高速光纤通信网络中VCSEL的应用研究

《高速光纤通信网络中VCSEL的应用研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、华中科技大学博士学位论文摘要垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种新型半导体激光器。它是光子学器件在集成化方面的重大突破，具有单纵模运行、圆截面出射光、易于构成二维阵列、适于在线晶片级测试等优越性能。基于VCSEL的通信应用具有实用化的前景，近年来受到越来越广泛的关注，成为中短距离、超高速、高性能、低成本光纤网络中的关键光电子器件。本文围绕VCSEL器件的理论建模、模块应用、性能改善开展了深入的理论和实验研究·惧体内容如下：(1)研究了VCSEL的理论基础，得到了基本速率方程，并对其中的一些重要参数进行了必要的讨论。建立了VCSEL增益与电流密度关

2、系的简单经验模型和DBR等效腔参数模型。对其外部LC特性以及动态调制特性也进行了必要分析。(2)建立了一个电路级VCSEL模型，将基本热效应用～种非常简单的方式描述，避免了计算强度很大的有限元或有限差分运算而不失去其在光电系统的电路级仿真中的数值有效性。使用SPICE内核的仿真器，可以方便的将VCSEL与电子元件结合进行大型EDA设计。通过典型器件仿真及与实际器件实验数据的对比，验证了模型的实用性。(3)应用已建立的VCSEL等效电路模型，利用基于此模型的电路级仿真指导VCSEL驱动电路的设计和优化。由于上述等效电路模型在计算机辅助设计和模拟中的运

3、用，增强了设计的可预见性，获得了较优越的系统性能。自行开发的发射组件符合千兆以太网应用标准。(4)成功完成了基于VCSEL的1．25GbpsGBIC收发模块项目，输出平均光功率9．5---4dBm，消光比大于9dB，系统抖动低于225芦，符合IEEE802．3规范。在此基础上提出高速光收发模块整合设计的主要技术关键，并就高速信号线的阻抗控制设计进行了较深入的研究。(5)利用自行设计制作的一套实验装置，进行了VCSEL的偏振相关静态LI曲线、光谱、相对强度噪声谱、SNR以及在系统中的动态时间响应波形等方面的实验研究，对VCSEL在具有偏振选择器件的光

4、学链路中的误码率特性进行了定量测试。(6)实验研究了VCSEL多横模运转时的偏振模式分配对系统性能的影响，并采用了一组多模速率方程来建立其运转模型，对模式竞争作了理论解释。(7)提出了利用Y形外腔提供偏振选择性反馈从而改善基于VCSEL盼光发射单华中科技大学博士学位论文元性能的实验方案，讨论了进行偏振控制的技术。使用相同的实验装置测量了VCSEL的偏振相关内部损耗和模式增益。(8)进行了基于偏振稳定VCSEL的数据传输实验。成功实现了利用这种Y形外，^'，腔结构的VCSEL即使在强烈偏振选择光链路中仍可在1Gbps以上的数据率下工作≯7关键词：垂直

5、腔面发射激菇枭，光收发犊块，电路蔽模型，偏振相寞特性，性能改善II华中科技大学博士学位论文ABSTRACTVertical-CavitySurface-EmittingLaserfvCSEL)isanewtypeofsemiconductorlaser,andallimportantbreakthroughinthefieldofphotonicdeviceintegration．Itoffersavarietyofadvantages，includingsinglelongitudinal-modeoperation，circulartransv

6、ersecrosssectionoutputbeam，suitabilityfortwo-dimensional(2-D)integrationofarrays，supportforon—waferprobetesting，andSOon，comparedtoedge-emittinglasers．VCSEL-basedapplicationsintelecommunicationfieldarepromising，andreceivingmoreandmoreattentioninrecentyears．VCSELshavebecomeaness

7、entialdeviceinopticalfibernetworksofshortreach，ultra—highspeed，goodperformance，andlowcost．Inthisdissertation，wefocusonitstheoreticalmodel，moduleapplication，andperformanceimprovement．SeveraltheoreticalandexperimentalstudieshavebeencarriedoutASthefollowings：(1)Theoreticalbasisof

8、VCSELwasinvestigated．Thebasicrateequationswerederived，andseve