線幅
レーザーの線幅と帯域幅の名前は非常に似ていますが、意味は大きく異なります。まずは線幅から見てみましょう。線幅は、レーザースペクトルの半ピーク全幅であり、比較的理解しやすいです。
帯域幅
レーザー帯域幅はスペクトルの長さの単位ではありません。正式名称はレーザー変調帯域幅と呼ぶべきです。
半導体レーザーの変調帯域幅は、出力またはロードできる (デジタル信号の場合) 最大信号レート、または出力 (またはロード) アナログ信号の最大帯域幅を指します。
したがって、帯域幅を理解したい場合は、まずレーザーの変調、変調モード、および定義を理解する必要があります。帯域幅は変調に現れる制限です。
レーザー通信の原理は、実際にはバイナリ モード、1 と 0 の符号化変調です。
例えば、ハイレベル駆動時のレーザ光強度は大きく１を表し、ローレベル駆動時のレーザ光パワーは弱く｛｛３｝を表す。
異なる電力を素早く切り替えることで情報を伝達できます。
この高速スイッチングにより、所定の信号を人為的に追加して、「アイ ダイアグラム」を形成するレーザー パワー曲線に出力できます。
アイダイアグラムの形成
デジタル信号の場合、高レベルと低レベルの変化には複数のシーケンスの組み合わせが存在します。 3 ビットを例にとると、000-111 の組み合わせは 8 通りあります。時間領域では、上記のシーケンスの十分な数が特定の基準点に従って整列され、波形が重ね合わされてアイ ダイアグラムが形成されます。図 1 に示すように、テスト機器では、まずテスト対象の信号からクロック信号が復元され、次にクロック基準に従ってアイ ダイアグラムが重ね合わされて、最終的に表示されます。
実際のアイ ダイアグラムでは、図 2 に示すように、まず平均立ち上がり時間 (Rise Time)、立ち下がり時間 (Fall Time)、オーバーシュート (Overshoot)、アンダーシュートなどのデジタル波形の基本的なレベル変換パラメータを確認できます。 (アンダーシュート)、しきい値レベル (Threshold/CrossingPercent)。
信号のハイレベルとローレベルの電圧値を毎回完全に一定に保つことは不可能であり、各ハイレベルとローレベルの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジが同時にであることを保証することも不可能です。 。図3に示すように、複数の信号が重なり合うことにより、アイダイアグラムの信号線が太くなり、ぼやけ(Blur)が発生します。したがって、アイ ダイアグラムには信号のノイズとジッターも反映されます。垂直電圧軸では、電圧ノイズ (VoltageNoise) として反映されます。水平時間軸では、時間領域のジッター (Jitter) として反映されます。
これは少し現実離れしています。アイ ダイアグラムはレーザー伝送の特許ではありません。他の通信分野でも使用されています。
レーザーの帯域幅に戻りましょう。
レーザーチップ内部では、帯域幅は正孔の再結合時定数によって制限される必要があります。
実際、それは電気が光に変換される速度です。速いかどうかは、注入される電流が信号に応じて電圧の大きさを素早く切り替える必要があるためです。このスイッチング時間の間に、次の電気信号に影響を与えないよう、電気をできるだけ早く光に変換して放出することが求められます。しかし、電子と正孔は入ってすぐには再結合しません。特定の電圧の下では、ゆっくりと動作することを選択します。場合によっては、ショートカットがあっても、組み換えゾーンを直接通過したい場合があります。材料の欠陥、抵抗、静電容量などが影響します。したがって、帯域幅の制限があります。
実際には、帯域幅には多くの制限要因があります。
レーザーの変調帯域幅を改善する場合、重要なのは、レーザーの電気的寄生要因、特に寄生容量と量子井戸構造におけるキャリアの輸送プロセスの影響を軽減することです。
高速レーザーを製造する場合、デバイスの 3dB 帯域幅を改善するために次の措置を講じることができます。
① 活性領域はひずみ（補償）多重量子井戸構造を採用しており、量子井戸レーザー井戸材料には井戸面に平行な方向の圧縮ひずみと井戸面に垂直な方向の引張ひずみの二軸が加わり、価電子帯上部の重い正孔のエネルギー準位が上昇し、この価電子帯が縮退することで、電子がスピン軌道分裂帯から重い正孔帯に遷移する確率がほぼゼロになり、室内でのオージェ再結合確率が減少します。その結果、この量子井戸レーザーのしきい値電流が減少し、線幅増強係数が減少し、緩和振動周波数、変調帯域幅、および微分利得係数が大幅に増加します。
② 活性領域の P 型ドーピング - P 型ドーピングは、SCH 領域を通過する際の正孔輸送を減少させる可能性があり、これが高速量子井戸デバイスの主な制限となります。 p 型ドーピングにより、非常に高い微分利得が得られ、量子井戸内のキャリアの分布がより均一になります。
活性領域の Zn ドーピング濃度が 1018 cm-3 に近い場合、その 3dB 帯域幅は 25 GHz に達する可能性があり、ドーピングによりデバイスの発振周波数も 30 GHz まで増加します (共振器長は 300 μm)。さらに、高濃度のドーピングは、線幅増強係数を低減し、差動利得をさらに改善するのにも有益であり、これらはすべてデバイスの変調特性を改善するのに有益である。
③ 電気的寄生パラメータの低減 - 高速レーザの電気的寄生パラメータ、特に寄生容量を低減するには、半絶縁性 Fe-InP 再成長埋め込み技術を使用でき、同時に電極面積を縮小する必要があります。デバイスの寄生容量を低減するために、自己整合ナローメサ構造 (SA-CM) が使用されています。寄生容量を減らすためにポリイミドを充填する方法もよく使用されます。
④ レーザー内部の光子濃度と微分利得を増加させる - レーザーキャビティ内の光子濃度を増加させると、固有共振周波数を増加させることができます。 DFB 構造を使用して発振波長と利得ピーク波長を負の離調 (-10nm) にすると、差動利得が増加し、それにより -3dB 変調帯域幅が増加します。
半導体レーザーの高速変調特性を制限する要因とレーザーの変調帯域を拡大する方法についての上記の分析は、これらの要因とその静的特性が相互に影響するため、高速レーザーを設計する際には、しきい値や温度特性などを考慮する必要があります。
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