DML激光器及其基本原理
1 DML激光器
光通信用高速半导体激光器主要有两种：外调制半导体激光器EML (Electro-absorption modulated laser）和直接调半导体激光器DML (Directly Modulated Laser)。
直接调半导体激光器，是一种通过改变注入电流来调制输出光强度的半导体激光器。其工作原理基于载流子浓度和折射率的变化对激光器阈值电流和增益的影响。
半导体激光器的光输出可以被直接调制，也就是说，能根据激光腔内的变化而改变，以便产生振幅调制（AM）、光频率调制（FM）或脉冲调制（PM）。最常见的情况是，通过控制流经该器件的电流来对激光输出进行振幅调制或脉冲调制。不过，其他一些参数，比如激光腔材料的介电常数或吸收率，也可以改变，从而对输出产生光频率调制，以及振幅调制和脉冲调制。如图1所示。
有多种不同类型的激光器可用于直接调制链路，例如分布反馈（DFB）激光器、法布里-珀罗（FP）激光器以及垂直腔面发射激光器（VCSEL）。对于短距离应用（几十米的范围）而言，基于垂直腔面发射激光器（VCSEL）其传输距离受模式色散的限制，通常作为低成本多模发射。
对于距离稍长一点（约 100 米）的情况，多模法布里 - 珀罗（FP）激光器是一个不错的选择，其传输距离受色散限制。
对于大约 100 米至 10 千米这样较长的距离，其传输距离仅受其光输出功率水平以及与啁啾相关的色散的限制，单模分布反馈（DFB）激光器被广泛使用。
除了这些激光器在传输距离方面存在差异之外，它们可实现的调制带宽也大不相同，而调制带宽主要由激光腔的长度决定。例如，FP激光器通常用于光接入网络，其调制带宽约为kMHz。垂直腔面发射激光器（VCSEL）广泛应用于高性能计算机的光互连网络以及内部数据中心，其调制数据速率可高达数10GHz。至于分布反馈（DFB）激光器，传统上它被用于长达 10 千米的相对长距离光链路中，其调制带宽可达约 20 GHz~50 GHz。
2 DML激光器振幅调制原理
通过控制电流来对激光二极管进行振幅调制的基本原理如图 2 所示
图2 Basic bias circuit and output characteristics for directly AM modulated laser diode.
激光二极管须施加一个直流偏置，使其偏置到高于激光发光的阈值水平，以避免输出曲线在阈值处出现急剧转折。这样电信号就经过激光器转化为光信号进行了输出。电信号的频率决定了光信号的输出频率。根据激光器的发光性质I-P曲线在阈值之上为一个较好的线性曲线，输出的光功率和注入的电流称为线性关系。这样输出光功率与注入的电流大小成正比。
其中调制电流可以表示为
(1)
其中IB 为大于激光器阈值电流Ith的一个偏置电流。调制信号的振幅为m，调制频率为ω。当这个电流施加到激光器上时，激光器在阈值之上工作，随着调制电流振幅的变化，输出光能量P也随之变化。
(2)
图3 为一个简单的激光器偏置电路，外加电压提供一个基本大于激光器阈值的偏置，使得激光器工作在阈值电流之上。然后信号通过电容后加载到激光器上对激光器进行输出光能量进行调制。
图3 为一个简单的激光器偏置电路
3 DML激光器封装
封装设计对于其性能和可靠性至关重要。随着光通信技术的发展，特别是5G通信、数据中心以及WDM（波分复用）传输网络的需求增长，DML激光器的封装技术也不断进步，以满足更高的速率要求、更低的成本和更好的热管理。存在各种各样的激光器封装技术，它们大致可分为两类：同轴封装和蝶形封装。
同轴封装中最典型的时TO封装， TO-Can 封装是一种成熟的技术。它因成本低、尺寸小和成品率高的优势，被广泛应用于封装低速光器件。不过，TO-Can 封装的带宽会受限于放置高频电路及温控结构的狭小空间。人们已经提出了许多方法来有效提高采用 TO 封装的直接调制激光器（DML）的速度。基于专门设计的微波器件或电路，如柔性电路板、特殊的微波传输线以及一系列匹配电阻，TO封装的高频响应得到了改善。
图3展示了一种用于 10Gb密集波分复用（DWDM）应用的具有成本效益的制冷型发射器光组件（TOSA）。激光器制冷型发射器光组件采用了 TO-can 封装。由于矩形封装可提供更大的安装面积，所以可以在该发射器光组件上使用尺寸较大的热电制冷器（TEC）。
图3 散热及TO-BOX制冷型发射器光组件（TOSA）示意图
与 TO 封装相比，蝶形封装是一种广泛应用于通信领域的成熟封装形式，尤其适合于高速率和长距离传输的应用场景。它通常包含TEC（热电冷却器）用于温度控制，确保激光器在不同环境条件下都能保持稳定的输出波长。此外，蝶形封装还配备了监测光电二极管（Monitor Photodiode, MPD），用于实时监控激光器的输出功率。这种封装形式具有良好的密封性和机械强度，能够有效保护内部组件免受外界环境的影响。下图是一个蝶形封装示意图。为了实现更好的波长稳定性，在同样尺寸的蝶形封装中嵌入了波长监测功能。该模块包含一个法布里-珀罗（Fabry - Perot）标准具（Etalon）和一个用于提供波长鉴别信号的第二光电二极管。
图5 集成了波长监测功能的分布反馈（DFB）激光模块的示意图
4 DML激光器的优缺点
直接调制激光器（DML）是通过改变注入 p-n 结的电流来实现对激光输出的调制。电流增加会导致载流子密度升高，进而使复合速率加快，最终产生更强的激光输出。相反，电流减小会降低载流子密度，使复合速率降低，从而使激光输出功率下降。根据电流变化直接对其光输出进行调制。
4.1 DML激光器的优点
低成本：DML激光器由于其单芯片设计，不需要额外的外部调制器，因此制造成本相对较低。这使得DML成为短距离、低成本应用的理想选择，特别是在数据中心内部的互连中。
低功耗：与EML（External Modulated Laser，外部调制激光器）相比，DML激光器通常具有更低的功耗。这是因为DML直接调制方式不需要额外的电源来驱动外部调制器，从而减少了整体能耗。
易于集成：DML激光器的单芯片设计使其更容易与其他组件集成，如驱动电路、监控光电二极管等。这种集成不仅简化了封装过程，还能提高系统的可靠性和性能。
响应速度快：DML激光器能够快速响应电信号的变化，实现高速数据传输。对于某些应用场景，如10Gbps及以下的数据速率，DML可以提供足够的带宽和调制速度。
体积小：由于采用了集成化设计，DML激光器具有较小的尺寸和体积，适用于需要紧凑配置的应用场景11。这对于小型化设备和高密度集成系统尤为重要。
窄线宽：DML激光器的光谱线宽较窄，有利于提高信号传输的带宽和抗干扰能力11。窄线宽特性有助于减少信号间的串扰，提升通信质量。
4.2 DML激光器的缺点
啁啾效应：直接调制过程中，载流子浓度的变化会引起折射率的变化，进而导致激光器输出光的频率也发生变化，这种现象称为啁啾（chirp）。啁啾效应会导致信号展宽和失真，尤其是在高速数据传输系统中，这可能影响传输距离和信号质量
有限的调制带宽：DML的调制带宽主要受到弛豫振荡频率、阻尼系数和RC时间等参数的限制。随着数据速率的提高，DML的调制带宽可能会成为瓶颈，限制其在更高数据速率下的应用
较低的频率响应和消光比：DML的频率响应和消光比相对较低，这主要是因为它们受到了弛豫频率的限制。较低的消光比意味着“1”态和“0”态之间的光强差异较小，可能导致接收端解码困难，影响通信系统的误码率
较高的驱动电流：在某些情况下，DML可能需要较高的驱动电流才能维持稳定的激光输出，这不仅增加了功耗，还可能对激光器的寿命产生不利影响。
不适合长距离传输：由于上述啁啾效应和非线性效应的影响，DML激光器通常不适用于长距离传输。相比之下，EML激光器因其更好的信号质量和更高的调制带宽，更适合用于长距离、高速率的电信级应用。
5 DML激光器与EML激光器的比较
直接调制机制将与外调制器（EML）激光器区分开来，在外调制器激光器中，调制是在一个单独的组件中进行的，如EML激光器中通过EAM来进行光信号调制。
一般来说，直接调制激光器（DML）用于数据速率较低且传输距离较短（最长达 10 千米）的应用场景，而外调制激光器（EML）则支持在更高数据速率下实现更长的传输距离。由于外调制激光器使用了外部调制器，采用它的光模块能够实现更长的传输距离以及更 “纯净” 的信号，但价格更贵，通常会被选用于长距离光链路中。
下表是对DML 和EML进行的一个比较
综上所述，DML和EML在工作机制、性能特点、应用场景等方面存在显著差异。DML凭借其低成本、低功耗、易于集成等优点，成为短距离、低速数据传输应用的理想选择；而EML则以其优异的信号质量、更高的调制带宽和更好的色散特性，更适合用于长距离、高速率的电信级应用。在选择激光器时，必须根据具体的应用需求权衡两者的优缺点，以确保最佳的系统性能和经济效益
参考
[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 .
