增益開關激光器抖動抑制問題研究

鄭 奇

( 湖北民族學院 理學院，湖北 恩施445000)

現(xiàn)代光通訊方式的迅猛發(fā)展及普及，對于電－光轉換器件的要求也越來越高，作為光通信中最為主要的器件，激光器性能在一定程度上決定了通信的質量．在超大容量、超高速光時分復用(OTDM)網絡和通信系統(tǒng)中，只有消光比大、重復頻率高、脈沖窄、抖動小的光源才能滿足大容量高速率且誤碼率低的傳輸要求．增益開關半導體激光器由于具有體積小、結構簡單、重復頻率高且可調、通用性好、低成本和高穩(wěn)定性等特點，受到大家的廣泛關注，并從20 世紀80 年代末開始在全世界得到大量研究．由于增益開關激光器本身輸出的光脈沖序列存在著定時抖動和頻率啁啾大、脈沖寬度較寬、脈沖相位的相關性差等缺點，因此它在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中的應用就受到了限制［1］．但是，隨著消抖動技術和脈沖壓縮技術的不斷進步，增益開關激光器必將在未來高速乃至超高速光通信中發(fā)揮重要作用．

根據(jù)外注入激光速率方程，詳細分析研究了增益開關激光器產生脈沖、脈沖寬度優(yōu)化、抖動抑制以及重復頻率優(yōu)化的理論推導和數(shù)值模擬，從實驗上研究了不同重復頻率下調制電流與輸出脈沖寬度的關系、抖動抑制等半導體增益開關激光器的穩(wěn)定性問題．在增益開關條件下，產生的脈沖有較大的抖動和負啁啾等特點，為在實際的應用中得到能輸出低抖動、性能優(yōu)良的脈沖序列的通信用半導體激光器源．

1 理論模型

為了能從增益開關激光器中得到低抖動的脈沖，一般可采用兩種方案來抑制抖動，一種是自種子注入，另一種是外部種子注入．

圖1 半導體激光器部件的等效電路Fig．1 The equivalent circuit of semiconductor laser components

自種子注入是采用一種光學的辦法把輸出的脈沖光的一小部分反饋給半導腔內，使得腔內的載流子在注入的時刻，瞬間激發(fā)達到抑制抖動的目的．一般常用自注入的方法有:光纖光柵，外部環(huán)路，非線性環(huán)境［2］．該方法的特點必須讓外腔長度和內腔長度精確匹配．外部種子注入方法一般采用一個外部連續(xù)光源，使其輸出波長與產生脈沖的波長一致，從而實現(xiàn)注入連續(xù)光抑制抖動的目的．該方法可采用外部連續(xù)激光器［3］，也可利用光放大器的自發(fā)輻射噪聲加一個濾波器，采用回環(huán)注入抑制抖動［4］，但該方法結構復雜．

為了實現(xiàn)激光器長期的穩(wěn)定工作和較好的操作性，一般采用外部種子注入的方式，外注入單縱模運轉的速率方程如下:

外注入式抖動抑制單縱模速率方程:

其中:Δ(t)=Δωt－φ(t)為種子光和主激光器相位差，Δω 為兩激光器的角頻率之差，F(xiàn)s，F(xiàn)n，F(xiàn)φ是朗之萬噪聲項，Xs，Xn，Xφ高斯隨機變量，S(ti)，N(ti)分別是時間間隔Δt開始時刻的光子和載流子濃度．

時間抖動定義為電脈沖與光脈沖之間時間差的標準偏差，其數(shù)學表達式為:

表1 參數(shù)表Ta．1 Parameter list

其中:t0為接通延遲時間的平均值，ti為第i次延遲時間，為了減小隨機對結果的影響，N=1000．為了抑制抖動，實驗采用外注入單縱模運轉的速率方程(1)～(2)，同時為了模擬真實的實驗，分別在方程的載流子，光信號和相位項中增加了朗之萬噪聲項，見式(3)～(8)．

2 實驗及模擬

2．1 注入種子光、偏置電流與接通延遲時間的關系

接通延遲時間是注入電信號與產生光脈沖的時間差，在通信中接通延遲時間越短，系統(tǒng)的實時性越好，誤碼越低，研究這個特性是十分必要的．對注入種子光、偏置電流與接通延遲時間的關系進行研究分析時，采用的是在調制頻率為2．5 GHz，調制電流為45 mA，偏置電流為11 mA 條件下解方程組(1)～(3)得出數(shù)據(jù)．

數(shù)值模擬過程中發(fā)現(xiàn)，當注入功率由－60 dBm 增至－5 dBm 時，接通延遲時間約有15 ps 左右的變小發(fā)生(圖2)，這是由于注入種子光功率的增加，受激輻射更容易，提前了產生光脈沖的時刻，這方面文獻［5，6］已在實驗中證實．當注入功率不改變，而改變偏置和調制電流產生超短脈沖時，實驗結果顯示隨著偏置電流的增加，接通延遲時間是不斷增加的(圖3)，這表明了激光器最佳工作條件是在低偏置情況下．

圖2 接通延遲時間與注入功率的關系Fig．2 Relationship between delay time and injection power

圖3 接通延遲時間與偏置電流的關系Fig．3 Relationship between bias current and pulse width of jitter

2．2 注入種子光功率與脈寬抖動的關系

隨著注入種子光功率的增加(圖4)，抖動從1．6 ps 減小到0．5 ps 左右，圖6 是沒注入種子光時的脈沖圖形，其抖動約為6 ps 左右，圖5 為注入種子光功率為－22 dBm 時輸出圖形，抖動約為0．6 ps．

圖4 注入種子光功率與輸出脈沖寬度和抖動的關系Fig．4 Relationship between the output pulse width and jitter of injection seed light power

圖5 經種子光注入后輸出脈沖抖動情況Fig．5 Jitter after the seed light output pulse injection

這說明注入種子光對抑制抖動有明顯效果．但注入種子光在抑制抖動不是越大越好，圖4 中可看出，當注入功率增加到一定程度抖動不再減小反而增加，此時的注入光已是一種附加性噪聲．同時當注入功率增加到－35 dBm，脈沖開始展寬，具體表現(xiàn)為圖5 的脈寬要遠大于圖6 的，文獻［12］中指出外種子光的注入會降低激光器可實現(xiàn)的增益幅度，脈寬會隨之增加．因此實際中要調節(jié)偏置調制電流和注入功率，綜合考慮脈寬與抖動的關系使輸出脈沖質量最優(yōu)．本實驗的模擬結果很吻合文獻［7－8］中的試驗結果．

另外，在數(shù)值模擬時發(fā)現(xiàn)脈沖寬度和抖動對偏置電流比調制電流要敏感的多，僅稍微改變偏置電流的大小的改變就會引起脈沖寬度和抖動發(fā)生較大的變化，這是偏置電流對載流子濃度的影響比調制電流的影響大的原因［9－10］．圖7 顯示的情況為調制電流為34 mA、調制頻率為2．5 GHz 取值時，改變偏置電流的抖動脈寬圖．從圖7 顯示，在脈寬最小處，抖動有個突然的增加隨后又減?。@種現(xiàn)象文獻［11－12］在實驗中發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象，分析為可能原因是脈寬最窄處，同時也是載流子濃度變化最大處，導致了更大的不穩(wěn)定性．

圖6 注入前輸出脈沖抖動情況Fig．6 Jitter before the output pulse injection

圖7 偏置電流與脈寬抖動的關系圖Fig．7 Relationship between Bias current and pulse width of jitter

3 結語

從激光單模速率方程出發(fā)，附加尾隨機信號和注入種子光情況下，模擬了在特定頻率下，偏置電流、調制電流和注入種子光與輸出脈沖對抖動所產生的影響．同時得到在無種子光注入、不同的調制( 下轉第456 頁)于雙滯環(huán)電流矢量控制技術的電流調節(jié)器具有硬件結構簡單，僅需測量轉子電流的瞬態(tài)值，變換器的門信號直接用開關表產生，取消了傳統(tǒng)PI 控制的調制單元，使其具有內在的電流限制屬性、非常快的動態(tài)響應速度和優(yōu)良的參考電流跟蹤能力，且對系統(tǒng)參數(shù)變化具有很強的魯棒性，具有一定的商業(yè)化應用前景．

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