一種電吸收調(diào)制集成分布反饋激光器的研究

鄭 奇

(湖北民族學(xué)院 理學(xué)院，湖北 恩施 445000)

通信源具有高穩(wěn)定性好、易集成、體積小、脈沖周期小等特點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)代和未來(lái)的光通信系統(tǒng)的重要要求，高重復(fù)頻率、低抖動(dòng)的超短脈沖源能在單位時(shí)間里向更遠(yuǎn)的距離傳送更多的數(shù)據(jù)，它在光纖通信系統(tǒng)、光孤子傳輸系統(tǒng)、光時(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)、光存儲(chǔ)等方向有重要的應(yīng)用價(jià)值.分布反饋式半導(dǎo)體激光器DFB具有動(dòng)態(tài)單縱模窄線(xiàn)寬輸出和波長(zhǎng)穩(wěn)定性好兩大優(yōu)點(diǎn)，在目前的光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但隨著光通信向著超大容量、超高速以及光聯(lián)網(wǎng)方向的迅猛發(fā)展，高速調(diào)制下DBF存在著一定的調(diào)制頻移以及波形畸變.基于電吸收調(diào)制器(EAM)的光脈沖源具有調(diào)制簡(jiǎn)單，易同步，輸出脈沖周期小，性能穩(wěn)定，脈沖寬度在一定范圍內(nèi)可調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn).因此若將分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB和EAM實(shí)現(xiàn)單片集成[1]，將是通信用短光脈沖源比較理想的方案.目前，在超帶寬通信系統(tǒng)中基于EAM的光脈沖源已經(jīng)成功應(yīng)用，最近的相關(guān)報(bào)道表明，在重復(fù)率為40 GHz時(shí)，基于單一EAM可以產(chǎn)生小于4 ps的接近變換極限的高速超短光脈沖[2].作為光發(fā)射源，DFB和EAM組合方式的光脈沖輸出的時(shí)域波型接近于孤子波型，這一特點(diǎn)使得它非常適合于光時(shí)分復(fù)用(OTDM)光孤子傳輸系統(tǒng)[3].

1 理論模型及模型設(shè)計(jì)

可以采用圖1所示獲取短脈沖信號(hào)源的方式，其基本結(jié)構(gòu)基于電吸收調(diào)制器的EAL(electro-absorptionmodulator DFB laser)，當(dāng)給EAM加上適當(dāng)?shù)姆聪蛑绷?DC)偏置電壓和射頻(RF)正弦驅(qū)動(dòng)電壓后，分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器輸出的連續(xù)光(CW)經(jīng)過(guò)EAM時(shí)，將會(huì)受到外加正弦信號(hào)的調(diào)制作用.在EAM的非線(xiàn)性吸收特性，即隨著反向偏壓的增加的影響下，電吸收調(diào)制器對(duì)光強(qiáng)的吸收以接近于指數(shù)的形式增加，偏置電壓增大時(shí)，只有很小的光功率透過(guò).在與RF作用下會(huì)產(chǎn)生超短脈沖序列，此時(shí)正弦調(diào)制速率決定了輸出脈沖重復(fù)率，即兩者等同.輸出脈沖寬度由EAM調(diào)制器的吸收特性和外加的反向DC偏置信號(hào)VRF決定，而調(diào)制電壓通常情況下會(huì)低于鋸酸理調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電壓[4].

圖1 DFB-EAM集成產(chǎn)生短脈沖的結(jié)構(gòu)及原理圖Fig.1 DFB-EAM integrated produce short pulse the structure and principle of the figure

在很多情況下，把EAM作為解復(fù)用器時(shí)是把它當(dāng)做一個(gè)可用電信號(hào)靈活控制的光開(kāi)關(guān)，高速的OTDM數(shù)據(jù)流復(fù)用后輸入至EAM，在與輸入信號(hào)同步的RF正弦信號(hào)和DC偏置電壓作用下，EAM以RF信號(hào)的頻率作為重復(fù)率將一定寬度的時(shí)間窗口打開(kāi)，從而解復(fù)用了某一路具有基本速率的信號(hào).此時(shí)，RF信號(hào)的工作頻率與OTDM系統(tǒng)的基本速率相同.

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于EAM解復(fù)用窗口特性主要由外加反向偏置電壓和正弦調(diào)制電壓的幅度所決定，二者幅度的相互大小將直接決定窗口透過(guò)率、消光比、窗口寬度等，解復(fù)用器本身性能會(huì)受這些參數(shù)的直接影響.在此同時(shí)，因?yàn)镺TDM信號(hào)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸后會(huì)有一定的抖動(dòng)，脈沖的時(shí)間抖動(dòng)會(huì)在解復(fù)用過(guò)程中表現(xiàn)為輸出信號(hào)的強(qiáng)度變化，這會(huì)最終影響到信號(hào)接收時(shí)的誤碼率.因此，在該過(guò)程中必須同時(shí)考慮解復(fù)用器本身窗口特性及時(shí)鐘抖動(dòng)二者的影響，為了達(dá)到最佳解復(fù)用窗口，使接收信號(hào)的誤碼率最小，應(yīng)對(duì)EAM的解復(fù)用窗口特性進(jìn)行綜合性設(shè)計(jì).

出于減小光脈沖寬度的實(shí)際需要，可以采取將EAM級(jí)聯(lián)(Tandem Electroabsorption Modulators)起來(lái)使用的方法.在這樣的過(guò)程中，光信號(hào)會(huì)連續(xù)兩次通過(guò)EAM，其光脈沖寬度可以減小[5]，這顯然是實(shí)際需求期望出現(xiàn)的.另外，EAM還可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生高速的超短光脈沖的功能和作為高速光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)OTDM通信系統(tǒng)解復(fù)用的功能.在和TOAD(terahertz optical asymmetric demultiplexer)、非線(xiàn)性光纖環(huán)境(nonlinear opticalfiber loop mirror-NOLM)等基于交叉相位調(diào)制效應(yīng)的全光解復(fù)用器比較，EAM解復(fù)用器具有結(jié)構(gòu)緊湊性能穩(wěn)定的顯著優(yōu)點(diǎn)，在電時(shí)鐘控制下即可完成解復(fù)用功能，因此是一種更加接近實(shí)用化的高速開(kāi)關(guān)器件，在高速的OTDM系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用.除了可以產(chǎn)生高速超短光脈沖和解復(fù)用外，EAM在光信號(hào)處理方面也具有重要的應(yīng)用.基于EAM的光開(kāi)關(guān)可以作為相位鑒別器，用以組成高速的光電混合鎖相環(huán)，實(shí)現(xiàn)OTDM信號(hào)時(shí)鐘提取功能[6-8].單EAM的輸出功率可以看成是所加電壓的函數(shù)V：

I=I0exp{-(V/V0)n}

(1)

V=Vh+VRFcos(2πft)

(2)

I0是輸入電流(對(duì)應(yīng)輸入光功率)，V0是脈沖輸出時(shí)的偏置電壓，Vb是EAM的反向偏置電壓，VRF是射頻信號(hào)幅值、n是自然數(shù)通常取值為1～5.

當(dāng)T(V)取exp(-((值)/值)n)的T(V)，式(1)可以轉(zhuǎn)化成：I=I0T.

此時(shí)兩級(jí)聯(lián)多電平逆變器的輸出功率EAMS也可以被表示為：I=I0T1(V1)T2(V2).

這里T1(V1)、T2(V2) 分別是第一個(gè)和第二個(gè)EAM的光學(xué)透射率函數(shù).如果添加一個(gè)光學(xué)推遲兩EAMS之間的界限，輸出功率可表達(dá)成：I=I0exp{-[V01+VRF1cos(2πft+ΔΦ)/V01]n}exp{-[(V02+VRF2cos2πft)/V02]n}.

這里ΔΦ是光纖延遲線(xiàn)相對(duì)相位的改變.

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試和結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中使用EMA調(diào)制器脈沖串級(jí)系統(tǒng)，即一個(gè)可調(diào)的分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器(EXFO FLS-2600 b)結(jié)合兩級(jí)聯(lián)多電平逆變器EAM調(diào)制器，分別被放大(電氣放大器(SHF，100)，給系統(tǒng)輸入的20-GHz無(wú)線(xiàn)電頻率信號(hào)來(lái)自射頻發(fā)生器(型號(hào)：安捷倫E8257D).一個(gè)可調(diào)光延遲時(shí)間之間的界限是兩個(gè)EMA調(diào)制器用于延遲變化、調(diào)整)的時(shí)候從第一EAM光脈沖到達(dá)第二個(gè)EAM來(lái)產(chǎn)生短脈沖.使用一個(gè)50-GHz U2T光電探測(cè)器(XPDV2020R)測(cè)量輸出的激光脈沖流.使用安捷倫高速86100C示波器(70-GHz電子帶寬)來(lái)快速顯示雷達(dá)脈沖波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-5所示.

圖2 級(jí)聯(lián)EAM結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 雙EAM下脈沖寬度、上升時(shí)間與偏置電壓關(guān)系 Fig.2 Cascade EAM structure schematic drawing

圖4 雙EAM下產(chǎn)生的兩倍脈沖頻率波形圖 圖5 -0.8 V的偏置電壓下的脈沖圖 Fig.4 Cascade EAM produced two times pulse frequency Fig.5 -0.8 V bias voltage pulse figure

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)對(duì)20兆赫以下的信號(hào)進(jìn)行兩個(gè)EAM操作，當(dāng)常數(shù)n取3時(shí)，仿真波形表明當(dāng)相變?chǔ)う凳?2k+1)π(k=1,2,…)時(shí)，輸出強(qiáng)度是最大強(qiáng)度的1/7；而輸出脈沖中，脈沖重復(fù)頻率從20兆赫上升到40兆赫；消光比已大于20 dB，輸出了FWHM約為5.8Ps的短脈沖光.

3 結(jié)論

級(jí)聯(lián)EAM的使用，使兩種不同信號(hào)：electroabsorption調(diào)節(jié)器信號(hào)和一個(gè)可調(diào)光延遲線(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生了一種雙頻光學(xué)短脈沖序列，具有40 GB脈沖寬度，進(jìn)一步提高基于EAM的超短脈沖源的消光比(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示其已大于)和減小了脈沖寬度，光信號(hào)連續(xù)兩次通過(guò)電吸收調(diào)制器，因此可以有效地提高脈沖序列的消光比，并進(jìn)一步減小其占空比，輸出光脈沖的時(shí)域波型接近孤子脈沖波型 .

另外，在后續(xù)試驗(yàn)中將進(jìn)一步去尋找低時(shí)間抖動(dòng)和頻率啁啾方法；尋找減少pulsewidth、減小高反向偏置的電壓，減小光功率損失以及同降低了side-mode抑制比(SMSR)電吸收效果的原因.通過(guò)細(xì)致的實(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)和克服各種導(dǎo)致抖動(dòng)的不確定因素，減少系統(tǒng)的復(fù)雜性和對(duì)成本進(jìn)行控制，制成穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)性高的信號(hào)系統(tǒng).

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