Устройство для широкополосной аналоговой модуляции полупроводникового лазера

 

Использование: в измерительной технике, в частности в оптической электронике для волоконно-оптических систем связи. Сущность изобретения: устройство содержит монолитный блок для установки лазерного диода, согласующую полосковую линию на диэлектрической подложке и контакт для подачи постоянного смещения. Лазерный диод выполнен в виде двухсекционной структуры, состоящей из модуляторной секции с импедансом, совпадающим с импедансом источника модулирующего сигнала, и подключенной к полосовой линии, и усилительной секции, соединенной с контактом подачи постоянного смещения от отдельной цепи, изолированной от полосковой линии. 2 ил.

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в волоконно-оптических системах связи.

Известен быстродействующий оптоволоконный лазерный модуль, состоящий из корпуса, в котором размещается основание лазера с полупроводниковым лазерным диодом. Для приема внешних электрических сигналов и подачи их на выводы соединительной платы служит приемное устройство. Кроме того, в состав лазерного модуля входят лазерный диод и устройство для изменения импеданса входной линии, размещенное на соединительной плате, устройство для соединения лазера с устройством изменения импеданса и устройство для соединения лазера с землей [1] .

К недостаткам этого устройства относятся невысокая широкополостность, большая сложность, невысокая надежность и малый коэффициент передачи мощности сигнала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является устройство для широкополосной аналоговой модуляции полупроводникового лазера, содержащее монолитный блок для установки лазерного зазора, согласующую полосковую линию на диэлектрической подложке и контакт для подачи постоянного смещения, резистивный элемент, соединенный с указанной линией [2] . Полосковая линия с парал- лельными полосками служит в качестве системы регулировки импеданса, резистивный элемент - для компенсации изменения импеданса устройства в соответствии с импедансом линии. Линия с параллельными полосками и резистивный элемент встроены в монтажный блок для получения монолитной структуры.

К недостаткам этого устройства относятся невысокая широкополосность вследствие того, что согласование импедансов источников сигнала и лазерного диода с помощью параллельных полосковых линий наиболее эффективно в средней полосе (10-40 % ). Кроме того, наличие резистивного элемента приводит к потере мощности полезного модулирующего сигнала, что уменьшает коэффициент передачи мощности системы излучатель - фотоприемник. Наличие дополнительного входа подачи постоянного смещения на электрод лазерного диода, на который подается и модулирующий сигнал, приводит к появлению паразитных резонансов из-за вносимых индуктивности и емкости цепью постоянного смещения, что также уменьшает рабочую полосу частот.

Целью изобретения является повышение широкополосности устройства и увеличение коэффициента передачи мощности.

Цель достигается тем, что в устройстве для широкополосной аналоговой модуляции полупроводникового лазера лазерный диод выполнен в виде двухсекционной структуры, состоящей из модуляторной секции с импедансом, совпадающим с импедансом источника модулирующего сигнала, и подключенной к полосковой линии, и усилительной секции, соединенной с контактом для подачи постоянного смещения от отдельной цепи, изолированной от полосковой линии.

Возможность регулировки импеданса модуляторной секции путем выбора ее площади позволяет максимально приблизить импеданс двухсекционного лазерного диода к сопротивлению источника сигнала. Полосковая линия в предложенном устройстве не трансформирует импеданс диода к импедансу иcточника сигнала, как в прототипе, тем самым не накладываются ограничения на рабочий диапазон. Разделение цепей постоянного смещения и модуляции избавляет высокочастотный тракт от дополнительных цепей развязки (заграждающих фильтров), которые также ограничивают широкополосность устройства. Это связано со сложностью реализации цепи развязки в широком частотном диапазоне.

Повышение коэффициента передачи мощности стало возможным за счет чрезвычайно высокой дифференциальной квантовой эффективности двухсекционного лазерного диода, а также за счет выбора импеданса модуляторной секции таким, при котором соблюдается режим согласования во всем частотном диапазоне, что позволяет полностью использовать мощность модулирующего сигнала, не теряя ее в согласующем резисторе или других согласующих цепях.

При этом значительно упрощена конструкция устройства.

На фиг. 1 схематически изображено устройство для широкополосной аналоговой модуляции полупроводникового лазера; на фиг. 2 - электрическая схема включения двухсекционного лазерного диода в полосковую линию и цепь постоянного смещения.

Устройство для широкополосной аналоговой модуляции полупроводникового лазера (см. фиг. 1) состоит из полосковой линии 1, размещенной на диэлектрической подложке 2, полупроводникового двухсекционного лазерного диода 3, размещенного на монолитном блоке 4, и контактной площадки 5 для подачи постоянного смещения. Модуляторная секция 6 лазерного диода включена в полосковую линию посредством проводника 7, и усилительная секция 8 соединяется с контактной площадкой 5 также посредством аналогичного проводника 7.

Электрическая эквивалентная схема лазерного диода как обычного, так и двухсекционного, может быть представлена в виде параллельно соединенных емкости С и сопротивления R. Типичные значения С и R для прототипа составляют С₁ = 30 пФ, R₁ = 5 Ом, а для двухсекционного гетеролазера С₂ = 3 пФ, R₂ = 50 Ом. Потенциально достижимая широкополосность Δω определяется правилом Фано: Δω= ln() , (1) где Γ - комплексный коэффициент отражения от лазерного диода, который выражается через Z₀ и импеданс лазерного диода Z_{л. д} следующим образом Γ= . (2) Известно выражение для коэффициента передачи мощности: K_р = a η²(1-| Γ| ²) , (3) где a - коэффициент пропорциональности, не зависящий от электрических характеристик лазерных диодов; η - дифференциальная квантовая эффективность лазерного диода.

Значение η для лазерных диодов, применяемых в аналогах и прототипе, находится в диапазоне η₁ = 0,3-0,5 мВт/мА, а двухсекционного лазерного диода η₂ = 1,0-1,3 мВт/мА. Так для лазерного диода прототипа экспериментальное значение η₁ = 0,31 мВт/мА, а для заявленного устройства η₂ = = 1,1 мВт/мА. Такие высокие дифференциальные квантовые эффективности недостижимы для обычных лазерных диодов, применяемых в устройствах-аналогах и прототипе, из-за различных физических принципов управления излучением.

Преимущества заявленного устройства в широкополосности и коэффициенте передачи мощности иллюстрируются таблицей, данные для которой рассчитаны по формулам (1-3) для конкретных экспериментальных значений емкостей, сопротивлений и дифференциальных квантовых эффективностей сравниваемых лазерных диодов, где f_ср - средняя рабочая частота; Δω₂/Δω₁ - отношение потенциальных широкополосностей описываемого устройства и прототипа; K_р2/K_р1 - отношение коэффициентов передачи мощности описываемого устройства и прототипа.

Как видно из таблицы, потенциальная широкополосность заявленного устройства в наиболее широко используемом диапазоне частот в среднем на порядок превышает потенциальную широкополосность устройства-прототипа. Аналогичная картина имеет место для коэффициента передачи мощности.

Схема включения описанного устройства для широкополосной аналоговой модуляции полупроводникового лазера показана на фиг. 2.

Источник 9 широкополосного аналогового сигнала с внутренним сопротивлением Z₀ включается в полосковую линию 1, по которой сигнал поступает на модуляторную секцию 6 лазерного диода. Постоянное смещение усилительной секции 8 задается источником 10 постоянного смещения так, чтобы ее ток превышал пороговый ток лазерного диода и рабочая точка находилась в режиме развитого генерирования.

П р и м е р . Для исследования параметров предложенного устройства был изготовлен макет, который состоит из медного монолитного блока 4, на который с помощью низкотемпературного припоя (Т_пл ≅ 150^оС) припаивался двухсекционный лазерный диод на основе AlGaAs/GaAs гетероструктуры. Общая длина резонатора лазерного диода составляет 200 мкм, длина модуляторной и усилительной секции - 15 и 175 мкм соответственно.

К секциям лазерного диода с помощью термокомпрессии припаяны золотые проводники 7 диаметром 15 мкм. На диэлектрической подложке 2 из материала ФЛАН-3 толщиной 1 мм путем травления медной фольги формируется полосковая линия 1, к которой термокомпрессией присоединяется проводник 7. Контактная площадка 5 изготавливается приклеиванием металлизированной ситалловой пластины к монолитному блоку 4 с помощью эпоксидного клея.

Для работы макета устройства выбраны следующие режимы: ток усилительной секции - 70-80 мА, мощность модулирующего сигнала - 5-10 мкВт. Нижний предел тока усилительной секции обусловлен срывом генерации когерентного излучения, а верхний - перегрузкой лазерного диода. Мощность модулирующего сигнала выбирается в таких пределах потому, что при мощности менее 5 мкВт значительно уменьшается глубина модуляции, а при мощности более 10 мкВт становятся неприемлемыми нелинейные искажения сигнала.

Настоящим устройством для широкополосной модуляции полупроводникового лазера достигается рабочий диапазон частот 100-2000 МГц (вместо 1000-1400 МГц, достигаемого в устройстве-прототипе) и повышен коэффициент передачи мощности до - 20 дБ (вместо - 31 дБ в прототипе). (56) 1. Патент США N 4802178, кл. H 01 S 3/096, 1989.

2. Международная заявка N 87/02834, кл. H 01 S 3/02, 1987.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШИРОКОПОЛОСНОЙ АНАЛОГОВОЙ МОДУЛЯЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА, содержащее монолитный блок для установки лазерного диода, согласующую полосковую линию на диэлектрической подложке и контакт для подачи постоянного смещения, отличающееся тем, что, с целью повышения широкополосности устройства и увеличения коэффициента передачи мощности, лазерный диод выполнен в виде двухсекционной структуры, состоящей из модуляторной секции с импедансом, совпадающим с импедансом источника модулирующего сигнала, подключенной к полосковой линии, и усилительной секции, соединенной с контактом для подачи постоянного смещения от отдельной цепи, изолированной от полосковой линии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3