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太原理工大学硕士研究生学位论文 低抖动可调谐多波长增益开关光脉冲的产生 摘要 波长范围在1 5 5 0 n m 左右的可调谐多波长短光脉冲源在波 分复厍j ( w d m ) 、光时分复用( 0 t d m ) 以及混合w d m o t d m 光 通信系统中有着越来越广泛和重要的应用。本文围绕低抖动可 调谐多( 双) 波长增益开关光脉冲的产生研究,主要进行了以 下工作: ( 1 ) 理论分析7 注入锁定现象;采用含有l a n g e v i n 噪声项的 速率方程,数值模拟了外光注入增益开关半导体激光器 降低光脉冲时间抖动的情况。 ( 2 ) 提出将注入锁定技术和降低光脉冲时间抖动方法相结合 的实验方案。实验产生了低抖动可调谐单波长光脉冲, 研究了注入光功率及波长失谐对输出光脉冲的边模抑制 比和时间抖动的影响。 ( 3 ) 利用两个d f b 半导体激光器作为外部种子源注入增益开 太原理工大学硕士研究生学位论文 关f p 半导体激光器,首次在实验中产生了双波长低抖动 可调谐增益开关光脉冲。 ( 4 ) 提出利用一个f p 半导体激光器作为多波长种子源注入增 益开关f p 半导体激光器降低光脉冲时间抖动的实验方 案。实验产生了低抖动多波长增益开关光脉冲。 ( 5 ) 对比分析了不同波长数注入增益开关f p 半导体激光器 后光脉冲时间抖动的降低情况。首次提出“在相同注入 光功率的情况下,随着注入波长数的增加,增益开关f p 光脉冲可获得更大程度的抖动降低”的结论。 关键词:半导体激光器,光脉冲,光注入,多波长,时间抖动 太原理工大学硕士研究生学位论文 g e n e r 气t 1 0 no fl o wj i t t e ra n d t u n a b l em u i j i a v e l e n g t h0 p t i c a l p u l s e sw i t hg a i n s w i t c h e dl a s e r d i o d e s a b s t ra c t t u n a b l em u l t i w a v e l e n g t hs h o r to p t i c a lp u l s es o u r c e sa r o u n d 1 5 5 0 n ma r ei m p o r t a n tf o ra p p l i c a t i o n ss u c ha sw a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x e df w 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 e d ( o t d m ) , a n dh y b r i dw d m o t 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 s i nt h i s p a p e r , t h et h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h eg e n e r a t i o n o ft h el o wj i t t e ro p t i c a lp u l s e sw i t hg a i n s w i t c h e dl a s e rd i o d e si s p r e s e n t e d ,t h o s ep u l s e s a l s o h a v e t h e a d v a n t a g e s o f i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 w a v e l e n g t h t u n a b l eo rd u a l m u l t i w a v e l e n g t h t h em a i nw o r k sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ( 1 ) t h ei n j e c t i o nl o c k i n gp h e n o m e n o nh a sb e e na n a l y z e di nt h e o r y ; t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f o p t i c a lp u l s e st i m i n gj i t t e r r e d u c t i o nb ye x t e r n a ls e e d i n gi n j e c t i o nh a sb e e nd o n eb a s e do n t h er a t ee q u a t i o n sw i t ha na d d e dl a n g e v i nn o i s e ( 2 ) am e t h o df o rc o m b i n i n gi n j e c t i o nl o c k i n gt e c h n i q u e w i t h r e d u c t i o nt i m i n gj i t t e rm e a n si sd e v e l o p e d u s i n gt h i sm e t h o d , l o wj i t t e rt u n a b l es i n g l ew a v e l e n g t ho p t i c a lp u l s e sh a sb e e n g e n e r a t e d t h ed e p e n d e n c yo ft i m i n gj i t t e r a n ds m s ro i l i n j e c t e dp o w e ra n dw a v e l e n g t hd e t u n i n gi ss t u d i e d ( 3 ) a s c h e m et h a tu s i n gt w od f bl a s e rd i o d e sa se x t e r n a ls e e d i n g s o u r c e st oi n j e c ti n t ot h eg a i n - s w i t c h e df pl a s e rd i o d ei s p r o p o s e d a n dd e m o n s t r a t e d f o rt h ef i r s tt i m e ,l o wj i t t e r t u n a b l e d u a l - w a v e l e n g t hg a i n - s w i t c h e do p t i c a lp u l s e s a r e g e n e r a t e di ne x p e r i m e n t ( 4 ) am e t h o dt h a tu s i n g af pl a s e rd i o d ea se x t e r n a ls e e d i n gt o i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 i n j e c t i n t oag a i n s w i t c h e df pl a s e rd i o d ei sd e v e l o p e dt o r e d u c et h ep u l s e st i m i n gj i t t e r l o wj i t t e ra n dm u l t i - w a v e l e n g t h g a i n s w i t c h e do p t i c a lp u l s e sa r eg e n e r a t e di ne x p e r i m e n t ( 5 ) c o m p a r e dt h et i m i n gj i t t e rr e d u c t i o nu n d e rd i f f e r e n ti n j e c t i o n c o n d i t i o n s ,ac o n c l u s i o nt h a tu n d e rt h es a m ei n j e c t e dp o w e r , t h em o r ea m o u n t st h ei n j e c t e dw a v e l e n g t h sa r e ,t h el o w e rt h e o p t i c a lp u l s e st i m i n gj i t t e ri sh a sb e e np r o p o s e d k e yw o r d :l a s e r d i o d e ,o p t i c a lp u l s e ,o p t i c a li n j e c t i o n , m u l t i w a v e l e n g t h ,t i m i n gj i t t e r v 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 超短光脉冲源在许多领域中有着广泛的应用:它可以做为光时分复用 大容量光纤通信、全光孤子通信的光源;可以做为超短光探针,研究超快 物理、化学反应过程,激光与物质的相互作用;还可以传送微波信号改善 雷达的性能等等。用半导体激光器( 1 _ d 1 直接产生超短光脉冲是f 在蓬勃兴 起的光电子学的一项重要技术,一般有三种方法可以实现超短光脉冲的产 生:q 开关法、增益开关法和锁模技术。下面对此作一简单介绍: ( 1 )q 开关法:q 开关脉冲实际上是一种激光谐振腔从高闽值到低阖 值,或者从低阂值到高闽值的转变过程中产生的光脉冲,这种转变 过程可以在光或电的作用下进行。在光的作用下动作的0 开关多 是因为半导体激光器内存在可饱和吸收体,利用有源区增益的不均 匀性和折射率差异形成q 开关。电作用是用电作用于可饱和吸收 体或者调制耗尽层的宽度来改变损耗实现开关脉冲。用q 开关法 产生的超短光脉冲脉宽较宽,重复频率也比较低。 ( 2 ) 增益开关法:增益开关法是指用电流脉冲直接调制半导体激光器, 当注入电流低于阈值时,增益关闭,不发射激光;注入电流高于阈 值时,增益打开出射光而形成脉冲。它的优点是可直接用电控制、 重复频率高且在很大范围内任意可调。缺点是增益开关直接产生的 光脉冲宽度较宽( 在几十个皮秒左右) ,且碉啾较大。但可通过色 散补偿实现脉宽压缩并降低啁啾而获得近似变换极限的高质量脉 太原理工大学硕士研究生学位论文 冲。 ( 3 ) 锁模:锁模技术产生的光脉冲相干性好,脉宽窄,但输出功率及脉 宽往往不稳定。锁模又分为主动锁模和被动锁模。主动锁模半导体 激光器由微波信号调制,当调制电流的频率等于光在外腔往返一周 相应的频率时,同一模群内的模式相位被锁定,从而产生超短脉冲, 脉冲宽度决定于一个被锁定的模群的谱宽。被动锁模除增益区外, 还需一个可饱和吸收区,这种激光器必然存在自脉动。在自脉动的 情况下,后一个脉冲周期在前一个脉冲结束时开始,被耗尽的载流 子浓度和增益按指数规律重新建立,损耗区的吸收迅速减少,因而 导致净增益迅速增大,发射超短脉冲;受激发射引起相应的载流子 浓度降低和与之相联系的净增益减小,反过来又限制了脉冲后沿增 益。在存在外腔时,外腔存储的脉冲再反馈到有源区,脉冲幅度在 高增益区内迅速增大,在经过可饱和吸收体时脉冲前沿被吸收,脉 冲中心无损通过,导致了脉冲明显变窄。 相对于q 开关法和锁模技术,增益开关法由于具有结构简单、无外 腔、不需复杂的制造工艺,只要改变驱动电流的重复频率,就可得到不同 重复频率的光脉冲输出等优点,而格外具有吸引力。目前利用增益开关半 导体激光器产生可调谐双波长及多波长超短光脉冲的研究引起人们越来 越多的关注和兴趣1 1 。2 1 1 。 1 1 可调谐短光脉冲产生的研究进展 波长可调谐近似变换极限的单波长短光脉冲在高速波分复用和光时 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 分复用、光学取样、光孤子的产生、全光解复用、全光波长变换、波长路 由、光包交换以及基于波长的个人虚拟网络等领域中有着重要而广泛的应 用前景。 基于增益开关f p 半导体激光器产生可调谐单波长短光脉冲的方法由 于其结构简单、易于实现、边模抑制比高和调谐范围大等特点,成为产生 可调谐单波长短光脉冲众多技术中备受青睐的方法之一i l _ 1 2 1 。 利用自种子注入锁定i 】年口外光注入锁定【9 - 1 习都可以实现增益开关f p 半导体激光器的选模输出,获得可调谐单纵模光脉冲。 一、自种子注入锁定技术 自种子注入锁定即利用滤波器对增益开关f p 激光器输出的多纵模光 脉冲进行选模,选出单一纵模,然后再反馈回f p 激光器,当这一反馈回 去的单纵模光脉冲在半导体激光器的某个脉冲建立时间窗口到达,就可得 到自种子注入锁定的单纵模光脉冲输出。自种子注入锁定的典型实验装置 如图1 - 1 所示。反馈回路中加入可变光延迟线( v o d l ) 的作用是调节种 子光的注入时间。由于滤波器和光延迟线引入了较大的插入损耗,所以常 常需要加入掺铒光纤放大器( e d f a ) 来放大注入的光功率。 图1 1 自种子注入锁定产生单波长可调谐短光脉冲的实验装置 f i g 1 - 1s e l f - s e e d i n gi n j e c t i o nl o c k i n gf o rg e n e r a t i n gs i n g l em o d et u n a b l es h o r to p t i c a l p u l s e s 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 文献【2 4 】中提出了利用光纤光栅作为反馈回路中的选波元件实现自 种子注入锁定的方法。但该方法的调谐范围较d , ( 1 0 n m 左右) ,且由于光 纤光栅对外界环境影响敏感,存在着注入锁定不稳定的问题。 二、外光注入锁定技术 自注入锁定是得到单纵模光脉冲的简单而有效的方法之一。然而由于 其重复频率是由增益开关调制的f pl d 外腔长度所决定的,为了得到不 同波长的单模光脉冲,必须改变驱动电路的重复频率进行反馈,或调整外 腔长度,从而使获得不同波长的单模光脉冲的调节变得很不方便,限制了 其应用范围。 外光注入锁定是另一种产生可调谐单波长光脉冲的简单方法。其典型 结构如图1 2 所示,利用一个连续可调谐光源作为外部种子源注入增益开 关f p 激光器中实现注入锁定得到单模光脉冲输出。由于采用的是连续可 调谐光源,只需改变注入光的波长使其和增益开关f p 激光器的不同纵模 相接近,就可以方便地得到不同波长的单纵模光脉冲输出,且光脉冲的熏 复频率任意可调。缺点是连续可调谐单色光源的成本般都比较昂贵。 ( ) u p u l 图l 一2 连续可调谐光泺注入锁定产生单波长可调谐短光脉冲的实验装置 f i g 1 - 2c w t u n a b l es e e d i n gi n j e c t i o nl o c k i n gf o rg e n e r a t i n gs i n g l em o d et u n a b l es h o r t o p t i c a lp u l s e s 文献【1 2 】中利用一个直流驱动的f p 激光器加一个可调谐滤波器作为 外部种子源是降低成本的一种方案。但由于f p 激光器输出不同纵模的功 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 率有限且可调谐滤波器的插损较大,往往需要在光路中加入掺铒光纤放大 器( e d f a ) ,这样一来使其结构变得复杂。 1 2 多波长短光脉冲产生的研究进展 多波长短光脉冲在密集波分复用( d w d m ) 及光时分复用( o t d m ) 通信系统、光纤传感器、光信号处理以及全光控制相位雷达阵列等方面有 着重要的应用前景。近年来相继发表了许多关于双波长及多波长短光脉冲 产生研究的文章。张劲松等在主动锁模光纤环形激光器实验中,利用色散 补偿光纤增加腔内色散和改变调制频率,得到了可连续调谐5 n m 的双波 长激光脉冲【”i 。p e n g - c h u np e n g 等在掺铒光纤环形激光器腔e e n a f pl d 和可调谐带通滤波器,获得了调谐范围9 n m 的双波长短光脉冲【1 4 】。但锁 模光纤激光器的输出稳定性一般比较差,因此基于增益开关f p 激光器利 用注入锁定选模技术产生双波长及多波长短光脉冲的研究成为一个热点 1 5 - 2 1 】。 在早期的研究中,d n w a n g 等利用体衍射光栅在自反馈回路中作为 选波器件实现自种子注入锁定增益开关f p 激光器,得到了双波长间隔从 1 8 r t m 至1 6 1 n m 调谐范围的短光脉冲1 1 5 】。这种光路是在自由空间传播的, 且由于采用体光栅使得整个装置的损耗比较大,调节比较困难。随着光纤 光栅的发展,利用光纤光栅作为选波器件的自种子注入锁定方法被发展起 来【幡1 9j ,其典型结构如图1 3 所示。自种子注入锁定结构中的光纤光栅的 反射波长分别对应于半导体激光器多纵模输出中的两个模式,选择合适的 光纤长度分别构成两个谐振腔,获得的双波长输出边模抑制比在2 0 d b 至 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 0 d b 之间。和传统的体光栅相比,光纤光栅具有和光纤系统耦合性好的 优点,且可通过应力改变b r a g g 反射波长非常简单方便。 图1 - 3 自种子注入锁定产生双波长短光脉冲实验装置 f i g 1 - 3s e l f - s e e d i n gi n j e c t i o nl o c k i n gf o rg e n e r a t i n gd u a l - w a v e l e n g t hs h o r to p t i c a l p u l s e s m z h a n g 等人发展了外光注入锁定产生双波长的方案,其实验装置 如图1 - 4 所示【捌。利用一个直流驱动的f p 激光器、一个3 d b 光纤耦合器 和两个光纤布拉格光栅作为外部种子注入系统。两个光纤光栅可以从多纵 模中选择两个波长进行注入锁定。所得光脉冲的双波长调谐范围为1 0 r i m , 边模抑制比为1 7 d b 。、 f p l d o u t p u t 图1 - 4 外光注入锁定产生双波长短光脉冲的实验装置 f i g 1 - 4e x t e r n a ls e e d i n gi n j e c t i o nl o c k i n gf o rg e n e r a t i n gd u a l - w a v e l e n g t hs h o r to p t i c a l p u l s e s c h i e n h u n g y e h 等人提出了互注入锁定产生多波长短光脉冲的方案, 实验结构如图1 - 5 所示1 2 ”。可调谐带通滤波器( t f b ) 用来选择注入波长, 实验获得了边模抑制比大于2 0 d b ,调谐范围为2 3 n m 的多波长输出。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 5 互注入锁定产生多波长短光脉冲的实验装置 f i g 1 - 5i n t e r i n j e c t i o nl o c k i n gf o rg e n e r a t i n gm u l t i w a v e l e n g t hs h o r tp u l s e s 在注入锁定增益开关f p 半导体激光器产生可调谐单波长或双波长及 多波长的实验方案中,输出的光脉冲通常具有频率啁啾,利用色散光纤或 啁啾光纤布拉格光栅可以补偿此啁啾,而使脉冲压缩得到更窄的光脉冲1 5 。 1 3 光脉冲时间抖动的降低方法 由于增益开关半导体激光器产生的光脉冲是在激光器腔内自发辐射 的基础上建立起来的,所以自发辐射的起伏将造成光脉冲产生时间的随机 性,从而导致光脉冲重复频率的瞬时变化,造成光脉冲的时间抖动。光脉 冲的时间抖动将直接影响光通信系统的误码率,限制系统传输速率的提 高,降低基于超短激光脉冲的泵浦一探测测量系统的信噪比和时间分辨 率。目前,减小增益开关半导体激光脉冲的时间抖动主要采用连续光种子 注入f 2 2 - 2 5 和脉冲种子光注入【2 1 】两种方法。 1 、连续光种子注入降低光脉冲的时间抖动 外连续光注入可产生任意重复频率的低抖动半导体激光脉冲。其典型 结构如图1 - 6 所示。利用一个可调谐连续光源作为外部种子源,通过偏振 控制器( p c ) 和光隔离器( 0 i ) 经过光纤耦合器耦合至增益开关激光器。注 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 入后,光脉冲的时间抖动被大大降低( 小于l p s ) 。 图1 - 6 外连续光种子注入降低时间抖动 f i g 1 6e x t e r n a lc w - s e e d i n gi n j e c t i o nf o rr e d u c i n gt i m i n g j i t t e r 2 、脉冲种子光注入降低光脉冲的时间抖动 连续光注入降低时间抖动后所得的光脉冲存在着连续光本底,这个本 底会严重降低诸如电光取样系统等光学取样系统的信噪比,而且要求使用 昂贵的波长可调谐单色激光源。 基于脉冲种子的光注入是另一种降低时间抖动的方法。可以分为自种 子脉冲注入和外光脉冲注入两种方法。 自种子脉冲注入具有结构简单,无需另加外部光源的优点,其典型的 结构如图1 7 所示。利用光环行器和光纤耦合器构成反馈回路,分取一部 p c 图1 - 7 自种子脉冲注入降低时间抖动 f i g 1 - 7s e l f - s e e d i n gp u l s e si n j e c t i o nf o rr e d u c i n gt i m i n g j i t t e r 分出射光自行注入到增益开关激光器中。反馈回路中加入可变光延迟线 ( v d l ) 来调节自种子的注入时间,利用偏振控制器( p c ) 来改变注入 种子的偏振态,注入后可以有效降低光脉冲的时间抖动。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 自种子脉冲注入法要求自种子脉冲在外反馈腔的往返时间等于光脉 冲周期的整数倍,这使得光脉冲的重复频率不能任意调节,限制了其应用 范围。 文献【3 1 】中提出了外光脉冲注入法降低抖动的实验方案,实验装置如 图1 8 所示。利用另外一个增益开关半导体激光器产生的光脉冲作为外光 脉冲种子源,通过电延迟线控制光脉冲的注入时间。注入后,可获得没有 连续光本底的低抖动的增益开关光脉冲,且光脉冲的重复频率任意可调。 图1 - 8 外光脉冲种子注入降低时间抖动 f i g i - 8e x t e m a lo p t i c a lp u l s e s - s e e d i n gi n j e c t i o nf o rr e d u c i n gt i m i n g j i t t e r 无论是连续光种子注入还是脉冲光种子注入,其共同点都是利用注入 光来抑制光脉冲建立时自发辐射引起的光子数的随机起伏,从而减小光脉 冲的时间抖动。 1 4 本论文主要工作 基于山西省自然科学基金“高质量增益开关f p 激光脉冲的产生研究 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 0 0 4 1 0 4 2 ”及教育部留学回国人员基金“外光脉冲注入降低半导体激光脉 冲抖动的研究2 0 5 2 1 0 1 7 0 0 2 ”的项目资助并结合本课题组的研究方向, 本文主要做了以下工作: ( 1 ) 理论分析了注入锁定现象:采用含有h n g e v i n 噪声项的速率方程, 数值模拟了外光注入增益开关半导体激光器降低光脉冲时间抖动 的情况。 ( 2 ) 提出将注入锁定技术和降低光脉冲时间抖动方法相结合的实验方 案。实验产生了低抖动可调谐单波长光脉冲,研究了注入光功率及 波长失谐对所得光脉冲的s m s r 和时间抖动的影响。 ( 3 ) 利用两个d f b 激光器作为外部种子源注入增益开关f p 半导体激 光器,首次在实验中产生了双波长低抖动可调谐增益开关光脉冲。 ( 4 ) 提出利用另外一个f p 激光器作为多波长种子源注入增益开关f p 激光器降低光脉冲时间抖动的实验方案。实验产生了低抖动多波长 增益开关光脉冲。 ( 5 ) 对比分析了不同波长数注入增益开关f pl d 后光脉冲时间抖动的 降低情况。首次提出“在相同注入光功率的情况下,随着注入波长 数的增加,增益开关f p 光脉冲可获得更大程度的抖动降低”的结 论。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章种子光注入增益开关半导体激光器的数值模拟 利用种子光注入锁定技术可实现激光器的模式选择输出,本章对其工 作原理在作了理论分析。此外,对于利用光注入降低激光脉冲的时间抖动 的工作机理也作了分析,对外光注入增益开关半导体激光器降低光脉冲时 间抖动进行了数值模拟。 2 1 增益开关半导体激光器的基本原理 增益开关的思想源于当用具有快速上升沿的电脉冲开关一个低于阚 值的半导体激光器时发生的驰豫振荡现象i 捌。增益开关包括两个过程: 首先是电脉冲激活驰豫振荡的第一个尖峰,然后是在下一个尖峰建立前结 束电脉冲。这就意味着电脉冲宽度应该相当短,处于皮秒或者纳秒量级。 如果重复上述过程就可以得到周期性的光脉冲。增益开关最常用的电驱动 源有梳状波发生器、皮秒光电导开关以及阶跃恢复二极管。在这种情况下, 电脉冲的宽度一般在5 0 1 0 0 0 p s 的范围内。另一种方法,也可以用巫吉 赫兹( s u b - - g i g a h e r t z ) 或吉赫兹( g i g a h e r t z ) 频率的大幅度正弦信号调制 偏置低于阈值的半导体激光器来产生增益开关光脉冲。 下面描述一个增益开关半导体激光器产生超短光脉冲的过程,如图 2 - 1 所示。直流偏置1 0 和电脉冲如图2 - 1 ( a ) 所示加在激光器上。电脉 冲注入后,载流子密度迅速上升超过闽值浓度n 。受激辐射增强,腔内光 l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 子密度急剧增加。载流子密度继续增加至巩,由于腔内受激辐射的急剧增 强,迅速消耗载流子,载流子密度被拉至n ,低于闽值浓度,受激辐射 停止,光子数密度迅速下降,至此完成一次增益开关,输出一个光脉冲。 由于腔内光子寿命远低于载流子寿命,所产生的光脉冲的宽度远小于驱动 电脉冲的宽度,典型值为1 5 6 0 p s 。 c u r r e m n j o c a r r i e r d e n s i o n o p t i c a l p o w e r 0 5 0 01 0 0 01 5 0 0 2 0 0 0 0 5 0 0 1 0 0 01 5 0 02 0 0 0 0 5 0 0 1 0 0 01 5 0 02 0 0 0 t i m e ( p s ) 图2 一l 增益开关的时间演化( 游动电流( b ) 载流子密度( c ) 输出脉冲 f i g 2 - 1g a i ns w i t c h i n g :t i m ed e v e l o p m e n to f ( a ) t h ea p p l i e dc u r r e n t ,c o ) t h ec a r r i e rd e n s i t y , a n d ( c ) o u t p u tp u l s e s 可以利用一个联系载流子密度捍和光子数密度s 的速率方程组来分 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 析增益开关脉冲形成的动态过程,表达如下: 警一等- 9 0 ( 舻一i n ( 2 _ 1 ) _ d s ;r g 。o 一仉) s 一上+ 巫( 2 - 2 ) d t r m百, 式中n ,是载流子透明密度,占。是微分增益系数,卢是自发辐射因子,e 是 电子电荷,d 是有源层厚度,j ( f ) 为注入电流密度,r 是光场限制因子, l 和f 。分别是载流子和光子寿命。上述方程组是一个单模速率方程组, 它没有考虑光子密度在腔内各个模式的分配情况,不过由此方程组很容易 得到多模速率方程组。对于各种产生超短光脉冲的技术,比如增益开关、 q 开关以及锁模等,上述方程组都是适用的。 2 2 注入锁定 注入锁定技术的物理实质,是在功率放大腔内注入种子激光放大与腔 内自然种子激光放大对腔内增益的竞争,即注入种子模与其它自然振荡模 ( 也称自然种子模) 间的模竞争,它取决于注入种子模和自然振荡模谁提 取增益更快,取决于两种模初始值的大小【3 3 1 。注入锁定现象可分为两类: 连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定【3 4 】。 连续激光器的注入锁定:在一连续激光振荡器中注入一单色激光信 号,若注入光信号频率,足够接近激光器的自由振荡频率y ,则激光振荡 可完全为注入信号控制,激光器振荡模式的频率跃变为v ,相位与注入信 13 太原理工大学硕士研究生学位论文 号同步。 脉冲激光器的注入锁定:在增益开关或者调0 激光器启动过程中注 入个种子信号,可使频率与注入信号频率最接近的模式优先起振,其他 模式被抑制,实际上激光振荡并未被注入信号真正锁定激光频率仍为激 光器自由振荡的频率。 下面主要分析增益开关激光器的注入锁定过程: 若在增益开关激光器启动过程中注入一个角频率为蛾的光信号,虽 然它不足以真正地锁定增益开关激光器的自由振荡模式,但它在激光器腔 内往返传输并不断增强的过程中发生快速相移,其角频率由0 ) 1 迅速变为 最邻近的激光器模式的角频率。于是角频率为的邻模在注入信号的基 础上增长,而其它模式却在弱得多的自发辐射噪声的基础上增长。因此在 光脉冲形成过程中,角频率为山的模式占绝对优势,激光器输出一个角频 率为o j 的光脉冲。在上述过程中,注入信号犹如一颗种子,所以常将这种 注入锁定方式称作注入种子锁定。下面分析上述快速相移过程的形成过 程。如图2 2 所示,用一个复向量来描述光波电场。任一角频率的电场 均可表示为: ( f ) 一r e t ( t ) e ”】 ( 2 3 ) 若一d f l l ,则 官o ) 蕾e o ) e 若一q a t o ,则 ( 2 4 ) 童p ) 一e ( f 沁7 + 6 “( 2 5 ) 电场( f ) 为一角频率埘。在复平面上反时针旋转的复向薰豆( f ) 在实轴上的 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 投影。现在在一个以角频率q 反时针旋转的参考平面上考察复向量( f ) 。 若t o = 。,贝l j g ( t ) 不转动;若;q a t a ,则o ) 以角频率a w 在参考 平面上顺时针转动;若= ,+ a o j ,则豆( f ) 以角频率a ( 0 反时针转动。 嫩辅o l 矧。 ( ,) 裘轲; 图2 - 2 光波电场的复向量描述 f i g 2 - 2c o m p l e xv e c t o rd e s c r i p t i o no fl i g h tw a v ef i e l d 下面讨论一个环形激光器的注入锁定过程,这一分析方法对 图2 - 3 环形腔激光器的注入锁定 f i g 2 - 3i n j e c t i o nl o c k i n go fr i n gc a v i t yl a s e r 直腔激光器同样适用。图2 3 所示一腔长为l 的环形腔激光器( 假设工作 物质长度等于腔长) 。注入信号的角频率为c o 。,与q 最接近的自由振荡模 式的角频率是,甜一越一a ( 0 。在m 1 镜处,腔内行波场由注入腔内的光 波场和m ,镜的反射光波场组成。腔内行波场的复向量可表示为下式: 】5 太原理工大学硕士研究生学位论文 e 。o ) 一e 。( t ) + e ,( f )( 2 - 6 ) 式中最。( f ) 和占,( f ) 分别为注入腔内的光波场和m - 镜反射光波场的复向 量。反射光波电场为: f r o ) = e c ( r r o ) e g 。6 一r e e c ( t 一瓦) g g l - 6 p q “一而 ;r e 【巨( f ) e j t o j t 】 ( 2 7 ) 式中t 0 是光在腔中传输一周所需的时间。由上式可得: ,o ) = e 。( r 一) e g l - 6 e 一4 ;巨p 一瓦弘9 1 - 6 e 哪砜 ( 2 8 ) 图2 - 4m l 镜处腔内行波场、注八光波场及反射光波场在转动参考平面上的电场夏 向量关系图 f i g 2 - 4e l e c t r i c a lf i e l dc o m p l e xv e c t o rr e l a t i o no ft r a v e l i n g - w a v ef i e l d ,i n j e c t e dl i g h t w a v ef i e l da n dr e f l e c t e dl i g h tw a v ef i e l d 由式( 2 8 ) 可知,由于,t ,行波场传播一周后复向量相位延迟了a c o t o 。 由式( 2 6 ) 及式( 2 8 ) 得到稳定情况下腔内诸光波场复向量的关系图, 如图2 4 所示。 现在我们考虑一个在t = 0 时刻启动的增益开关激光器。 在增益开关 启动之前,激光器尚未起振时注入一个角频率为岫的光信号,在m l 镜处 的腔内复向量为量。对注入光来说,此激光器相当于一个再生放大器。 】6 太原理工大学硕士研究生学位论文 光在腔中传输若干次后,形成稳定状态,m 1 镜处腔内行波场、反射光波 场及注入光波的电场复向量的关系如图2 - 5 ( a ) 所示。在t = 0 时刻增益开关 启动,使得g l 一6 ,0 ,因此行波场在腔内传输一周后振幅增加,m 1 镜处 反射光波场复向量丘,m ,镜处行波场变为丘。,丘。= 巨,+ 最, 如图2 - 5 ( b ) 所示。与丘。相比,丘。落后了一个相角。此过程继续下去,经 过n 个周期后,露,) 邑,丘。与露间的夹角极小,可以近似地认为丘。 较霸一,落后了相角砜。 图2 - 5 增益开关启动后复向量的变化( a ) c = 0 ;( b ) t = t o ;( c ) t - - 3 t o f i g 2 - 5 c o m p l e xv e c t o re v o l u t i o na f t e rg a i n - s w i t c h i n gt u r n i n go n ( a ) t = 0 ;( b ) t = r ; ( c ) t - - - a r o 由此可见,在增益开关启动后,当注入信号在腔内传输了若千周期后, 复向量豆( f ) 以角频率在参考平面上顺时针旋转,而参考平面本身又 在复平顽上以角频率反时针旋转。其结果是复向量量。( f ) 以( q 一角 频率在复平面上反时针旋转,同时幅度不断增长,腔内光波场的角频率由 开始的q 转变为c o ,于是角频率为甜的邻模在丘。的基础上增长,而其他 模却要在微弱的自发辐射基础上逐渐增长。只要反。的幅度超过放大的自 发辐射对一个模的贡献,则角频率为埘的模占绝对优势,因此激光器输出 17 太原理工大学硕士研究生学位论文 一个角频率为的单模光脉冲。 2 3 光脉冲时间抖动的数值模拟 由于增益开关激光器的光脉冲起源于自发辐射,在高速调制情况下, 每一个增益开关周期内的脉冲建立时间都是随机的,因此,增益开关激光 器输出脉冲常伴有较大的时间抖动【筇4 叭。时间抖动是评价增益开关激光器 输出光脉冲质量的一个重要参数,也是造成系统性能恶化的重要因素之 一。采用注入种子光技术可以有效地抑制增益开关光脉冲的时间抖动,这 是因为增益开关激光器的时间抖动正比于载流子密度达到激光器振荡阈 值时的光子密度的起伏,它由增益开关激光器的随机自发辐射引起。注入 种子光提供了闽值处光子密度的激励,因此通过外部光注入可以有效减小 光脉冲的时间抖动【3 5 t 3 6 , 3 9 j 为了数值模拟半导体激光器的时问抖动,我们使用了包含有l a n g e v i n 噪声项的单模速率方程组。对于增益开关f p 半导体激光器多纵模输出时, 更严格地应使用多模速率方程组来进行数值模拟分析时间抖动1 2 6 3 7 ,3 引。 但对于单波长外种子光注入增益开关1 1 p 半导体激光器,产生的光脉冲为 单纵模输出,采用单模速率方程组来进行数值模拟时间抖动的变化情况, 不仅能揭示该物理过程的实质,而且简单明了、易于计算。 警一势一考埘啪刚h “耻) ( 2 9 ) 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 ,( t ) = i os i n2 ( 丢) ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) 上述方程组中,n ( t ) 是载流子密度,s ( t ) 为光子密度,s 。为注入的种子光 密度,假设其波长和偏振态与被选择的纵模相同。,( f ) 为注入的短电脉冲 t 。为电脉冲的宽度。激光器的参数如表2 - i 所示。方程中l a n g e v i n 噪声 项分别表示为: 一謦+ 匦t v 只( f ) 一 ( 2 一1 2 ) ( 2 1 3 ) 式中f 为l a n g e v i n 噪声作用的时间间隔,s q j ) 为时间间隔f 开始时的 光子密度, “) 为时间间隔a t 开始时的载流予密度,和工。是高斯分布 随机变量,其平均值为0 ,均方值为1 。 速率方程组采用变步长、变阶龙格一库塔法求解。时间抖动定义为接 通延迟时间的标准偏差 1 9 ( 2 一1 4 ) 卅 邮 耋: 川 小 警丛 警 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 - 1 激光器参数 t a b l e2 - 1l a s e rp a r a m e t e r s 矿 有源区体积1 5x1 0 1 6 m 3 载流子寿命2 n s f _ d 光子寿命2 p s g n微分增益2 1 2 5 x 1 0 1 2 m 3 5 1 透明载流子密度 4 1 0 ”m 一3 n , h 闽值载流子9 9 1 0 ”m 4 口 线宽增强因子 5 5 r光场限制西予 o 4 y 白发辐射因子l x l 0 - 5 增益饱和参量 3 1 0 - z 3 m 3 窜 电荷电量1 6 x 1 0 1 9 c a波长1 5 5 0 n m 式中f 为接通延迟时间的平均值,t ,为第f 次接通延迟时间。为减小随机 性对计算结果的影响n 取值1 1 0 ,并多次计算g r 取其平均值。 模拟表明,不同的偏置电流水平直接影响光脉冲的峰值功率及时间抖 动。调制电流一定的情况下,偏鼍越高,时间抖动越低,但是当其水平超 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 6 模拟得到的无光注入时光脉冲的波形 f i g 2 - 6p u l s e sw a v e f o r mw i t h o u tl i g h ti n j e c t i o nb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 图2 - 7 模拟得到外光注入时的光脉冲波形 f i g 2 - 7o p t i c a lp u l s e sw a v e f o r mw i t he x t e r n a ls e e d i n gi n j e c t i o nb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 l n毫鲁=u 太原理工大学硕士研究生学位论文 过阈值电流的7 0 以后,输出光脉冲的后沿变缓,出现拖尾现象。以下 数值模拟选定偏置电流为o 6 l ,调制电流,。= 5 1 。 图2 - 6 为无外光注入时,增益开关光脉冲的波形,其时间抖动为 5 0 0 8 p s 。由于采用单模速率方程来求解,所得抖动结果要比f p 半导体激 光器多模输出时的抖动大【3 7 】。 注入的光子密度为光脉冲峰值密度的0 0 0 5 6 时,获得最低的时间抖 动1 3 2 7 p s ,其光脉冲波形如图2 7 所示。 图2 - 8 所示为相邻光脉冲峰值时间间隔r 的分布函数曲线。从图中可 以直观地看出,外种子光注入后r 对其均值f 的标准均方偏差明显小于 图2 8 光脉冲峰值时间间隔的分布函数曲线 f i g 2 - 8t h ec u r v e so fo p t i c a lp u l s e sp e a k - p e a kt i m ei n t e r v a ld i s t r i b u t i o n 2 2 太原理工大学硕:b 研究生学位论文 无外光注入时的情况,表明外种子光注入后光脉冲的时间抖动被有效地降 低了。 以上计算模拟均在实验中得到证实,为进一步研制低抖动实用化的增 益开关f p 半导体激光器提供了一定的理论依据。 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章外光注入f a b r y - p e r o t 激光器实验研究 3 1 增益开关半导体激光器 增益开关半导体激光器由于具有体积小、结构简单、重复频率任意可 调等优点使其成为产生超短光脉冲的重要光源之一。所谓增益开关半导体 激光器,是指对半导体激光器注入强微波正弦信号或大幅度电脉冲进行直 接调制,以产生超短光脉冲的方法。在注入方式上又分为在直流偏置上叠 加大的正弦电流或短的电脉冲,以及无直流偏置短电脉冲直接调制1 4 “。 实验中我们采用了有直流偏置的短电脉冲调制方式,产生光脉冲的强度主 要由直流偏置电流水平决定。 实验中所用的1 4 脚双列直插式f a b r y p e r o t 激光器由武汉邮电科学院 生产,内置制冷器,带尾纤f c p c 连接头输出,室温下,中心波长为 1 5 4 5 0 9 n m ,纵模间隔为1 1 0 r i m ,阈值电流( i l h ) 为1 1 5 m a ,输出最大 光功率为2 0 m w 。图3 - 1 为激光器的p i 曲线,图3 2 为输出

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