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Semiconductor Laser device and circuit for and method of driving same123


Semiconductor Laser device and circuit for and method of driving same
本文主题: 本文主要是研究半导体激光器以及其的驱动电路的设计, 对于直接驱动的激 光器来说,它需要多层电极接触,其中至少一层接触是用于向激光器注入电流,以使激光器 达到激光阈值;至少有一层接触是用于向激光器输入数字信号所用。在一些实施方案中,数 字信号是向激光器的前后侧面提供的, 然而阈值电流是向激光器的中央区域提供的。 为了更 深入的研究激光器的结构和其驱动电路, 本文首先回顾了本发明的背景, 然后对本发明进行 简单的概括, 再对研究中所做的实验的曲线进行解析, 最后对本发明的技术参数结合曲线图 进行详细的解析,具体如下: 基于本发明的一些背景: 首先讲述光纤通讯系统相对传统的电路传输的优点, 比如光纤 通讯的带宽大,速率高,传输距离远等等;再讨论单模光纤相对于多模光纤来说的优点,比 如单模光纤可以同时传输多个波长的光, 而多模光纤则很难做到这样; 然后比较了几种常见 的激光器结构的优缺点,对于垂直腔发射的激光器(VCSELs)来说,它多于多个波长的链路 来说有很多缺点,并且该激光器的激光腔在多波长的系统中很难提供精确的控制;而对于 DFB 激光器来说,它可以通过光栅来控制光的输出波长,并有利于散热,从而可以用大电流 进行驱动,从而实现高功率的输出,缺点是 DFB 激光器相对 VCSELs 激光器来说需要更高的 驱动电流。对于激光器二极管来说,它可以通过调控 DML 来实现二进制数“0”和“1”的输 出, 如图 Fig1 所示: 在较低能量下 (对应 P0) 其输出的二进制数为 0, 而对于较高能量 (P1) 其输出的二进制数为 1,其驱动电路如图 Fig2 和 Fig3 所示。



本文章的一些激光器结构的简要概括:对于 DFB 激光器来说,它包括激活区,在激活区 存在光栅和波导, 光栅包括一个靠近前侧面的位相移, 波导具有纵向的前后侧面的长度区域, 在波导区存在一个 p-n 结,并存在阳极和阴极的电极接触,而对于阳极电极来说,其位于靠 近纵向激活区一侧。在 DFB 激光器中的波导包括纵向激活区和纵向不吸收区。DFB 激光器的 驱动电路:激光器包括第一接触电极和第二接触电极,第一个电极空间后侧,第二个电极靠 近前侧,它们都为激光器提供电流,只不过第一电极是通过直流电流,而第二电极是通过数 字信号电流的。还有 DFB 激光器存在一个均匀的光栅,后侧面具有高的反射率涂料,而前侧 面具有较低的反射率涂料。激光器具体结构如下所示:

针对 DFB 激光器以及其驱动电路的一些典型特性进行说明:DFB 激光器的原理图如上 图 Fig3 所示:包含一个波导结构(420) ,作用是在注入电流时提供光增益,典型的光增益 结构包含一个或两个量子阱;一个光栅结构(410) ,其沿着波导方向被刻蚀成一个活多个的 层状结构,可以提供多波长的选择和光反馈。该激光器的结构式采用填埋层的异质结构,与 一般的结构相比它的阻挡层有助于将光模式限制在半导体中。如图 Fig4 所示:顶部电极接

触层(450)有助于将注入电流限制在激光器区域里面,而后侧区域提供反馈,并提供增益, 因为在该区域没有注入电流, 这种电极的分布有利于减少因注入电流而产生的电增益。 在一 些实施方案中, 理想的光反馈有器件的光栅耦合强度和光栅长度来决定的, 光栅的形状, 如: 光栅的材料和光栅结构中有多少个波导等等因素。如图 Fig5 所示:光增益是由光密度最强 的区域来提供的,在光密度最强的区域里,光增益石最有效率的,这种原理同样适用于 VCSELs 激光器,对于它来说,这种结构分布同样可以提供光增益效率。由于激光器后侧的 光密度较低,所以注入的电流效率较低,而激光器前侧区域的光模式是最强的。另外,可调 制的激光频率是有激光器的腔长决定的。如图 Fig8 所示:在激发区域设置一个光栅可以改 变半导体的禁带宽度,其光栅位于激活区的下面。

如图 Fig11 所示:直流电流被注入到后侧并引起激光的发射。对于二进制数 0 来说,没有向 前侧通过电流,对应 Fig1 的 P0;而对于二进制数 1 来说,让前侧通上电流,此时前侧对应 的能量为 P1。如图 Fig12 所示:在不同的注入电流下,可以实现所需的从激光器可调制振 幅,它需要更少的调制电流和更少的电流注入能量。

总结:本论文主要是研究半导体激光器以及其驱动电路的设计,所选激光器是 DFB 激光器, 并通过设计不同的激光器结构来对其性能进行研究。 在设计不同的激光器的基础上, 对其设

计不同的驱动电路,以研究激光器的效率与哪些电学性能有关系,比如注入电流的方式,电 极的接触方法, 注入电流的区域等等因素都对激光器的效率有很多影响。 经过一系列的研究, 可以得出一些结论:激光器的光波导,激光器的光栅,激光器的电极接触的设计,激光器腔 长的设计, 以及电流驱动的方式, 电流注入的区域等等因素都对最终激光器的效率产生很大 的影响。 备注:由于水平有限,可能有些用语表述不够精确,请指出。 研究中一些重要 Fig 见下面:


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