（通信与信息系统专业论文）基于光纤环形腔激光器全光时钟提取研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 为解决光信号恶化的问题，全光3 r ( r e t i m i n g ，r e s h a p i n g ，r e - a m p l i f y i n g ) 再生技术应运而生，全光时钟提取技术是全光3 r 再生的关键技术之一，负责从恶化的 数据信号中提取出低抖动、高信噪比的时钟脉冲。与此同时，随着单信道传输速率、系 统频谱效率和传输距离的不断增加，与传统的开关键控( o o k ) 调制信号相比，具有 3 d b 光信噪比( o s n r ) 优势的差分相移键控( d p s k ) 调制信号在光通信中得到了越来 越广泛的应用。因此，如何提取d p s k 调制信号的全光时钟信号具有重要的研究意义。 光纤环行腔激光器是一种常用的锁模装置，利用注入的光信号实现谐波锁模，主要 用于超短光脉冲源、全光波长转换器以及全光时钟提取等方面。为研究其全光时钟提取 效应，本文首先对光纤环行腔激光器的关键器件一半导体光放大器( s o a ) 进行了详 细的分析，并利用s o a 的分段模型和载流子浓度方程，对s o a 的交叉增益调制特性进 行了数值模拟。在此基础之上，本文引入了利用光纤环行腔激光器进行时钟提取的静态 和动态模型，给出了详细的求解步骤，并利用仿真工具m a t l a b 进行了数值仿真，分 析了不同参数下进行时钟提取的不同特性。 + 为提取不含时钟分量的非归零差分相移键控( n i 屹d p s k ) 调制信号的时钟，在光 纤环行腔中加入一个延时干涉装置( d i ) ，n r z d p s k 调制信号进入环形腔后，首先通 过d i ，转变为强度调制信号，然后再通过腔内的s o a ，由于s o a 的交叉增益调制，对 腔内产生的光信号产生调制，而调制之后的腔内光信号将在环形腔内反复受到调制，最 终得到锁模输出的时钟信号。 关键词：全光时钟提取；光纤环行腔激光器；不归零差分相移键控调制； 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t t h eo p t i c a ls i g n a li sd e g r a d e db e c a u s eo ft h ed i s p e r s i o na n dn o n l i n e a re f f e c t sd u r i n g t r a n s m i s s i o n a l l - o p t i c a l3 r ( r e a m p l i 蛳n g ，r e - s h a p i n g ，r e - t i m i n g ) i s t h e v e r y t e c h n o l o g yd e v e l o p e dt os o l v et h i sp r o b l e m t h ea l l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r yi st h ek e yo f a l l o p t i c a l 3 rw h i c he x t r a c t s l o w - j i t t e r ，h i g hs n ro p t i c a l c l o c kp u l s ef r o mt h e d e t e r i o r a t e ds i g n a l w i t ht h ei n c r e a s eo nt h ed a t ar a t e ，s p e c t r a le f f i c i e n c ya n dt r a n s m i s s i o n d i s t a n c eo fs i n g l ec h a n n e ld a t ar a t e ，t h ed i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ( d p s l qs i g n a lh a s b e e nw i d e l yu s e di no p t i c lc o m m u n i c a t i o n a n ds o ，i t si m p o r t a n tt os t u d yo nh o wt oe x t a c t c l o c kf r o mn r z d p s k s i g n a l t h ef i b e rr i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e ru s e si n j e c t e do p t i c a ls i g n a lt oa c h i e v eh a r m o n i c m o d e l o c k i n g ，a n di th a sv e r yi m p o r t a n tf u n c t i o n si nt h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，s u c ha s u l t r a - s h o r tp u l s eg e n e r a t o r ，a l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，a l l - o p t i c a lc l o c kr e c o v e r y a n ds oo n f i r s t ，w cs t u d y e dt h et h e o r e t i c a lm o d e l so ft h es e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ) ，w h i c hi st h ek e yp a r to ft h ef i b e rr i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e r t h e n ，t h en u m e r i c a l m o d e l so ft h ef i b e rr i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e ra r ea l s oe s t a b l i s h e dw h i c ha r eb a s e do ns o a m o d e l a f t e rt h a t ，w es i m u l a t et h ec l o c ke x t r a c t i o nf r o mt h er z - o o ks i g n a lu s i n g m a t l a b t oe x t r a c tt h ec l o c kc o m p o n e n tf r o mt h en r z - d p s ks i g n a l s ，w ea d dad e l a y i n t e r f e r e n c ed e v i c e ( d i ) i nt h ef i b e rr i n g t h en r z - d p s ks i g n a l sa r ec h a n g e di n t o i n t e n s i t y - m o d u l a t e ds i g n a l a f t e r p a s s i n gt h r o u g h t h ed i ，a n dt h ec h a n g e ds i g n a l m o d u l a t e dt h ei n n e ro p t i c a lp u l s ep e r i o d i c a l l y a tl a s t ，w eo b t a i nt h eo p t i c a lc l o c kp u l s e k e yw o r d s ：a l l o p t i c a lc l o c kr e c o v e r y ；t h ef i b e rr i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e r ；d p s k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 近二十年来，对带宽的迫切需求，推动了通信技术的飞速发展。一方面，波分复用技 术大大提高了光纤的利用率n 捌；另一方面，单波长信道的传输容量也越来越大b 1 。这为 高速大容量的宽带综合业务的传输提供了有效途径。而传输容量的飞速增长带来的是对 交换系统的压力。基于波长路由概念发展起来的全光通信网正是为缓解这种压力而诞生 的。在全光网络中，光开关、波长变换、解复用、上下路、光交叉连接等技术都在光域 中完成晒1 。因而和点到点的波分复用系统相比，全光网具有对业务和传输速率透明的特 点，而且由于它的动态路由选择能力，使得网络更灵活、更可靠。正因为这些优点，全光 网被认为是网络升级的优选方案，是未来光通信发展的趋势。但是在实际的高速光通信 网中，由于以下的一些原因，会导致光信号的恶化，其中主要原因有： 1 、光纤及光学元件的群速度色散导致光脉冲信号展宽。刀。 2 、光纤的偏振模色散导致光脉冲展宽。传输速率越高，影响越严重瞎3 。 3 、光网络中大量使用的光纤放大器自身的自发辐射噪声积累。 4 、在光纤中色散效应和克尔非线性效应四1 的共同作用下，a s e 噪声还将转化为光信 号的时间抖动。 5 、光网中各信道间的非线性交叉相位调制和波长转换元件的有限响应时间也将导 致光信号的时间抖动。 在以上各种恶化因素的共同作用下，光信号的码型恶化，消光比、信噪比下降，时 间抖动增加，从而导致通信的误码率增加，可靠性下降，传输距离降低。在一个大规模 的、动态路由的高速光网中进行全光3 r ( r e a m p l i f y i n g ，r e s h a p i n g ，r e t i m i n g ) 再生是 克服这些问题的一种行之有效的解决方法u 叫引。 图1 1 全光3 r 再生示意图删 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 而从全光3 r 再生系统各功能单元上看，全光时钟提取单元负责从恶化的数据信号 中提取出低抖动、高信噪比的时钟脉冲。因而时钟提取技术是全光3 r 再生技术的关键 之一。 同时，随着单信道传输速率、系统频谱效率和传输距离的不断增加，d p s k 调制信 号的传输性能和应用引起了人们的关注。与传统的o o k 调制信号相比，d p s k 调制信 号有很多优势，最显著的优点是在相同的误码率下，对光信噪比的要求低了3 d b t l 4 1 ，这 样可以用来延长传输距离、降低对光功率和光器件的要求。同时由于d p s k 接收机采用 平衡检测，判决门限不依赖于输入光功率，因此使用d p s k 调制信号对光功率的抖动的 容限更高。另外，d p s k 调制信号受非线性效应的影响更小副，这是因为d p s k 调制信 号光功率的分布更加分散，这样可以降低和码型相关的非线性影响，而且在同样的平均 功率下，d p s k 调制信号比o o k 调制信号的峰值功率要低3 d b 。由于以上原因，在d w d m 系统中，d p s k 调制信号已经得到了广泛的应用。 但是，与传统的o o k 调制信号带有强烈的时钟分量不同，n r z d p s k 信号在理论 上是不存在时钟分量的，因此无法直接从中提取出有用的时钟信号。这也为全光时钟提 取带来了新的挑战。 1 2 研究现状 1 2 1 目前报道的几种全光时钟提取方案 与电时钟提取技术相比，全光时钟提取技术还远未达到成熟的地步，但由于其在未 来全光通信网络中的重要作用，因此近十年来全光时钟提取技术一直是国内外的研究热 点之一。根据国内外的相关报道，目前全光时钟提取技术主要有以下几种方案。 1 、基于法布里珀罗谐振腔的时钟提取 法布里一珀罗谐振腔是一种梳状滤波器。基于法布里一珀罗谐振器的被动谐振回路， 具有结构简单、捕获时间短等特点，它利用一个无源法布里一珀罗谐振腔从光信号中提 取时钟成分。目前有实验报道称已完成4 0 g b p s 时钟提取u 们。 2 、利用自脉动激光器的时钟提取 自脉动现象是指半导体激光器在注入电流保持不变时其光功率发生周期性变化 1 7 - 1 9 。自脉动d f b 激光器是一种比较先进的时钟提取装置。激光器共分为三段，分别 为增益区，调相区和反射区，并在两端镀减反膜。其中增益区工作在远超过激射阈值的 大电流条件下，对激光器提供增益。反射区工作在透明电流附近，没有明显的吸收和增 益，可以忽略光子与载流子的相互作用。这个区相当于一个布拉格反射镜，有选择的反 射不同的波长，决定激射模式。调节反射区工作电流可以调整反射谱曲线。相位调制区 不含光栅层和工作物质层，通过调节此区工作电流可调节光信号的相位，改变激射波长。 当将自脉动激光器用于时钟提取时，注入的光信号将会和自脉动过程一起，对激光 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 器的载流子密度产生调制，这一相互作用将使得自脉动脉冲和光信号脉冲最终形成同 步，从而达到时钟提取的目的。目前，自脉动激光器时钟提取已经应用于4 0 g b p s 的3 r 全光再生2 。 3 、基于半导体锁模激光器的时钟提取 锁模技术是时钟提取最常用的技术之一。锁模技术是将多纵模输出的激光束，经过 特殊的调制，使数个纵模之间具有确定的位相关系，相互叠加后形成窄脉冲输出。时钟 提取采用注入锁模技术，即利用注入的光信号对激光器形成调制，产生锁模光脉冲输出。 基于半导体锁模激光器的时钟提取方案主要是利用饱和吸收区和增益区的相互作 用，输入的光信号通过饱和吸收区对腔内的光进行调制，当激光器的腔基频与复用的高 速数据信号的速率相配时，就可以实现时钟提取啦也6 】。图1 2 给出了一种波长可调的半 导体锁模激光器的时钟提取结构图呓刀。 图1 _ 2 半导体锁模激光器时钟提取示意图 4 、基于锁模光纤环形腔激光器的时钟提取 早期光纤锁模激光器利用光纤的非线性注入锁模眩引，当前则主要利用非线性光学器 件注入锁模。非线性器件可以是s o a ，超快非线性干涉仪眩卯等等。目前研究较多的一 种是基于s o a 的注入锁模光纤环激光器。它主要是利用s o a 的交叉增益调制和交叉相 位调制特性。通过环形器将数据信号注入到半导体放大器中，当腔长匹配时，激光器模 式锁定，输出与信号光同步的时钟信号。得到高重复速率、波长可调谐的时钟脉冲输出。 1 2 2 基于s o a 的光纤环形腔激光器的研究现状 锁模光纤环形腔激光器是一种用途广泛的激光器，根据增益介质的不同，可以将光 纤环形腔激光器大致分为掺饵光纤环形腔激光器和基于s o a 的光纤环形腔激光器两类。 与掺饵光纤环形腔激光器研究一直受到人们的关注不同，基于s o a 的光纤环形腔激光 器的研究相对较少，国内对此研究得较多的是华中科技大学和清华大学。基于s o a 的 光纤环形腔激光器由单模光纤、s o a 、光隔离器、偏振控制器( p c ) 、光耦合器等元器 件构成，如图1 3 所示。s o a 作为腔中的增益介质，单模光纤则用于保证激光器的单模 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 输出。根据理论分析和实际应用的需要，还可以在环形腔中加入其它元器件。比如为了 提取注入光信号的时钟信息，在环形腔中加入光纤延时线，精确调整环形腔的基频，使 环形腔的基频为注入信号速率的整数分之一，便可形成谐波锁模，通过耦合器引出， 可以得到光时钟信号。 图1 3 光纤环形腔激光器时钟提取示意图 输出光信号 根据己有文献报道，目前基于s o a 的光纤环形腔激光器主要用于实现窄线宽、宽 调谐范围的单纵模输出3 ，超短光脉冲锁模激光输出3 1 。到，多波长锁模激光输出1 ， 全光波长转换3 5 1 ，全光逻辑门3 6 3 以及全光时钟提取3 7 4 2 1 等方面。 1 2 3n r z d p s k 调制光信号的时钟提取研究现状 由于n r z d p s k 调制信号在理论上是不存在时钟分量( 在实际系统中也只存在着 极弱的时钟分量) ，因此本章第一节所介绍的时钟提取方案均不能直接用于n r z d p s k 调制信号。从国内外的报道来看，目前针对于n r z d p s k 调制信号的时钟提取的研究 并不多见。因此如何提取n r z d p s k 调制信号的时钟具有较强的研究意义，根据目前 报道的实验阱捌来看，n r z d p s k 调制信号的时钟提取方法基本上是利用一个码型转换 装置，先将n r z d p s k 调制信号转换为伪归零信号，然后再进行时钟提取。而构成码 型转换装置则有延时干涉仪( d i ) h 3 】、保偏光纤哺仞、布拉格光纤光栅删、单模光纤5 1 等多种方式。图1 4 给出t n 用单模光纤作为码型转换装置的实验结构图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图卜4n r z d p s k 信号时钟提取实验装置图阱5 1 从图中可以看出，从d f b l a s e r 出来的n r z d p s k 调制信号在进入环形腔激光器 进行时钟提取之前，先经过了一段1 0 2 0 k m 的单模光纤，利用单模光纤中的相位调制一 幅度调制( p m a m ) 转换效应弭刀，将n r z d p s k 调制信号转换为幅度调制信号，从而 实现n r z d p s k 信号的时钟提取。 1 3 论文主要工作 本文主要研究光纤环形腔激光器的一些特性以及基于光纤环行腔激光器的 n r z d p s k 调制信号的时钟提取。 本文分为四章，结构安排如下： 第一章：介绍论文的研究背景及研究意义，回顾全光3 r 再生的关键技术之一全光 时钟提取的主要方法，说明光纤环形腔激光器目前的研究现状，介绍n r z d p s k 信号 时钟提取最近的研究进展，给出论文的主要工作。 第二章：对光纤环形腔激光器的关键器件半导体光放大器的基本理论进行介绍，包 括其载流子浓度方程，传输方程。重点对半导体光放大器的交叉增益调制进行了数值模 拟分析。 第三章：对光纤环行腔激光器的结构和原理进行了分析，重点介绍了光纤环行腔激 光器动态模型的求解方法。并在此基础之上，对利用光纤环行腔激光器进行时钟提取进 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 行了数值模拟，分析了其在时钟提取应用上的特性。 第四章：首先对n r z d p s k 调制信号的产生进行详细的说明和数值模拟分析，然 后给出了一种基于马赫曾德干涉仪的n r z d p s k 信号到r z o o k 信号的转换装置，并 对转换后的r z o o k 信号进行了时钟提取的模拟计算。最后，通过模拟计算，给出了一 种不需要码型转换的n r z d p s k 信号的时钟提取方式。 论文结尾部分是总结与展望、致谢、参考文献和攻读硕士学位期间发表的论文。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章s o a 的理论分析及交叉增益调制研究 2 1s o a 的基本方程 s o a 是利用半导体材料的受激辐射放大机制，实现相干光放大的器件。其工作原理 是由外部进入增益介质的光子所引起的受激辐射与放大。 s o a 有源区内载流子浓度的速率方程和光功率传输方程是描述s o a 特性的基本方 程。下面以信号光和参考光同向进入s o a 为例，介绍s o a 的基本方程。如图2 一l 所示， p l i l l 代表信号光输入光功率，p 2 i n 代表参考光输入光功率，p l 咖代表信号光输出光功率， p 2 础代表参考光输出光功率。 s o a p 。二一 p9 n l l 十 图2 - 1s o a 光信号同向输入模型 2 1 1s o a 的载流子浓度方程 在忽略放大自发辐射噪声的情况下，s o a 有源区载流子浓度方程为4 8 】： o n ( z , t ) ：三一型幽一墨! 盥型：苎! 墨堕! 一g e n ( z , t ) , a p 2 ( z , t ) ( 2 1 ) o te v t h v a , f fh v a , f f 其中：n ( z ，t ) 表示s o a 有源区内部位置z 处、时刻t 的载流子浓度；1 为s o a 的偏 置电流；p 为电子基本电荷量；矿为有源区体积；t 为载流子复合寿命；g 。【( z ，f ) ，棚是 对应信号光波长的材料增益系数；日( z ，t ) 是信号光在有源区内部位置z 处、时刻t 的光 功率；彳够为有源区横截面的面积；j i l ，是对应波长的光子能量；9 2 n ( z ，f ) ，名】是对应参 考光波长的材料增益系数；( z ，f ) 是参考光在有源区内部位置z 处、时刻t 的光功率； 其中猷( z ，f ) ，a 】( i 一1 ，2 ) 是对应特定波长的材料增益系数，描述光波沿s o a 纵向z 传播 方向上某一点的增益情况可用蜀【( z ，f ) ，允 ( i = 1 ，2 ) 的经验公式来表示： i n z , t 伽= 觜 ( i = 1 ，2 ) ( 2 - 2 ) 一一 只 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 式中厂为模式限制因子；以为微分增益系数；是载流子浓度；d 为透明载流 子密度；p ，为饱和输出功率；p ，( z ，f ) ( i = 1 ，2 ) 为信号光及参考光的功率；h i ( i = l ，2 ) 是描 述增益分布的参量： q 2 而万1 丽讶 i = 1 ，2 2 - 3 ) 式中丑( i - l ，2 ) 分别代表信号光和参考光的波长；凡是增益系数的中心波长；2 q 是增益系数的半值全宽。 2 1 2s o a 的传输方程 从波动方程可推导出s o a 中慢变化场振幅的传输方程： 掣+ 瓦1 掣= 圭 g ( z , t ) o - i a h r ) ( 2 - 4 ) 其中：a ( z ，t ) 为慢振幅变化；v g 是群速度；a 为线宽增强因子，它反映由载流子浓 度变化而引起折射率改变和增益改变的关系；a i m 为s o a 的内部损耗系数。 式( 2 4 ) 就是忽略了兰阶非线性效应s o a 中的基本传输方程，引入运动坐标系可以将 式( 2 - 4 ) 简化为： o a ：( z 一, t ) ：l g ( z ，f ) ( 1 一f 口) 一。】么( z ，f ) ( 2 5 ) 必 将光脉冲的振幅和相位分离，可将a ( z ，t ) 写成： a ( z ，f ) = 而e x p 矽( z ，f ) 】 ( 2 6 ) 式中p ( z ，t ) 代表功率，9 ( z ，t ) 代表相位。将其代h ( 2 4 ) 式并分离实部虚部得： o p _ ( - z , t ) ； g ( z ，f ) 一i 1a i t 】p ( z ，) ( 2 7 ) d z：z 了o q k ( z , t ) ：i 1a t g ( z ，f ) ( 2 8 ) g 2z 2 2s o a 的分段模型 由于s o a 有源区内部载流子分布的不均匀性，为了准确模拟光波在s o a 内部播情 况，通常采用分段模型h 9 1 来进行数值模拟。如图2 1 所示，将有源区长为l 的s o a 均 匀地分成n 小段，每段长度为a z = a l ，光信号在每段的传输时间为：a t = a z v g 。当n 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 足够大时，可以近似地认为每一小段内部载流子浓度沿长度方向是均匀分布的，不随空 间坐标变化。 p l , 0 0 )p l ，1 0 )p l ，2 g )p l h ( 0p u p l ，扣1 0 ) p 1 , n 0 ) + + - - _ i 卜+ + l 、， 一与工、广，一l ，一、一， 一 i l 2 3s o a 的交叉增益调制 寸卜+ + 图2 - 2s o a 的分段模型 多束光同时入射s o a 时，每一束光的增益都受到其他入射光强度的影响，这种增 益变化即s o a 的交叉增益调制效应。根据式( 2 1 ) ，光束注入s o a 中会引起s o a 有 源区内载流子的密度变化，进而导致s o a 的增益变化。某一束光和经过s o a 的其它光 束之间会相互引起增益变化，并且根据光束功率的不同引起不同的输出变化，实现各光 束之间相互调制。 此外，在载流子密度变化产生交叉增益调制效应的同时，还会导致与载流子密度有 关的折射率的变化，引起各光波传输相位上的变化，即各束光之间的相位调制，称之为 交叉相位调制效应。为分析方便起见，在本文的讨论中，将只考虑半导体光放大器的交 叉增益调制。下面，就以信号光和参考光同向传输的情形为例，分析s o a 的交叉增益 调制效应。 如图2 2 所示，s o a 的长度为l ，把其沿着光传输的方向( 设为z 方向) 均分成n 段， 则每段的长度a l = l n 。在划分的每小段中，可认为载流子浓度沿长度方向保持不变( 下 面以第j 段s o a 为例进行分析) 。 设第j 段s o a 的平均载流子浓度为，( ，) ，并设经由第j 段s o a 输出的光功率为 p ( f ) ( 其中，i = 1 ，2 分别表示信号光与参考光；j = 1 ，2 ，3 ，n 表示分段序号) 。对于第j 段s o a ，设信号光或参考光在此段中的平均光功率为pu ( f ) ，pu ( f ) 可表示为： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 删2 壶，置川( 咖x p j 慨 丙几) 】_ 冲) 出 2 焘j - ( 咖x p m ( f ) 】一】z ) 出 = 而g f , j - 1 ( f ) ( 2 - 9 ) 式( 2 9 ) 中，q ，= e x p 【毋 ( f ) 卜口i n t 】缸) ； g f n j ( t ) f f r 3 第j 段s o a 的增益系 数，口“为内部损耗。 同时由式( 2 1 ) 可知，第j 段s o a 的平均载流子浓度，( t ) 满足以下方程： _ o g ( t ) ：in i ( t ) 一壹辈掣张f ) ( 2 - 1 0 ) a fe v t篙五q 如 。 且经由第j 段s o a 输出的光功率p u ( ，) 满足以下行波方程( 对于第j 段s o a ，下述方 程中z e 【( j 一1 ) a lj a l ，且p u ( f ) 是当鼻( z ，t ) i rz = j a l 时的t 的函数) ： 古掣+ 掣吨咖) 】- 口i t 2 ) 脚) ( 2 1 1 ) ( 2 1 1 ) 式中，v g 为群速度，p l ( z ，f ) 为信号光或参考光的功率。 求解平均载流子浓度以及( 2 1 0 ) 式和( 2 1 1 ) 式的计算步骤如下：从第一段s o a 开始，可以知道输入信号光p i ( f ) 和参考光p ：。( f ) ，把信号光和参考光代入到( 2 9 ) 式, o 中，再把( 2 9 ) 式代入( 2 1 0 ) 式，那么微分方程( 2 1 0 ) 式就变成只含一个未知数l ( t ) 。 对此微分方程用四阶龙格库塔法进行数值求解，即可得到第一段s o a 中平均载流子密 度丽( f ) 随时间变化的情况。进而把求得的平均载流子密度l ( f ) 代入( 2 1 1 ) 式就可 求得信号光和参考光通过第一段s o a 之后的信号光功率p1 1 ( f ) 和参考光功率p2 , 1 ( f ) ， 这个p 1 ) 1 ( f ) 和p2 , 1 ( ，) 又可以作为第2 段s o a 的输入光，依此类推就可以得到最终s o a 的输出p 。一( f ) 和p ：，。( f ) 。表2 - 1 给出了数值计算中所用到的半导体光放大器的物理常数： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 表2 1 数值计算中所用到的半导体光放大器的物理常数 参数符号数值描述 t 2 5 0 x1 0 一坨s - 1载流子寿命 d 0 1 5 i o n有源区厚度 w 2 0 o n有源区宽度 l 5 0 0 1 t m有源区长度 r0 3模场限制因子 n o 1 1 1 0 1 8 锄一3透明载流子密度 以 2 5 1 0 1 6 c m 2 微分增益 1 5 5 0n l l l 信号光波长 如 1 5 3 01 1 1 1 1 参考光波长 厶 1 5 5 0 n n l透明峰值增益波长 2 q 6 0 h i l l 增益系数的半值全宽 n t 4 0c i i l l内部损耗 ，量 7 5 x1 0 7 m s 一1群速度 i1 0 0 m a注入电流 1 、不同输入信号光功率下，载流子浓度在各段中的分布图( n l 曲线) 图2 3 沿着信号光和参考光传输方向，s o a 中的载流子密度变化图 最= o 0 1 m w , 只= 8 朋 ，e u 、 ll价c卫1mlj1mu 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 从图2 3 可以发现，在信号为“0 时，s o a 中的初始光功率小，因而载流子密度 相对比较高；在信号为“1 时，s o a 中的初始光功率比较大，于是载流子浓度相对比 较低。随着光在s o a 中的传输和放大，s o a 中的载流子不断被消耗。由于“1 ”信号功 率要强于“0 信号，相比之下，“1 信号得以迅速放大，载流子密度变化幅度较“0 ” 信号要明显些。 2 、s o a 对参考光的增益曲线( 9 2 - l o t 线) 如图2 4 所示： e u 、 捆 卿 g 求 押 榔 - 7 - 瓮 o c 厅 图2 _ 4 沿着信号光和参考光传输方向，s o a 对参考光的增益图 昱= 0 0 1 m w , 只= 8 r o w 观察图2 - 4 可以发现，由于“1 ”信号功率强于“0 信号，所以“1 信号消耗的 载流子相对要多一些；故在“1 ”信号情况下，参考光所获得的增益要比在“0 信号的 情况下小一些。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 3 、s o a 对信号光的增益曲线( g l 一曲线) 如图2 5 所示： e u 、 相 粤 譬 爿之 口l p 磐 却 瓮 o c ，】 s e c t i o n 图2 - 5 沿着信号光和参考光传输方向，s o a 对信号光的增益图 最= o 0 1 m w , 只= 8 m 肜 观察图2 5 可以发现，由于“1 信号功率强于“o ”信号，所以“1 ”信号消耗的 载流子相对要多一些；故在“1 信号情况下，信号光所获得的增益要比在“0 信号的 情况下小一些。 4 、s o a 中各段的参考光功率图( 乞胁一三曲线) e 、 苗 ； 昱 号 n l - - 图2 - 6 沿着参考光传输方向，各段的参考光功率 只= o o l m w , e = 8 册矿 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 如图2 - 6 所示，沿着参考光传输方向，参考光不断得到放大；且当信号光取“0 信 号时的参考光功率要大于当信号光取“1 信号时的参考光功率，这是由交叉增益调制 效应所决定的。 5 、输入正弦信号时s o a 的交叉增益调制 图2 - 7 输入信号光为正弦信号情况下，输出参考光情形最= o 0 1 m w ( a ) 输入正弦信号的波形 ( b ) 输入参考光的波形 ( c ) 输出参考光的波形 之一e、j9；olncl u l ibc旦m、；e、j。oa l n n u l mqojd之一e、j搴；o c i l n d 1 ) o o 丑o j d 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 6 、输入二进制码流时s o a 的交叉增益调制 e 、 苗 ； & _ 孟 三 i 三 丽 葛0 0 5 ； o 厶 o 3 q e 0 5 m d 图2 8 输入信号为二进制码流时，输出参考光情形e = o 0 1 m w ( a ) 输a - - 进制码流的波形 ( b ) 输入参考光的波形 ( c ) 输出参考光的波形 观察图2 7 和图2 8 可以发现，参考光在与信号光一起通过s o a 后，其波形发生了 明显的变化，带有了信号光的信息。这是由s o a 的交叉增益调制效应所决定的。 2 4 本章小结 s o a 是注入锁模光纤环形腔激光器的关键器件，本章介绍了半导体光放大器的基本 方程，并利用半导体光放大器的分段模型，对s o a 的交叉增益调制效应进行了详尽的 分析和数值模拟，为下文对注入锁模光纤环形腔激光器进行分析提供了理论准备。 e、葛；oq芎dlno三ojd o k 盘 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 ，弟r z v 3 章基于光纤环形腔激光器的时钟提取模型 3 1 光纤环形腔进行时钟提取的结构及原理 注入锁模光纤环行腔半导体激光器如图3 i 所示，它是由s o a 、可调谐滤波器 ( o b p f ) 、光隔离器、可调光延迟线( o d l ) 以及耦合器组成的环形腔。 r e c o v e r e dc l o c k 图3 1 基于光纤环行腔激光器时钟提取的结构示意图 环行腔中的s o a 提供增益，滤波器的中心波长为九l ，当s o a 的增益大于环形腔的 损耗时，环行激光器产生波长为九l 的激光。光隔离器的作用是使得环内光信号单向循环。 光延迟线的作用是精确调节环长，使腔内激光达到谐波锁模。外界光信号通过w d m 耦 合器注入到s o a 中。提取的时钟通过一个1 0 ：9 0 耦合器输出。 当波长为如的归零码数据信号通过w d m 光耦合器注入到s o a 中时，消耗s o a 的 载流子，从而对s o a 的增益产生周期性调制，并影响s o a 的折射率，使得环内波长为 九l 的光每次通过s o a 时，振幅和相位都被调制，称之为交叉增益调制和交叉相位调制。 调节腔内光延时线，使环形腔的基频为注入信号速率的整数分之一，经过一定圈数的传 输后，腔内激光可形成谐波锁模，通过l o ：9 0 的耦合器引出，可以得到波长为九l 的光 时钟信号。 在没有外部信号光注入的情况下，光纤环行腔激光器可作为连续光激光器使用，在 外部光注入之前，腔内可以达到一个稳定的连续光输出状态。所在s o a 环行腔的模拟 中要分两个步骤进行。第一步建立环行腔的静态模型得到稳态解，然后在此基础之上加 入信号光，建立动态模型求解环腔的动态解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 3 2 光纤环形腔激光器的静态模型 在起始时，没有外部光输入，当s o a 的增益超过腔内总损耗u 时，产生一波长为 九l 的连续光，随着连续光九l 的不断放大，s o a 的增益逐渐降低，当增益等于腔内总损 耗u 时，腔内达到稳定，此时，腔内的稳定的关系式为： 圪o ) = e 叫( f ) ( 1 一“) ( 3 - 1 ) 其中p i n 表示刚刚耦合进入s o a 的功率，p 叫表示刚刚耦合出s o a 的功率，l o s s 为 环形腔的损耗。当p o u 。经过腔内的器件再次到达s o a 的时候，经过损耗后的功率与p i n 的差值的绝对值小于一个预先设定值t 0 1 时，表示腔已达到稳定。在计算中t o l 取值通常 为5 x 1 0 。具体计算流程如下图3 2 所示： 图3 2 计算腔内稳态输出功率流程图 利用s o a 分段模型求解p o m 的步骤如下，这里将s o a 分成n 段，并设空间变量 z = m h ( m 的取值将在下面给出) ，h 为空间步长，且满足下述关系：h = 三行，f = h v 尘。 1 先求初始载流子浓度： 0 ：i 一n o ( t ) ( 3 3 ) e v t 代入初始条件，得出0 ( f ) 值。 2 对m = l ( 即第一段s o a ) ，将设定的初始值p t 。作为p o ( t ) ，和o ( f ) 值一起代入方程： 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 e , ( _ t ) - _ p o ( t ) ： g 0 ( f ) 卜) 咒( f ) ( 3 - 4 ) 由以上方程可以求出第一段的波长为九l 的光的输出光功率鼻( f ) 。 3 将只( f ) 以及n o ( t ) 值代入方程： p i o ) 一壶e o ( ) e x p g n o ( d 卜】z 纰( 3 - 5 ) 由上面方程可以求得第一段九l 光的平均光功率。 4 将求出的平均信号光功率p - ( f ) 和o ( f ) 带入方程 哪m 州专一掣一锷确) ( 3 - 6 ) 由以上方程可以得出第一段的载流子密度。 5 当m = 2 ( 即第二段s o a ) 时将e ( t ) 值及川( f ) 代入第二步的方程求只( f ) 的值。 6 将h 的光功率e ( t ) 和1 ( f ) 值代入第三步的公式，求出平均信号光功率。 7 将平均信号光功率和l ( f ) 代入第四步的方程，求得第二段的载流子密度。依次 类推，求出各段的载流子密度，输出光功率。 8 当m - - - n ( 即最后一段s o a ) 时，求出的输出光功率只( t ) 即为p o i l t 。 通过以上步骤，可以得到s o a 环形腔的动态模型中所需要的稳态的初始值，其中 动态模型中所需要的值为环腔中的稳态功率作为探测光的功率，以及每一段s o a 的初 始载流子浓度作为动态模型中的初始载流子浓度。 3 3 光纤环形腔激光器动态模型分析 当得到了无外界泵浦光注入s o a 环形腔时的输出功率p l 以及s o a 各段载流子浓度 的初始分布之后，接下来考虑当泵浦光进入s o a 环形腔之后动态的情况。 将泵浦光功率p 2 i n 和在此之前算出的环形腔激射的探测光功率p l i i l 一起作为初值代 入s o a 分段模型中，代入初始每段s o a 载流子的浓度，可算出泵浦光和探测光通过 s o a 之后的功率，以及每段载流子浓度的更新值。环形腔中存在滤波器，其中心波长错 开泵浦光波长，从而在腔中滤出泵浦光，确保泵浦光只是一次性的调制作用，不会由环 腔再次到达输入端，而且滤波器对探测光进行波长选择。类似于求环形腔静态解，探测 光经过完整的s o a 放大之后受到环形腔的衰减，然后将这个衰减后的光功率和p 2 i n 一 起作为初值，作下一圈的运算。由此可计算出探测光第二次通过s o a 后的功率。如此 反复循环下去就可以求得探测光在环形腔中多次传输后的结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 3 3 1 行波方程的差分( 离散) 化 对于行波方程式( 2 2 3 ) ： 一o n i ( t ) ：土n j ( t ) 壹业掣础f ) o te v l篇h v , 如 。 可采用向前差分法对其作离散处理。现将s o a 分成n 段，并设空间变量z = m h ， 时间变量t = k r ( 1 7 l ，七的取值将在后面给出) 。其中，h 为空间步长，f 为时间步长；并 且，两者满足下述关系： h = 1 ，。fh = 叫 ( 3 - 7 ) 按照前面所作的假设对行波方程作差分处理可得： 。半e v 一半一砉雠础， 8 ， ff ，考哥j i l 峨厶 将上式化简并整理有： n j + i 州卅f 专一_ n j ( t ) 一砉背确) ) ( 3 - 9 ) 3 3 2 动态输入方程的求解 设环形腔腔长为h ，则探测光在环形腔内环行一圈的时间为0 ，则 tj = l f v i ( 3 1 0 ) 以0 为输入信号光的截止时间，并令产，f ；则k 的取值为l ，2 ，3 ，一班 的取值范围为1 ，2 ，3 ，s 。 对于给出的差分方程可通过以下步骤来求解： 1 、令k = l ，先求初始载流子浓度： o ：一i n o ( t ) ( 3 1 1 ) 代入初始条件，得出m o ( t ) 值。 2 、对m = l ( 即第一段s o a ) ，将上节求出的s o a 环形腔稳态功率作为探测光功率 只，。( f ) ，和信号光功率最，。( f ) 及o ( f ) 值一起代入方程： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 华_ g 0 ( f ) 】一蹦d ( 3 1 2 ) 由以上方程可以求出第一段的探测光和信号光的输出光功率鼻，。( f ) 只，。( f ) 。 3 、将探测光功率鼻，。( f ) ，和信号光功率最，。( f ) 及“( f ) 值代入方程： 砷) = 壶m 咖x p g 【删一咄) 出( 3 - 1 3 ) 由上面方程可以求得第一段探测光和信号光的平均光功率。 4 、将求出的平均探测光功率p l l ( t ) 和信号光功率p ：，t ( f ) 及n o ( t ) 带入方程 啪，一n o ( m c 专一警一喜锷砌 由以上方程可以得出第一段的载流子密度。 5 、当m = 2 ( 即第二段s o a ) 时将只，i ( f ) r ，。( f ) 值及l ( f ) 代入第二步的方程求 e ，：( f ) 弓，2 ( f ) 的值。 6 、将探测光鼻，。( f ) 和信号光最，。( f ) ，以及l ( f ) 值代入第三步的公式，求出平均信 号光功率。 7 、将平均信号光功率和1 ( f ) 代入第四步的方程，求得第二段的载流子密度。依 次类推，求出各段的载流子密度，输出光功率。 8 、当m 取值从1 到s 时，取k 值为2 ，输入信号发生变化，初始浓度也相应的发生 改变，成为k = l 时输入信号后的载流子浓度。然后m 继续取值，而后k 再循环， 最后输出随时间和空间的变化量。 3 4 光纤环形腔激光器的数值模拟 3 4 1 时钟信号的启动过程 在本节的数值计算过程中，半导体光纤环形腔激光器所采用的参数如表3 - 1 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 表3 1 数值计算中所用到的半导体光放大器的物理常数 参数符号数值描述 2 5 0