DML激光器及其基本原理
? ? ? ? ?? ?1 DML激光器
光通信用高速半導體激光器主要有兩種：外調制半導體激光器EML (Electro-absorption modulated laser）和直接調半導體激光器DML ?(Directly Modulated Laser)。
直接調半導體激光器，是一種通過改變注入電流來調制輸出光強度的半導體激光器。其工作原理基于載流子濃度和折射率的變化對激光器閾值電流和增益的影響。
半導體激光器的光輸出可以被直接調制，也就是說，能根據激光腔內的變化而改變，以便產生振幅調制（AM）、光頻率調制（FM）或脈沖調制（PM）。最常見的情況是，通過控制流經該器件的電流來對激光輸出進行振幅調制或脈沖調制。不過，其他一些參數，比如激光腔材料的介電常數或吸收率，也可以改變，從而對輸出產生光頻率調制，以及振幅調制和脈沖調制。如圖1所示。
有多種不同類型的激光器可用于直接調制鏈路，例如分布反饋（DFB）激光器、法布里-珀羅（FP）激光器以及垂直腔面發射激光器（VCSEL）。對于短距離應用（幾十米的范圍）而言，基于垂直腔面發射激光器（VCSEL）其傳輸距離受模式色散的限制，通常作為低成本多模發射。
對于距離稍長一點（約 100 米）的情況，多模法布里 - 珀羅（FP）激光器是一個不錯的選擇，其傳輸距離受色散限制。
對于大約 100 米至 10 千米這樣較長的距離，其傳輸距離僅受其光輸出功率水平以及與啁啾相關的色散的限制，單模分布反饋（DFB）激光器被廣泛使用。? ??
?除了這些激光器在傳輸距離方面存在差異之外，它們可實現的調制帶寬也大不相同，而調制帶寬主要由激光腔的長度決定。例如，FP激光器通常用于光接入網絡，其調制帶寬約為kMHz。垂直腔面發射激光器（VCSEL）廣泛應用于高性能計算機的光互連網絡以及內部數據中心，其調制數據速率可高達數10GHz。至于分布反饋（DFB）激光器，傳統上它被用于長達 10 千米的相對長距離光鏈路中，其調制帶寬可達約?20 GHz~50 GHz。
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2 DML激光器振幅調制原理
通過控制電流來對激光二極管進行振幅調制的基本原理如圖 2 所示
圖2 Basic bias circuit and output characteristics for directly AM modulated laser diode.
激光二極管須施加一個直流偏置，使其偏置到高于激光發光的閾值水平，以避免輸出曲線在閾值處出現急劇轉折。這樣電信號就經過激光器轉化為光信號進行了輸出。電信號的頻率決定了光信號的輸出頻率。根據激光器的發光性質I-P曲線在閾值之上為一個較好的線性曲線，輸出的光功率和注入的電流稱為線性關系。這樣輸出光功率與注入的電流大小成正比。
其中調制電流可以表示為
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其中IB 為大于激光器閾值電流Ith的一個偏置電流。調制信號的振幅為m，調制頻率為ω。當這個電流施加到激光器上時，激光器在閾值之上工作，隨著調制電流振幅的變化，輸出光能量P也隨之變化。
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圖3 為一個簡單的激光器偏置電路，外加電壓提供一個基本大于激光器閾值的偏置，使得激光器工作在閾值電流之上。然后信號通過電容后加載到激光器上對激光器進行輸出光能量進行調制。? ??
圖3 為一個簡單的激光器偏置電路
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3 DML激光器封裝
封裝設計對于其性能和可靠性至關重要。隨著光通信技術的發展，特別是5G通信、數據中心以及WDM（波分復用）傳輸網絡的需求增長，DML激光器的封裝技術也不斷進步，以滿足更高的速率要求、更低的成本和更好的熱管理。存在各種各樣的激光器封裝技術，它們大致可分為兩類：同軸封裝和蝶形封裝。
同軸封裝中最典型的時TO封裝， TO-Can 封裝是一種成熟的技術。它因成本低、尺寸小和成品率高的優勢，被廣泛應用于封裝低速光器件。不過，TO-Can 封裝的帶寬會受限于放置高頻電路及溫控結構的狹小空間。人們已經提出了許多方法來有效提高采用 TO 封裝的直接調制激光器（DML）的速度。基于專門設計的微波器件或電路，如柔性電路板、特殊的微波傳輸線以及一系列匹配電阻，TO封裝的高頻響應得到了改善。
圖3展示了一種用于 10Gb密集波分復用（DWDM）應用的具有成本效益的制冷型發射器光組件（TOSA）。激光器制冷型發射器光組件采用了 TO-can 封裝。由于矩形封裝可提供更大的安裝面積，所以可以在該發射器光組件上使用尺寸較大的熱電制冷器（TEC）。
圖3 散熱及TO-BOX制冷型發射器光組件（TOSA）示意圖? ??
與 TO 封裝相比，蝶形封裝是一種廣泛應用于通信領域的成熟封裝形式，尤其適合于高速率和長距離傳輸的應用場景。它通常包含TEC（熱電冷卻器）用于溫度控制，確保激光器在不同環境條件下都能保持穩定的輸出波長。此外，蝶形封裝還配備了監測光電二極管（Monitor Photodiode, MPD），用于實時監控激光器的輸出功率。這種封裝形式具有良好的密封性和機械強度，能夠有效保護內部組件免受外界環境的影響。下圖是一個蝶形封裝示意圖。為了實現更好的波長穩定性，在同樣尺寸的蝶形封裝中嵌入了波長監測功能。該模塊包含一個法布里-珀羅（Fabry - Perot）標準具（Etalon）和一個用于提供波長鑒別信號的第二光電二極管。
圖5 集成了波長監測功能的分布反饋（DFB）激光模塊的示意圖
4 DML激光器的優缺點
直接調制激光器（DML）是通過改變注入 p-n 結的電流來實現對激光輸出的調制。電流增加會導致載流子密度升高，進而使復合速率加快，最終產生更強的激光輸出。相反，電流減小會降低載流子密度，使復合速率降低，從而使激光輸出功率下降。根據電流變化直接對其光輸出進行調制。
4.1 DML激光器的優點
低成本：DML激光器由于其單芯片設計，不需要額外的外部調制器，因此制造成本相對較低。這使得DML成為短距離、低成本應用的理想選擇，特別是在數據中心內部的互連中。
低功耗：與EML（External Modulated Laser，外部調制激光器）相比，DML激光器通常具有更低的功耗。這是因為DML直接調制方式不需要額外的電源來驅動外部調制器，從而減少了整體能耗。
易于集成：DML激光器的單芯片設計使其更容易與其他組件集成，如驅動電路、監控光電二極管等。這種集成不僅簡化了封裝過程，還能提高系統的可靠性和性能。? ??
響應速度快：DML激光器能夠快速響應電信號的變化，實現高速數據傳輸。對于某些應用場景，如10Gbps及以下的數據速率，DML可以提供足夠的帶寬和調制速度。
體積小：由于采用了集成化設計，DML激光器具有較小的尺寸和體積，適用于需要緊湊配置的應用場景11。這對于小型化設備和高密度集成系統尤為重要。
窄線寬：DML激光器的光譜線寬較窄，有利于提高信號傳輸的帶寬和抗干擾能力11。窄線寬特性有助于減少信號間的串擾，提升通信質量。
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4.2 DML激光器的缺點
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啁啾效應：直接調制過程中，載流子濃度的變化會引起折射率的變化，進而導致激光器輸出光的頻率也發生變化，這種現象稱為啁啾（chirp）。啁啾效應會導致信號展寬和失真，尤其是在高速數據傳輸系統中，這可能影響傳輸距離和信號質量
有限的調制帶寬：DML的調制帶寬主要受到弛豫振蕩頻率、阻尼系數和RC時間等參數的限制。隨著數據速率的提高，DML的調制帶寬可能會成為瓶頸，限制其在更高數據速率下的應用
較低的頻率響應和消光比：DML的頻率響應和消光比相對較低，這主要是因為它們受到了弛豫頻率的限制。較低的消光比意味著“1”態和“0”態之間的光強差異較小，可能導致接收端解碼困難，影響通信系統的誤碼率
較高的驅動電流：在某些情況下，DML可能需要較高的驅動電流才能維持穩定的激光輸出，這不僅增加了功耗，還可能對激光器的壽命產生不利影響。
不適合長距離傳輸：由于上述啁啾效應和非線性效應的影響，DML激光器通常不適用于長距離傳輸。相比之下，EML激光器因其更好的信號質量和更高的調制帶寬，更適合用于長距離、高速率的電信級應用。
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5 DML激光器與EML激光器的比較
直接調制機制將與外調制器（EML）激光器區分開來，在外調制器激光器中，調制是在一個單獨的組件中進行的，如EML激光器中通過EAM來進行光信號調制。? ??
一般來說，直接調制激光器（DML）用于數據速率較低且傳輸距離較短（最長達 10 千米）的應用場景，而外調制激光器（EML）則支持在更高數據速率下實現更長的傳輸距離。由于外調制激光器使用了外部調制器，采用它的光模塊能夠實現更長的傳輸距離以及更 “純凈” 的信號，但價格更貴，通常會被選用于長距離光鏈路中。
下表是對DML 和EML進行的一個比較
綜上所述，DML和EML在工作機制、性能特點、應用場景等方面存在顯著差異。DML憑借其低成本、低功耗、易于集成等優點，成為短距離、低速數據傳輸應用的理想選擇；而EML則以其優異的信號質量、更高的調制帶寬和更好的色散特性，更適合用于長距離、高速率的電信級應用。在選擇激光器時，必須根據具體的應用需求權衡兩者的優缺點，以確保最佳的系統性能和經濟效益
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參考
[1]?https://www.neoncq.com/exploring-laser-diode-modules-dml-vs-eml
[2]?https://www.neoncq.com/eml-vs-dml-laser-whats-the-difference
[3]?https://www.neoncq.com/the-role-of-directly-modulated-lasers-in-industrial-automation
[4] Opto-Electronic Packaging Chapter 17
[5]Review of Packaging of Optoelectronic, Photonic, and MEMS Components?
[6] High-Speed Directly Modulated Lasers,Tsuyoshi Yamamoto
[7] Single package directly modulated laser bidirectional optical subassembly using a modified mini-dual-in-line package for 10 Gbps passive optical networks.
[8] Direct Modulation of Semiconductor Lasers.R. G. Hunsperger, Integrated Optics: Theory and Technology .? ??
