Larghezza di linea
I nomi della larghezza della linea e della larghezza di banda del laser sono molto simili, ma i significati sono molto diversi. Innanzitutto, diamo un'occhiata alla larghezza della linea. La larghezza della linea è relativamente facile da capire, e corrisponde alla larghezza intera del mezzo picco dello spettro laser.
Larghezza di banda
La larghezza di banda del laser non è un'unità di lunghezza di uno spettro. Il suo nome completo dovrebbe essere chiamato larghezza di banda della modulazione laser.
La larghezza di banda di modulazione di un laser a semiconduttore si riferisce alla velocità massima del segnale che può essere emesso o caricato (per segnali digitali) o alla larghezza di banda massima del segnale analogico in uscita (o caricato).
Pertanto, se si vuole comprendere la larghezza di banda, è necessario prima comprendere la modulazione del laser, la modalità di modulazione e la definizione. La larghezza di banda è il limite che appare nella modulazione.
Il principio della comunicazione laser è in realtà una modalità binaria, modulazione codificata di 1 e 0.
Ad esempio, l'intensità della luce laser con guida ad alto livello è elevata, che rappresenta 1, e la potenza della luce laser con guida a livello basso è debole, che rappresenta 0.
Le informazioni possono essere trasmesse passando rapidamente da una potenza all'altra.
Questa commutazione rapida può aggiungere artificialmente un segnale predeterminato e inviarlo alla curva di potenza del laser, che formerà un "diagramma a occhio".
Formazione del diagramma oculare
Per i segnali digitali, le modifiche dei livelli alto e basso possono avere più combinazioni di sequenze. Prendendo come esempio 3 bit, possono esserci 8 combinazioni di 000-111. Nel dominio del tempo, un numero sufficiente delle sequenze di cui sopra viene allineato secondo un determinato punto di riferimento, quindi le forme d'onda vengono sovrapposte per formare un diagramma a occhio. Come mostrato nella Figura 1. Per lo strumento di prova, il segnale di clock del segnale viene prima recuperato dal segnale da testare, quindi il diagramma a occhio viene sovrapposto in base al riferimento di clock e infine visualizzato.
Per un diagramma a occhio reale, come mostrato nella Figura 2, possiamo prima vedere i parametri di conversione del livello base della forma d'onda digitale, come il tempo medio di salita (Rise Time), il tempo di caduta (Fall Time), il superamento (Overshoot), l'undershoot (Sottoelongazione), livello di soglia (Soglia/Percentuale di attraversamento).
È impossibile che i valori di tensione dei livelli alto e basso del segnale rimangano completamente coerenti ogni volta, ed è anche impossibile garantire che il fronte di salita e il fronte di discesa di ciascun livello alto e basso siano contemporaneamente . Come mostrato nella Figura 3, a causa della sovrapposizione di più segnali, la linea del segnale del diagramma a occhio diventa più spessa e appare sfocata (sfocatura). Pertanto, il diagramma a occhio riflette anche il rumore e il jitter del segnale: sull'asse verticale della tensione si riflette come rumore di tensione (VoltageNoise); sull'asse temporale orizzontale, si riflette come jitter nel dominio del tempo (Jitter).
Questo è un po' inverosimile. Il diagramma ad occhio non è un brevetto di trasmissione laser. Viene utilizzato in altri campi della comunicazione.
Torniamo alla larghezza di banda del laser.
All'interno del chip laser, la larghezza di banda dovrebbe essere limitata dalla costante di tempo di ricombinazione delle lacune elettroniche.
In realtà, è il tasso di conversione dell'elettricità in luce. Che sia veloce o meno, perché la corrente iniettata deve cambiare rapidamente la dimensione della tensione in base al segnale. Durante questo tempo di commutazione è necessario che l'elettricità venga convertita in luce il prima possibile ed emessa, in modo da non influenzare il successivo segnale elettrico. Tuttavia, gli elettroni e le lacune non si ricombinano immediatamente dopo essere entrati. Sotto una certa tensione, sceglieranno di correre lentamente. Occasionalmente c'è una scorciatoia e vogliono comunque passare direttamente attraverso la zona di ricombinazione. Difetti, resistenza, capacità, ecc. nel materiale avranno un impatto. Pertanto, esiste un limite di larghezza di banda.
In pratica, ci sono molti fattori limitanti per la larghezza di banda.
Se si vuole migliorare la larghezza di banda di modulazione del laser, la chiave è ridurre l’influenza dei fattori elettrici parassiti del laser, in particolare la capacità parassita e il processo di trasporto dei portatori nella struttura del pozzo quantico.
Quando si producono laser ad alta velocità, è possibile adottare le seguenti misure per migliorare la larghezza di banda di 3 dB del dispositivo:
① L'area attiva adotta una struttura di pozzo multi-quantico di deformazione (compensazione): il materiale del pozzo laser del pozzo quantico è soggetto a deformazione di compressione biassiale nella direzione parallela alla superficie del pozzo e a deformazione di trazione nella direzione perpendicolare alla superficie del pozzo, e la Il livello di energia dei buchi pesanti nella parte superiore della banda di valenza aumenta e questa banda di valenza è degenerata, rendendo la probabilità di transizione elettronica dalla banda di divisione dell'orbita di spin alla banda dei buchi pesanti approssimativamente uguale a zero, riducendo la probabilità di ricombinazione Auger a livello ambiente. temperatura, con conseguente diminuzione della corrente di soglia di questo laser a pozzo quantico, una diminuzione del fattore di miglioramento della larghezza della linea e un aumento significativo della frequenza di oscillazione di rilassamento, della larghezza di banda di modulazione e del coefficiente di guadagno differenziale.
② Doping di tipo P nella regione attiva: il drogaggio di tipo p può ridurre il trasporto di lacune quando si passa attraverso la regione SCH, che è la limitazione principale per i dispositivi a pozzo quantico ad alta velocità; Il drogaggio di tipo p può ottenere un guadagno differenziale molto elevato e rendere più uniforme la distribuzione dei portatori nel pozzo quantico.
Se la concentrazione di drogaggio di Zn nella regione attiva è vicina a 1018 cm-3, la sua larghezza di banda di 3 dB può raggiungere 25 GHz e il drogaggio può anche aumentare la frequenza di oscillazione del dispositivo a 30 GHz (la lunghezza della cavità è 300 μm). Inoltre, un drogaggio pesante è utile anche per ridurre il fattore di miglioramento della larghezza della linea e migliorare ulteriormente il guadagno differenziale, tutti aspetti utili per migliorare le caratteristiche di modulazione del dispositivo.
③ Ridurre i parametri elettrici parassiti - Per ridurre i parametri elettrici parassiti dei laser ad alta velocità, in particolare la capacità parassita, è possibile utilizzare la tecnologia di sepoltura della ricrescita Fe-InP semi-isolante e allo stesso tempo l'area dell'elettrodo deve essere ridotta; La struttura a mesa stretta autoallineata (SA-CM) viene utilizzata per ridurre la capacità parassita del dispositivo. Le persone usano spesso anche il metodo di riempimento della poliimmide per ridurre la capacità parassita.
④ Aumentare la concentrazione di fotoni e il guadagno differenziale all'interno del laser - Aumentando la concentrazione di fotoni nella cavità del laser è possibile aumentare la frequenza di risonanza intrinseca. Utilizzando la struttura DFB per rendere la lunghezza d'onda del laser e la lunghezza d'onda di picco del guadagno desintonizzate negativamente (-10nm) è possibile aumentare il guadagno differenziale, che può aumentare la larghezza di banda di modulazione di -3dB.
L'analisi di cui sopra dei fattori che limitano le caratteristiche di modulazione ad alta velocità dei laser a semiconduttore e i modi per aumentare la larghezza di banda di modulazione dei laser, questi fattori e le loro caratteristiche statiche si influenzano a vicenda, quindi quando si progettano laser ad alta velocità, altre caratteristiche, come poiché è necessario considerare le soglie, le caratteristiche della temperatura, ecc.
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