通过直接调制瓦级光子晶体面发射激光器实现高速大功率自由空间光通信

2024-07-24 Wed
高速大功率自由空间光通信：瓦特级光子晶体表面发射激光器的直接调制背景介绍半导体激光器作为光通信的重要光源，因其体积小、成本低、寿命长、效率高等特点而被广泛应用。例如，垂直腔面发射激光器（VCSELs）由于其低功耗和宽带直接调制能力，适用于数据中心的短距离光互连；而分布反馈（DFB）激光器则因其单模操作特性，在长距离光纤通信中得到了广泛应用。近年来，利用半导体激光器的自由空间光通信（FSO）因其能够在长距离内实现高速传输，且无需光纤，因此备受关注。FSO 技术在超越5G和未来6G 通信中的回程和前传网络，卫星之间的通信以及深空通信中都具有潜在应用。在这些应用中，高功率和窄束宽的激光特性尤为重要。然而，传统的半导体激光器如VCSELs和DFB 激光器无法在单晶片上同时满足高功率和高速操作的要求。
基于光子晶体表面发射激光器（PCSELs）的解决方案能够解决上述问题。PCSELs 能通过利用二维光子晶体中的谐振点来实现大面积的单模操作，从而同时实现高输出功率和窄束宽。这种激光器的高功率与窄束宽使得其在基于自由空间的光通信中极具应用前景，且有别于传统光发射器无需复杂的光纤放大器和镜头光学系统来处理。
论文来源此项研究由Ryohei Morita及其合作者完成，他们分别隶属于京都大学、东北大学和KDDI 研究所等多个科研机构。该研究发表于2024年7月的《Optica》期刊上。
研究细节研究流程设计及计算频率响应：
设备设计：首先，研究团队设计了一种能够同时实现高功率和高速直接调制的PCSEL。通过计算瓦特级PCSEL的本质（光学）和寄生（电学）频率响应，研究团队展示了在大面积激光区域中数GHz 级别的直接调制是可行的。
数值计算：研究团队采用三维耦合波理论和载流子、热效应的综合考虑，计算得出了输入电流、输出光功率及其对应的频率响应等特性。
器件制作及实验验证：
器件制作：研究团队基于计算结果，制作了一种具有500 µm 直径的PCSEL并实现瓦特级连续波（CW）操作及数GHz 级别的直接调制。
实验验证：通过实验验证频率响应特性并进行自由空间传输实验，使用该PCSEL进行超过10 Gbps 的高速传输，且无需使用发射镜头而实现虚拟5 公里级的长距离传输。
频率响应细节：
电学特性：PCSEL 的频率响应包括本征和寄生电学特性。本征频率响应由激光器的松弛振荡特性决定，寄生频率响应则由导线和焊接形成的RC 电路特性决定。通过数值计算分别计算了这两部分的频率响应，从而优化设计以实现高频调制。
主要实验结果瓦特级功率和频率响应的实现：
在实验中，500 µm 直径的PCSEL 实现了以3 A 电流注入时的瓦特级光功率输出，同时实现了超过3 GHz 的调制带宽。
测试中，远场光束图形显示该PCSEL 具有窄束宽，单模操作的特性，并且光束发散角非常小，表明其在自由空间传输中具有优异的光学表现。
高速光通信实验：
在自由空间传输实验中，研究团队利用直接调制的瓦特级PCSEL 进行了10 Gbps 以上的高速传输，并通过调制64QAM 信号，实现了虚拟5 公里长距离传输。
实验结果表明，高速调制和大功率输出的结合，使得无需额外的放大器或透镜，可以实现高效的自由空间光通信。
结论与价值本研究通过数值计算、器件设计、制作及实验验证，展示了光子晶体表面发射激光器在高功率和高速直接调制条件下的优异表现。具体而言，研究团队设计了一种具有瓦特级输出功率和数GHz 调制带宽的PCSEL，并通过实验验证其在自由空间光通信中的实际应用价值。
PCSEL 的高功率与窄束宽特性，使其在长距离FSO 通信中具有独特的优势。同时，其无需复杂光学系统和光纤放大器的特点，使其在光通信中具有广泛的应用前景。此外，PCSEL 由于其大腔体尺寸，具备窄线宽操作的潜力，使其在未来的相干光通信中也具有重要应用价值。
研究亮点高功率与高速调制的结合：该研究展现了PCSELs 在瓦特级功率和数GHz 高速调制下的优越表现，为光通信技术提供了新的可能性。
简化的光通信系统：无需复杂的光纤放大器和镜片系统，实现了更为简单、高效的光通信，使得未来的光通信设备可以更加小型化和节能。
长距离传输的可能性：实验成功模拟了超过5 公里距离的自由空间传输，证明了瓦特级PCSEL 在长距离光通信中的可行性和优势。
其他有价值的信息研究表明，进一步增大激光器的发射区域、改善设备结构及冷却性能，将有望实现更高的输出功率和更宽的调制带宽。此外，由于PCSELs 大腔体量，研究有潜力在未来的相干光通信中也有重要应用价值。这一研究不仅在大功率和高速下展示了PCSELs 的卓越性能，还为未来更为复杂和远距离的光通信技术指明了方向。