（微电子学与固体电子学专业论文）时分副载波光纤多路激光波长锁定研究.pdf

中周科学技术夫学硕t 学位论文 摘要 摘要 密集波分复用( d w d m ) 光通信系统是涉及光通信容量的重要课题，受 到国际的广泛重视。目前国外用于d w d m 的多路光检测技术主要有光开关法和 频分副载波调制法两种。其中光丌关法存在寿命短、成本高的问题；频分调制副 载波法存在调制副载波带宽过宽会对通信信号产生干扰的问题。本论文提出时分 _ 。一 调制副载波的方法，可以有效地克服上述问题。 - 。一。- 1 1 。 。一 论文介绍了用于d w d m 光通信系统的8 路半导体d f b 激光器多波长锁定系 统。通过时分副载波调制的方法实现了1 个f - p 标准具同时精确锁定8 路d f b 激光。用l k h z 正弦时分电信号，时分周期6 2 5 m s 分别对8 个1 5 5 9 m 波段的 d f b 激光器进行1 的幅度调制，每路d f b 激光9 8 用于光通信，2 用于锁定 控制；用于锁定控制的光信号分成两路，一路通过自由光谱区为1 0 0 g h z 的f - p 标准具，另一路作参考光，d f b 激光波长漂移时，通过f - p 的透射光强变化， 参考光强不变，两路的光电差分信号反馈控制d f b 激光器的温度，使每个d f b 激光器锁定在各自所需的波f - 上。测试结果表明波长锁定的激光频率间隔 i o o g h z ，工作环境温度范围一5 4 5 0 。c ，波长锁定精度优于士2 5 g h z 。着重介 绍多波长锁定的原理和光电信号处理与控制方法。 空间伪码测距具有精度高，无模糊测量距离长，抗干扰能力强的特点。本论 文的第二部分提出了一种提高空间伪码扩谱测距精度的实用方案。采用g o l d 码 进行扩谱测距解决无模糊测量距离问题。应用伪码时延的码元整周期数进行粗测 距，根据接收端伪码时钟信号特性进行窄带锁相提纯以减小相位抖动。用差频测 相技术对伪码时钟信号相移精确测量以达到精测距。在计时时钟频率仅为 3 0 m h z 的条件下，测距精度可优于o 3 m ，量化误差小于o 2 m ，具有测距范围大 和通用性强等特点。介绍了伪码扩谱测距的技术方案，并进行了详细的精度分析。 中周科学技术大学硕 一学位论文 摘莹 a b s t r a c t d e n s e w a v e l e n g t h - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e mi sa ni m p o r t a n tt o p i cr e l a t et ot h ec a p a b i l i t yo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n i th a s r e c e i v e dm u c ha t t e n t i o ni nt h ei n t e r n a t i o n a l r e c e n tt h et e c h n i q u e su s e d i nt h e d w d mm u l t io p t i c a ld e t e c ta r eo p t i c a ls w i t c ha n df r e q u e n c yd i v i s i o ns u b - c a r r i e r m o d u l a t i o n b u tt h ep r o b l e m si no p t i c a ls w i t c ht e c h n i q u ea r et h el i f tt i m eo ft h e o p t i c a ls w i t c hi s t o os h o r ta n di t sc o s ti st o oh i g h a n dt h ep r o b l e m se x i s t si n f r e q u e n c y d i v i s i o ns u b c a r r i e rm o d u l a t i o na r et h eb a n d w i d t ho ft h em o d u l a t i o n s u b - c a r r i e ri st o ow i d ea n di tm a yb eu n d e s i r e ds i g n a li nt h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m i nt h i st h e s i sw e p r o p o s eam e t h o do ft i m ed i v i s i o ns u b c a r r i e rm o d u l a t i o n i tc a n s o l v ea l lt h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e t h i st h e s i si n t r o d u c e sa n8 - c h a n n e ls e m i c o n d u c t o rd f bl a s e r m u l t i w a v e l e n g t hl o c ks y s t e mu s e di nd w d mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a d o p t af - pe t a l o nt o a c c u r a t e l yl o c k 8c h a n n e ld f bl a s e r ss i m u l t a n e o u s l yt h r o u g ht h e t e c h n i q u e o ft i m ed i v i s i o ns u b c a r r i e rm o d u l a t i o n w eu s e1k h zs i n u s o i d a lt i m e d i v i s i o ne l e c t r i cs i g n a la n d1 a m d e g r e e t om o d u l a t ee v e r y1 5 5 p m w a v e b a n dd f b l a s e r sr e s p e c t i v e l y t h ep e r i o do ft i m ed i v i s i o ns i g n a li s6 2 5 m s 9 8 o fe a c hc h a n n e l o fd f bl a s e ri su s e df o ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n d2 i su s e df o rl o c kc o n t r 0 1 t h e o p t i cs i g n a lu s e df o rl o c kc o n t r o li sd i v i d e di n t ot w op a r t s ，o n ep a r tp a s s i n gt h r o u g ha f - pe t a l o nw h o s ef r e es p e c t r a lr a n g ei s10 0 g h za n da n o t h e rb e i n ga sr e f e r e n c es i g n a l w h e nt h ew a v e l e n g t ho fd f bl a s e rd r i f t s ，t h eo p t i cp a s s i n gt h r o u g ht h ef - pe t a l o n w i l lc h a n g e ，b u tt h er e f e r e n c eo p t i cs t a n d ss t a b i l i t y o p t i ce l e c t r i cd i f f e r e n t i a ls i g n a lo f t w op a t h sf e e d b a c kc o n t r o ld f b l a s e r s t e m p e r a t u r ei no r d e rt om a k e e a c hd f bl a s e r l o c ka tt h e w a v e l e n g t ht h e y n e e dr e s p e c t i v e l y t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h el a s e r f r e q u e n c ys p a c i n go fw a v e l e n g t h l o c ki s 10 0 g h za n dw a v e l e n g t h l o c ka c c u r a c yi s b e a e rt h a n 2 5 g h z f o c u so nt h ep r i n c i p l eo fm u l t i w a v e l e n g t h l o c ka n dd e s c r i b e t h eo p t i ca n de l e c t r i cp r o c e s sa n dc o n t r o lm e t h o do f t h el o c k e ri np a r to n e s p a c ep s e u d on o i s e ( p n ) c o d er a n g i n gh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i 【g ha c c u r a c y , w i d em e a s u r e m e n tr a n g eo fn of u z z yd i s t a n c e ，s t r o n ga b i l i t yo fa n t i i n t e r f e r e n c e t h e s e c o n d p a r t o ft h i st h e s i s p r e s e n t s a p r a c t i c a l m e t h o dt o i m p r o v e t h e s p a c e s p r e a d s p e c t r u mp n c o d er a n g i n ga c c u r a c y a d o p tg o l dc o d et os p r e a ds p e c t r u mf o r r a n g i n gt os o l v et h ep r o b l e m o fn o f u z z yd i s t a n c e u s et h en u m b e r o f i n t e g r a lp e r i o d i 】固科学救术人学倾f 学位论文 摘虫 o fp nc o d ed e l a ye l e m e n tt i m et om e a s u r et h ed i s t a n c e r o u g h l y u s ep l l t op u r i f yp n c o d ec l o c ks i g n a lo fr e c e i v et e r m i n a la c c o r d i n gt oi t s s p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c ，a n du s e d i f f e r e n c ef r e q u e n c yp h a s em e a s u r e m e n t t e c h n i q u el oa c c u r a t e l ym e a s u r ep h a s es h i f t o fp nc o d ec l o c ks i g n a la n dt o a c c u r a t e l ym e a s u r et h ed i s t a n c ef i n a l l y i t sr a n g i n g a c c u r a c ys h o u l db eb e t t e rt h a n0 。3 ma n di t sq u a n l i z a t i o ne r r o rs h o u l db eb e a e rt h a n o 2 mw h i l et h et i m i n gc l o c kf r e q u e n c yi sa sl o wa s3 0 m h z i ta l s oh a sc h a r a c t e r i s t i c s o fw j d ed i s t a n c em e a s u r e m e n t r a n g ea n dp o w e r f u lv e r s a t i l i t y i n t r o d u c et h et e c h n i q u e s c h e m eo fs p a c es p r e a d s p e c t r u mp nc o d er a n g i n ga n dp e r f o r mp r e c i s i o na n a l y s i s s t r i c t l y 中国科学投术人学颂l ：学位论文第一市半导体d f b 激光器多波k 锁定练述 第一部分：时分副载波光纤多路激光波长锁定研究 第一章半导体d f b 激光器多波长锁定综述 1 。l 光纤通信技术发展概况 随着科学技术的发展，全球_ ：i f 逐步进入信息化社会的时代，在以t 比特( 1 0 1 2 位秒的超高传输容量) 和p s ( 1 0 。2 秒) 的超快处理速率的要求面前，传统的以 电子作为信息载体的电子技术由于受到传输通道瓶颈堵塞的限制出现了局限性， 难以突破n s 的门槛，光子由于具有不荷电、互不干扰的特点，在信息传输领域 体现出它独有的优势。在光频率段进行通信有显著的优点：( 】) 调制带宽可以显 著增大；( 2 ) 能把光功率集中在非常窄的光束中；( 3 ) 器件尺、j 明显减小。 实现以光作为传输媒介传递信息，需要两个摹本条件：一是稳定的、低损耗 的光传输介质：二是可靠的、高强度的光源。1 9 7 0 年，被称为光纤之父的华裔 科学家高锟提出了可用于光传输的光导纤维，其损耗降到2 0 d b k m ：同时美目贝 尔实验室研制出可在室温下连续工作的铝镓砷( a i g a a s ) 半导体激光器，这两 项科学成就为光纤通信的发展奠定了基础。从此，光纤通信的发展门以干旱，其 应用遍及长途干线、海底通信、局域网、有线电视等各个领域，涉及光、电、化 学、物理、材料等多种学科。光纤通信经过3 0 多年的发展，已经从最初第一代 的工作波长8 5 0 n m ，多模光纤传输发展到现在的第四代工作波长1 5 5 0 n m ，单模 传输。现代的光通信选用1 5 5 0 n m 波长有两个原因；l 、如图】1 ，1 5 5 0 n m 是石 英光纤的最低损耗窗口 1 】i 利用这个窗口传输光线将大大提高光纤的传输效率； j 胃 羁 靳 鬟 0 波长( n m ) 图1 - 1 光纤损耗谱图 中脚科学技术人学坝l 掌世论文第一节半导体d f b 激光器多波长锁定练述 2 、掺铒光纤放大器( e d f a e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 的发明，它能够对 1 5 5 0 n m 的光信号进行直接放火。这使得原来光电- 光中继变为全光中继，这个 极为重要的突破把光通信推向了一个新的阶段。当作为掺铒光纤放大器泵浦源的 9 8 0 r i m 和1 4 8 0 n m 的大功率半导体激光器研制成功后，掺铒光纤放大器进入实用 阶段。而且其重大意义并不仅限于全光中继，还在于促进了其它光通信技术的发 展，其中最突出的是波分复用( w d m 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 ) 在光通 信系统中的应用。 1 2 密集波分复用( d w d m ) 技术 为了突破光纤单信道传输容量的局限，充分利用单模光纤的带宽( 2 0 0 t h z ) ， 可采用波分复用( w d m ) 技术。波分复用( w d m ) 是光复用中最基本的复用方 式。它是指在一根光纤中同时传输多种波长光信号的一种复用方式，其作用相当 于无线电通信中的频分复用。如图】2 是单向w d m 系统传输图，现今的实_ e f j 系 统一般采用单纤双向传输或双纤单向传输。l b 于掺铒光纤放大器在c + l 波段具 有约8 0 n m 的带宽，如果光信道波长间隔足够小( 例如o 8 n m ) ，就可以利用掺铒 光纤放大器同时放大几十个信道，实现全光巾继，这将极大降低设备成本，大大 提高光纤传输容量。现在e d f a + w d m 已成为高速光纤通信发展的主流。 图1 2w d m 系统单向传输图 波分复用可以分为稀疏波分复用( c w d m ) 和密集波分复用( d w d m ) 两 种。前者通路频率间隔较大，波长数一般小于1 0 个。后者通路频率问隔较小( 如 1 0 0 g h z 或5 0 g h z ，甚至2 5 g h z ) ，波长数较多( 可大于4 0 个) 。 为了使密集波分复用系统具有互通性，通路的工作中心波长( 频率) 在发送 端和接收端必须相同。目前，国际电信联盟( i t u ) 规定在c 波段从1 5 2 8 7 7 r i m ( 即1 9 6 1 0 t h z ) 丌始以5 0 g h z 的倍数递增，至1 5 6 0 6 l n n q ( 即1 9 2 1 0 t h z ) ， 共有8 1 个通路标准中心波长( 频率) 。 2 中口4 科学披术人学硕j j 学位论文 第一常半导体d f b 激光器多波长锁定综述 1 3 d w d m 系统光源研究现状 d w d m 光通信系统中，实现了多路波长极其相近的光独立地在同一根光纤 同时传输，为避免各路光之问的串扰，要求各路光源具有很高的频率稳定度。这 对d w d m 系统的光源提出了很高的要求。它要求激光器在单模线宽、频率的稳 定度、输出功率的稳定度、温度漂移等方面都达到很高的水平。半导体分稚反馈 ( d f b ，d i s t r i b u t ef e e d b a c k ) 式激光器的研制成功解决了d w d m 光通信系统的 光源问题。d f b 激光器有低的阈值电流( 1 0 3 a c m 2 量级) ，窄的光谱线宽( 0 2a ) ， 温度波长变化约为1 0 a 。由于d f b 激光器具有出射波长随温度变化而变化的 特性，通过控制d f b 激光器的工作温度可以改变和控制激光的波长( 2 】，配合波 长传感器件监控波长变化即可实现波长锁定。 目前，d f b 激光波长锁定的研究有单路波长锁定和多路波长锁定。图1 3 表 示通常单路波长锁定器的基本组成。t e c ( t h e r m o e l e c t r i cc o o l e r ) 是热电致冷器， 图1 3 单路波长锁定器基本组成 也叫珀耳帖致冷器( p e l t i e rc o o l e r ) ，它采用珀耳帖效应( 塞贝克效应) 进行加热与 致冷，用来调节和稳定d f b 激光器的温度。d f b 激光器出射光通过耦合器 c o u p l e r l ，从总输出光强中分出2 用于锁定控制，9 8 用于光通信。用于锁定 控制的光再通过第二个耦合器c o u p l e r 2 ，分成两路：一路经过波长滤波器后被光 电二极管( p h o t o d i o d e ) p d 2 接收，此路为信号光；另一路直接进入p d l ，此路 为参考光。将信号光和参考光进行比较，用它们的比值变化判断d f b 激光器波 长漂移的方向和大小，输出控制信号通过热电致冷器( t e c ) 调节d f b 发射结 中固科学技术人学f o j ji 。学位论文第幸半导仆d f b 激光擀多波k 锁定综述 的结温，相应的改变其发射波长，使之网到标准值。进行波长传感的滤波器一般 选择f 涉滤波器f 3 - 7 】，最为常见的是f a b r y p e r o t 滤波器【6 7 】。由于单路波长锁定器 只能锁定1 路d f b 激光，故只适合应用于稀疏波分复用( c w d m ) 系统，而 d w d m 系统信道通路多且频率问隔小，如单路波长锁定器作为d w d m 系统的 光源则需要的锁定器数量大，相对的体积也大，成本高。 多路波长锁定同样采用参考光与通过波长传感滤波器的信号光进行比较的 方法达到d f b 激光波长锁定。但由于要同时锁定多路波长问隔极小的d f b 激光， 为了区分不同路数的激光，目前的做法有两种：一种是光丌关法多路波长锁定( 如 图1 - 4 ) 。它采用高速切换的机械光丌关控制多路激光的通断，识另q 出各路激光， 图1 4 光开关多路波长锁定 然后分别对各路激光锁定信号进行处理，达到多波长锁定目的。它的缺点是机械 光丌关的寿命只有数小时，波长锁定器寿命太短，成本高，不具有实用性。另 种是频分副载波多路波长锁定 8 】( 如图1 5 ) 。它的方法是分别采用不同频率的副 载波信号对多路d f b 激光进行调制，通过不同路数的d f b 激光副载波频率的不 同识别各路激光，进行波长锁定。它的缺点是频分副载波信号的最高频率随波分 复用路数的增加而增高，以至于可能会成为通信系统中的一种干扰信号。 为解决现有多波长锁定技术中存在的问题，我们提出了时分副载波d f b 激 光多波长锁定方案。采用低频( 1 k h z ) 时分电信号分别对多个1 5 5um 波段的 d f b 激光器进行极小的幅度调制，利用时分信号识别各路d f b 激光器；经过时 分幅度调制的每个d f b 激光器2 光强用于锁定控制；锁定控制光分成两路，一 路通过自由光谱区为1 0 0 g h z 的f - p 标准具，另一路作参考光；d f b 波长漂移时， 中固科学技术人学硕 学位论文 第章中 亍体d f b 激光器多波k ：锁定练述 通过f - p 的透射光强变化，参考光强不变，两路的光电差分信号反馈控制d f b 激光器的温度，使每个d f b 激光器锁定在各自所需的波长上。以下将着重讲述 时分副载波d f b 激光多路波长锁定的原理。 图1 - 5 频分副载波多路波长锁定 主里壁兰丝查叁堂塑主堂篁丝兰 笙三皇兰堂丛旦! ! 塑堂堂堂丝茎望叁! 皇堡 第二章半导体d f b 激光器多波长锁定原理 2 1 半导体d f b 激光器特性 2 1 1 半导体d f b 激光器基础 半导体激光器工作的基本原理系基于电磁辐射与半导体( 内部载流予) 的相 互作用。半导体晶体能带理论指出直接禁带半导体( 例如g n s 、i n g a a s 等) 具 有高的电一光转换效率，适合于制作光电子发光器件。现有的15 5 9 m 半导体d f b 激光器一般采用i n p i n g a a s p 作为有源区的材料。 d f b 激光器中，光波通过增益介质得到放大，可以用下式表示一j ： ，( ：) = ，。e x p ( g z ) 式中，= 表示光的传播方向；f ( ：) 表示在z 处单位面积的光子通量；f o 为进入 反转区z = o 处单位面积的光子通量；譬为单位长度的增益，又叫增益系数。g 是 半导体激光器的一个重要参数，对于不同半导体激光器，其有源区材料、光反馈 结构将决定2 的值，从而决定激光器的阈值条件。对d f b 激光器，它采用l n g a a s p 作为有源区材料，利用周期结构的布拉格反射作为光反馈，比一般的利用解理面 f - p 腔作为光反馈的半导体f - p 激光器具有更好的工作特性。 图2 1d f b 半导体激光器外观 分布反馈( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ，d f b ) 式半导体激光器与普通激光器的最 大区别是：其腔内的光反馈是利用周期结构( 或衍射光栅) 的布拉格反射而建立 的，而不再用解理面来做光反馈，符合了集成光路把调制器、开关、光波导和光 源共同制作在同一块芯片上的需要，而且它容易获得单频单模输出，易与光纤调 制器耦合。目前国际上已有多种方法制作高性能单模d f b 激光器吟“】。图2 1 6 中困科学技术人学坝l j 学位论立 第一章半导体d f l 3 激光器多波k 锁定慷型 是d f b 激光器外观图。 g ， 出 鲻 汪 盎 r e - 藩 呈 图2 2d f b 激光器波长( o ) 和阈值电流) 与温度的关系图 d f b 激光器的激射波长基本上由布拉格光栅的周期和等效折射率决定。当温 度变化时，光栅周期几何尺寸的变化可以忽略不计，而等效折射率会发生一定的 变化。等效折射率的这一变化j l 乎是线性的，由此决定了d f b 激光器的激射波 长随温度的变化率小于o 1 n m 。c 瞠】。从原理上讲，一旦激光器激射，其有源层 的载流予浓度就不再发生变化。但是当注入电流升高时，会引起结温升高，从而 使激射波长向长波方向移动。如图2 2 所示【9 j ，可以看到d f b 激光器波长和阂值 电流对于温度的依赖性很大，温度的变化将引起波氏的漂移。特别的，对于现代 通信中1 5 5 “m 的密集波分复用( d w d m ) 系统，其光源频率间隔在5 0 2 0 0 g h z 之间，相当于0 4 m 1 6 n m ，在间隔为0 8 n m 时允许的最大误差为士o 2 a ，即 4 - 2 5 0 h z ，在长时间工作的条件下，半导体发射结结温会发生明显的升高，因此 如果波长的温度变化率是0 1 n m ( 实验所用d f b 激光器d 2 d t = + o 0 9 o 1 n m 。c ) 则结温每变化1 ，波长变化o 1 n m ( 1 2 5 g h z ) ，大大超过了系统所 能允许的误差，这是不可接受的。因此，半导体d f b 激光器中集成了温度控制 系统，利用珀耳帖效应以控制结温。在恒定结温下，半导体d f b 激光器的激射 中固科学技术人学坝1 学位论文 第一帚半导体d f b 激光器多波k 锁定原_ ( ! i ! 波长可以比较稳定，因此解决激光器发射结的结温恒定问题是我们工作中需要解 决的丰要问题。 2 1 2 半导体d f b 激光器激光光谱 半导体分布反馈式d f b 激光器( d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r ) 具有线宽窄， 凋制容易，成本低以及体积小等优点，是现代1 5 5 0 r i m 波段d w d m 光通信的首 选光源。 u 一8r x d e ；1 r h w “f 、 图2 3 d f b 激光光潜 d f b 激光通常具有如图2 3 所示的光谱结构。其内置的光栅结构使得d f b 具有单模输出。这个输出模式位于禁带( s t o p b a n d ) 的旁边。输出峰与边模之问 光强相差可达一5 5 d b 左右。d f b 光谱的主要参数有： 1 边模抑制比( t h es i d e - m o d es u p p r e s s i o nr a t i o ，s m s r ) 。其定义为： s m s r ( d b ) = 1 0 l o g w p ( h i 曲e s t p e a k ) p ( 2 “h i 曲e s t p e a k ) 它的典型值是4 5 d b ，至少要大于3 0 d b 。 2 调制谱宽。指当激光被调制时，输出峰的半高宽。 3 线宽( a v ) 。即没有调制时的输出峰半高宽。为1 m h z 量级，因此不能用 光谱仪测量，要用电子光谱分析仪( 如扫描f a b r y p e r o t ) 。 4 中心波长。指的是真空中的波长知，对应的频率是而= 以o ，c 是真空中的 光速。 5 单模的界限。当s m s r 3 0 d b ，才可以认为是单模：如果s m s r 1 0 d b ，则 属于双模。 中围科学技术人学倾f j 学位论文 第一章半导体d f b 激光器多波艮锁定蟓删 2 1 3 影响d f b 激光器波长的因素 d f b 激光器出射波长2 会因结温r 和工作电流厶。的增加而增加( 即“红移”) 。 波长变化与温度变化的关系为”1 ： d a d t = 加0 9 0 1 n m o c 波长变化与工作电流变化的关系为： d 2 d i 。+ o 0 0 2 o 0 0 5 n m m a 1 5 5 0 n m 波段附近，0 ir m a 相当予1 2 5 g h z 。实际上，波长变化受电流影响包 含受温度影响的成分，因为较大的工作电流会使激光器升温。 另外，如果d f b 激光器长期：i ：作将导致激光器老化，波长会发生较大漂移， 漂移的大小达到0 1 n m 量级。 2 1 。4 工作波长的设定和调节 d f b 的工作波长和输出光功率是工作电流和温度的函数，且电流的变化会影 响温度的变化，所以要精确设定d f b 的工作波长，必须反复调节电流和温度， 通过多次调节的迭代，才能使波长和出射光功率设定在所需位胃。由d ，d t 和 矗儿塌p 的关系可知，p o p ( o p ) 和i o ( 力的依赖关系比r 。( d 和2 0 ( ，。) 的依赖关系要大 的多，故一般通过电流设定好功率p 。然后通过温度丁设定波长i o 。 d w d m 系统中，由于信道问的波长间距很小( 5 0 g h z 2 0 0 g h z ) ，由幽脚r 的关系，温度每变化l 激光器工作波长将变化0 1 n m ，即1 2 5 g h z ，这么大的 波长变化势必引起相邻信道浏的串扰。为使d f b 波长保持稳定，防止相邻信道 间的串扰，波长变化须控制在士2 5 g h z 以内。通过设定d f b 激光器合适的工作 电流，精确控制其工作温度，可以准确的控制d f b 激光器的波长，使之符合应 用的要求。 d f b 激光器温度调节范围为2 0 一3 5 ，由于波长与温度变化关系为 0 1 n m 。c ，1 5 的温度调节范围对应1 5 n m 的波长调节范围。3 5 的调温上限是 为了保护基片，2 0 的调温下限是为了保证制冷器t e e ( t h e r m o e l e c t r i c c o o l e r ) 能在6 5 7 0 的环境温度中正常工作。 9 中冈科学挫术人学顺f 。学位论义 第一强半甘体d f b 激光器多波k 锁定原删 2 2f a b r y p e r o t 滤波器特性 2 2 1 多光束干涉与f a b r y p e r o t 标准具 1 多光束干涉 在介绍f a b r y - p e r o t 标准具前，我们先介绍一下多光束干涉。如图2 4 ，光照 射在平面平行板上，会得到多光束干涉。一般的，除了第1 、2 次反射的两束光， 其余的光线都比较弱，可以忽略。但是如果采取适当措施增大上下表面的反射系 图2 - 4 多光束干涉 数，可以得到较理想的多光束。假设反射系数比较大，可以作多光束干涉分析， 计算可得透射光强表达式吲： ，：! 生一旦一 。1 + 磊五( 1 - 面r ) 2 孬1 + 而0 否2 一) 24 r s i n2 f 万2 1 fs i n ( j 式中，o 是入射光强；震= 户，r 是光强反射率；占是每条光线比莳一条光线落后 的位相差，d = 2 7 【胍= 4 兀，托把o s a 仇， 为干涉膜的折射率，d 为膜的厚度，吕为光 线在膜内的倾角，i 为波长；f = 4 r ( 1 一r ) 2 称为精细系数，r 增大干涉条纹的锐 度变大。从图2 。5 可以看到多光束干涉中透射光强随着d 值的变化而变化，因此， 在 、d 、0 都不变时，卫的变化将引起透射光强的变化。f p 标准具是实现多光 束干涉的主要仪器，利用它的透射光强随波长变化而改变的特性可以对入射光波 长的变化进行鉴别，实现滤波功能。 中周科学技术人学硕l j 学位论文 第一章半导体d f b 激光器多波k 锁定原理 艿o 图2 5 多光束干涉强度分布曲线 2 f p 标准具 实现多光束干涉的主要仪器是f - p 干涉仪，如图2 - 6 。这种仪器是由两块互 相平行的平面玻璃板或石英板p i 、p 2 组成的，两块板的内表面镀一层银或铝膜， 或多层介质膜，以提高表面的反射率。为保持相邻光束的光程差，精确相同， 两个表面应严格平行，而且相对的两个镀膜表面必须精确到和理想的几何平面的 偏差不超过1 2 0 到1 1 0 0 个波长。为了避免没有镀膜表面的反射光的干扰，其外 表面通常磨成一个小楔角( 几个弧分) 。般的干涉仪中的两块平行板，一块固 定不动，另一块可以平行移动，以改变两板的怕距。如果两板问用一块热膨胀系 数小的材料制成的隔离圈固定，则这种干涉装置叫f - p 标准具。 鼍一pi p z li1 图2 - 6f p 干涉仪结构简图 在多波长锁定中，由于系统精度要求非常高，作为波长传感器件的f - p 标准 具所要求的精度更高。计算表明，f p 标准具腔长的精度要求必须达到m 量级， 并且f p 标准具隔离环间距d 的加工误差会对各波长位置产生较大影响。如果加 工误差为1 1 1 m ，则波长间距误差将超过o 2 r i m ，为达到国际电信联盟( i t u ) 的 波长间距的要求，隔离环加工精度最低要求为d = 1 5 0 7 j m l 士5 m 由于系统对工作环境温度范围的要求( 0 7 0 。c ) ，隔离环厚度d 的温度效应 主旦型兰丝查生兰塑! ：兰竺堡兰 兰：翌兰曼堡! ! ! 堂垄i 墅燮垦塑i ! 堡些 对系统精度也会造成影响，隔离环的温度系数必须很小。采用温度系数为1 0 f c 的f - p 隔离圈，对应l = 5 5 x t 0 1 7 n h l ，在工 乍范罔内对系统f 1 勺影响可以忽略。 f - p 标准具膜片反射率月的选取影响波长检测的动态范围与光信号强度。r 取较大时，波长检测动态范围小，信号强度大，反之则波长检测动态范围较大， 信号强度较小。因此需要采取折中的办法选取膜片反射率，实验选取r = 6 0 ， 可以满足要求。 2 2 2 高热稳定性f a b r y - p e r o t 标准具的研制与加| 丁 1 f p 空气腔隔离环 崮迹? 眭o 砷m国迢 a 面b 丽 图2 7f - p 空气腔隔离坏加工图 f a b r y p e r o t 标准具空气腔隔离环材料为u l e ( c o m i n g7 9 7 1 ) ，内径庐i = 4 ，0 士0 5 m m ，外径西2 = 8 0 士0 5 m m ，高度d = 1 5 0 7 士0 0 0 5 m m ( 即f p 腔长) 。a 、 b 两面细磨，平行度三5 ”。 u l e ( u l t r a l o we x p a n s i o n ) 是荚国c o m i n g 公司生产的种高热稳定材料， 具有小于o 0 3 x 1 0 k 的超低热膨胀系数，成分是s i 0 2 占9 2 5 ，t i 0 2 占7 5 。 2 光学镜片 如图2 8 ( 左) ，材料为熔石英，直径1 6 0 士0 ，5 m m ，厚度3 ，0 士0 2 m m ；a b 两 面平面度甄o 2 0 ( 尤其在中心0 4 的区域) 。数量：2 个。 ab 蛳扭j 毋一 龇 一i 卜 【辞化胶 镜片 f p 隔离环 图2 - 8f - p 腔反射镜加工图( 左) 和f p 组装图( 右) 中罔科学投术人学顺j 。学位论文 第一一章半导作d f b 激光器多波k 锁定原理 3 镀膜 a 面镀反射膜，反射率r = 0 6 0 士0 0 5 ：b 面镀增透膜，r 0 0 1 。增透中心波 长i o = 1 5 5 3 0 n m ，带宽2 0 r a n 。 4 封装 两个镜片和隔离环用热膨胀系数低的胶粘合，如图2 8 ( 翕) 。 2 2 3 f a b r y p e r o t 透射谱及温度稳定性的实验测量 1 透射谱测量装置 a s e 煳专唧 嚣止堕 图2 - 9f - p 滤波器热稳定性测试框图 高热稳定性的f p 滤波器是多波长锁定器的关键部件。用如图2 - 9 的实验装 置测量滤波器透射谱随温度的变化情况，其中a s e 为自制的光纤宽带光源，经 过光纤准直器后成为平行光入射到f p 滤波器，再进入光涪仪，用红外灯对霄于 有机玻璃罩内的滤波器加热，用光潜仪测量不同温度下的滤波器透射谱，并精确 测量其中一个透射峰的波长值，可得到透射谱随温度的变化情况。 2f p 透射谱温度特性 图2 1 0 表示在2 0 。c 时f p 透射谱，图2 1 1 表示在1 4 。c 、3 4 。c 、4 8 v n 度下 的f p 透射谱。 测试结果表明：1 、透射谱的峰值间距均为o 8 n m ；2 、温度由1 44 c 到4 8 。| c 变 化时，f p 透射峰中心波长的漂移很小，几乎观察不到透射峰波长的变化，热稳 定性达到要求。 中圈科学技术人学坝i 。学位论文 销一章半导休d f b 激光器多波k 锁定原理 j ：蓊；荨妊耄j 强； 辜耸毫= ；弱髅g ：f ，i 。x： ；0 - 一d - l 醴：t 憎a 9 畸： o 科 l 舢： a t ：d m l；|jrr r l i 川撇y n 嬲i 盈i 蕊 才够。矧彤：斟彰畦 i i ；il i|ii | 圆圈 图2 1 02 0 时f p 的透射谱 4 ，“一船re f i ；名 ；_ ，o瞄： 啊9 昏b ：- 嫔 i jm 后：l帆：帅 l | i l l ii ：奔越旌 。a 。l h 一 川ll 碰蕴 7 v “1 叮j v 一下p 弋广”弋： f l l l l 圜豳 图2 - 1 1 不同温度ff p 的透射谱 2 3 时分副载波d f b 激光多波长锁定原理 光纤通信中容量和带宽需求的不断增加，促进了半导体d f b 激光波分复用 ( w d m ) 技术的研究和开发。在波分复用中，随着信道数的增多和密集，多信 道上的光波长必须锁定，以避免串扰。目前存在的光开关多路波长锁定器寿命太 短，不能实际应用，而频分副载波多路波长锁定器其调制副载波最高频率会随着 波分复用路数的增加而增高，以至于可能会成为通信系统中的种干扰信号，采 用时分副载波技术可同时解决这两个问题。时分副载波d f b 激光器多路波长锁 定采用低频时分副载波信号对d f b 激光器进行调制，识别多路信号光，d f b 激 1 4 中同科学技术人学顺1 学位论立 笫一章半导体d f b 激光器多波艮锁定原璀 光波长变化后经过f a b r y p e r o t 滤波器其透射光强度发生变化，经光电二级管采 样，通过与光强不变的参考信号比较可确定温漂方向，再 f 温度控制器精确控制 d f b 激光器温度，从而锁定d f b 激光波长。 半导体激光器的中心波长l 与发射结的温度r 相关。通常1 5 5 1 x m 半导体 分布反馈( d f b ) 激光器的温度特性为：d ) j d t = l 3 a = 1 2 5 3 7 5 g h z ( 实 验中所用d f b 激光器幽协弘o 0 9 o 1 n m = 1 1 2 5 1 2 5 g h z ，控制d f b 激 光器的温度可以改变和控制激光的波长。设d 2 d t = 1 a i = 1 2 5 g h z i 。c ，如果温控 精度为0 1 ，则波长的控制精度可达到1 2 5 g h z ，但由于激光器存在老化问题， 使其波长难以长期稳定。f - p 标准具是一种波长漂移的传感器，它的透射率与波 长关系丁n ) 表示在图2 1 2 中。它等问距、周期性透射峰峰间隔8 a 。当波长位于 个透射峰的上升、下降沿的中点附近时，透射率丌随波长a 的变化最快，可 以较灵敏地感知波长的漂移及漂移的方向。利用f - p 每个透射率斜边的左侧中心 ( 或右侧中心) 可以对多信道的各路波长的漂移进行传感，达到多路波长同时锁 定的目的。图2 1 3 是我们设计的8 路时分副载波激光波长锁定器的框图。 图2 1 2f p 标准具入射波长与透射率关系简图 由电子线路产生8 路时分诈弦信号按时序分别调制d f b 1 到d f b - 8 的各个 激光器，产生8 路时分副载波调制激光，分别经耦合器c p i ，1 到c p l 8 分束后， 光强的2 用于锁定控制，9 8 用于光通信，由于调制度仅为1 ，时分调制信号 频率为i k h z ，故调制信号对光通信的影响极小。耦合器c p 8 2 的输出光中3 0 的一束作为参考光，经光电管p d l 产生8 路时分参考光电信号，7 0 的一束作为 f - p 信号光，经光电管p d 2 产生8 路时分f p 光电信号。8 组同步信号处理系统 ( 即控制电路