如何 用“副谐振腔”提高调制速率?

谐振,就是让辐射出来的光和通过反射面反射回来的光,“干涉”后放大,所以含有谐振腔的光学器件能实现“光的放大”效果。

所以激光器的原名称叫做“受激辐射光放大器”。

谐振所产生的放大,与频率相关,符合干涉相长的叫放大的频率,就叫做“谐振频率点”,这也是激光器被称之为“相干”光的原因。

可以用于谐振的反射腔,光栅、微环、两片平行反射板(FP)等等。

光栅,通常叫个“布拉格”光栅,用人名来命名,和FP一样,是个纪念作用。布拉格DBR光栅,理解为短腔分布式的状态时,就是DFB分布反馈布拉格激光器,如果仅仅理解为谐振腔,也叫DBR布拉格光栅激光器,通常DBR是平行于晶圆表面分布的,如果设计DBR是垂直叠加,那么就起名“垂直谐振腔”,可以起到镜面表面发光的效果,合起来叫“垂直腔–面发射”,也就是VCSEL

好,回到如何理解副谐振腔

先举例,普通DFB,有一组光栅,用均匀刻蚀的光栅比较好做,工艺难度较小。

这种光栅有两个理论上的激射波长,(匡:这些在合集里估计都写了上百篇各类结构,不赘述,也不列举了。)

这样的激光器,一般会要镀膜,一侧高反膜,一侧增透膜,这两个膜系,其实就是一个等效的“FP”腔啊,FP谐振腔,如果刚好它的谐振频率点对准了DFB的其中一个波长,那这个波长会被谐振后放大。

谐振的目的是“放大”,加了谐振腔的发光二极管,就叫光放大器。laser的那个A,就是放大的首字母。

频率x波长=常数,二者可以互联,有时候喜欢用频率来描述谐振点,有时候喜欢用波长来描述光谱。

光栅是DFB的主谐振腔,镀膜形成的FP是副谐振腔,二者如果(这个词记住啊)其中的一个频点对准,那么就是出现一个波长幅度大,另一个波长幅度小。

如果的意思是,FP这个等效的谐振腔,是个随机态,也许能碰上,也许碰不上,需要挑出那个符合要求的,我们在课件里画的华为那个双波导激光器,就在降低这种随机概率,提高符合要求的良率,降低成本。

判断的标准就是边模抑制比

DFB用在CW的直流光源,到这一步就为止了。如果还需要做信号调制,DML直接调制的DFB,那么调制电流的大小,会出现两个光谱,他们不重叠。

这就是啁啾,啁啾叫chirp,鸟鸣声,我们声音的宛转悠扬,那是频率不同而已。他们出现啁啾,波长(或者叫频率)有一点漂移,原本不要紧的。

可是,谁让这些信号要在玻璃丝(光纤)中传输呢,玻璃的特性是对不同频率传输的速度不同,这俩频点传输后出现了信号时域的展宽,就是啁啾也叫展宽因子。从另一个角度理解就是,前后码型出现干扰,误码概率增加。

解决的方式很简单,对于DML而言,降低消光比就能降低啁啾。因为调制摆幅小了,俩电流的差异不大,这有俩好处,第一个好处I1和I0大小电流的变化所需时间短,那么就提高“带宽”,用于高速调制,第二个好处是降低啁啾,可以提高(无误码前提下)传输距离。

俗称提高“带宽距离积”,有时候用作提高速率,这是Finisar、海信、华为、NTT等啁啾管理激光器的一部分说法。有时候用作延长距离,比如PON,用DML替代EML时,常说的选择啁啾管理激光器。

降低消光比,就降低啁啾,可但是,消光比又不能降低。PPR的功能就来了。这个功能的出发点,不用电流的变化来控制消光比,

直接调制的出发点,是通过电流的变化来控制输出光功率的变化,但是这种方式有一极限,电流控制光子,形成电流的是载流子(空穴和自由电子)。载流子和光子,也有可能出现谐振,俗称的CPR载流子光子共振)

PPR的出发点,不用电流的变化来控制消光比,而是用光子和光子再次共振,放大其中一个频点,从而提高消光比。面临的风险是,一定要选择放大频点选择准确,原本要放大P1,控制P0,但是如果没设计好,反而放大了P0,这就尴尬了,消光比不降反升。这就是PPR锁波的原因。

PPR为什要叫再次共振呢?

首先激光器就有个谐振腔,原本是光子和光子共振的呀,后来直接调制后出现了载流子和光子的共振,现在再增加一个“辅助谐振腔”,把调制后出现频率啁啾的某个波长再次进行谐振放大,来提高消光比。

第二次用到光子光子共振,来弥补载流子光子共振的遗憾,消光比的问题。

站在这个角度,我们看几个所谓的“辅助谐振腔”

FInisar的啁啾管理激光器的一种横截面,

左侧光栅主谐振腔,两个激射波长,

紫色FP辅助谐振腔,目的是抑制一个波长,辅助放大另一个波长,提高边模抑制比。

右侧那个是第三个谐振腔,也是个辅助谐振腔,辅助(已降低电流摆幅,降低啁啾,提高了带宽,但消光比很低的)直接调制的P1和P0,抑制P0,辅助放大P1,提高消光比。

海信的那个啁啾管理激光器,主谐振腔左侧光栅,FP辅助谐振腔提高边模抑制,右侧辅助谐振腔提高直接调制的速率且控制啁啾。

Finisar的单波100Gbps的DML,光栅主谐振腔,紫色FP副谐振腔,蓝色波导也是另一个FP谐振腔,紫色那个用来选择单模,蓝色那个用来提高速率降低啁啾。

NTT那个是三个光栅,主谐振腔+两个副谐振腔,作用是一样的。

在提到VCSEL的PPR时,用了“横向腔”的说法。

原因是刚才提到的那些主副谐振腔,都是水平方向的,都是横向腔的级联。所以把“横向”这俩字给默认缺省了,是认为做边发射激光器的都知道这个概念。

反过来VCSEL叫垂直腔面发射,它的主谐振腔是纵向的,是垂直方向的。(绝大多数啊,极个别的VCSEL用了垂直和横向的谐振腔,叫个啥高对比度光栅的VCSEL,以前写过,在合集里翻一翻就行。)

特意来提出横向腔,是为了避免误会,因为这次的辅助谐振腔不再都是垂直了,而是用了容易实现的横向结构。

以前写过的Broadcom(Avago)设计的四个辅助短谐振腔,是吧???

为什么横向辅助谐振腔可以用来增强垂直谐振的效果。

光子就是个兵乓球,它理论上的运动是三维空间皆可的,你用地板做反射面可以,用墙壁做反射面也可以,对光来说,遇到反射面就反射,不管你横向还是纵向。都行。

啁啾管理,有集成方案的,有分立方案的,归纳为两条。

第一,通过降低电流摆幅,实现低啁啾的作用。效果有两个,提高带宽,或则延长传输距离。业内用提高距离带宽积来表述。

带来一个隐患,就是消光比不足,对于探测器检测增加了难度

第二,用一个或多个辅助的谐振腔,来辅助提高消光比。

这个辅助的谐振腔,可以在辅助的前提下再次辅助,比如DFB的单模选择,就已经用了FP的辅助腔,那么用于提高消光比的那个辅助腔(FP或光栅),就成了第二或第三辅助腔了。

也可以直接做辅助,比如VCSEL,那是多模激光器,无需控制单横模和单纵模,那么用于提高消光比的这些个辅助腔就属于直接上来就是提高消光比的。

引申了一个误解????,都是PPR是提高带宽的,怎么你说是提高消光比的呢? 提高带宽降低啁啾提高微分增益是第一步,可只有第一步那不能用啊,需要第二步的PPR来把功能补齐。

用PPR提高消光比这个局部功能的根本目的是提高DML的带宽(或延长距离),所以概括为用PPR提高了带宽。