激光器調(diào)制的案例
【Lumerical系列】硅基電光調(diào)制器（3.1）——常用的光學(xué)結(jié)構(gòu)
中紅外硅基調(diào)制器研究進(jìn)展 (特邀)[J]. 紅外與激光工程, 2022, 51(3): 20220021-1-20220021-11.
[5] 夏鵬輝. 高速硅光調(diào)制器及其集成芯片研究[D]. 浙江大學(xué), 2023.
OptiSystem應(yīng)用：半導(dǎo)體激光器調(diào)制
當(dāng)將直接調(diào)制的激光器用于高速傳輸系統(tǒng)時(shí)，調(diào)制頻率可以不大于弛豫振蕩的頻率。弛豫振蕩取決于載流子壽命和光子壽命。這種依賴關(guān)系的近似表達(dá)式如下所示：
對(duì)于激光速率方程模型的默認(rèn)參數(shù)Ith=33.45mA,τsp = 1ns, τph =3ps，假設(shè)調(diào)制峰值電流I=40mA， IB=40mA，則根據(jù)上述方程對(duì)應(yīng)的弛豫振蕩頻率約為1.3 GHz，參數(shù)設(shè)置如下圖所示：
在本次案例中，我們展示了高速半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的性能與調(diào)制頻率和激光偏置電流的關(guān)系。
如果將圖5與圖4（比特率為1.3 Gb/s，IB=40mA）進(jìn)行比較，可以清楚地表明，偏置電流降低到閾值以下會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。
展開 OptiSystem：半導(dǎo)體激光器調(diào)制
當(dāng)將直接調(diào)制的激光器用于高速傳輸系統(tǒng)時(shí)，調(diào)制頻率可以不大于弛豫振蕩的頻率。弛豫振蕩取決于載流子壽命和光子壽命。這種依賴關(guān)系的近似表達(dá)式如下所示：
弛豫振蕩頻率隨激光偏置電流的增加而增加。
在本次案例中，我們通過改變調(diào)制頻率和激光偏置電流來展示高速半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的特性。系統(tǒng)布局如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)布局
全局參數(shù)設(shè)置如下：數(shù)值參數(shù)的討論:比特率為1.3 Gb/s，序列長(zhǎng)度為128位，因此，時(shí)間窗約為98.5 ns。每比特采樣數(shù)為512，因此采樣率為670GHz。如圖2：
圖2全局參數(shù)設(shè)置
對(duì)于激光速率方程模型的默認(rèn)參數(shù)Ith=33.45mA,τsp = 1ns, τph =3ps，假設(shè)調(diào)制峰值電流I=40mA， IB=40mA，則根據(jù)上述方程對(duì)應(yīng)的弛豫振蕩頻率約為1.3 GHz，參數(shù)設(shè)置如下圖所示：
圖3半導(dǎo)體激光器設(shè)置
在圖4和圖5中，將展示高于弛豫振蕩頻率的調(diào)制頻率增加對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在圖4中，研究了比特率1.3 Gb/s和10Gb/s傳輸下系統(tǒng)的眼圖。激光速率方程的參數(shù)是如前所述的默認(rèn)參數(shù)（I=IB=40mA）。
a）比特率為1.3Gb/s
b）比特率為10Gb/s
圖4增加系統(tǒng)調(diào)制頻率大于弛豫振蕩頻率
顯然，頻率遠(yuǎn)高于弛豫振蕩頻率的調(diào)制會(huì)導(dǎo)致不可接受的系統(tǒng)性能。
在圖5中，將展示固定比特率下偏置電流對(duì)弛豫振蕩頻率的影響，以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響。我們使用1.3 Gb/s傳輸，保持所有其他參數(shù)不變，并使用IB=20mA。
圖5減少偏置電流
如果將圖5與圖4（比特率為1.3 Gb/s，IB=40mA）進(jìn)行比較，可以清楚地表明，偏置電流降低到閾值以下會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。
在本次案例中，我們展示了高速半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的性能與調(diào)制頻率和激光偏置電流的關(guān)系。
展開 OptiSystem應(yīng)用：半導(dǎo)體激光器調(diào)制
在本次案例中，我們展示了高速半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的性能與調(diào)制頻率和激光偏置電流的關(guān)系。
[Optiwave] OptiSystem應(yīng)用：半導(dǎo)體激光器調(diào)制
在本次案例中，我們展示了高速半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的性能與調(diào)制頻率和激光偏置電流的關(guān)系。
【Lumerical系列】硅基光電調(diào)制器（2）——常見的三種調(diào)制結(jié)構(gòu)
可采用不同設(shè)計(jì)的PN結(jié)來解決上述問題并優(yōu)化調(diào)制器調(diào)制速度、效率和損耗
5) 結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)：
載流子耗盡型調(diào)制器是目前光通信中的主流器件，調(diào)制速度快，多采用馬赫-曾德爾型結(jié)構(gòu)，但器件尺寸相對(duì)較大，且由于對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行了摻雜帶來了額外的光吸收損耗。與載流子注入型的調(diào)制器相比，其調(diào)制效率較低，器件消光比也較低。
6) 應(yīng)用范圍：
多應(yīng)用于對(duì)調(diào)制速度有要求的硅基高速調(diào)制器。Ansys Lumerical中的案例為Interleaved junction microring modulator（相關(guān)鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042327594-Interleaved-junction-microring-modulator）
圖4：Interleaved junction microring modulator
3. 載流子積累型：
圖5（a）載流子積累型結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來自文獻(xiàn)1，2）
圖5（b）載流子積累型原理示意圖（圖片來自文獻(xiàn)1，2）
1) 結(jié)構(gòu)描述：
載流子積累型調(diào)制器的電學(xué)結(jié)構(gòu)為一個(gè)電容，一般由多晶硅-二氧化硅-硅的結(jié)構(gòu)構(gòu)成電容，所以積累型調(diào)制器也稱為SISCAP型調(diào)制器（Silicon-Insulator-Silicon Capicator）。積累型調(diào)制器的調(diào)制效率較高，調(diào)制帶寬在載流子注入型調(diào)制器和載流子耗盡型調(diào)制器之間。
2) 調(diào)制過程：
當(dāng)施加電壓時(shí)，電容的上下表面分別積累正負(fù)電荷，載流子濃度的變化引起波導(dǎo)模式的有效折射率變化，從而實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。
3) 電極結(jié)構(gòu)：
由于尺寸多為幾百微米量級(jí)，因此可采用集總電極（長(zhǎng)度小于0.5 mm）作為驅(qū)動(dòng)。
展開 1064nm光纖激光器
產(chǎn)品簡(jiǎn)介 脈沖光纖激光器采用主振蕩器功率放大MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）結(jié)構(gòu)，其中主振蕩利用半導(dǎo)體激光器作為種子源，功率放大則通過?波光纖放大器來實(shí)現(xiàn)。MOPA結(jié)構(gòu)脈沖光纖激光器是通過直接調(diào)制單模半導(dǎo)體激光器來輸出脈沖光束，其脈沖寬度可調(diào)、波形可編輯、擁有連續(xù)模式，且頻率范圍廣、峰值功率高，脈沖時(shí)序可配合后級(jí)泵浦進(jìn)?精確控制，可控參數(shù)多，極大拓展了相關(guān)脈沖激光的應(yīng)用范圍，為工業(yè)激光打標(biāo)和其它應(yīng)用提供了一款理想的光源。
產(chǎn)品參數(shù)產(chǎn)品咨詢和訂購(gòu)熱線李經(jīng)理 電話：13584002366
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—摻釔光纖激光器
該范例為摻釔光纖激光器的簡(jiǎn)單模型。泵浦與信號(hào)光均在單模光纖內(nèi)傳輸。
腳本程序中，通過插入對(duì)象函數(shù)set＿R（），將放大器模型轉(zhuǎn)換為激光器模型。設(shè)定光纖左端面對(duì)信號(hào)光（激光）全反射（光纖布拉格光柵效應(yīng)），輸出光纖端面具有4％的反射率（裸纖端面的菲涅爾反射效應(yīng)）。
在模型中需簡(jiǎn)單定義激光波長(zhǎng)。若無定義波長(zhǎng)的光學(xué)組件，激光器通常輸出增益更大的工作波長(zhǎng)。這是一個(gè)非常復(fù)雜的范例，可自動(dòng)計(jì)算激光輸出波長(zhǎng)。
Yb fiber laser ．cf ．fpw 包含用戶自定義項(xiàng)，可靈活編輯輸入?yún)⒘俊?/span>
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—摻銩上轉(zhuǎn)換光纖激光器
該模型表明,RP Fiber Power軟件如何對(duì)含有復(fù)雜能級(jí)結(jié)構(gòu)的激光器或放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)。
設(shè)定光纖激光器具有以下特性:
光纖為氟鋯酸鹽玻璃,摻雜銩離子。由于ZBLAN玻璃的低聲子能量,3H4和3F2為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。(未被多聲子躍遷所猝滅)
銩離子在吸收3個(gè)1140nm泵浦聲子后被激發(fā)至高電子能級(jí)。由高能級(jí)受激輻射至基態(tài),并產(chǎn)生480nm的藍(lán)光。
光纖左端面為全反射鏡,右端面為反射率為60%的輸出耦合鏡。
模型所采用的光譜數(shù)據(jù)源于文獻(xiàn):“R． Paschotta et al．, Characterization and modeling of thulium:ZBLAN blue upconversion fiber lasers”, J． Opt． Soc． Am． B 14 (5), 1213 (1997)．
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—鉺釔共摻光纖激光器
該模型為短腔鉺釔共摻光纖激光器,975nm泵浦光束激發(fā)鉺離子與釔離子。鉺離子的激活能量轉(zhuǎn)移至鉺離子。
此類激光器也可在無釔離子情況下運(yùn)行,可通過設(shè)置釔離子的濃度為0即可。然而,此時(shí)泵浦吸收非常有限,導(dǎo)致輸出功率較低。(由于光纖長(zhǎng)度短,摻雜濃度有限所致)隨著鉺離子的摻雜,能量吸收更充分,激光轉(zhuǎn)換效率極大增加。然而,在高泵浦功率下,能量轉(zhuǎn)移效率達(dá)到極限,限制了輸出功率。
光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—摻釔光纖激光器，自動(dòng)解算輸出波長(zhǎng)
該范例為摻釔光纖激光器模型,可自動(dòng)計(jì)算激光器輸出波長(zhǎng)。因此,需定義多個(gè)信道,波長(zhǎng)間隔為5nm,軟件將分析給定條件下哪個(gè)信道輻射激光。(兩個(gè)信道具有相似增益的情況下將出現(xiàn)問題)
腳本程序設(shè)定了laser_wavelength()用戶自定義函數(shù),分析輻射信道,通常此信道具有較高的輸出功率。
圖3中可新奇的觀察到光纖長(zhǎng)度的變化。對(duì)每一點(diǎn)需重新計(jì)算激光器波長(zhǎng),確實(shí)發(fā)生了變化。對(duì)于短光纖,975nm處出現(xiàn)激光輻射,發(fā)射截面較大。然而,對(duì)于長(zhǎng)光纖,激光波長(zhǎng)突然跳轉(zhuǎn)至1030nm,發(fā)射長(zhǎng)波長(zhǎng)激光,這主要由于975nm的激光的二次吸收(此處具有較高的吸收截面)。這一特性為三能級(jí)激光系統(tǒng)的顯著特征。
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RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—放大器的動(dòng)態(tài)仿真
該模型采用RP Fiber Power 軟件對(duì)一定輸入功率下光纖放大器的動(dòng)態(tài)仿真。
采用摻釔光纖放大器的簡(jiǎn)單模型。對(duì)于光纖的起始點(diǎn),設(shè)定具有一定泵浦與信號(hào)功率的穩(wěn)定狀態(tài)。然后設(shè)定超高斯型的信號(hào)脈沖,占有絕大部分能量。由于在放大期間,增益突然急劇下降,輸出脈沖的形狀本身存在畸變。
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—光纖耦合器
研究基于倏逝波的光纖定向耦合器。傳輸一段距離后，兩光纖纖芯相對(duì)較近，光線可由一根光纖遂穿到另外一根光纖纖芯內(nèi)。光線由其中一個(gè)端口入射，可分析不同波導(dǎo)距離，耦合長(zhǎng)度，波長(zhǎng)下的傳輸特性。
圖1為折射率分布，用于說明是否為所設(shè)定的耦合結(jié)構(gòu)。
圖2為yz平面內(nèi)的場(chǎng)分布，可分析光功率如何耦合至相鄰波導(dǎo)的過程。
圖3為其中一個(gè)輸出端口下光束的分布。
圖4為耦合強(qiáng)度與耦合區(qū)兩纖芯距離的關(guān)系；
圖5為耦合強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系。短波長(zhǎng)表現(xiàn)弱耦合，隱逝場(chǎng)較弱。由于光耦合返回至初始波導(dǎo)中，彎曲損耗逐漸增加，在再次減弱前，長(zhǎng)波長(zhǎng)表現(xiàn)強(qiáng)耦合特性。
需指出，該程序分別定義了不同的波長(zhǎng)通道，用戶可在后期詳細(xì)研究各通道光束的分布，以及耦合區(qū)光束的分布特性。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—包層泵浦光纖放大器
該范例為單模光纖放大器腳本程序的修改版。設(shè)定泵浦光在多模雙包層光纖內(nèi)包層傳輸,信號(hào)光在單模纖芯內(nèi)傳輸。泵浦功率增加至10W。若泵浦吸收急劇減弱,可采用長(zhǎng)光纖,選擇975nm為泵浦波長(zhǎng),增加摻雜濃度。
該模型已隱含假設(shè),橫向泵浦強(qiáng)度分布在傳播過程中為常量。這需要光纖中極強(qiáng)的模態(tài)混疊,可將光纖呈徑向?qū)ΨQ設(shè)計(jì)。
此案例中未考慮放大的自發(fā)輻射。因此,若降低輸入信號(hào)功率,單通道增益較高,模式失效。
OptiSystem應(yīng)用：鈮酸鋰調(diào)制器的啁啾分析
本文的目的是證明輸入到調(diào)制器兩臂的電壓與鈮酸鋰MZ調(diào)制器輸出中的啁啾之間的關(guān)系。
啁啾是高比特率光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，因?yàn)樗鼤?huì)干擾系統(tǒng)距離的極限[1]。因?yàn)?em>激光源保持在窄帶穩(wěn)頻模式，外部調(diào)制器可以提供了一種減少或消除啁啾的方法。外部調(diào)制器通常是LiNbO3調(diào)制器或電吸收調(diào)制器。在本課中，基于工作電壓分析了LiNbO3引起的啁啾。
這里，對(duì)調(diào)制器在圖1所示的雙驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行了分析（其中ΔV1=-ΔV2）。
圖1.雙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布局
圖2是MZ調(diào)制器參數(shù)設(shè)定窗口，其中MZ調(diào)制器以正交模式工作，外置偏壓位于調(diào)制器光學(xué)響應(yīng)曲線的中點(diǎn)，使得偏壓強(qiáng)度為其峰值的一半。而消光系數(shù)設(shè)置為200dB，以避免任何由于不對(duì)稱Y型波導(dǎo)而導(dǎo)致的啁啾聲[2]。調(diào)制器被設(shè)置為以非歸一化的方式工作，這意味著電輸入信號(hào)將不會(huì)被歸一化。
圖2.MZ調(diào)制器參數(shù)設(shè)置
對(duì)于兩個(gè)臂的幾何形狀完全相同的雙驅(qū)動(dòng)調(diào)制器。啁啾以驅(qū)動(dòng)電壓的形式給出[3]：
其中V1和V2分別是施加到臂1和2的電壓。
根據(jù)方程式，為了實(shí)現(xiàn)調(diào)制器的零啁啾，施加的電壓之間的關(guān)系必須為V1=-V2。圖3顯示了輸入端口2和3的電壓以及脈沖序列。
圖3.輸入端口 2 (a) V1pp = 2.0V 和輸入端口 3 (b) V2pp = 2.0V 處的電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)調(diào)制器接近零的啁啾
結(jié)果如圖4所示。光信號(hào)的幅度從0到1mW不等。啁啾的振幅約為100 Hz（由于其值很小，可以認(rèn)為實(shí)際上為零）。
圖4.調(diào)制器輸出口的光信號(hào)
顯然，頻率遠(yuǎn)高于弛豫振蕩頻率的調(diào)制會(huì)導(dǎo)致不可接受的系統(tǒng)性能。
為了顯示啁啾值隨施加電壓變化的差異，峰間電壓設(shè)置為V1pp=3.0V，V2pp=1.0V，得到α=0.5。圖5顯示了電輸入信號(hào)。
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