，時間延遲為3.45 ns。但是，兩個半導體激光器輸出的信號相關關系存在2個近似相等的極大值，這個現象表明半導體激光器信號有限時間同步傳輸系統在進行信號傳輸時不能實現穩定同步，而且兩個半導體激光器之間的滯后和超前關系會出現隨機性的變動。

3 系統模型與理論分析

構建以延遲互耦半導體激光器為基礎的有限時間同步系統模型，如圖2所示。

圖2 延遲互耦半導體激光器系統模型

在模型中，中性濾波器的作用主要是對注入強度作出簡單調節。在分析延遲互耦半導體激光器的動態行為時，可使用以下速率方程組：

式中：下標數字1和2分別為半導體激光器SL1和半導體激光器SL2；E為慢變復電場；t為時間；α為線寬增長因子；τ為飛行時間；τp為光子壽命；τn為載流子壽命；τin為兩個半導體激光器耦合的時間；i為半導體激光器偏置電流；f為頻率；G為光增益系數；k為耦合系數。光增益系數的函數關系表達式如下：

式中：G1.2為半導體激光器SL1和半導體激光器SL2的光增益系數；g1.2為微分增益系數；N1.2為透明載流子數；N0為透明載流子數； 為增益飽和系數。

利用四階龍格庫塔法計算式（2）～式（4），假設線寬增長因子取值為3，飛行時間取值為3.45 ns，載流子壽命取值為4 ns，光子壽命取值為4 ps，微分增益系數取值為8.9×10-6ns-1，透明載流子數取值為108，半導體激光器SL1和半導體激光器SL2的偏置電流取值為20.15 mA。經計算得知，半導體激光器SL1和半導體激光器SL2兩個激光器信號可在有限時間內完成同步傳輸。但是在信號傳輸時，會受到自發輻射噪音的影響，破壞該系統的對稱性。相關函數有兩個近似相關的極大值，該系統不能保證半導體激光器信號有限時間內同步傳輸具有穩定性。

4 結束語

文章重點分析了半導體激光器信號有限時間傳輸同步情況，首先對半導體激光器的基本特點和作用原理展開簡要分析，了解了半導體激光器的應用特征。然后重點研究半導體激光器信號有限時間同步傳輸的相關試驗，綜合試驗設備、定量分析作出實踐性探討。實驗結果具有一定的參考價值，可以為半導體激光器信號有限時間傳輸技術的發展提供參考。