改进的高速分布式反馈激光器电路建模方法

摘要

本发明提供了一种改进的高速分布式反馈激光器（distributed‑feedback laser diode，简称DFB‑LD）电路建模方法。首先建立高速DFB‑LD的速率方程组；然后向速率方程组带入肖克利关系进行转换化简，得到电路方程组；根据电路方程组建立高速DFB‑LD的电学回路、光学回路和相位回路电路模型；最后建立电路整体模型，包括一个电流输入端口，一个光功率输出端口和一个频率啁啾输出端口。本发明在建模过程中考虑了非辐射复合效应、封装寄生效应和频率啁啾，仿真结果更加贴近真实的高速DFB‑LD，为激光器封装电路和光电集成电路的设计提供指导。

说明书

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，具体涉及一种改进的高速分布式反馈激光器电路建模方法。

背景技术

分布式反馈激光器(distributed-feedback laser diode，简称DFB-LD)以其低功耗、高调制带宽、窄线宽和良好的单模特性而被广泛应用于现代光通信、高速信息传输等领域。但是激光器做成产品后就无法调整，因此，为了在做成产品前预先查看激光器的设计是否满足要求，就需要对激光器进行建模仿真，弥补设计的缺陷，目前有许多复杂的物理模型、数值模拟方法和计算机程序可以精确地对DFB-LD的输出特性进行仿真，与这些复杂的数值仿真方法相比，电路模型可以更加简洁有效地模拟出激光器的输出特性。

激光器工作还需要外部封装电路的支持，为了与封装电路更好的兼容匹配，把激光器用电路模型替代与封装电路一起进行仿真，对封装电路的设计可以提供指导。目前，大多数DFB-LD的电路模型只关注对载流子密度速率方程和光子密度速率方程的建模和分析，并忽略了一些因素对激光器性能的影响。

发明内容

针对现有的DFB-LD电路模型的一些缺陷，本发明提出一种改进的高速DFB-LD电路建模方法。

本发明采用以下的技术方案：

一种改进的高速DFB-LD电路建模方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据高速DFB-LD的电光特性，建立其单模速率方程组，包括载流子密度速率方程，光子密度速率方程，相位速率方程，考虑到非辐射复合对DFB-LD电光特性的影响，向载流子密度速率方程中添加了非辐射复合速率项；

步骤2：对单模速率方程组进行转化化简，得到电路方程组；

步骤3：电路方程组与光功率输出公式和频率啁啾公式结合，在此基础上建立高速DFB-LD的等效电路模型，该模型包括电学回路，光学回路，相位回路三个子电路，考虑到寄生电路对DFB-LD电光特性的影响，向电学回路中添加了寄生电路元件；

步骤4：对三个子电路进行封装，形成一个DFB-LD的整体等效电路模型，该模型有一个电流输入端口，一个光功率输出端口，一个频率啁啾输出端口。

在此电路建模方法中，非辐射复合速率的表达式为：

R

其中，N是有源区载流子密度，A

在此电路建模方法中考虑到的寄生电路的元件包括，寄生并联电容C

此电路建模方法中使用的相位速率方程的表达式为：

其中，N是有源区载流子密度，g

因此，本发明具有的有益效果是：

本发明提供的改进的高速DFB-LD电路建模方法，考虑到了非辐射复合和寄生电路对DFB-LD光电特性的影响，使得建立的电路模型更加完备，仿真结果更加贴近DFB-LD的真实输出特性；同时增加了相位回路，电路模型可以输出激光器的频率啁啾，满足了实际激光器设计中对频率啁啾特性进行观察和分析的需要。

附图说明

图1为高速DFB电路模型的电学回路图。

图2为高速DFB电路模型的光学回路图。

图3为高速DFB电路模型的相位回路图。

图4为高速DFB电路模型的整体模型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

根据高速DFB-LD的电光特性，建立单模激光器速率方程组如下所示：

其中，N是有源区载流子密度，I

R

R

其中，A

向方程(1)(2)(3)中带入肖克利关系

其中，

光功率输出和频率啁啾输出表达式为：

其中，η

根据基尔霍夫电流定律把方程(6)至方程(10)用子电路表示出来，建立高速DFB-LD的等效电路模型如下：

电学回路：根据方程(4)得到的子电路，由电容C

光学回路：根据方程(5)和方程(7)得到的子电路，由受控电流源ΓβI

相位回路：根据方程(6)和方程(8)得到的子电路，由受控电流源I

各子电路如图1至图3所示。

在三个子电路的基础上，考虑封装寄生电路对激光器光电性能的影响，比如寄生并联电容C

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。