（光学专业论文）光纤光栅外腔半导体激光器运行不稳定性分析.pdf

中文摘要 光纤光栅外腔半导体激光器运行不稳定性分析 学科专业：光学研究方向：激光与光纤通信 指导教师：吴正茂( 教授)作 者：周寒青( 2 0 0 1 2 9 1 1 中文摘要 随着人们对信息的爆炸式增长需求，要求信息的传输容量不断扩大，发展高速、大 容量光通信网络成为当前国际上通信研究的主要方向。而波分复用( w d m ) 因其具有 易实现、低成本的优点，是目前提高光纤通信容量的最有效方法。i t u t 标准中w d m 系统设计的信道间距为o 8 m n 1 6 n m ，这远远大于实际使用的信道带宽，例如一个带宽 为5 g h z 的信道在1 5 5um 波段只占据了约0 0 4 n m 的波长范围，因而导致大部分的带 宽被浪费。考虑到将来信息传输容量的急剧增长，因此不仅要拓宽可复用的波长范围， 而且信道间距也需进一步降低。在这样的密集波分复用( d w d m ) 系统中，光发送机的工 作波长必须稳定，线宽必须窄，以避免复用信道问信号相互窜扰。在目前的w d b i 系统中， 分布反馈半导体激光器( d f b - l d ) 己被广泛地用作单频光源。然而d f b l d 的激射波长 受温度( - - 0 1 n m 。c ) 和偏置电流的影响较大，只有通过调节d f b ：l d 的温度和偏置电 流，其激射波长才能被调谐在预置的波长处。这些年来，光纤光栅外腔半导体激光器 ( f g e s l ) 作为d w d m 系统可供选用的光源之一已受到人们的广泛关注并已开展了一些相 关的研究。由于f g e s l 的激射波长主要由光纤光栅( f g ) 的布拉格波长确定，因此选择 具有合适布拉格波长的f g 就能使f g e s l 的激射波长处于预置波长处：同时，由于f g 的布拉格波长受温度变化的影响相对较小( - - 0 0 1 n m ) ，因此f g e s l 与d f b l d 相比 具有更高的温度稳定性。尽管f g e s l 具有这些优点，但是由于其本质上还是属于外腔激 光器，因此仍具有外腔激光器通常存在的激射波长不稳定、跳模及输出功率不稳定等现 象。在对f g e s l 的研究中，虽然人们也观察到了一些如温度变化造成的跳模，电流变化 造成的波长移动以及f g e s l 的p i 曲线在阈值以上具有小波动上升等相关实验现象。但 是由于在f g e s l 中，众多物理量之间具有复杂的关联关系，因此尚缺乏深入的物理洞察。 在已有的对f g e s l 的研究中，所采用的理论模型均忽略了光纤光栅( f g ) 的反射 相位及光线在外腔中的往返相移对模式分布的影响，认为f g e s l 的模式分布跟没有f g 中文摘要 鳋腔时强的模式一致，这释处理方式鼹然违背了物理事实。基予此，本文书剃用f g 实际的反射捐位分布，计及半导体激光嚣( l d ) 、外腔及光纤光褥( f g ) 三者的共同 乍 用，根据f g e s l 满足的阀值条件，从理论上研究了温度及外腔长度的变化对f g e s l 激越波长的影响 根据f g e s l 中缀模掰满足豹摆位条传褥至g 其纵模分蠢后，汞i 爝f g e s l 满足的多模遽率方程，研究了l d 的注入电流对f g e s l 输出特髓的影h 向。数德模拟的 结果表明：由于温度变化造成半导体介质和光纤的折射率发生凝化从而导致f g e s l 的级摸发生移渤，困建f g e s l 熬激射波长随着涅度熬秀毫将存在逡长波长方良发生移 渤的趋势，辩予短外腔，f g e s l 的纵横闽距较大，半导体介质于斤射率随温度的变化程 度大于光纤折射率随温度的变化程度，因而存在模式跳跃现象：对于长外腚，由于 f g e s l 静缴摸惩疆缀小，嚣嚣不存在骥基爨模式跳歇现象。娄滠凄爨持一定瓣，对 于短外腔，外腔长度的微小变化可以导数f g e s l 的激射波长产囊髓著的变化；简对于 长外腔( 尤熟当外腔长度大于1 0 c m ) 时，外腔长度的变化对f g e s l 的激射波长基本没 蠢影酾。f g 鹚l 爨激射波长蕤连西豹渡入电滚瓣壤大嚣发生波动；逸模擦刳玩( s m s r ) 随注入电流的增大总体上麓现上升趋羚，但其变化过程并不平滑黼是有较大的波动： f g e s l 的p - i 曲线有微小的扭曲。 关键词：波分复用，光纤光栅外腔半导体激光器，激射波长，边模 抑制比，输出功率 英文摘要 a n a l y s i so f t h ei n s t a b i l i t yo ff i b e rg r a t i n g e x t e r na lc a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e r s m a j o r ：o p t i c s d i r e c t i o n ：l a s e r s & f i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o n a d v i s o r ：p r o f z h e n g m a ow u a u t h o r ：h a n q i n gz h o u ( 2 0 0 1 2 9 1 ) a b s t r a c t t h ee x p l o s i v er e q u i r e m e n to fi n f o r m a t i o nd e m a n d st h a tt h et r a n s m i s s i o nc a p a c i t ym u s tb ee n l a r g e d w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) h a sb e e nr e g a r d e d ap o w e r f u lm e t h o dt om e e tt h i s r e q u i r e m e n tb e c a u s eo fi t sr e a l i z a t i o na n dl o wc o s t g e n e r a l l y , t h ed e s i g n e dc h a n n e ls p a c i n go fi t u t s t a n d a r di nw d ms y s t e m si sf r o m0 8 n mt o1 6 n m ，w h i c hi sm u c hl a r g e rt h a nt h es p a c i n gr e q u i r e db y a c t u a lc o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t h f o re x a m p l ei nl i g h t w a v et r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，a5 g h zc h a n n e l o c c u p i e so n l yo 0 4 n ma tt h ew a v e l e n g t hb a n do f1 5 5um t h u s m o s to ft h eb a n d w i d t hi nt h ea c t u a l t r a n s m i s s i o ns y s t e m sm a yb ew a s t e d f r o mad e m a n df o rf u r t h e ra m o u n to fa g g r e g a t et r a n s m i s s i o n c a p a c i t y , n o to n l ye x p a n d i n ga na v a i l a b l ew a v e l e n g t hr a n g eb u ta l s oc r a m m i n gf r e q u e n c y s p a c i n gh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d i ns u c hd e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) s y s t e m sa l i g h ts o u r c eh a v i n g n a r r o w e rl i n e w i d t ha n df u r t h e rs t a b i l i t yo ft h ew a v e l e n g t hh a sb e c o m ear e q u i r e m e n t i np r e s e n t c o m m e r c i a lw d m s y s t e m s ，d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r s ( d f b l d ) a r ew i d e l yu s e da sas i n g l e - m o d ei i g h t s o u r c e h o w e v e r , t h ee m i s s i o nw a v e l e n g t ho f ad f b l dn e e d st ob ec a r e f u l l yt u r n e do nt h ep r e d e t e r m i n e d w a v e l e n g t hg r i db ya d j u s t i n gb o t hl a s e rt e m p e r a t u r ea n db i a sc u r r e n t f u r t h e r m o r e ，d f b l dh a ss u c h d r a w b a c k s ar e l a t i v e l yl a r g ev a r i a t i o no f t h el a s i n gw a v e l e n g t hw i t ha m b i e n tt e m p e r a t u r e ( 0 i n m 。c ) w h i c hr e s t r i c t si t s a p p l i c a t i o ni nd w d ms y s t e m s i nr e c e n ty e a r s ，t h ef i b e rg r a t i n ge x t e r n a lc a v i t y s e m i c o n d u c t o rl a s e r ( f g e s l ) r e g a r d e da so n eo ft h ec a n d i d a t el i g h ts o u r c e so fd w d ms y s t e m s ，h a s r e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n u s u a l l y , i ti st h o u g h tt h a tt h el a s i n gw a v e l e n g t ho faf g e s li sl o c k e da t t h eb r a g gr e f l e c t i o nw a v e l e n g t ho ff i b e rg r a t i n g ( f g ) o w i n gt oa r e l a t i v e l ys m a l ld e p e n d e n c eo ft h e 英文摘要 r e f l e c t i o ns p e c t r u mo ff go na m b i e n tt e m p e r a t u r e ( 0 0 1 n m c ) ，t h el a s i n gw a v e l e n g t ho f af g e s li s t h o u g h tt ob e h a v em o r es t a b l et h a nt h a to fad f b l d e v e ns o ，t h ei n s t a b i l i t ys o m e t i m e sa c c o m p a n i e db y m o d eh o p i n go ft h e l a s i n gw a v e l e n g t ho ft h ef g e s l ，a n dt h ei n s t a b i l i t yo fo u t p u tp o w e rh a v e b e e n e x p e r i m e n t a l l yo b s e r v e d t h eo b j e c t i v eo ft h i sw o r ki sj u s tt oe x p l a i nt h e s ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n aa n d e x p l o r et h ep h y s i c a lm e c h a n i s mh i d d e ni nt h e s ep h e n o m e n a i np r e s e n ts t u d i e so ff g e s l ，t h et h e o r e t i c a lm o d e l su s u a l l yn e g l e c t e dt h ec o n t r i b u t i o no fe x t e r n a l c a v i t ya n df i b e rg r a t i n gt ot h ep h a s ec o n d i t i o n ，a n dc o n s i d e r e dt h em o d ed i s t r i b u t i o no ff g e s li si n a c c o r d a n c ew i t ht h em o d ed i s t r i b u t i o no fl dw i t h o u tf ge x t e r n a lc a v i t y o b v i o u s l y , s u c hp r o c e s sm e t h o d d e v i a t e sf r o mt h ep h y s i c a lf a c t s i nt h i sw o r k ，b a s e do nt h et h r e s h o l dc o n d i t i o no f t h ef i b e rg r a t i n ge x t e r n a l c a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e r ( f g e s l ) w h i c ht h ep h a s eo f t h ef i b e rg r a t i n gh a sb e e ni n c l u d e d ，t h ee f f e c to f t h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o na n dt h ef ge x t e m a lc a v i t yl e n g t ho nt h el a s i n gw a v e l e n g t ho ft h ef g e s lh a s b e e ni n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y i na d d i t i o n ，w eh a v e u s e dt h ep h a s ec o n d i t i o no ff g e s lt og e tt h e l o n g i t u d i n a lm o d ed i s t r i b u t i o no ff g e s l ，t h e nt h ei n f l u e n c eo ft h ei n j e c t e dc u r r e n to nt h eo u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so ff g e s lh a sb e e ns t u d i e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ss h o wt h a t ： o w i n gt ot h et e m p e r a t u r e v a r i a t i o nr e s u l t i n gi nt h ec h a n g eo ft h er e f r a c t i v ei n d e xo fb o t ht h es e m i c o n d u c t o rm e d i u ma n dt h ef i b e r , a n df u r t h e ri n d u c i n gt h es h i f to ft h el o n g i t u d i n a lm o d e so ft h ef g e s l ，t h el a s i n gw a v e l e n g t ho ft h e f g e s lh a sas h i f tt e n d e n c yt ol o n g e rw a v e l e n g t h sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h et e m p e r a t u r e ；t h em o d eh o p p i n g h a p p e n sf o ra s h o r te x t e r n a lc a v i t ya n dd i s a p p e a r sf o ral o n ge x t e r n a lc a v i t y u n d e rc e r t a i nt e m p e r a t u r e ， f o ras h o r te x t e r n a lc a v i t y , as l i g h tc h a n g eo f t h ee x t e r n a lg a y i t yl e n g t hw i l lr e s u l ti na no b v i o u sv a r i a t i o no f t h el a s i n gw a v e l e n g t h ；a n df o ra l o n ge x t e m a lc a v i t y ( 1 0 c m ) ，t h ec h a n g eo ft h ee x t e m a lc a v i t yl e n g t h g i v e sa l m o s tn oe f f e c to nt h el a s i n gw a v e l e n g t h w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ei n e c t e dc u r r e n t ，t h el a s i n g w a v e l e n g t ho ff g e s la p p e a r sf l u c t u a t i o n ，t h es i d em o d es u p p r e s s i o nr a t i o ( s m s r ) i n c r e a s e s a c c o m p a n i e db ya oo s c i l l a t i o n ，a n dt h ep - ic u r v ed i s t o r t ss l i g h t l y k e yw o r d s ：w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，f i b e rg r a t i n ge x t e m a lc a v i t y s e m i c o n d u c t o rl a s e r , l a s i n gw a v e l e n g t h ，s i d em o d es u p p r e s s i o nr a t i o ，o u t p u t p o w e r 绪论 第一章绪论 1 1引言 1 1 1 光纤通信发展历史 光通信，即以光波为载体的通信方式，可分为无线光通信和有线光通信。由于光的载 波频率在lx1 0 “1 1 0 “之间，因此与微波和无线电波相比，光波具有很高的通信容 量。有线光通信最典型、也是最广泛的应用就是光纤通信。目前光纤通信技术以其频带 宽、容量大、中继距离长、保密性好、抗干扰能力强等优点成为世界通信市场的主力军。 据统计，现世界上8 0 以上的信息是通过光纤传送的。光纤通信的发展以1 9 6 0 年美国人 t h m a r m a n 发明红宝石激光器和1 9 6 6 年英籍华人高锟博士在实验室研制出世界上第 一根用于光波传输的有包层的玻璃纤维即光纤”1 为基础得到实质性的发展。迄今为 止光纤通信经历了以下五个发展阶段： 1 9 7 7 年，世界上第一个商用光纤通信系统在美国芝加哥的两个电话局之间开通，距 离7 k m ，采用多模光纤，工作波长0 8 5 t lm ，光纤损耗为2 5 3 d b k m ，传输速率 4 4 7 3 6 m b i t s ，这就是通常所说的第一代光纤通信系统。 1 9 7 7 年1 9 8 2 年的第二代光纤通信系统特征是：采用1 3 l1 1m 波长多模或单模光纤， 光纤损耗为0 5 5 l d b k m ，传输速率为1 4 0 m b i t s ，中继距离为2 0 5 0 k m ，于1 9 8 2 年开 始陆续投入使用，一般用于中、短距长途通信线路，也用作大城市市话局间中继线，以实 现无中继传输。 1 9 8 2 年1 9 8 8 年的第三代光纤通信系统采用i 3 1l am 长波长单模光纤，光纤损耗可 以降至0 3 o 5 d b k m ，实用化、大规模应用是其主要特征，传输信号为准同步数字系列 ( p d h ) 的各次群路信号，中继距离为5 0 l o o k m ，于1 9 8 3 年以后陆续投入使用，主要用于 长途干线和海底通信。 1 9 8 8 年1 9 9 6 年的第四代光纤通信系统主要特征是：开始采用1 5 5 l am 波长窗口的 光纤，光纤损耗进一步降至0 2 d b k m ，主要用于建设同步数字系列( s d h ) 同步传送网络。 传输速率达2 5 g b i t s ，中继距离为8 0 1 2 0 k m ，并开始采用掺铒光纤放大器( e d f a ) 和波 分复用( w d m ) 器等新型器件。 1 9 9 6 年至今属第五代光纤通信系统，主要特征是：采用密集波分复用( d w d m ) 技术的 全光网络开发与应用，充分利用光纤低损耗波段的潜在容量，以实现大容量传输。 绪论 1 1 2 密集波分复用技术 进入9 0 年代，尽管光纤通信技术使信息的传输容量不断扩大，仍然难以满足人们 对信息的爆炸式增长需求。尤其是i n t e r n e t 的发展，人们对诸如家庭办公，电子商务， 远程教育，交互式视频业务，h d t v 等新型信息服务有了越来越迫切的需求。在这种需 求下，每个家庭要求占有1 0 一l o o m b s 的信息带宽，由此带来的巨大业务量要求信息的 传输和交换必须发展光域内的全光网( a o n ) ，只有这样的网络才能满足t b i t s 量级的 信息传输与交流。1 。因此，发展高速、大容量光通信网络也就成为当前国际上通信研究 的主要方向。 实现光纤通信扩容有多种方法，包括时分复用( t d m ) 、波分复用( w d m ) 、频分复用 ( f d m ) 、光孤子等。传统的扩容方法是采用时分复用( t d m ) 方式，即把电信号在时间轴上 按一定的时间间隔复用起来传输。据统计，当系统速率不高于2 4 8 8 m b i t s 时，系统每升 级一次，每比特的传输成本下降3 0 左右。电域的时分复用技术已经成熟，应用广泛，但 是随着现代电信网对传输容量要求的急剧提高，利用t d m 方式已日益接近硅和砷化镓技 术的极限，而且传输设备的价格也很高，光纤色散的影响也日益严重，因而难以实现 4 0 g h z 以上的商用通信系统。光域的时分复用( o t d m ) 和光孤子具有很大潜力，但离实用 化还有相当的距离。而波分复用具有易实现、低成本的优点，是目前提高光纤通信容量 的最有效方法。波分复用原理如图1 - 1 所示。 发送器 m u x 图卜1 波分复用原理简图 筘x k ：i 接收器 波分复用技术简单来说：可以在同一根光纤上同时传输多种波长的光。即采用多 个波长作为信息的载波信道，在一根光纤中传输不同波长上加载的并行、独立的光信号， 每一个波长占用一个通道，允许各信道在光纤内同时传输。由于新的复合型波分结构采 用了多个波长来提高通信容量，而这些新的波长又必须尽量落在光纤最低损耗，以及现 有光纤放大器增益的波段范围内，例如1 5 2 5 n m 1 6 0 0 n m 附近，势必造成每个波长的间 2 口口一口 2 凡九 九 绪论 距变窄，使相对密度提高，称此通信结构为“密集波分复用( d w d m ) 通信系统”。为了 健透信懿毙液长统一，国舔i t u 缝缓( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 将 通信的波长规范在1 5 2 5 n m 1 5 6 5 n m 之f f i ，两相邻信道的间距约在0 8 n m ，即所谓的频 宽i o o g h z “1 。根据光纤通信系统的标准规范0 c 一4 8 “，每一波长信号的调制速率可达 2 5 g b i t s ，瓣莱使甭8 僚遴翡d w d m 缀件，那么矮衣8 个波长餐譬在嗣一校壳纤传辕使 用，单一光纤的通信容量便可从2 5 g b i t s 大量提升到2 0 g b i t s ，由此可见密集波分 复爝在高速与离容量通信传输系统的重襞性。 伴随掺锈光绎放大嚣( e d f a ) 静实弼纯，d w d m 技零在2 0 世纪9 g 年代良后获褥遂逮发 展，这一方面表现在d w d m 技术已经越米越多地在网络中应用，8 2 5 g b i t s 、1 6 2 5 g b i t s 、1 6 xl o g b i t s 、4 0 l o g b i t s 等系统已缀在网络中广溅应用，n t t 等公司的 1 6 0 xl o g b i t s 系统也已撩i 霆商雳，1 9 9 8 年，d w d m 系绕市场豹垒球增长率这委3 2 ，估计 2 0 0 4 年销售慰会有4 2 0 0 0 囊，1 9 9 8 2 0 0 4 年间的平均增长率有5 0 ：另一方面也表现在 实验系统不龄良更高速率、逗多复矮路数、更大容爨的方向发展，大有竞争世界之最的 絮式。眈如，纛1 9 9 7 年的o f c 会议上，n e c 宣布实现了2 6 t b i t s 雕溯传输系统窳验，号 称当时的最巅记录：到1 9 9 9 年，s i e m e n s 寇布了3 2 t b i t s ( 8 0 x 4 0 g b i t s ) 的记泶：没隔 几个月，在9 9 t e l e c o m h ，n o r t e l 宣布了单信道8 0 g b i t s ( 电时分复月+ 光时分复用) 、 憨容量6 4 t b i t s 的记录：袋近，有项试验实现了单穰光纤超过l o t b i t s 的通信容量。 复用波长数也在不断增长。1 9 9 7 年b e l l l a b s 创造的最高记泶是2 0 6 个，到1 9 9 9 年1 1 月，又实现了超密集波分复琢( u d w 潮，1 0 2 2 个波逆) ，波长闻隔为i o g h z 。最邋，e s s e x 懑称实现了4 0 0 0 个信道的d w d m 系统，信道间隔为1 g h z ，相当于0 。0 0 8 n m ，而a v a n e x 又宣 布他们已掌握了信道间隔为0 0 0 3 2 n m 的技术，这些技术为大容量吉比特以太网和城域 5 l 敬发震提 ! 蝼了有力魏支持。 在超长躐离方面，c o r v i s 公司的1 6 0 x 2 5 g b i t s 系统从芝加弼传输到西雅圈，总跃 度3 2 0 0 k m ：而在实验室的环路实验方面，o f c 2 0 0 0 上报道的n e c 的3 2 t b i t s 系统和 t y c o 的1 。8 t b i t s 系统分别抟输了1 5 0 0 k m 积7 0 0 0 k m 。 d w d m 和e d f a 的迅逑实用化，为高遮率、大容量倍怠的长距离传输提供了翳于实现 的方案，使通信网的传输容量极大地增加。而传输容擞的增长又给交换节点带来巨大的 压力帮急终交攀熬魂力，扶嚣激发了以波长选爨为綦戳翡全光通壤嘲静发骚。杰d w d m 传输系统应用过程中，人们发现，d w d m 技术在提高传输能力的同时，述有强大、灵活的联 网优势，可以形成具有高度灵活性和生存性的全光网络( i t u t 定义为光传送网) 。可以 3 绪论 激，d w d m 对攫个通信网产生长期、深远的影响。 d d w d m 煞主要筏点为： 充分利用光纤的低损耗波段，大大增加光纤的传输容量，降低成本： 对菇偿道传输的储号的速率、格式县有透明性，有利于数字信号秘模拟馈号的兼 容： 节省光纤和光中继器，便于对融建成系统的扩搿： 可以挝供波长选路，佼建立具霄蕊发生存拨和涎活性的d w d m 全光邋缩网贼为可 熊。 1 1 3d w d m 系统光源 煮纾澈偿d w d m 系绞要求矮可调谗光源替代溪寇渡长激必嚣以鼙低遵翁系绫戆或 本。d w d m 系统希望可谪谐光源输出波长稳定，波段黼隙小。躐嶷先通信主要研锱的可 调谐激光器主要有以下几种方式： ( t ) 可谈分毒反馈激光器，秘躁澄发璃谐，有2 n m 诱谗蕺匿，赣出功率1 3 d b m 。 菪附加增豢枫构，调谐范濑可达t 5 n m 。 ( 2 ) 分稚布拉格反射激光器，强d f b 基础上加上附加功能元件( 如取样光栅d b r 、 麓缝耩煮嵇潍r ) ，黎蹙獾挺牾反射器嫒涌谐范爨挎8 l o n m ，输感翡率鸯3 s d b m 。实 验报道了采阁l o g b s 魄暇收波长选撵d b r ，能产艇2 0 个信道的波长，信道间鼹5 0 g h z ， 平均功率达3 d b m 。 ( 3 ) 霎感腔表嚣发射激光器，制璃鲢e 舔控涮技术爱谴谐菠瓣达3 5 a m 。蓑篷竞泵 浦可输出功率6 d b m 。实瓣报道了该种激光器在1 3 1 0 h m 光泵谱下可提供5 0 n m 波段的调 谐范围，覆盏整个c 波段( 1 5 2 8 n m 1 5 6 0 n m ) ，输出功率8 d b m ，能抑制边模，消偏振。 舔爰一实骏也授遂了在1 3 i o n m t 5 8 5 n m 波段蔫号巍，赣塞波长能覆盖c 窝b 滚滚，蘧 谐范围3 5 a m 。 ( 4 ) 外胶= 极管激光器，调谐波长獭围l o o n m ，覆溢整个c 波段，输出功率达1 3 d b m 。 ( 5 爵溺谮镬模激光器，穗瀵波长奏两季孛方式：矮癸腔布挺格光掇产篷与波长煮 关的腔长米逸捧波长：用阵列波导光栅选择波长。衙种调谐方式因简单而被广泛应用。 阵列波导可调锁模激光器已被实验黢诞能输出3 2 波段，波长从1 5 3 5 5 r i m 调谐到 1 5 6 0 ，5 r i m ，镶遴之阁阕鬃l g 艇z 2 5 r i m ) 。 ( 6 ) 可调光纤激光器( t u n a b ef i b e rl a s e r ) ，用可调滤波嚣溉择输出波长( 网卜2 ) ， 谰谐范围1 5 6 0 n m 1 6 1 0 h m ，是种l 波段的光纤激，) i 器，在整个溺谐波段信噪比大于 d 绪论 6 0 d b ，输出功率7 m w 。但是月9 8 0 n m 泵潍源激励激光器输出l 波段时泵浦性能较差。现 在掺锤走纾环肉插入壳纾耀短捂竞撵( f b g ) ，使辕入e 波段t 5 4 5 n m 鲶嵩反射，把c 波段鑫 发发射噪声( a s e ) 反射回主放大环内，就能对l 波段信号有较大增赫。 f b g 图卜2 可调光纤激光器原理图 在强前离爝麴0 m 系统中，分森发馈半导体激党器( d f b - l o ) 已被广泛她潮 乍单 颓光源。然丽d f b l d 静激冀重波长受溢度( 0 1 n m ) 莘霹偏置毫流的影响较大，只有 通过调节d f b l d 的温度和偏置电流，熟激射波长才能被调谐在预澄的波长处。即便如 姥，d f b l d 缀过长期运行聪，由于偏置泡流会发生变化导致d f b 一青源层的激发发生 潋变，从而激射波长仍然会发生变往。蕊线宽一般为几十箍赫，也不熊满足离速光纤逶 信系统的要求。要解决这熄问题，不仅涉及到精密的波长锁定技术，带宽压缩技术，而 强戏本很高。豳此，在d w d m 系统中挑选波长合适豹戆芯，褥到窄线宽、功率秘籁拳稳 定，低成本，在室温下稳窳工作的一体仡光源是目前国内外很受羹钱的课题。 由于外腔结构可以明驻地压窄半导体激光器的线宽”1 ，得到主边模抑制比很高的单 援竣窭，旱在十年代人们藏在这方瑟 乍了丈量豹壤论：j 毽实验土懿工 睾”3 。当时外垃 结构中的外反馈元件一般怒体光栅或反射镜。因为在邋信系统中光源输出的光爱藕合到 光纤中，如果能在光纤中加入一个外反馈，那么这种外腔结构就可以做得具有缩构简单， 成晶率裹，稳定性好和价格低簇等挠点。光纾竞撩豹溺现使班上闼越瓣解决开黪了一条 断的途径，以光纤光栅为反馈元件的外腔激光器是利用光纤光栅的选频特性来实现半导 体激光器的单纵模工作，并稳定波长。它具有波长可控性和重复性好，调制线宽窄，温 度稳定毪磐，对半导罄激光嚣豹要求抵，蔫速调剿霹泼舂馥显的碉嗷，与光纾系统具有 天然的吻合性等优点。 下面将阐述光纤光栅外腔半导体激光器的基本结构、国内外的研究概况，以及本 绪论 课题的研究内容和意义。 1 2光纤光栅外胶半导体激光器特点及其谐振腔结构 l 。2 。l 巍缓光栅羚腔半导体激瓷器特点 用光纤光栅作为反馈的外腔半导体激光器在很多方面都极适合作为d w d m 的系统光 源。它的特点盎要有：光纡光栅在这种外腔结构中不仅起到反射光的作用，而且还有 逡频翡终焉，激光器魏工俘波长由壳纾竟褪爨毒接穰波长决定，嚣潮雩# 特定波长麴光纾 光栅很容易将精度控制在0 1 n m 以下。利用同一个w a f e r 解理的管芯和不同波长的光纤 光栅的耦合可以制作覆盖众部通道的所有光源，这是其它种类激光器所不能比拟的。 由于在热稳囊缝方嚣竞终要跑半导钵褥瓣爵霉多，焘强先裰蠢拉辏波长随温度豹变伍只 肖0 o l n m 。c ，比半导体激光器随温度变化要小1 0 倍，因此工作时对制冷要求不高。 这种结构的激光器工作线宽小于d f b 激光器，一般只有几百甚至几十k h z 。由于光 终竞穗是蹇按耩俸手蠢纾蕊部，其需传统静葑装援术粥可，著基謦芯翻律工艺黉院d f b 结构激光器简单，因而造价低廉。它在调制状态下工作时啁啾小。 1 。2 。2 光纾光穗外腔半导僖激港器谐振麓结构 图卜3 班毙纾光掇为聂馈鹣舟骏半母体激光器示意图 图卜3 是以光纤光栅为反馈的外腔半导体激光器的基本结构示意图，器件盯一只激 光管芯和含有光纤光栅的光纤耦合而成，激光器的谐振腔出光纤光栅和半导体镣芯的外 蠕錾构藏，激毙宙竞纾输滋。管芯弱餐漆嚣一般镀蠢麓反簇馥掇麓徐赉功率，肉臻葱镀 谢增透膜以减少管芯的f p 模式。光纤光栅可以是一段均匀光栅，也可以用非均匀光纤 光栅，p 。a m o r t o n 用啁啾光纤光栅作为反馈得到了离功率( 2 7 5 r o w ) ，窄线宽( 4 0 0 k t l z ) 6 绪论 的单模输出“。 这种用光纤光栅来选频和稳频的半导体外腔激光器仍存在一些缺点和技术难点。 管芯端面镀增透膜后仍然存在一定的反射率，它的大小对器件的工作性能影响很大，甚 至十分微弱的反射( 约1 0 1 ) 都能引起注入电流升高时输出功率的扭曲和模式跳变。因 此这种残余反射率应尽量地减少，除了通过镀高质量的增透膜外，还可以用弯曲波导结 构或者斜波导结构来实现端面的低反射率“7 ”3 ，w h l o h 报道了利用一段掺铒光纤来 控制模式的跳变。光纤和管芯之间的耦合效率对器件的阈值和输出功率影响很大，应 该尽量提高耦合效率。另外个很关键的技术是器件的封装，怎样保持器件的机械稳定 性，使得光纤光栅和管芯之间的距离尽量保持不变是一个十分困难的问题，而这对器件 工作时是否发生模式跳变和长期使用的稳定性都是举足轻重的。 1 3国内外研究概况 1 3 1光纤光栅外腔半导体激光器作光源 光纤光栅外腔半导体激光器用作光源主要有两种工作状态： 1 单纵模激光器：光纤光栅离管芯端面比较近，输出为单频稳定的激光。 光纤光栅在这种结构中构成激光谐振腔的一个反射端面，由于光纤光栅极窄的带 宽( 0 1 n m - o 3 n m ) 使得它成为理想的选频元件，它起着稳定的、精确的频率参考作用。 因而，这种激光器是d w d m 系统中的可选光源。由于外腔结构的腔长比较大，光子寿命 长，所以不能在很高的频率下进行直接调制。但如果结构设计得合理，高频调制还是可 行的。目前有2 5 g h z 甚至i o g h z 的调制报道“”2 “。此外在比较低的调制速度下，它 有一些应用。2 。2 ”。 l dc h i ， 蚓卜4e - t e k 公司的光纤光栅外腔 ，导体激光器的耦合封装结构 7 绪论 国外对光纤光栅外腔半导体激光器的研究始于1 9 8 0 年代末，有不少著名的公司对 此种器件进行了研究，如美国的l u c e n t ( a t t ) ，s d l ，e t e k ，英国的b t 以及日本的 f u r u k a w a 等，图卜4 是e - t e k 公司的封装结构图。国内的北京大学物理系于1 9 9 0 年代 初也对这种器件进行了耦合实验”5 。”1 ，另外，中科院的上海光机所和北京半导体所都先 后开展了这方面的研究工作“7 。3 “。 2 锁模激光器：光纤光栅外腔半导体激光器受到的调制频率是其腔长决定的特征频率 的整数倍时，输出短光脉冲。 在这种工作方式下，管芯具有弯曲波导或者高质量的抗反膜，使得光栅成为唯一 的反馈源。当注入电流以光学腔长的特征频率调制时，就可以实现主动锁模。光栅的反 射谱限制了可谐振的波长范围，因而决定了锁模脉冲的时延。使用啁啾光栅可以调谐锁 模频率”“，用这种简单的结构，在一个很宽的范围内可以完全控制脉冲的宽度和频率， 因为在不同调制频率下可以有不同的腔长。现已有高质量、高峰值功率的脉冲重复为 2 4 g h z 的器件，成为高速率光孤子通信的可选光源，p a m o r t o n 利用这种锁模激光 器已经实现了2 7 0 0 0 公里的传输实验。中国科学院上海光学精密机械研究所报道了 1 5 p s ，重复频率1 0 6 g h z ，线宽脉宽接近变换极限的光纤光栅外腔半导体锁模激光器 ( 2 7 , 3 6 1o 近来，n d o g r u 和m 8 o z y a z i e i 对光纤光栅外腔半导体锁模激光器的噪声特 征进行了较细致的研究。7 。 1 3 2 光纤光栅外腔半导体激光器的其它用途 光纤光栅外腔半导体激光器除了用作光源，还可用于波长转换。“”，基于光纤光栅 外腔半导体激光器的波长转换与d f b 激光器型波长转换相比，器件成本低，由于采用了 光纤光栅，可以方便地提供满足d w d m 要求的激光输出，包括波长问隔准确，谱线窄， 波长稳定，并可通过光纤光栅波长调谐来改变转换波长。 稳定可靠的掺铒光纤放大器是高速率、大容量全光通信系统中不可缺少的关键器 件。掺铒光纤放大器的工作状况将直接受到泵浦用高功率半导体激光器的特性影响。半 导体激光器的激射波长必须同掺铒光纤放大器的吸收峰相吻合，才能获得最佳的泵浦效 率。光纤光栅外腔反馈的半导体激光器作为掺铒光纤激光器的泵浦源有其显著的优越性 们 绪论 1 4本文的研究内容和意义 本文研究适用于d w d m 系统的半导体激光器。本文在对半导体激光器的实现机理作 了较为系统的理论分析的基础上，利用光纤光栅作为波长选择元件，对光纤光栅外腔半 导体激光器的运行特性进行了研究。本文的主要工作是：计及半导体激光器( l d ) 、外 腔及光纤光栅( f g ) 三者的共同作用，在考虑了光纤光栅的位相后，根据光纤光栅外 腔半导体激光器( f g e s l ) 所满足的阈值条件，理论上研究了温度及外腔长度的变化对 f g e s l 激射波长的影响：根据f g e s l 的相位条件确定f g e s l 的激光纵模分布后，利用 f g e s l 满足的多模速率方程，理论上分析了注入电流对f g e s l 输出特性的影响。 近些年来，在对f g e s l 的研究中，虽然人们也观察到了一些如温度变化造成的跳模 “、波长双稳“，电流变化造成的波长移动以及f g e s l 的输出pi 在阂值以上具有波动 性等相关的实验现象1 ，但是由于在f g e s l 中，众多物理量之间具有复杂的关联关系， 因此尚缺乏深入的物理洞察。通过本文的研究建立了能正确反映f g e s l 运行不稳定性的 物理