DFB激光器模式稳定性的研究.pdf

吉林大学硕士论文 摘要 分布反馈半导体激光器是高速光通讯及宽带网中极其重要的器件， 关于 DFB激光器的研究现在己经取得了很大的进展。由于光栅对波长 的选择，这种具有反馈性质的半导体激光器在直流调制下可以很好的工 作在单模状态，但在不同的电流调制、祸合系数等情况下，还存在模式 稳定性问题。 本论文中，建立了可以分析 DFB激光器直流情况下的数学模型。 这里用到一种新的方法一向量法来分析激光器的纵模特性，结果表明这 种模型适用于非线性方程组的求解，可以同时求得满足方程的多个解， 对应于实际的激光器就是其多个纵模，而且这种模型适用于计算机分 析。论文中应用这种模型分析了相移DFB激光器和折射率祸合DFB激 光器的纵向光子分布、多纵模特性等。 大多数 DFB激光器模型都是采取纵向一维 (1D)传输矩阵进行粗 略分析，其中考虑到纵向光场分布、载流子分布以及温度的影响。有些 文献给出了2D和3D的DFB模型。无论哪种方法，大都是用传输矩阵 方法对纵向光场进行计算，最后归结为解一以总光子数P,和振荡波长几 为未知量的复方程。 在给定电流下的自洽分析需要同时求解祸合波方程和载流子密度速 率方程以及关于光子密度的方程。但是在高于闭值时，腔中载流子的分 布由于空间烧孔效应及非线性增益的影响不再是均匀的，直接求解祸合 波方程不再适合。这时为了得到自洽结果，就有必要应用传输矩阵方法。 我们把 DFB激光器沿腔长分成许多段，每一段的载流子密度、光子密 度、折射率等看成是均匀的，在满足边界条件的情况下，祸合波方程可 以得到数值求解。为了达到求解的目的，一开始分别构造一对波长又和 总光子数P,的值，把任一符合初值条件的R(0)和S(0)带入系统，在给 定的注入电流下，通过求解传输矩阵可以得到符合条件的R(z),S(z), 吉林大学硕士论文 结合载流子速率方程可以求出变化的载流子密度N(幻。当求解到达右 边界的时候，检查现在的边界条件，如果不符合边界条件，新的波长值 和总光子数值就会被重新构造，这样的循环直到边界条件满足为止。 文中首先简单描述了祸合波方程以便用来提供分析的理论框架，接 着介绍了稳态情况下祸合波方程的求解，并提出了向量法，同时给出了 动态调制下的理论基础。论文最后给出了一些相移DFB激光器和折射 率祸合DFB激光器的模拟结果。主要的分析内容及结果如下: 1)尽管通常用到的DFB激光器都是使用折射率光栅来实现腔中的 光反馈以及获得单模振荡，但是这种折射率祸合DFB半导体激光 器有一个内在的缺点，那就是存在两个阐值增益相同的纵模，因此 容易引起多模振荡。为了抑制这种效应，可以通过控制端面反射率 来实现，但是实际上问题复杂的多，主要体现在端面反射率的不确 定性上，尤其是因切割引起的端面反射率相位是随机的。所以折射 率藕合DFB激光器并不能提供十分有效的单模稳定性。 2)如果在DFB激光器的中心部位令光栅有一A/4的相移，则可以 增强激光器的模式选择性以及单模稳定性，而且这时不再受端面反 射率的影响。但是在A/4相移 DFB激光器中存在着一个众所周知 的问题，那就是因腔中载流子分布不均匀引起的空间烧孔效应，它 会影响激光器的单模稳定性，尤其是在注入电流过大的情况下和归 一化藕合系数xL较大的时候。这是因为中心区载流子密度的降低导 致该处的折射率增加，破坏了主模和边模之间的增益差。 3)论文中提供了一些三相移DFB激光器的数值模拟结果，从中可 以发现随着注入电流的增加，主模仅有微小的变化。随着电流的增 大，主模 ((0阶)与边模的归一化增益差依然保持一定的常数，这足 以保证激光器的单模稳定性，同样归一化失谐度也仅有微小的变 化。所以三相移DFB激光器可以很好的抑制空间烧孔效应。 吉林大学硕士论文 计算结果表明在相移 DFB激光器中可以观察到纵向空间烧孔效 应，相移影响光子沿腔长方向的分布，三相移使纵向空间烧孔效应减弱。 另外可看到SHB效应在高偏值下尤为明显。从给出的三相移DFB激光 器及折射率祸合 DFB激光器的多纵模特性的结果中，发现相移改变了 纵模的位