（光学工程专业论文）ingaaspinp多量子阱锁模激光器及其超短脉冲产生的研究.pdf

帅 r rir l 1 1 1 1ii ii i iill y 17 4 9 8 6 6 t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y f o r t h em a s t e r sd e g r e e s t u d y o ni n g a a s p i n p m u t i - q u a u n t - w e l l sm o d e - l o c k e d l a s e r a n d i t su l t r a s h o r tp u l s e b y y a n gx i n h u i s u p e r v i s o r d ur o n g j i a n j a n 2 0 10 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨洼堡墨太望 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：髓兮签字日期：弘i 口年 f 月i 厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘望有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡墨盘望 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：靛蕊令 导师签名：相霖建 签字日期：p f 口年f 月ir 日签字日期：伽f 口年，月- p 日 摘要 目前，超高速、超长距离和超大容量光纤通信技术是国际上光通信研究的热点和主 要方向。高重复频率、超短光脉冲的产生，是实现超高速光时分复用传输、光孤子传输 和高速光交换的关键技术之一。i n g a a s p i n p 多量子阱锁模半导体激光器是一种新型的 超短相干脉冲光源，具有脉宽窄，频率啁啾小，重复频率高，输出波长为1 5 5 1 t m ，波长 可调谐范围大，结构简单，易于精确控制输出波长，稳定性好等优点。本课题中采用的 激光器采用了多量子阱技术、主被动混合锁模机制，并且在实验中已经成功产生了脉宽 为2 9 p s ，时间带宽积为o 4 3 ( 非常接近高斯波形的变换极限值) 的超短光脉冲，是光 时分复用系统的一种理想光源。 本课题首先对o t d m 系统及锁模半导体做了简单介绍，并在比较中提出多量子阱 锁模半导体激光器的优点；第二，对i n g a a s p i n p 多量子阱锁模半导体激光器及其超短 脉冲产生技术进行基础理论研究，并建立起i n g a a s p i n p 多量子阱锁模半导体激光器的 理论模型，为进一步实用化提供实验数据；第三，建立一套i n g a a s p i n p 多量子阱锁模 半导体激光器的实验装置，并对实验数据进行了整理和分析。最后对论文进行总结。 关键词：锁模半导体激光器多量子阱超短脉冲近变换极限光时分复用系统 a b s t r a c t a t p r e s e n t ，t h eu l t r a f a s t ，u l t r a - l o n g d i s t a n c e a n d l a r g e c a p a c i t yo p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi st h e p o l i s h h o ta n dt h em a i nd i r e c t i o no fi n t e r n a t i o n a l c o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c h f o ra c h i e v i n gu l t r a h i g hs p e e do p t i c a lt i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t r a n s m i s s i o n , o p t i c a ls o l i t o nt r a n s m i s s i o na n dh i g h s p e e do p t i c a ls w i t c h ，t h eg e n e r a t i o no f l l i g l lr e p e t i t i o nr a t e ，u l t r a - s h o r to p t i c a lp u l s ei so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s i n g a a s p i n p m u l t i - q u a n t u mw e l l s ( m q w ) m o d e l o c k e ds e m i c o n d u c t o rl a s e ri san e wt y p eo fl i g h tr e s o u r c e ， w h i c hp r o d u c e su l t r a - s h o r tc o h e r e n tl i g h tp u l s e sw i t han a r r o wp u l s ew i d t h , s m a l lf r e q u e n c y c h i r p ，h i g hr e p e t i t i o nr a t e ，t h eo u t p u tw a v e l e n g t ho f1 5 5 1 t m ，w i d ew a v e l e n g t ht u n a b l er a n g e ， s i m p l es t r u c t u r e ，e a s y - t o - p r e c i s ec o n t r o lo fo u t p u tw a v e l e n g t h , g o o ds t a b i l i t ya n ds oo n t h e l a s e r si nt h e t o p i c si n t r o d u c e sm q wt e c h n o l o g y , a c t i v e - p a s s i v eh y b r i dm o d e - l o c k i n g m e c h a n i s m ，w h a t sm o r ei nt h ee x p e r i m e n tw eh a ss u c c e s s f u l l yp r o d u c e dap u l s ew i d t ho f 2 9 p s ，t i m e - b a n d w i d t hp r o d u c to fo 4 3 ( v e r yc l o s et ot h et r a n s f o r m a t i o no fg a u s s i a nw a v e l i m i t ) s oi sa ni d e a ls o u r c ef o ro p t i c a lt i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o t d m ) s y s t e m i nt h i s p a p e r ，t h ef i r s tp a r tm a k e sab r i e fp r e s e n t a t i o na b o u to t d ms y s t e ma n dt h e m o d e - - l o c k e ds e m i c o n d u c t o ra n di nt h ec o m p a r i s o np r e s e n t sm o d e - l o c k e dm u l t i q u a n t u m - w e l l s e m i c o n d u c t o rl a s e r sa d v a n t a g e s ；s e c o n d l y , b a s i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c ha b o u ti n g a a s p i n p m q wm o d e l o c k e ds e m i c o n d u c t o rl a s e ra n du l t r a - s h o r tp u l s eg e n e r a t o rt e c h n o l o g yi s p r e s e n t e d ，a n da c c o r d i n gt ow h i c he s t a b l i s hi n g a a s p i n pm q w m o d e - l o c k e ds e m i c o n d u c t o r l a s e r st h e o r e t i c a lm o d e lf o r f u r t h e rp r a c t i c a lt op r o v i d ee x p e r i m e n t a ld a t a ；t h i r d l y , w e e s t a b l i s hi n g a a s p i n pm q wm o d e l o c k e ds e m i c o n d u c t o rl a s e re x p e r i m e n t a ld e v i c e ，t h e e x p e r i m e n t a ld a t aa r ec o l l a t e da n da n a l y z e d f i n a l l y , s u m m a r i z i n gt h ep a p e r k e yw o r d s ：m o d e l o c k e dl a s e rd i o d e ，m u l t i q u a n t u mw e l l s ，u l t r a - s h o r tp u l s e , n e a r l y t r a n s f o r m l i m i t e d ，o p t i c a lt i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 目录 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 研究进展2 1 3 目前国内外研究存在的问题2 1 4 本论文主要研究工作3 1 4 1 研究内容3 1 4 2 拟解决的关键科学问题3 第二章光纤通信及其研究进展4 2 1 光纤通信4 2 1 1 概i 苤4 2 1 2 光纤通信系统构成6 2 1 3 研究现状及发展趋势。6 2 2 光时分复用系统一1 0 2 2 1 概j 态l l 2 2 2 光时分复用系统光源1 2 2 3 本章小结一1 3 第三章多量子阱锁模半导体激光器的理论研究1 4 3 1 锁模半导体激光器1 4 3 1 1 半导体激光器概述1 4 3 1 2 半导体激光器中的锁模技术1 5 3 1 3 几种典型的锁模半导体激光器结构1 8 3 2 量子阱半导体激光器1 9 3 2 1 简单介绍1 9 3 2 2 基础理论2 0 3 2 3 波长1 s g m 多量子阱半导体激光器设计理论2 l 3 3 多量子阱? 卜导体激光器的理论装置2 4 3 3 1 多量子阱半导体激光器芯片结构2 4 3 3 2 多量子阱、卜导体激光器的腔外装置2 6 3 4 本章小结2 6 第四章i n g a a s p i n p 多量子阱锁模半导体激光器实验装置2 7 4 1j 卜导体激光器型号2 8 4 2 光电探测器2 8 4 3 平面衍射光栅和白聚焦耦合透镜2 9 4 4 测量仪器3 0 第五章实验结果和数据分析3 2 5 1 连续光脉冲的自发辐射光谱3 2 5 2 锁模脉冲光谱3 5 5 3 锁模脉冲宽度3 5 5 4 高重复频率锁模脉冲波形3 6 5 5 本章小结3 7 第六章总结3 8 参考文献3 9 发表论文和科研情况说明。4 2 致谢4 3 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 i n t e m e t 的普及以及宽带综合业务数字网的飞速发展，信息化社会的发展，使得人们 对信息的需求与目俱增，整体的数据业务量几乎半年就增长一倍，建立超大容量、超长 距离和超高速的通信网络是势在必行的发展方向，其中光纤通信不仅能够提供较宽的频 宽资源，而且还能适用于长距离的大容量的通信系统，已经成为支撑通信业务量增加的 重要的信息技术之一【l 。2 1 。历年来光纤通信技术的发展主要集中在光电子器件技术、光 纤光缆技术和光纤通信系统技术三个方面，这三种技术的发展互为依托、相互促进，共 同致力于光纤通信向超高速超长距离超大容量的方向发展。 日益增长的通信网传输容量以及交互性的网络的发展要求，陆续出现了各种复用技 术【3 】。在数字光纤通信中除了时分复用( t d m ) 技术外，还涌现出了光时分复用( o t d m ) 技术，光波分复用( w d m ) 技术、光频分复用( f d m ) 技术等等。这些复用技术不仅仅 能够具有高的带宽利用率，还能大大提高通信网的传输效率。其中o t d m 技术是当传 输比特速率超过1 0 g b i t s 时，会出现电子器件的瓶颈效应以及受制于半导体激光器的直 接调制的影响，为了克服这些不足所采用的扩大传输容量的复用技术。其基本原理是用 n 路电信号分别调制同一个光频的光信号，经复用后在同一根光纤中传输，来实现扩容 的目的。o t d m 技术的主要优势是能够有效提高单信道的传输速率，可以实现数十g b i t s 甚至高达数t b i t s 的超高速速率，其最终发展方向是全光通信技术。 大容量光纤通信和快速光信息处理都需要能够产生高重复率的超短相干光脉冲的 光源。半导体激光器由于具有快速响应、增益带宽宽以及电学可控性好，成为光通信的 首选光源【4 】。目前，采用多量子阱技术和锁模技术的半导体激光器以其极低阈值电流、 较高的转换效率、较高的输出功率、易集成、使用寿命长等优势成为关注的焦点1 5 - 7 ， 众多超高速超短脉冲光源中脱颖而出。 i n g a a s p i n p 多量子阱锁模半导体激光器是国内外最新研究的一种新型的超短相干 脉冲光源。经相关实验和理论，它已经具备了脉宽超窄，频率啁啾超低，重复频率超高， 输出波长1 5 5 9 m ，波长可调谐范围大，简单的结构易集成，方便精确控制，稳定性良 好等特点。通过对“i n g a a s p i n p 多量子阱锁模半导体激光器及其超短脉冲产生技术” 的研究，能够拓展人们对多量子阱主被动锁模半导体器件的新认识的空问，能够为高速 大容量光纤通信系统提供理想光源的理论指导，具有重要的意义。 第一章绪论 1 2 研究进展 在众多超高速超短脉冲光源中，多量子阱混合锁模半导体激光器已经成为研究热点 【8 9 】。现在主要有日本a r a h i r a 、r a y b o n 、o g a w a 、s h i m i z u 和y o k o y a m a 等科学家的研究 成果，已经处于领先地位【1 0 】。其中较为典型的锁模半导体( m l l d ) 激光器腔长为1 0 0 um 1 c m ，对应的基本锁模频率在4 - - 一4 0 0 g h z 范围内。针对锁模技术，主要有主动锁 模和被动锁模。在主动锁模技术中，由于外置驱动电子器件的调制速度限制了锁模频率 的上限值，难于再继续提高锁模频率【l l 】，其典型值为4 0 g h z 。在被动锁模技术中，无需 电子器件驱动，不受电子器件限制，能够实现超过1 0 0 g h z 的重复频率。但是它的重复 频率受自身某些参数限制 1 2 】。如果将被动锁模技术和多量子阱技术( 较低的饱和吸收 能量) 相结合，能够进一步提高重复频率。并且已经有相关实验报道来证明。科学家 s a r a h i r a 等人，利用采用了腔长为1 7 0i lm 的短腔结构、折射率渐变、分别限制层、多 量子阱结构的碰撞锁模半导体激光器，已经成功得到重复频率为5 0 0g h z 、脉宽为3 9 0 f s 、 锁模光谱宽度为9 7 n m 、时间带宽积a t u 为0 4 7 ( 高斯脉冲) 的光源l l 引。还有a r a h i r a 等人利用集成分布布拉格光栅的多量子阱锁模半导体激光器( m q w - m l l d ) ，己成功实 现重复频率高达1 5 4 t h z 的光脉冲，是目前世界最高记录4 。 在国内，清华大学、北京大学、南开大学和天津大学等各高等院校和中科院半导体 所、物理所等科研单位对同时具有超高速、多量子阱、主被动混合锁模、脉冲脉宽窄、 啁啾小、高重复频率、结构简单、输出波长为1 5 5 1 a m 、微腔等特性的半导体激光器已 经开始研究。 1 3 目前国内外研究存在的问题 锁模半导体激光器以其尺寸小、耦合效率高、可靠性好、信号可直接调制等优势成 为目前光纤通信系统中最为重要的光源【1 5 j6 1 。目前，人们对锁模半导体激光器的研究， 主要集中在增益开关半导体激光器( g s l d ) 、锁模环形光纤激光器( m l f r l ) 、电吸 收调制型分布反馈半导体激光器( e a m l d ) 、超连续脉冲发生激光器( s c ) 和混合锁模半 导体激光器等领域，开展相关器件和激光特性的实验研究。其中g s l d 具有动态单模 特性、脉宽窄( 5 p s ) 、稳定性好、技术成熟；但受电子器件极限限制，单信道传输速率 有限，而且信号啁啾较大。m l f r l 产生的脉冲脉宽窄，脉冲啁啾小，波长调谐容易， 成本低廉，结构简单，输出波长为1 5 5 微米，但是实用性和稳定性差，技术复杂【l 引。 e a m l d 在一定条件下，重复频率覆盖范围大，不受调制器限制，但是单信道传输速率 有限，产生的信号容易与外部信号同步，并且信号脉宽较宽( 2 0 p s ) 1 1 9 1 。超连续( s c ) 光源脉冲的连续光谱范围很宽，从几十纳米到几百纳米，脉冲的性质比较稳定，噪声低， 特别适用于光时分复用技术o t d m 密集波分复用技术d w d m 系统，但目前技术不成熟 【2 0 1 。i n g a a s p i n p 多量子阱锁模半导体激光器性能稳定并且波长可调，重复频率高( 2 第一章绪论 1 0 g h z ) 、输出波长为1 5 5 微米，接近变换极限超短脉冲，结构简单、紧凑，易集成等 优点，对于超高速、超大容量光纤通信系统和超高速全光信息处理系统而言是非常重要 的，在目前超高速数据传输系统中具有重要的潜在应用价值。 1 4 本论文主要研究工作 1 4 1 研究内容 该课题“i n g a a s p i n p 多量子阱锁模激光器及其超短脉冲的研究”，主要所涉及学 科领域有电子科学与技术、物理电子学、信息与通信系统、光纤通信与技术等专业，特 别是激光器件与技术领域。本论文主要研究i n g a a s p i n p 多量子阱锁模半导体激光器及 其超短脉冲产生技术，设计出一套稳定性好、重复频率高( 1 0 g h z ) 、结构简单、输出 波长为1 5 5 微米、可产生接近变换极限的超短光脉冲半导体激光器器件。 1 4 2 拟解决的关键科学问题 采用直接r f 高频( 1 0 g h z ) 调制的方法，通过多量子阱外腔混合锁模( 主动被动 混合锁模) 技术，获得具有脉宽窄、频率啁啾小( 接近变换极限值) 、重复频率高、波 长可调谐范围大、结构简单、稳定性好、易于长期工作等集多种优点于一身光源多 量子阱外腔混合锁模半导体激光器。主要解决的关键科学问题有： ( 1 ) 控制和设计i n g a a s p i n p 多量子阱锁模半导体激光器的最优结构，消除频率 啁啾影响，进一步压缩输出超短脉冲宽度； ( 2 ) 使波长1 5 5 微米处光信号接近变换极限值； ( 3 ) 提高超短脉冲信号的重复频率，以有利于形成超高速光信号。 第二章光纤通信及其研究进展 第二章光纤通信及其研究进展 因特网的出现标志着人类社会进入到一个崭新的信息化时代。传统的通信技术已经 很难满足人们日益增长的信息需求，而光纤通信技术凭借其巨大的潜在的带宽容量，已经 成为支撑通信业务量增长最重要的通信技术【2 。超高速、超长距离和超大容量光纤通信 系统是当前国内外光纤通信研究的主要方向和关注焦点。其中光时分复用技术是克服电 子器件瓶颈、提高通信容量、实现未来全光通信网络的有效途径，己成为超高速、超长 距离和超大容量光通信系统中的首选数据传输技术【2 0 1 。但这种光通信方式需要一个能提 供高重复频率的超短相干脉冲光源。 2 1 光纤通信 1 9 7 0 年美国c o m i n g 公司宣布其研制的单模光纤损耗低于2 0 d b k m ，光纤的出现给 人类的信息传输提供了无限的频带资源，使光纤通信迅速发展起来。所谓光纤通信，就是 以光波为载波承载信息，以光纤作为传输介质来实现通信的目的，它是- - i - j 飞速发展的 技术科学，主要研究如何以光的形式在光纤上实现信息传递。 2 1 1 概述 光纤通信结合了现代光学和电子学，是一种综合应用技术。7 0 年代初期光纤通信获 得了迅速发展，并且近年来取得了惊人的的进展，如今已成为现代通信的主要传输手段。 整个光纤通信的发展进程可大致分为下面五代啪j 。 第一代光纤通信的工作波长为8 0 0 n m ，使用多模光纤进行传输，使用砷化铝镓半导 体激光器作为光源，光电探测器为硅材料的半导体p i n 光电二极管或半导体雪崩二极管 ( a p d ) ，传输速率达到4 5 m b s ，每l o 公里需要一个中继器来增强信号。 第二代光纤通信的工作波长为1 3 1 0 n m ，使用单模光纤进行传输，单模光纤较多模 光纤损耗低且色散小，光源使用磷砷化镓铟( i n g a a s p ) 进行镭射，光电探测器为锗 材料，1 9 8 7 年一个商用光纤通讯系统的传输速率已经高达1 7 g b s ，间隔5 0 公里才 需要一个中继器增强讯号。 第三代光纤通信的工作波长为1 5 5 0 n m ，使用单模光纤进行传输，该波长为石英光 纤的最低损耗窗口，随着波长1 5 5 0 n m 的掺铒光纤放大器( e d f a ) 的诞生，该波段为 光通信历史上的一个里程碑，它使光纤通信可直接进行光中继，使长距离高速传输 成为可能，并促使了d w d m 的诞生。这些技术上的突破使得第三代光纤通讯系统 的传输速率达到2 5 g b s ，而且中继器的间隔可达到1 0 0 公里。 4 第h 二章光纤通信及其研究进展 第四代光纤通信系统引入了光放大器，进一步减少中继器的需求，同时波分复 用( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 技术的逐渐成熟也大幅提升了传输速 率。以上两者的发展大大增大了光纤通讯系统的容量，到2 0 0 1 年传输速率已经达 到1 0 t b s 。目前，传输速率已经进一步增加到1 4 t b s ，每隔1 6 0 公罩才需要一个中 继器。 而当今光纤通讯系统发展的重心在于如何扩展波分复用系统的波长范围。传统 的波长范围约是1 5 3 0 n m 至1 5 7 0 n m 之间，新一代的无水光纤( d r yf i b e r ) 低损耗的 波段则延伸到1 3 0 0 n m 至1 6 5 0 n m 之间。另外一个发展的技术是光孤子( o p t i c a l s o l i t o n ) 通信技术，它是一种全光非线性通信方案，利用光纤的非线性效应，摆脱 了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，使光波波形维持原形。光孤子的传输容 量比当今最好的通信系统高出1 - - 2 个数量级，中继距离可达几百k m ，被认为是下 一代最有发展前途的传输方式之一。 光纤通信由于其具有的一系列特点如通信容量大、中继距离长、保密性能好、适应 能力强、体积小、重量轻、便于施工和维护、原材料来源丰富，潜在价格低廉等优点， 使其在传输平台中居于十分重要的地位。光纤通信问世3 0 多年来，它正逐渐成为现代 传输网的主体。目前，全球6 0 的通信业务是由光纤传输的。在北美，8 0 以上的信息 量是通过光纤网来传输的。在我国，全国通信网使用光纤作为传输介质的比例高达8 2 ，由此可见光纤通信仍然是最主要的传输手段。2 0 0 9 年上半年，国内光纤需求量首次 超越美国，成为全球最大的光纤需求国，尤其在全球金融危机的影响下，国内光纤市场 成为全球光纤市场最为活跃的地区。目前国内光纤通信技术的应用以及自主研发的产品 基本与国际同类水平相当，但仍存在一定的差距，尤其是在实验室的研究水平差距较大。 从信息传输角度上讲，光纤通信系统必须能够将频带够宽的信号以高质量低成本 传输到距离较远的地方，具体来讲就是能够满足不同层次的信息传输要求【2 5 1 。主干线通 信系统要求光纤通信系统能够传输长距离、高速率、大容量的信息；用户的接入网络就 要求通信系统在成本尽可能低的情况下，接入的带宽尽可能宽；信息传输和转换密集的 中心城市要求光纤通信系统处理速度快，电磁干扰小但传输距离无特别要求。同时针对 不同层次的需求，各种光电子器件的研发生产也应运而生。最后为进一步提高信息传输 容量，全光通信网络也是光纤通信系统的发展方向。 光纤通信技术应用领域是广泛的。除了应用于电信网以外，光纤通信技术还成功地 应用于c a t v 、移动通信的光纤直放站、计算机网络的光纤联网、光纤图像监控系统以 及设备内部的光互连、光总线等方面【2 6 j 。在i p 技术与电信网的融合方面，目前正在开 发基于新的i po v e rs d h 的标准x i p o s 、以及以太网o v e rs d h w d m 的标准x e o s ，具 有干兆比光接口的核心路由器和边缘路由器。借助于微电子技术、光电子技术和c p u 技术的快速进步，中国的光通信技术将会得到更快的发展。我国的光通信技术不仅在国 内可以满足网络建设的需求，还将在国际网络中发挥重大的作用。 第二章光纤通信及其研究进展 2 1 2 光纤通信系统构成 光纤通信系统主要由发送端、接收端和传输链路以及各种器件组成。电端机对信号 进行处理，如模数变换、多路复用等。光端机的主要作用是进行光信号和电信号的转换， 如用于接收的光端机把光信号还原为电信号时，经放大整形及再生后恢复原有用信号， 在输入到电端机完成信号的传输过程。在传输过程中，由于光纤对信号的损耗和衰减， 需要中继器对未畸变的信号进行放大整形，继续发送。图2 1 为光纤通信系统基本原理 框副2 3 1 。 光端机 ( 发送) 图2 1 光通信系统的原理方框图 上图不仅适合于光纤模拟通信系统中，而且也适用于光纤数字通信系统和数据通信 系统。不同的是电信号的处理过程不同。在光纤模拟通信系统中，电信号处理是指对基 带信号进行放大、调制等处理，而电信号反处理则是发端处理的逆过程，即解调、放大 等处理。在光纤数字通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、取样、量化， 即脉冲编码调制( p c m ) 和线路码型编码处理等，而电信号反处理也是发端的逆过程。 对数据光纤通信，电信号处理主要包括对信号进行放大，和数字通信系统不同的是它不 需要码型变换。 一 光纤通信系统按调制方式分类，可分为数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统；按 波长和光纤类型分类可分为短波长( 0 8 5um 左右) 多模光纤通信系统、长波长( 1 3 l um ) 多模光纤通信系统、长波长( 1 3 1i lm ) 单模光纤通信系统和长波长( 1 5 5 弘m ) 单模光纤通信系统；按照传输距离分为长距离干线、中短距离局域和超短距离光纤通信 系统；按信号的复用方式分为光频分复用( o f d m ：o p t i c a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i ng ) 系统、电时分复用( e t d m ：e l e c t r i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统、光时分复 用( o t d m ：o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统、波分复用( w d m ：w a v ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 系统、光码分复用( o c d m ：o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统和空分 复用( s d m ：s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统t 3 j 。 2 1 3 研究现状及发展趋势 光纤通信系统以其巨大的带宽资源使得光传送网作为宽带通信网的基础成为不争 的共识。从光纤通信商用化至今，一对光纤上的信息传输总速率从2 m b i t s 提高到t b i t s ， 预计在未来l o 年里还将提高1 0 0 倍左右。从2 0 世纪8 0 年代中期开始，各种新技术不 6 第二章光纤通信及其研究进展 断涌现，光纤通信技术从单纯的光传输技术发展到全光网络技术，其发展历程主要包含了 光电子器件技术、光纤光缆技术和光纤通信系统技术三种技术的提高和改进2 7 1 。下面简 述这三类技术的发展： l 光电子器件技术 光电子器件技术的突破带动了高速大容量光纤通信系统的实用化，而且对于光纤通 信新技术的实现具有重要的意义【2 引。目前市场上的制造商主要研发各种高性能、低成本、 高可靠的光电器件。常用的光电子器件包括： ( 1 ) 可进行高速调制的光源：不同层次的网络对光源的要求也不相同，信息传输速 率低于2 5g b i t s 的接入网和本地网，需要简单结构并且廉价实用的的半导体激光器， 如法布里珀罗( f p ) 激光器。密集中心城市的城域网，其传输距离短、信息量大，要求光 源速率达2 5g b i t s 乃至1 0g b i t s ，直接调制的分布反馈( d f b ) 半导体激光器适用。通 信干线网络对光源的调制速率和光信号的传输距离都有较高的要求，基于1 0g b i t s 甚至 更高速率的骨干网已经迅速发展，目前普遍采用电吸收型调制型( e a m ) 分布反馈半导 体激光器( d f b l d ) 。目前2 5 g b p sd f b 激光器e a m 集成器件已成为干线光纤通信系统 的主要光源，1 0 g b p s 、2 0 g b p s 和4 0 g b p s 集成器件也正大量用于干线传输或传输实验。 ( 2 ) 光接收器件：光接收器件是利用光电转换现象，将光信号转换成电信号的器件， 根据光接收器的原理不同，光接收器可分为光电导器件、光电二极管和光电晶体管3 种。 这些光电接收器的工作原理都利用了光电导效应和光生电动势效应，其应用根据光波长 和响应频率而定，是高速大容量传输系统中必不可少的器件。2 5 g b p s 、1 0 g b p s 的接收 器件已实用化，最高实验室速率为1 0 0 g b p s 。低成本和光接入系统用的2 5 g b p s 的收 发模块已研制成功，可满足高速大容量干线系统、中短距离等传输系统的需求。 ( 3 ) 光放大器：光放大器无需光电变换及电光变换，即o e o 变换，就能直接 实现光信号的放大，光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信系统中一个非常重 要的成果，它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展，是新一 代光通信系统必不可少的关键器件。光放大器主要分为光纤放大器、半导体光放大器和 拉曼放大器三种。光纤放大器主要集中于掺铒类型，掺铒光纤放大器极大地扩大了放大 器的传输带宽，它将使超高速、超大容量、超长距离的w d m 、d w d m 、全光传输、光 孤子传输等成为现实。 ( 4 ) 波分复用器解复用器：即对不同波长的多重光信号进行组合分离，是超高速、 超大容量d w d m 网络中的关键器件，根据复用解复用的波长数的多少分为普通波分复 用器解复用器和密集波分复用器解复用器。波分复用器件从最初的分立型发展到集成 光学型或全光纤型，通路数也从最初的1 3 0 0 和1 5 0 0 n m 两个通路发展成数l o 个甚至上 百个通路，工作带宽大大加宽。 ( 5 ) 光开关：光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口，其作用是对光传 输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的光学器件是各种光通信 系统实现高功能、高可靠性、提高维护及使用效率必不可少的光器件。光开关大致可分 为采用l i n b 0 3 聚合物、半导体材料的光开关和具有可移动机理的机械光开关。目前研 7 第二章光纤通信及其研究进展 究的重点主要集中在采用g a a s 和i n p 材料的半导体光开关和聚合物光开关及综合利用 了微光子、微电子、半导体微细加工技术、微机械技术的微机械光开关。 2 光纤光缆技术 光纤光缆作为光纤通信系统中高速公路，信号的衰减和信号的畸变影响着信号的能 量和精确度。目前常用的光纤种类有标准单模光纤( g 6 5 2 ) 、色散位移光纤( g 6 5 3 ) 和 非零色散位移光纤( g 6 5 5 ) ，这些光纤的低损耗区都在1 3 1 0 1 6 0 0 n m 波长范围内。 为了适应光纤通信的不断发展，近年来光纤技术也有了长足进展【2 9 1 。 ( 1 ) 光线的制作工艺上有了进步。各种光纤的模场直径、包层直径、芯包同心度 误差、宏弯损耗等技术指标都比过去更为严格，减少了接续衰减。另外光纤的抗拉强度 也大为提高，这意味着光纤寿命增大和实际接续中因操作导致的断路。 ( 2 ) 标准单模光纤g 6 5 2 光纤，除了适用于传输速率最高为2 5 g b s 的g 6 5 2 a 外 又多了两种性能更高的g 6 5 2 b 和g 6 5 2 c 光纤，传输速率可达到1 0 g b s 。面对超高速、 超大容量、超长传输距离的发展形势，传统的g 6 5 2 光纤已暴露出力不从心的状况，开 发新一代的干线光纤已成为历史的必然。目前北美新敷设干线光缆已放弃g 6 5 2 光纤和 g 6 5 3 光纤，全部转向g 6 5 5 光纤。第二代的g 6 5 5 光纤大有效面积的光纤和小色 散斜率光纤也已经大规模应用。非零色散位移g 6 5 5 光纤，鉴于各公司生产g 6 5 5 差异 较大，2 0 0 0 年l o 月世界电信标准大会规范了该类光纤的标准。新标准把g 6 5 5 光纤分 为两类：g 6 5 5 a 和g 6 5 5 b 。其中g 6 5 5 a 光纤用于g 6 5 1 规定的带光放大器的波分复 用系统，并且只能用在c 波段且色散值下端偏小。g 6 5 5 b 类光纤适用于速率为1 0 g b s ( s t m 6 4 ) 、波道间隔 2 0 p s ) 。 增益开关半导体激光器具有动态单模特性、稳定性好、受电子器件极限所限，单信道传输 ( g s l d ) 脉宽窄( 5 p s ) 、技术成熟。 速率有限，脉冲信号啁啾较大。 超连续( s c ) 脉冲发生器连续光谱范围很宽，从几十纳米目前技术不成熟。 到几百纳米，脉冲的性质比较稳 定，噪声低。 半导体激光器以其体积小、重量轻、波长调谐范围大、全固体化、转换效率高、成 本低以及易与其他半导体集成等特点广泛应用于光纤通信、信息存储、医疗和军事等领 域。特别是锁模半导体激光器，它能够产生高重复频率的超短相干脉冲，是o t d m 系统 非常重要的光源。另外由上表可以看出，锁模半导体激光器除了符合o t d m 系统对光 第二章光纤通信及其研究进展 源的要求外，在同其他光源的比较中其优势突出，虽有不足但不会对其整体性能构成影 响。锁模半导体激光器( m l l d ) 在精确控制波长和重复频率( 0 1 0 g h z ) 的情况下， 能够产生时问抖动很小( 0 6 p s ) 的超短( 2 p s ) 光脉冲，m l l d 在超高速光通信方面具 有独特的应用潜力，是o t d m 系统中的首选光源。在众多超高速超短脉冲光源中，多量 子阱混合锁模半导体激光器已经成为研究热点【8 - 9 1 。 2 3 本章小结 在本章节中概述了光纤通信系统以及其研究现状和发展趋势，超高速、超长距离 以及超大容量是光纤通信系统的发展方向，在新一代超高速光纤通信系统中，最具有代 表性的就是波分复用( w d m ) 系统【3 2 1 。其突出特点是可有效地利用单模光纤的低损耗所 带来的巨大带宽资源，明显提高系统的传输容量，同时将相应成本降到很低。目前再进 一步提高传输容量的方法就是密集波分复用技术和光时分复用技术的结合。在简单介绍 了光时分复用系统原理及优点后提出了光时分复用系统对光源的要求，提出并比较了几 种o t d m 系统光源，在比较中发现锁模半导体激光器( m l l d ) 具有重复频率高，脉宽 窄，波长可精确控制，转换效率高，稳定性好，驱动电源简单，体积小，重量轻，功耗 低，价格低廉，易集成等应用性优势。本文在关注锁模半导体激光器被动锁模技术的同 时，结合量子阱激光器的多量子阱技术以及目前国际上已经取得的先进成就，提出了适 用于o t d m 系统的超高速超短脉冲光源多量子阱锁模半导体激光器。 第三章多量子阱锁模、t 9 体激光器的理论研究 第三章多量子阱锁模半导体激光器的理论研究 为了满足大容量光纤数据通信系统的要求，具有更高单信道传输速度的通信光源是 很关键的，这就需要满足能够产生高重复频率、极窄脉宽、对输出波长可精确控制、易 产生变换极限光脉冲等条件，经过上一章的结论可知锁模半导体激光器( m l l d ) 是超 高速o t d m 系统所需的首选脉冲光源。 针对锁模技术，主要有主动锁模和被动锁模两种锁模技术。在主动锁模技术中，由 于外置驱动电子器件的调制速度限制了锁模频率的上限值，难于再继续提高锁模脉冲的 重复频率，其典型值为4 0 g h z 。在被动锁模技术中，无需电子器件驱动，不受电子器件 限制，能够实现超过1 0 0 g h z 的重复频率，但是它容易受自身参数影响，如腔内脉冲能 量、吸收体和增益介质的饱和能量比值以及吸收体的非饱和吸收效应等【l 。可以通过多 量子阱技术来降低饱和吸收体的吸收能量。 结合考虑量子阱激光器具有较低的阈值电流和高微分增益，同时具有高速的调制特 性和较宽的增益谱【3 引。如果将被动锁模技术和多量子阱技术相结合，那么可进一步提高 被动锁模半导体激光器的