垂直腔面发射激光器的温度特性研究

戚向涛，顾亚平*，张　曼，方斯喆

(1.中国科学院大学，北京 100049；2.中国科学院 声学研究所，北京 100190)

引　言

激光信号具有远高于电信号传输速率的特点，更适合于未来高速率的传输网络[1-3]。激光器作为光纤通信系统的核心器件是系统仿真中考虑的一个重要因素。垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)具有使用简单、功耗较低等特点，目前广泛应用于光纤通信和光信号处理领域[4-5]。VCSEL激光器输出的光功率与器件的温度相关，当器件温度改变后，激光器输出的光功率也会相应发生变化[6-8]。准确地分析激光器的温度特性可以保证激光器在合理的外界环境温度范围内使用[9]。

国内外很多学者研究仿真温度对VCSEL性能的影响，并建立了大量的模型。NAKWASKI建立了2维热效应模型[10-11]。YU等人建立用于单模模拟的VCSEL的速率方程模型[12]。MOROZOV等人考虑多模行为的速率方程模型[13]。SU等人建立的静态热特性模拟的温度相关模型[14]。

本文中通过建立光功率与工作电流关系(P-I)模型，并简化模型参量及引入电压电流关系(U-I)特性曲线来优化分析模型。使用Levenberg-Marquardt(LM)算法来实现模型的求解。对比分析20℃下的测量数据与拟合数据的相似度，进一步来预测不同温度下的P-I特性曲线，并分析用户可正常使用网络的温度范围。

1　VCSEL的P-I模型及优化

1.1　P-I模型建立

VCSEL的输出光功率P0和外部驱动电流I满足可以用下式来表示,这里P0与I的建模关系称为P-I建模[15]:

P0=η(T)[I-Ith(N,T)]

(1)

式中,P0表示激光器输出的光功率；I表示注入到激光器的外部驱动电流，包含外部加载的偏置电流Ib和信号电流，在没有信号输入时驱动电流为偏置电流Ib；……