선폭
레이저의 선폭과 대역폭의 이름은 매우 유사하지만 의미는 매우 다릅니다. 먼저 선폭을 살펴보겠습니다. 선폭은 레이저 스펙트럼의 절반 피크 전체 폭인 선폭을 비교적 이해하기 쉽습니다.
대역폭
레이저 대역폭은 스펙트럼 길이의 단위가 아닙니다. 전체 이름은 레이저 변조 대역폭이라고 해야 합니다.
반도체 레이저의 변조 대역폭은 출력 또는 로드(디지털 신호의 경우)할 수 있는 최대 신호 속도 또는 출력(또는 로드) 아날로그 신호의 최대 대역폭을 나타냅니다.
따라서 대역폭을 이해하려면 먼저 레이저의 변조, 변조 모드 및 정의를 이해해야 합니다. 대역폭은 변조에 나타나는 한계입니다.
레이저 통신의 원리는 실제로 이진 모드, 1과 0의 코딩된 변조입니다.
예를 들어, 고레벨 구동 하의 레이저 광 강도는 크고, 1을 나타내고, 저레벨 구동 하의 레이저 광 출력은 약하여 0을 나타냅니다.
서로 다른 힘 사이를 빠르게 전환하여 정보를 전송할 수 있습니다.
이러한 빠른 전환은 미리 결정된 신호를 인위적으로 추가하고 이를 레이저 전력 곡선으로 출력하여 "아이 다이어그램"을 형성할 수 있습니다.
아이 다이어그램 형성
디지털 신호의 경우 높은 레벨과 낮은 레벨의 변경에는 여러 시퀀스 조합이 있을 수 있습니다. 3비트를 예로 들면, 000-111의 조합은 8개가 있을 수 있습니다. 시간 영역에서는 위의 시퀀스를 충분히 기준점에 따라 정렬한 후 파형을 중첩하여 아이 다이어그램을 형성합니다. 그림 1과 같이 테스트 장비의 경우 신호의 클록 신호가 먼저 테스트할 신호에서 복구된 다음 클록 기준에 따라 아이 다이어그램이 중첩되어 최종적으로 표시됩니다.
실제 아이 다이어그램의 경우 그림 2에 표시된 대로 먼저 평균 상승 시간(Rise Time), 하강 시간(Fall Time), 오버슈트(Overshoot), 언더슈트와 같은 디지털 파형의 기본 레벨 변환 매개변수를 볼 수 있습니다. (미달), 임계값 수준(Threshold/CrossingPercent).
신호의 하이 및 로우 레벨의 전압 값이 매번 완전히 일관되게 유지되는 것은 불가능하며, 각 하이 및 로우 레벨의 상승 에지와 하강 에지가 동시에 보장되는 것도 불가능합니다. . 그림 3에서 볼 수 있듯이, 여러 신호의 중첩으로 인해 아이 다이어그램의 신호선이 두꺼워지고 흐려짐(Blur)이 발생합니다. 따라서 아이 다이어그램은 신호의 노이즈와 지터도 반영합니다. 수직 전압 축에서는 전압 노이즈(VoltageNoise)로 반영됩니다. 수평 시간 축에서는 시간 영역 지터(Jitter)로 반영됩니다.
이것은 약간 말도 안되는 일입니다. 아이 다이어그램은 레이저 전송에 대한 특허가 아닙니다. 다른 통신 분야에서도 사용됩니다.
레이저의 대역폭으로 돌아가 보겠습니다.
레이저 칩 내부에서는 정공의 재결합 시간 상수에 의해 대역폭이 제한되어야 합니다.
실제로 이는 전기가 빛으로 변환되는 속도입니다. 빠른지 아닌지는 주입된 전류가 신호에 따라 전압 크기를 빠르게 전환해야 하기 때문입니다. 이 전환 시간 동안 전기는 가능한 한 빨리 빛으로 변환되어 방출되어야 다음 전기 신호에 영향을 미치지 않습니다. 그러나 전자와 정공은 들어온 직후에 재결합하지 않습니다. 특정 전압에서는 천천히 실행되도록 선택합니다. 때로는 지름길이 있지만 여전히 재결합 구역을 직접 통과하고 싶어하는 경우도 있습니다. 재료의 결함, 저항, 정전 용량 등이 영향을 미칩니다. 따라서 대역폭 제한이 있습니다.
실제로 대역폭에는 많은 제한 요소가 있습니다.
레이저의 변조 대역폭을 향상시키려면 레이저의 전기적 기생 요인, 특히 양자 우물 구조에서 캐리어의 기생 용량과 전달 과정의 영향을 줄이는 것이 핵심입니다.
고속 레이저를 제조할 때 장치의 3dB 대역폭을 향상시키기 위해 다음 조치를 취할 수 있습니다.
① 활성영역은 스트레인(보상) 다중양자우물 구조를 채택하고 있다. 양자우물 레이저웰 재료는 웰 표면에 평행한 방향으로 이축 압축 변형을 받고, 웰 표면에 수직인 방향으로 인장 변형을 받으며, 가전자대 상단의 중정공 에너지 준위가 상승하고, 이 원자가대가 축퇴되어 스핀-궤도 분할대에서 중정공대로의 전자 전이 확률이 거의 0이 되어 실내에서의 오제 재결합 확률이 감소합니다. 온도에 따라 이 양자 우물 레이저의 임계 전류가 감소하고 선폭 향상 계수가 감소하며 완화 발진 주파수, 변조 대역폭 및 미분 이득 계수가 크게 증가합니다.
② 활성 영역에서의 P형 도핑 - p형 도핑은 SCH 영역을 통과할 때 정공 수송을 감소시킬 수 있는데, 이는 고속 양자우물 소자의 주요 한계입니다. p형 도핑은 매우 높은 미분 이득을 얻을 수 있고 양자 우물 내 캐리어 분포를 더욱 균일하게 만들 수 있습니다.
활성 영역의 Zn 도핑 농도가 1018cm-3에 가까우면 3dB 대역폭은 25GHz에 도달할 수 있으며 도핑은 장치의 발진 주파수를 30GHz(공동 길이는 300μm)까지 증가시킬 수 있습니다. 또한, 무거운 도핑은 선폭 향상 요소를 줄이고 차동 이득을 더욱 향상시키는 데에도 도움이 되며, 이는 모두 장치의 변조 특성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
③ 전기적 기생 매개변수 감소 - 고속 레이저의 전기적 기생 매개변수, 특히 기생 용량을 줄이기 위해 반절연 Fe-InP 재성장 매립 기술을 사용할 수 있으며 동시에 전극 면적을 줄여야 합니다. 자체 정렬된 좁은 메사 구조(SA-CM)는 장치의 기생 커패시턴스를 줄이는 데 사용됩니다. 또한 사람들은 기생 용량을 줄이기 위해 폴리이미드를 채우는 방법을 자주 사용합니다.
④ 레이저 내부의 광자 농도 및 미분 이득을 높입니다. - 레이저 공동의 광자 농도를 높이면 고유 공진 주파수가 증가할 수 있습니다. DFB 구조를 사용하여 레이저 파장과 이득 피크 파장을 음의 디튜닝(-10nm)으로 만들면 차동 이득이 증가하여 -3dB 변조 대역폭이 증가할 수 있습니다.
반도체 레이저의 고속 변조 특성을 제한하는 요소와 레이저의 변조 대역폭을 높이는 방법에 대한 위의 분석은 이러한 요소와 정적 특성이 상호 영향을 미치므로 고속 레이저를 설계할 때는 다음과 같은 다른 특성이 필요합니다. 임계값, 온도 특성 등을 고려해야 합니다.
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