基于半導(dǎo)體光纖環(huán)形腔激光器的全光廣播式超寬帶信號源

趙贊善 李培麗

1)(中國科學(xué)院聲學(xué)研究所南海研究站,?？?570100)

2)(南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院,南京 210023)

提出一種新型的基于半導(dǎo)體光纖環(huán)形腔激光器(semiconductor fiber ring laser,SFRL)全光超寬帶(ultrawideband,UWB)信號源的方案,該方案可以同時產(chǎn)生3路高斯脈沖一階導(dǎo)數(shù)脈沖(monocycle)UWB信號.建立了這種全光UWB信號源的寬帶理論模型,通過數(shù)值模擬的方法研究SFRL中的半導(dǎo)體光放大器(semiconductor optical amplifier,SOA)的注入電流、激射光波長、輸入信號光功率和波長對monocycle信號性能的影響.結(jié)果表明: SOA的注入電流在200—220 mA時可以獲得對稱性較好的monocycle脈沖; 輸出monocycle脈沖平均功率和正、負脈沖振幅隨激射光波長增加而增加; 較低的輸入信號光功率可以獲得性能較好的monocycle信號; 輸入信號光波長對輸出monocycle信號有一定的影響,但影響很小.

1 引 言

超寬帶(ultra-wideband,UWB)射頻技術(shù)是一種短距離無線傳輸技術(shù),具有高速率、低功耗和低成本的優(yōu)點[1],但其發(fā)射功率受限制,傳輸距離一般限制在幾米到幾十米.為了克服這個不足,人們提出了在光纖中傳輸UWB信號(UWB-over-fiber)的技術(shù),并開始研究光學(xué)產(chǎn)生UWB信號的技術(shù).

高斯脈沖的一階導(dǎo)數(shù)(monocycle)、二階導(dǎo)數(shù)(doublet)及高階導(dǎo)數(shù)因為沒有直流分量,只要在時域上選擇合適的脈沖寬度就能得到符合美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission,FCC)定義的UWB信號頻譜.利用調(diào)制出的極性相反、時間相對延遲的脈沖疊加,形成高斯脈沖的導(dǎo)數(shù),從而獲得UWB信號[2-13],文獻[14]利用高斯脈沖在半導(dǎo)體光放大器(semiconductor optical amplifier,SOA)中傳輸峰值向前傾的特點,兩個極性相反的脈沖直接疊加不會全部抵消,從而形成monocycle信號,由于極性相反的脈沖由不同波長光承載,傳輸一段距離后會因色散發(fā)生形變; 利用相位調(diào)制和頻率鑒別器相結(jié)合,通過選擇合適的波長獲得各種高斯脈沖的導(dǎo)數(shù)[15-19]; 利用SOA的增益飽和效應(yīng),負脈沖信號通過SOA放大,并在脈沖的上升沿產(chǎn)生過沖(overshoot)形成一個正脈沖,從而形成高斯脈沖導(dǎo)數(shù)波形[6,20-23].

目前光學(xué)產(chǎn)生UWB方法主要產(chǎn)生的是單一信號源,但對輸出多路UWB信號源的研究少.文獻[24]利用光子晶體光纖中四波混頻效應(yīng)(fourwave mixing,FWM)同時產(chǎn)生4路monocycle信號,但該方案需要輸入3路光源,且轉(zhuǎn)換效率低.本文提出一種基于半導(dǎo)體光纖環(huán)形腔激光器(semiconductor fiber ring laser,SFRL)的全光UWB信號源方案,可以同時產(chǎn)生3路monocycle信號,而只需要1束輸入光信號,結(jié)構(gòu)簡單且適合應(yīng)用于廣播式通信場景.輸出的3路monocycle信號均承載在一個波長上,避免正、負脈沖由不同波長組成,在光纖傳輸受到色散影響導(dǎo)致正、負脈沖產(chǎn)生相對時延導(dǎo)致變形.本文建立了這種全光UWB信號源的寬帶理論模型,通過數(shù)值模擬的方法研究SFRL中的SOA的注入電流、激射光波長、輸入信號光功率和波長對monocycle信號的影響.

2 工作原理

圖1為基于SFRL全光廣播式UWB信號源的結(jié)構(gòu)示意圖.SFRL由 SOA、兩個耦合器、偏振控制器、隔離器和梳狀濾波器組成.SOA是SFRL的增益介質(zhì)、偏振控制器對輸入SOA的光進行偏振控制; 隔離器可以防止環(huán)中發(fā)生反向反射,使SFRL工作在行波狀態(tài); 梳狀濾波器具有許多間隔相同的通帶和阻帶,是SFRL的選頻元件.基于SFRL全光廣播式UWB信號源的工作原理:當(dāng)帶有調(diào)制信號的信號光通過耦合器1輸入到SFRL,與SFRL的激射光一起輸入到SOA中,在SOA中發(fā)生交叉增益調(diào)制(cross-gain modulation,XGM),激射光被調(diào)制成反相的高斯脈沖,由于增益飽和效應(yīng),反相高斯脈沖在SOA中傳播產(chǎn)生一個過沖,從而形成monocycle脈沖.通過對梳狀濾波器的波道數(shù)量設(shè)置,可以實現(xiàn)多路monocycle信號產(chǎn)生.

圖1 基于SFRL全光廣播UWB信號源的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.The structure of all-optical UWB broadcast signal source based on SFRL.

3 理論模型

3.1 增益模型

SOA作為SFRL核心部件,其材料增益系數(shù)g(v,N)和 受激發(fā)射系數(shù) Rst(ν,N)可以表示為[25-27]:

其中 | M|2為動量矩陣,e為電子電荷量,h為普朗克常量,ε0為真空中介電常數(shù),m0為自由電子質(zhì)量,c為真空中的光速,fch(ν)和 fvh(ν)分別為導(dǎo)帶和價帶中重空穴的狄拉克分布,fcl(ν)和 fvl(ν)分別為導(dǎo)帶和價帶中輕空穴的狄拉克分布,na為折射率,Eg為帶隙能量,mc為導(dǎo)帶中電子有效質(zhì)量,mhh為價帶中重空穴有效質(zhì)量,mlh為價帶中輕空穴有效質(zhì)量.

3.2 光傳輸方程

在SFRL中,SOA作為非線性介質(zhì),所以在數(shù)值模擬中主要研究光在SOA中的傳輸.在建模過程中,對SOA采用分段模型,將整個SOA在沿著光傳輸方向分成n小段,當(dāng)n足夠大時,每小段的載流子濃度分布近似為均勻,則在第i小段中,信號光和第j束波長激射光的傳輸方程可以分別表示為:

式中A代表光場的慢幅變化,下標(biāo)i表示SOA的第i個子段; Γ 為限制因子; αint為SOA的內(nèi)部損耗系數(shù); gs,i和 gj,i(j=p1,p2,p3)表示第i子段中光波的材料增益系數(shù); αs,i和 αi,j是線寬增強因子,Psat為飽和功率.

放大自發(fā)輻射(amplifier spontaneous emission,ASE)噪聲μs,i(z,t)和 μj,i(z,t)( j=p1,p2,p3 )表示為兩個統(tǒng)計學(xué)上的高斯隨機分布過程,自相關(guān)函數(shù)為:

式中 β 為自發(fā)輻射耦合因子,Rsp為自發(fā)輻射率,νg為群速度,Es和 Ej為光子能量,Across為有源區(qū)的橫截面積.

3.3 載流子速率方程

載流子速率方程如下:

式中 I為 SOA的注入電流; L,w和 d分別為SOA有源區(qū)的長、寬和厚度; c1,c2,c3分別為缺陷和俘獲中心引起的非輻射復(fù)合系數(shù)、雙分子復(fù)合系數(shù)和Auger復(fù)合系數(shù); Gj,i為經(jīng)過SOA第i子段獲得的增益,表示為

由于SFRL中隔離器的單向傳輸性,因此邊界條件為

其中 ε1,k1,k2分別為SFRL中不包括兩個耦合器的耦合比的所有損耗,耦合器1的耦合比和耦合器2的耦合比.

4 理論結(jié)果

利用前面建立的寬帶理論模型對這種全光廣播UWB信號源進行數(shù)值模擬,計算所用參數(shù)如表1所示.輸入信號波特率為10 GBd/s無啁啾理想歸零高斯脈沖; 輸入碼元序列為周期性1000000000 (即碼元“1”的重復(fù)頻率為 1 GHz);SOA的注入電流為200 mA; 通過設(shè)置梳狀濾波器,設(shè)置3路激射光的長分別為1538,1540 nm和1542 nm; 輸入信號光波長為1546 nm,輸入光功率為—7 dBm.

表1 計算采用的參數(shù)值Table 1.Parameters used in the mode.

圖2給出了3路輸出monocycle信號的時域波形和功率譜,可以看出輸出monocycle信號時域波形對稱性良好,如圖2(a)—(c)所示; 3路輸出monocycle信號的中心頻率(fc)分別為6.5,6.0和6.5 GHz,—10 dB 帶寬 (band width,BW)分別為10,11和10 GHz,相對帶寬(—10 dB頻率帶寬除以中心頻率)分別為153.85%,183.33%和153.85%,均符合FCC對UWB信號的定義,如圖2(d)—(f)所示.

圖2 基于SFRL全光廣播式monocycle信號源的輸出 (a),(b),(c)激射光波長分別為1538,1540,1542 nm對應(yīng)的時域波形;(d),(e),(f)激射光波長分別為 1538,1540,1542 nm對應(yīng)的功率譜Fig.2.The output of all-optical broadcast monocycle signal source based on SFRL: The waveform of monocycle signals when the lasing light wavelength of 1538 nm (a),1540 nm (b),1542 nm (c); the power spectrum of monocycle signals when the lasing light wavelengthof 1538 nm (d),1540 nm (e),1542 nm (f).

圖3 (a)注入電流為200 mA時波長-增益系數(shù)曲線; (b)在SOA輸出端激射光1-3路的增益-時間曲線Fig.3.(a)Wavelength-gain coefficient curve with 200 mA SOA bias current; (b)the gain-time curve of monocycle 1-3 at the SOA output.

另外,從圖2(a)—(c)還可以看出,隨著激射光波長增加,輸出monocycle信號的平均光功率和正、負脈沖幅值也逐漸增加,這是由于SOA對不同波長放大增益不同.當(dāng)注入電流為200 mA時,SOA內(nèi)部載流子形成穩(wěn)態(tài)分布時,不同波長的增益系數(shù)曲線如圖3(a)所示,此時峰值對應(yīng)的波長為1549 nm,由于信號光、激射光的波長均小于1549 nm,因此,增益系數(shù)隨著波長的增大而增大;在SOA輸出端,3路激射光增益-時間曲線如圖3(b)所示,此時增益系數(shù)隨著激射光波長增加而增加,說明信號光、激射光在SOA傳輸過程中雖然消耗了載流子,但在SOA的輸出端,3路monocycle信號光的波長都小于增益-波長曲線的峰值波長,因此輸出monocycle信號的正、負脈沖幅度隨著monocycle信號光的波長增加而增加.

圖4 不同SOA注入電流輸出的monocycle波形和功率譜 (a)I=180 mA,(b)I=210 mA,(c)I=240 mA輸出的monocycle波形; (d)I=180 mA,(e)I=210 mA,(f)I=240 mA輸出的monocycle功率譜Fig.4.The waveform and the power spectrum of monocycle with different SOA bias current: The waveform when I=180 mA (a),I=210 mA (b),I=240 mA (c); the power spectrum when I=180 mA (d)I=210 mA (e),I=240 mA (f).

圖5 輸入信號功率對輸出monocycles信號性能的影響 (a)不同輸入信號功率情況下輸出monocycle信號的中心頻率和—10 dB頻率帶寬曲線; (b)輸入功率為—10 dBm時輸出的monocycle信號時域波形; (c)輸入功率為—10 dBm時輸出的monocycle信號功率譜; (d)輸入光功率為—4 dBm時輸出的monocycle信號時域波形; (e)輸入光功率為—4 dBm時輸出的monocycle信號功率譜Fig.5.The effect of input signal power on the performance of the output monocycle signals: (a)The curve of center frequency and—10 dB frequency bandwidth width different input signal powers; (b)the monocycle signal waveform when input signal power is —10 dBm;(c)the power spectrum when input signal power is —10 dBm; (d)the monocycle signal waveform when input signal power is —4 dBm;(e)the power spectrum when input signal power is —4 dBm.

保持其他參數(shù)不變,分別設(shè)置SOA的注入電流為180,210 mA和240 mA,輸出的monocycle信號時域波形和功率譜如圖4所示.當(dāng)SOA的注入電流比較小時,由于此時注入載流子濃度低,增益飽和效果不明顯,產(chǎn)生過沖幅度很小,如圖4(a)所示; 隨著SOA的注入電流增大,過沖幅度慢慢增大,并與負脈沖形成很好的對稱性,如圖4(b)所示; 當(dāng)注入電流繼續(xù)增大,由于載流子濃度過大,正脈沖得到進一步放大,導(dǎo)致正脈沖的幅度大于負脈沖的幅度,輸出信號對稱性變差,如圖4(c)所示.

從頻域上看,當(dāng)注入電流過小或過大時,即時域波形對稱性較差時,功率譜密度在1—3 GHz頻段功率高,更加偏離FCC對UWB功率譜的定義,如圖4(d)和(f)所示; 如當(dāng)注入電流為210 mA時,時域波形對稱性較好,3路輸出monocycle信號的—10 dB帶寬和相對帶寬均為 6 GHz和166.67%,符合FCC對于UWB功率譜的定義.本方案SOA的注入電流為200—220 mA范圍時,獲得較好的monocycle信號.

圖6 (a)不同輸入信號光波長情況下中心頻率和—10 dB頻率帶寬曲線; (b)輸入信號光波長1530 nm時輸出的monocycle信號時域波形; (c)輸入信號光波長1530 nm時輸出的monocycle信號功率譜; (d)輸入信號光波長為1550 nm時輸出的monocycle信號時域波形; (e)輸入信號光波長為1550 nm時輸出的monocycle信號功率譜Fig.6.(a)Curve of center frequency and —10 dB frequency bandwidth width different input signal wavelength; (b)monocycle signal waveform when input signal wavelength is 1530 nm; (c)power spectrum when input signal wavelength is 1530 nm; (d)monocycle signal waveform when input signal wavelength is 1550 nm; (e)power spectrum when input signal wavelength is 1550 nm.

保持其他參數(shù)不變,研究不同輸入信號光功率情況下輸出monocycle信號的特性.圖5(a)給出輸出3路monocycle信號的中心頻率、—10 dB頻率帶寬隨輸入信號光的功率變化曲線,可以看出隨著輸入光功率的增加,輸出的3路monocycle信號的—10 dB帶寬呈現(xiàn)下降趨勢,同時中心頻率向低頻移動.這是由于在輸入信號光功率低的情況下,消耗的載流子較少,SOA對信號光和激射光都有著較高的增益系數(shù),正脈沖得到足夠放大,并且在高增益下,下脈沖出現(xiàn)壓縮,可以獲得對稱性比較好的monocycle信號,并且由于時域脈沖壓縮,對應(yīng)的頻譜變寬,圖5(b)和(c)給出的輸入信號光功率為—10 dBm (即輸入信號低功率情況)輸出的monocycle信號的時域波形和功率譜.隨著輸入信號光的光功率增加,信號光對載流子的消耗也在逐漸增加,SOA的增益系數(shù)下降,過沖得不到足夠放大,而輸入信號光功率較高的情況下,對激射光的反相調(diào)制強度加強,導(dǎo)致輸出monocycle信號的正脈沖部分幅度減小而負脈沖部分幅度增加,出現(xiàn)嚴(yán)重的不對稱性.圖5(d)和(e)給出的輸入信號光功率為—4 dBm (即輸入信號高功率情況)輸出的monocycle信號的時域波形和功率譜.因此本方案采用較低的輸入信號光功率可以獲得性能較好的monocycle信號.

保持其他參數(shù)不變,研究不同輸入信號光波長情況下輸出monocycle信號的特性.圖6(a)給出3路輸出monocycle信號的中心頻率、—10 dB頻率帶寬隨輸入信號光波長變化的曲線圖,輸出monocycle信號的中心頻率和—10 dB帶寬都隨著輸入信號光波長的變化出現(xiàn)小幅度的變化.圖6(b)和(c)給出輸入信號光波長為 1530 nm (輸入信號光波長較小的情況)輸出的monocycle信號的時域波形和功率譜,可以看出輸出monocycle信號的時域波形對稱性較差,但功率譜滿足FCC對于UWB的定義.圖6(d)和(e)給出輸入信號光波長為 1550 nm (輸入信號光波長較大的情況)輸出的monocycle信號的時域波形和功率譜,輸出的monocycle信號時域?qū)ΨQ性較好且功率譜同樣滿足FCC對于UWB的定義.因此,輸入信號光波長對輸出monocycle信號的帶寬都有一定的影響,當(dāng)時影響比較小.

5 結(jié) 論

提出了一種基于SFRL的全光UWB信號源的方案.該方案可以同時產(chǎn)生3路monocycle信號.本文建立了這種信號源的寬帶理論模型,研究了SOA注入電流、激射波長、輸入信號光功率和波長對輸出monocycle脈沖性能的影響.結(jié)果表明: SOA的注入電流在200—220 mA可以獲得對稱性較好的monocycle脈沖,電流過高或過低都會使得輸出monocycle脈沖對稱性變差; 輸出monocycle平均功率和正、負脈沖振幅隨激射波長增加而增加; 輸入信號光功率過高將導(dǎo)致monocycle信號對稱性變差、頻譜變窄,因此本方案應(yīng)采用低輸入信號光功率; 輸入信號光波長對monocycle信號有一定的影響,但是影響很小.