（电磁场与微波技术专业论文）自脉动激光器及在光通信中的应用.pdf

摘要 在论文主要包括两部分，对自脉动激光器特性及对混沌通信系统的研究。主要研 究内容如下： 对非对称电流注入多区d f b 自脉动激光器进行了较为全面的研究，给出了 一个改进的耦合行波方程模型。考虑了激光器增益区和反射区的注入电流非对称 所产生的热非对称性对两个区的反射谱的影响，以及对自脉动的影响。并用这个 耦合行波模型对自脉动激光器的特性进行了全面的研究。研究了均匀电流注入， 忽略空间烧孑l ，假设载流子浓度在激光器的各个区中都是均匀分布的条件下，激 光器两个区中注入电流，相移等对自脉动激光器的抖动频率，脉冲消光比，自脉动 的电流区域，光谱等的影响。 研究了空间烧孔对自脉动激光器的影响，空间烧孔对腔内光功率的分布影响 并不大，光功率( 光子数) 主要被限制在增益区内，反射区中的光子数非常少。 反射区中的光功率随时间的变化也要比增益区中光功率的变化小。但是，空间烧 孔对腔内载流子浓度分布的影响要大的多。空间烧孔效应使自脉动的电流范围大 大的减小了 研究了非均匀电流注入对自脉动激光器的影响。发现由于激光器的串连阻 抗，空间烧孔效应对载流子浓度分布的影响被部分的抑制了，在非均匀注入条件 下，载流子浓度的分布要比均匀注入条件下载流子浓度分布均匀的多，自脉动的 电流区域有所增大 从d f b 激光器的耦合行波方程出发，推导得出了自脉动激光器的单模速率 方程，利用小信号分析的方法获得了自脉动的条件和激光器自脉动的频率的表达 式。在速率方程模型中引入了有效光子寿命的概念。利用有效光子寿命给出了一 种新的关于非对称电流注入多区d f b 激光器的自脉动现象的简单明了的解释。发 现是反射区的色散反射引起激光器的有效光子寿命的变化，导致了激光器输出功 率的不稳定性。有效光子寿命和普通激光器中的光子寿命的概念相对应，但是 普通激光器中的光子寿命是保持不变的。但是在自脉动激光器中，有效光子寿命 受到反射区的反射率的影响。由于反射区的载流子浓度保持不变，所以反射区的 反射率会根据增益区的载流子浓度的变化而变化，引起激光器的色散损耗，这种 色散损耗使得腔内的光子寿命发生周期性的变化。从而导致激光器的输出功率发 生周期性的变化( 即自脉动) 分析了自脉动激光器外部注入信号的同步特性，研究了自脉动激光器在外部 注入条件下频率变化的瞬态特性。通过对自脉动激光器在外部信号注入条件下的 瞬态特性的研究发现，当外部信号注入时，激光器瞬态输出信号的频率和强度都 会出现不规则的变化，只有经过一定的同步时间后，激光器的输出才会同步到注 入脉冲上。因此，提出了另一种同步方式，采用一个具有固定比特的全“l ，的 脉冲分组包头来实现信号的同步，而将实际的数据信号跟在全“l ”的脉冲组的 后面。分析了自脉动激光器在外部注入条件下频率变比的瞬态特性。当信号脉冲 的频率处于同步频率范围内时，激光器的脉动频率经过一定的变化后可以同步到 注入信号上。但是，如果信号脉冲的频率处于同步频率范围之外，则激光器的脉 动频率会出现周期性的振荡，无法同步到注入脉冲信号上。研究了注入平均功率 对锁定特性的影响，发现，注入功率的大小决定了锁定范围的大小，注入功率越 大，则注入锁定的范围也越大。注入功率越大，在频率失谐量一定的条件下，锁 定时间越少。研究了注入信号与激光器本征频率的频率失谐对同步的影响，发现 在一定功率条件下，当输入信号的频率处于激光器本征频率附近时，所需的同步 时间最小。在本征频率的两侧，基本上随着频率差的增大，所需要的同步时间也 越多。输入信号频率和激光器本征频率之间的频率差，会导致输入信号和同步后 的输出信号存在相位查。研究了波长失谐对同步的影响，发现注入功率大小对波 长锁定范围的影响非常大，随着注入功率的增加，波长锁定范围也增大。波长失 谐对同步时间影响也很明显，失谐量越大，同步时间也越长 对混沌通信系统做了初步的研究。对常用的外腔反射半导体混沌光源做了初 步的研究。利用半导体激光器的电磁场方程，推导得出了一个关于外腔半导体激 光器的改进速率方程。利用这个速率方程对半导体激光器在外部反馈影响下的工 作状态进行了研究。 a b s t r a c t t h em u l t i s e c t i o nd f bl a s e r sw i t ha s y m m e t r i c a li n j e c t i o nc u r r e n ta r es t u d i e di n t h i st h e s i si nd e t a i l f i r s t l y , an e wc o u p l e t r a v e l i n g w a v e e q u a t i o nm o d e l i sp r o p o s e d ， i nw h i c ht h ee f f e c to fc u r r e n t i n d u c e d h e a t i n go nt h ed f bl a s e r sw a sc o n s i d e r e d b e c a u s et h ec u r r e n t i n d u c e d h e a t i n gh a v ee f f e c to nt h ee f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e x ，i t h a si m p o r t a n te f f e c to nt h es e l f - p u l s a t i o nd f bl a s e r sw i t ha s y m m e t r i c a li n j e c t i o n c u r r e n t t h es e l f - p u l s a t i o no ft h em u l t i - s e c t i o ni sr e s e a r c h e db a s e do nt h en e wc o u p l e w a v e e q u a t i o n s f i r s t l y , t h es e l f - p u l s a t i o ni ss t u d i e dw i t ha n da p p r o x i m a t em o d e l w e a s s u m et h a t t h ei n j e c t i o nc u r r e n ta n dt h ec a r t i e rd e n s i t yi ne a c hs e c t i o ni su n i f o r ma l o n gt h el a s e r c a v i t y w i t ht h es i m p l i f i e da p p r o x i m a t i o n ，t h e e f f e c to fc u r r e n ti n j e c t e di ne a c h s e c t i o na n dt h ep h a s es h i f tb e t w e e nt w os e c t i o n so nt h es e l f - p u l s a t i o ni ss t u d i e di n d e t a i l t h es e l f - p u l s a t i o nf f e q u e n c 5t h ee x t i n c t i o nr a t i o ，a n dt h ep u l s e w i d t ho ft h e s e l f - p u l s a t i o nl a s e r sa r es t u d i e d s e c o n d l y ，t h ee f f e c to fs p a t i a lh o l eb u r n i n go nt h es e l f - p u l s a t i o nd f bl a s e r s i s c o n s i d e r e d 。t h es h bi n d u c et h eu n u n i f o r md i s t r i b u t i o no fc a r r i e rd e n s i t yi nt h e a c t i v er e g i o n ，w h i c hh a v ei m p o r t a n to nt h es e l f - p u l s a t i o n a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a l s t u d y , t h e c u r r e n t r e g i o n f o rt h e s e l f - p u l s a t i o n a n dt h e p u l s a t i o nf r e q u e n c y a r e c h a n g e d w h e nt h es h bi sc o n s i d e r e d t h ec u r r e n tr e g i o nf o rs e l f - p u l s a t i o nd e c r e a s e d c o m p a r e dw i t ht h ec o n d i t i o nw i t h o u t s h b f i n a l l y , t h es e l f - p u l s a t i o nd f b l a s e r sa l es t u d i e di nam o r er e a l i s t i cc o n d i t i o n t h e e f f e c to fs e r i e sr e s i s t a n c ei sc o n s i d e r e d b e c a u s eo ft h es e r i e sr e s i s t a n c eo ft h e s e m i c o n d u c t o rd e v i c e ，t h ei n j e c t i o nc u r r e n ta r en o tu n i f o r ma l o n gt h ea c t i v er e g i o n ， t h ec u r r e n ti n j e c t i o ni nt h ea c t i v ei se f f e c t e db yt h ec a r r i e rd e n s i t yi nt h ea c t i v er e g i o n a c c o r d i n g t ot h en u m e r i c a ls t u d y , t h es h bi nt h ea c t i v er e g i o ni ss u p p r e s s e d p a r t l yb y t h es e r i e sr e s i s t a n c e t h ec u r r e n t r e g i o nf o rs e l f - p u l s a t i o ni n c r e a s e sc o m p a r e dw i t ht h e c o n d i t i o nt h es h bi sn o ts u p p r e s s e d w e p r o p o s e sa n e ws e to f t h e s i n g l em o d e r a t ee q u a t i o n s w ei n t r o d u c et h ee f f e c t i v e p h o t o nl i f e t i m ei nt h en e wm o d e l w eg i v eas i m p l eb u tc l e a r l ye x p l a n a t i o nf o rt h e s e l f - p u l s a t i o n f r o mt h en e w s i n g l e m o d em o d e l w e g e t t h ec o n d i t i o nf o r s e l f - p u l s a t i o na n d t h ee x p r e s s i o nf o rs e l f - p u l s a t i o nf r e q u e n c yb ys m a l ls i g n a la n a l y s i s o nt h en e w s i n g l em o d e r a t ee q u a t i o n s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs y n c h r o n i z a t i o no ft h es e l f - p u l s a t i o nt oe x t e r n a l i n j e c t i o n s i g n a l sa r es t u d i e dw i t hc o u p l et r a v e l i n gw a v ee q u a t i o n s t h ef r e q u e n c yr e g i o nf o r s y n c h r o n i z a t i o ni ss t u d i e d t h et i m ef o rs y n c h r o n i z a t i o ni ss t u d i e d t h ee f f e c to ft h e e x t i n c t i o nr a t i o ，p u l s e w i d t h ，f r e q u e n c yd e t u n eo nt h es y n c h r o n i z a t i o na r es t u d i e di n d e t a i l t h ec h a o t i c o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi si n t r o d u c e d t h ee x t e m a l c a v i t y s e m i c o n d u c t o rl a s e r st h a tn o r m a l l yu s e di nt h ec h a o t i co p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m a r es t u d i e d w ed e d u c e dan e wm o d e lf o rt h ee x t e r n a lc a v i t yf r o mt h em a x w e l lf i e l d e q u a t i o ni nt h el a s e r s w i t ht h en e wm o d e lt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x t e r n a lc a v i t y a r er e s e a r c h 韭室塑皇查兰壁主兰堡堡奎 曼二童! 坠 1 1 引言 第一章绪论 当代光纤通信技术的发展方向是超大容量、全光网络、低成本和集成化。在 光纤材料性能不断改进和新型光器件商品化的推动下，光传输容量以超摩尔定律 的速度飞速发展，光纤带宽容量每9 个月就增长一倍。据此推测不到8 年，网络 的带宽容量将达到目前的1 0 0 0 倍。这使得带宽价格大幅度降低，“带宽批发”将 成为现实f 1 - - 5 】。当前t e r a b i 时代已经来临，现在伦敦与巴黎之间租用2m b i t s 带宽e l 线路的价格，已经由过去的1 0 0 0 0 美元下降到不足1 0 0 0 美元。运营商 们纷纷利用新的分组技术来构建新型全光网络，不久将进入光纤i n t e m e t 网络的 新时代 6 】。单路高速技术、密集波分复用技术( d w d m ) 、r a m a n 光放大器、l 波段( 1 5 7 0 1 6 0 5n m ) 的开发利用、色散补偿、色散斜率补偿、偏振模色散补偿、 波长转换、多级复用、光交叉互连( o x c ) 和高速器件等研究已成为当前的热点。 超大容量超长距离传输是当今光通信的主要特征。由于放大器引入的噪声。 色散，光纤非线性等因素的影响，为了保证信号质量，通常的光通信系统采用电 光中继的方法消除信道对信号的影响。在w d m 系统中，采用光电，光的方式实 现信号的再生，首先要将信号解复用，然后分别用接收机和发射机实现信号接收 和重新发射，然后再将信号复用。这种方法大大提高了系统的成本，而且由于使 用了电中继的方式，当单信道速率超过4 0 g b i t s 时，用这种方法实现信号再生非 常困难。当前世界各国都在研究和热切关注超大容量光纤通信技术，其中超长传 输技术和全光信号再生是实现长距离高速率传输的最重要的两种方法。所谓的超 长传输技术就是采用，拉曼放大，前向纠错，色散补偿等的技术，选择合适的码 型，从而大大提高信号对光纤非线性和色散的容忍度，从而提高系统的性能实现 长距离无中继的光信号传输。另一种实现大容量传输的技术是全光信号再生，它 是高速o td m 传输系统中不可缺少的功能，同时也是构建高速o t d m 光分组 网所需的关键功能。论文的研究方向就是高速o t d m 系统中的全光再生技术 苎室塑皇查堂堕主堂些堡奎 兰二皇堡堡 7 1 1 】。 1 23 r 信号再生 1 2 1 信号再生术介绍 随着全光网的不断发展，网络容量不断上升，w d m 网络中的信道数和单信 道速率都不断上升，超高速o t d m 系统的传输速率也达到了t b i t s 1 2 2 7 。然 而，正如前面所提到的，光信号无论是在光纤链路中传输，还是在网络节点进行 信号交换和交叉连接，光脉冲的质量都会不断恶化，导致信号质量下降( 如光 纤损耗，色散，非线性，引起的光信号强度和形状的变化) 。为了保证信号质量， 防止误码率上升，增强网络的可扩展性，必须对信号进行再生。但是，传统的电 中继会影响网络性能，特别是在高速o t d m 系统中电中继根本无法满足要求。 因此，信号的全光再生就成为了目前提高网络性能和实现远距离超高速o t d m 传输所必须解决的问题 2 8 1 。 图1 1 光网络中的3 r 再生 目前有三种信号再生技术，即l r ，2 r ，3 r 信号再生。所谓l r ，是指对信号的 单纯功率放大( r e a m p l i f i c a t i o n ) ，直接用光纤放大器或者半导体光放大器就可 以完成。l r 再生对信号比特率透明，而且与数据类型无关，在w d m 系统中各 通道可以同时放大。1 r 再生虽然简单，但是缺点非常明显，光信号的形状经过 l r 再生后仍然很差( 从图1 2 中可以看出) 。而且放大器通常会引入噪声，信号 些塞塑皇奎堂堡主兰壁垒壅 苎二主丝笙一 经过多次放大会形成噪声积累，同时相邻信道间的串话也会被放大。因此l r 再生 不能满足改善信号质量的要求。要改善光脉冲信号的形状，提高信号的消光比， 需要2 r 再生。2 r 再生需要一个判决元件，最常用的是非线性光开关。用数据信 号控制非线性光开关，来调制输入的连续光，将数据信号重新加载到了输入的连 续光上。 图1 2 信号再生效果示意图 由于噪声功率较小，没有足够的功率使光开关合上，因此2 r 再生可以压制 串话和噪声 2 9 - 3 0 1 。因为被转换后的光信号形状由光开关的变换函数决定，因 此2 r 具有对光脉冲进行整形的功能。2 r 再生对光脉冲信号的码型没有要求， 可以应用于归零和非归零信号系统，并且只要不超过光开关的速率极限，2 r 再 生是对比特率透明的。从图1 2 中可以看出，经过2 r 再生后，光信号脉冲形状 得到改善，信道噪声减小，光脉冲的消光比增大。但是由于2 r 再生没有对光信 号的重新定时的功能，因此不能消除光脉冲信号的脉动。 3 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 图1 33 r 再生结构示意图c 耦合器，a 放大器，c k 光时钟提取，n g 非线性光开关 所谓的3 r 再生就是指对光信号，再放大，再整形，再定时的过程。3 r 与2 r 过程很相似，只要把输入非线性光开关的连续光信号，改为时钟信号即可完成 3 r 再生的功能。因为数据信号驱动的开关窗口比时钟信号的脉冲宽度要大，因 此数据信号的脉动不会被转移到时钟信号上，从而完成了对信号的重新定时 ( r e t i m i n g ) 3 l 3 2 】。而且由于开关窗口比时钟信号脉冲宽度大，所以不会引 起时钟信号脉冲形状的变化，因此，同时完成了对信号的重新整形的功能。从图 1 2 中可以看出，经过3 r 再生后，脉冲信号的脉动大大减小。 1 2 2 再生技术种类 3 r 再生技术目前共分为三种类型，全光再生，光电混合再生，电再生。三 种不同的再生方案结构图如图所示 第一种为全光再生，再生过程中没有涉及到电路。主要的再生方法如前所述， 他最主要的优点是，高速，无电磁辐射。第二种为光电混合类型。光电混合方法 与全光再生最主要的区别是，采用电时钟提取的方法来提取时钟，然后用提取的 电时钟来调制输入的光信号脉冲。最后一种是电再生。它与传统的电光中继不同， 他采用数字滤波技术。优点是，再生速率灵活可调，可以处理n r z 信号。 4 1 2 3 再生技术方案的介绍 基于电饱和吸收调制器的光再生技术 o u t , p u t 图1 4 用电饱和吸收体实现全光再生结构图 t o r n h i r oo t a n i 等人报道了一种利用电饱和吸收体实现4 0 g b i t s 信号再生 的方法 3 3 5 0 ，其实现结构如图1 4 所示。这种方法可以同时实现波长转换 的功能，这在w d m 网络节点中是非常重要的一项功能。可以看出，这种方法采用 了两个波长转换器。第一个波长转换器将入射的信号波长转换到了另外一个波长 上，这样可以避免电饱和吸收体中的交叉串话。第二个波长转换器将再生后的信 号波长转换到原先的信号波长上。波长转换器的结构如下： 图1 5 波长转换器示意图 入射的信号光先被放大并与探测光沿相反的方向传播，同时入射到电饱和吸 收体中。两个不同波长的光在电饱和吸收体中会产生交叉吸收调制效应，入射的 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 高功率的信号光会在电饱和吸收体中引起吸收率的变化。利用这种变化来实现波 长转换。转换后的光信号通过光环型器提取出来，并用一个带通滤波器去除从环 形器中出来的没有被转换的信号光。时钟提取采用光电锁相环路来实现。它包括 一个滤波器，高速光电探测器和一个锁相环。利用提取的电时钟信号来驱动饱和 吸收体获得光时钟信号。从电饱和吸收体出来的光时钟信号与从第一个波长转换 器中输出的光信号脉冲同时输入到第二个波长转换器中的电饱和吸收体中，这样 在第二和波长转换器中同时实现了波长转换和光信号的再生。整个方案用到了三 个电饱和吸收体。其中两个用来进行时钟提取，一个用来产生光时钟信号。为了 保证提取的光时钟信号在第二个波长转换器中形成的光开关稳定工作，采用了高 偏振模色散的光纤来控制信号脉冲的宽度。这种方法的优点是工作稳定，而且在 实现信号再生的同时可以同时实现波长转换，这对与波分复用网络来说非常重 要a 但缺点是技术复杂，用到了三个电饱和吸收体，增大了系统的成本。 基于半导体光放大器的光再生技术 s f i s c h e r 等人提出了一种利用半导体光放大器实现全光再生的方法。这 种方法同样用到了光电混合的方法来获得时钟信号【5 1 】。其结构示意图如下 图1 6 基于半导体光放大器的全光再生方案 光电时钟提取包括一个高速光电探测器，电锁相环路和两个电压控制的 l i n 0 3 调制器。4 0 g b i f f s 的光信号通过高速光电探测器转换为电信号，利用锁相 环路从中提取1 0 g h z 的时钟信号，然后将1 0 g h z 的信号复用成4 0 g h z 的时钟信 6 ! ! 塞业皇查堂竖主堂垡堡苎 墨二兰堕堡 号。用4 0 0 h z 的电时钟信号驱动两个l i n 0 3 调制器来产生高质量的光脉冲信号。 将产生的光时钟信号，输入由半导体光放大器组成的非线性光开关中。非线性光 开关是一个由半导体光放大器做成的m z i 光开关，他由输入的光信号脉冲来控 制。光信号和提取的光时钟信号通过光纤耦合器，从不同的端口沿相反的方向进 入到m z i 两个臂的半导体光放大器中。时钟信号被平均分成两部分，分别进入 到两个半导体光放大器中，由于半导体放大器有增益，这样就完成了对信号的再 放大。而控制m z i 的光信号则只入射到其中一个半导体放大其中。通过凋制半 导体放大器的增益来调制s o a 中的载流子浓度。由于两个s o a 中的载流子浓度 不同，这样两路时钟信号通过s o a 时会产生不同的相位移动。只要控制m z i 两 个臂的相位差，就可以控制光门的开关。 基于d f b s o a 激光器的光再生技术 图1 7 为m o w e n 等人提出的基于d f b s o a 激光器的光信号再生方案 5 2 。由集成的l i n 0 3m z i 和d f b 激光器作为光脉冲源，产生伪随机信号码。信 号经过l o o k m 的光纤后，通过一个带通滤波器输入到d f b s o a 激光器中。d f b s o a 激光器由电时钟信号控制。输入的光信号在d f b s o a 中被重新整形和重新定时， 然后经过s o a 重新放大。这种方法技术简单，但是存在较大的缺点，由于d f b 激光器本身的相应速度有限，这种方法很难实现高速信号的再生。 “盘等。：饕= ：器管l 咐一f i h _ b 口 图1 7 基于d f b s o a 激光器的再生方案 7 ! ! 室塑皇查兰堕主兰垡堡室 一墨二里量堡一 1 2 4多波长光信号的全光再生技术 上面谈到的光信号再生技术实际上只是对单波长信号的再生。但是实际的光 通信系统都是1 v d m 系统。由于上面提到的再生技术中所用的器件大部分工作性能 都与波长相关 5 3 ，所以上面提到的技术可直接用在波分复用系统中。 如何实 现对w d m 系统信号的全光信号再生是决定这种技术应用前景的关键e 5 4 6 0 。 0 l e c l e r c 等人在文献 6 1 中提出了两种w d m 信号再生的方式。如下图所示： ) ms i 口n a ii n _ 呻口_ 乇皇啦 卜忌 争口卜l 毫i u 一 i 0 伽口i 橱i d m u x i l - 、c ；j - 一 图1 8w d m 信号再生示意图( a ) 平行同步方式，( b ) 逐个同步方式 第一种方式最简单，如图1 8 ( a ) 所示，先将w d m 信号解复用，然后将每一 路信号分别进行同步和再生。这种方法虽然简单，但是在多通道w d m 系统中实 现起来较为复杂，而且费用昂贵，使得系统的成本大大提高。第二种方式，仍然 先将w d m 系统解复用，然后将各路信号分别同步。但不同的是，各路信号采用 同一个调制器。利用光纤延时线，将各路信号分开，分别进行再生。这种方法比 第一种简单，而且成本大大降低。但是这种方法要求w d m 各个信道间没有交叉 串话。利用这种方法他们实现了1 6 0 g b i t s ( 4x 4 0 g b i t ) 系统，信道间隔为2 0 0 g h z 的w d m 信号的全光再生。 2 0 0 0 年，富士通公司首次利用光纤的非线性效应实现了多通路光脉冲同步。 为实现全光再生技术在1 i l d m 系统中的应用，提供了坚实的基础。在他们的实验中。 首先，利用滤波器将一路光信号从w d m 信号中提取出来。然后将其注入到锁模激 光器中，使得激光器的振荡脉冲同步到输入的信号脉冲上。然后将获得的信号脉 冲放大并注入到高非线性的色散位移光纤中，由于光纤的高的非线性效应，使入 s 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 射脉冲的光谱展宽为平坦的谱( 超连续谱) 。利用多通道的光滤波器，就可以同 时恢复多通路的w d m 信号的时钟。将恢复的时钟信号和w d m 信号输入到光开关中， 就可实现多通路的w d m 信号的再生。这项技术的最主要的特点是，单通道的信号， 可以通过超连续谱技术，使得扩展后的光谱可以覆盖目前的w d m 多波长信道。 通过优化实验条件，可以利用这项技术，实现目前商用的w d m 系统的全光信号再 生 6 2 、7 0 。 c j o b _ s o n 等人提出了另一种基于受激布里渊散射效应实现的多波长全光时钟 信号再生技术。其原理图如下 n b 吖 图1 9 多波长时钟恢复方案 数据信号通过一个可调的光纤耦合器，耦合到一个光纤环中。数据信号被耦合器 分为两部分，沿着两个相反的方向，在光纤环中传播。顺时钟转播的数据信号通 过一个m z i 调制器，信号频率被下移了1 0 9 g h z 。1 0 9 g h z 正好是d s f 光纤的布 - - 里- 游1 频移。这样反向传播的光对顺时钟传播的光形成了泵浦放大。因为，布里渊 的带宽( 2 0 i l - l z ) 远远低于w d m 系统中波长通道的间隔。这样可以保证，每一路 频率下移的数据光，只与反向转播的相对应的数据光信号产生作用，而信道间则 无相互干扰。所以这种方法可以用来实现多波长的时钟恢复。利用这种方法，各 路信号的速率可以不同，只是入射的数据信号光功率必须足够大。 1 3 全光再生关键技术 非线性光开关 无论是要实现对信号的2 r 或是3 r 再生，非线性光开关都是必不可少的关键 技术。因为半导体器件非常适合于系统中应用，所以非线性光开关大部分都是基 9 ! ! 塞塑皇盔堂竖主兰垡堕苎j 蔓l 丝堕一 于半导体器件来完成的。下图中是两种常用的基于半导体光放大器非线性特性的 非线性光开关 7 1 7 6 。 r i n2 图1 1 0 基于半导体光放大器非线性光开关 图1 1 0a 中的结构是利用两个对称放置的s o a 组成的m z i 型非线性光开 关。波长为丸。的连续光从左端入射，经过一个分光比为o 5 的耦合器分别进入 两个s o a ，数据信号脉冲从右端进入s o a l 。当数据信号为“l ”时，数据信号 脉冲被s o a l 放大，从而消耗了s o a l 中的载流子，引起s o a l 的折射率变化。 由于数据信号并不经过s o a 2 ，所以经过s o a l 和s o a 2 的c w 光在输出端会产 生相位差。当相位差满足条件时，就会从输出耦合器中耦合输出。当数据信号为 “0 ”时，数据信号不会引起s o a l 中的折射率的变化，这样两路连续光在输出 端相位差为零，会被输出耦合器反射。因此，当数据信号为“l ”时输出端有光 脉冲输出，当数据信号为“0 ”时，输出端没有输出。这样就实现了由数据信号 控制的非线性光开关。图1 1 0 ( b ) 中的非线性光开关同样利用了s o a 中的超快 折射率变化现象。将s o a 非对称的放置在光纤环形镜中，从端口1 入射的光，被 分光比为o 5 的耦合器分为沿顺时针和逆时针两个方向传输的光。由于s o a 被 非对称的放置在光纤环形镜中，所以顺时针方向和逆时针方向的两路光经过 s o a 的时间不同。数据光经过耦合器耦合进入环形镜中，在并在顺时针方向和 逆时针方向两路光之间进入s o a 。同样，当数据信号为“1 ”时，数据光会引起 s o a 内部的超快非线性折射率变化。导致顺时针方向和逆时针方向两路光产生 了相位差。当相位差合适时，会从耦合器耦合输出。当数据信号为“o ”时，信 号光不会引起s o a 的折射率的变化，顺时针方向和逆时针方向两路光到达耦合 1 0 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 器时相位差为石，被耦合器反射，一, 什二1 日u u j t u w l w 、, ；l m 有输出。由于噪声功率小 不会引起s o a 的折射率变化，所以噪声被滤出了。 光时钟提取技术 全光时钟提取技术主要包括注入锁定时钟提取技术和光有源或无源窄带滤 波器直接提取时钟技术，其中的注入锁定时钟提取技术又包括自脉动半导体激光 器注入锁定技术【7 7 【7 8 】和锁模激光器注入锁定技术【7 9 【8 0 。锁模激光器注入锁 定技术是将入射光信号注入半导体锁模激光器或光纤锁模激光器中，引入损耗或 相位调制产生锁模，这时可在接收端全光恢复位时钟或帧时钟。光电锁相环时钟 提取技术是利用一个比特相位比较器将本地产生的光时钟与入射光比特流锁定， 本地时钟由一个压控振荡器( v c o ) 驱动一个超短光脉冲源产生，光比特锁相 器的输出将控制v c o 的频率 8 u 8 2 。光比特鉴相器可以是一个n o l m 环 8 3 ， 也可以利用半导体光放大器中的四波混频【8 4 或增益调制【8 5 。这种技术即利用 了光学信号处理的高速性能，又利用了传统的电子锁相环的频率和相位跟踪特 性，因此在高速o t d m 传输系统中应用非常广泛。下图是典型的利用环形半导 体锁模激光器实现时钟提取的结构示意图。与主动锁模半导体激光器不同的是， 半导体光放大器工作在直流偏制的状态下，而没有加外部调制。锁模的主要原理 是输入的外部的光脉冲引起半导体光放大器的快速增益饱和，形成对半导体光放 大器的增益调制。光调制的主要优点是可以轻松的实现更高速率的调制，波长可 调节，而且这种方式简单易行【8 6 】 n i h 删m 皤m 蚺咿口r 妇kc 啪曹，l i l l l l i l 图1 11 利用锁模激光器实现光同步 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 图1 1 l 中左半部分为数据产生部分，右半部分的环形结构为锁模激光器，因 为s o a 为偏振敏感元件，所以在环形结构中加了偏振控制器来控制偏振。为了 保证只有一个方向的振荡光，所以在环形腔中加上单向器。环形腔的腔长决定了 锁模激光器的脉冲频率，环形腔的腔长通常是同步脉冲频率的整数倍。为了防止 超模竞争，在腔中放置了滤波器 8 7 1 。 另外一种新型的而且极具应用前景的时钟提取元件是d f b 自脉动激光器。 半导体激光器中的自脉动现象早在8 0 年代中期就被发现。后来l t l i n ，j k a n k a 等人在光纤激光器中也发现了自脉动现象 8 8 】。利用自脉动激光器实现时钟提 取，非常简便，只需要把信号光射入自脉动激光器中，就可以实现同步。下图为 自脉动激光器结构及用自脉动激光器提取时钟的示意图。 图1 1 2 自脉动激光器结构及时钟提取示意图 自脉动激光器的结构如图1 1 2 所示。分y 口_ - - 部分，一段为激光段( 1 a s e r s e c t i o n ) 其主要功能是为激光器提供增益。另一段为反射段( r e f l e c t i o n s e c t i o n ) ，其作用是产生色散反射，第三部分是相位段( p h a s es e c t i o n ) 通过改 变注入相位段的电流，, - - i p a 实现对激光器自脉动的控制。其中激光段和反射段是 具有增益的dfb 结构。而相位段则是对激光段所产生的光没有吸收和放大的半 导体波导，其作用仅仅是改变通过的光相位。自脉动激光器工作在直流注入的情 况下，脉动的频率可以简单的通过改变注入激光段和反射段的电流差来改变。因 此可以非常简单的改变同步频率。自脉动激光器的脉动原理根据不同的工作电流 1 2 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 条件，可以分为色散q 开关自脉动和拍频自脉动。当激光段工作在其闽值以上而 反射段工作在阈值以下，通常是工作在透明载流子浓度对，脉动的机制是色散q 开关。其主要原理是，由于激光段和反射段的注入电流不同，导致两段中的载流 子浓度不同，从而两段中的有效b r a g g 波长不同。当激光段与反射段都工作在 其阈值以上时，从两段中产生的不同的模式会产生拍频。拍频所产生的脉动频率 最高可达到100ghz 8 9 9 3 。由于自脉动激光器便于集成，使用方便，而 且同步范围大( 4 一i o o g h z ) ，因此具有非常广泛的应用前景。 1 4 本论文的主要工作 1 给出了一个改进的耦合行波方程模型，考虑了激光器的增益区和反射区的 注入电流非对称所产生的热非对称性对两个区反射谱的影响，以及对自脉动的 影响。并用这个耦合行波模型对自脉动激光器特性进行了全面的研究。研究了 均匀电流注入条件下，两个区中的注入电流，相移，等对自脉动激光器的脉动动 频率，脉冲消光比。自脉动的电流区域，光谱等的影响。 2 研究了空间烧孔对自脉动激光器的影响，空闯烧孔对腔冉光功率的分布影 响并不大，光功率( 光子数) 主要被限制在增益区内，反射区中的光子数非常 少。反射区中的光功率随时间的变化也要比增益区中的光功率的变化小的多。 但是空间烧孔对腔内载流子浓度分布的影响要大的多，并使自脉动的电流范围 大大的减小了 3 研究了非均匀电流注入对白脉动激光器的影响。发现由于激光器的串连阻 抗，空间烧孔效应对载流子浓度分布的影响被部分抑制了。在非均匀注入条件 下，载流子浓度分布要比均匀注入条件下载流子浓度分布均匀的多，自脉动 的电流区域增大 4 从d f b 激光器的耦合行波方程出发。推导得出了自脉动激光器的单模速率 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪沦 方程，利用小信号分析的方法获得了自脉动的条件和激光器自脉动的频率表达 式。 5 在速率方程模型中引入了有效光予寿命的概念。利用有效光子寿命给出了 一种新的关于非对称电流注入多区d f b 激光器自脉动现象简单明了的解释。 发现是反射区的色散反射引起激光器有效光子寿命的变化，导致了激光器输 出功率的不稳定性。有效光子寿命和普通激光器中光子寿命的概念相对应， 普通激光器中的光子寿命保持不变。但是在自脉动激光器中，有效光子寿命 受到反射区的反射率的影响。由于反射区的载流子浓度保持不变，所以反射 区的反射率会根据增益区的载流子浓度的变化而变化，引起激光器的色散损 耗，这种色散损耗使腔内的光子寿命发生周期性的变化。从而导致激光器的 输出功率发生周期性的变化( 即自脉动) 6 通过对自脉动激光器在外部信号注入条件下的瞬态特性的研究发现，当外部 信号注入时，激光器瞬态输出信号的频率和强度都会出现不规则的变化，只有 经过一定的同步时间后，激光器的输出才会同步到注入脉冲上。因此，提出了 另一种同步方式，采用一个具有固定比特的全“l ”的脉冲分组包头来实现信 号的同步，而将实际的数据信号跟在全“l ”的脉冲组的后面。分析了自脉动 激光器在外部注入条件下频率变化的瞬态特性。当信号脉冲的频率处于同步频 率范围内时，激光器的脉动频率经过一定的变化后可以同步到注入信号上。但 是，如果信号脉冲的频率处于同步频率范围之外，则激光器的脉动频率会出现 周期性的振荡，无法同步到注入脉冲信号上。研究了注入平均功率对锁定特性 的影响，发现，注入功率的大小决定了锁定范围的大小，注入功率越大，则注 入锁定的范围也越大。注入功率越大，在频率失谐量一定的条件下，锁定时间 越少。研究了注入信号与激光器本征频率的频率失谐对同步的影响，发现在一 定功率条件下，当输入信号的频率处于激光器本征频率附近时，所需的同步时 间最小。在本征频率的两侧，基本上随着频率差的增大，所需要的同步时间也 越多。输入信号频率和激光器本征频率之间的频率差，会导致输入信号和同步 后的输出信号存在相位查。y 研究了波长失谐对同步的影响，发现注入功率大 小对波长锁定范围的影响非常大，随着注入功率的增加，波长锁定范围也增大。 1 4 ! ! 室塑皇查兰堕主兰堡垒奎 墨二垦墅生一 波长失谐对同步时间影响也很明显失谐量越大，同步时间也越长。 7 对混沌通信系统做了初步的研究。对常用的外腔反射半导体混沌光源做了初步 的研究。利用半导体激光器的的电磁场方程，推导得出了一个关于外腔半导体 激光器的改进的速率方程。利用这个速率方程对半导体激光器在外部反馈的影 响下的工作动态进行了研究。 参考文献 1 ws l e e , 。d g a r t h e ，ga p e t t i t t ，a n de ta l ，, 4 0 g b i t st d mt r a n s m i s s i o no v e r1 6 0 k m ( 2 x 8 0 k i n ) o f s t a n d a r dn o n d i s p e r s i o n - s h i f t e df i b e r , o f c 9 7 ，p p 2 4 4 - 2 4 5 ，1 9 9 7 2 kh a g i m o t o ym i y a m o t o yy a m a b a y a s b i , ， 4 0 g b w st r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，”o f c 9 8 ， w c 3 ，p p 1 1 4 - 1 1 5 ，1 9 9 8 3 ht a g a , n e d a g a w a s y a m a m o t o ，a n de ta l ， r e c e n tp r o g r e s s i n a m p l i f i e du n d e r s e a s y s t e m s 。”j l i g h t w a v et e c h n 0 1 ，v 0 1 1 3 ，n o 5 ，p p 8 2 9 - 8 4 0 ，1 9 9 5 4 k f u k u