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1、太原理工大学 硕士学位论文 光注入半导体激光器同时实现全光时钟分频与波长转换 姓名：李静霞 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：王云才 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 光注入半导体激光器同时实现全光时钟分频与波长转换 摘 要 在现代通信系统中， 光时分复用与波分复用技术的结合是解决大容量 数据传输的有效手段，而时钟提取与波长转换分别是其研究的关键技术。 目前，时钟提取与波长转换的研究得到了人们广泛的关注。然而，通常的 时钟提取与波长转换器件是分离的， 因而在时分复用和波分复用的混合系 统中，研究一种能够同时实现时钟提取和波长转换的器件是非常有意义 的。半导体激光器由于其体积小、价格低、使
2、用寿命长等诸多优点，有望 成为实现时钟提取与波长转换的首选器件。 本文围绕光注入半导体激光器同时实现时钟提取及波长转换进行了 如下工作： 1. 利用光注入半导体激光器的速率方程，理论研究了半导体激线宽 增强因子、注入强度和频率失谐对输出非线性特性的影响。结果 表明，半导体激光器的线宽增强因子越大，其输出越易呈现各种 非线性动力学特性；周期一振荡的频率随线宽增强因子的增大而 增大；并且随着注入强度和频率失谐的增加，周期一振荡的频率 也在增加。 2. 利用光注入半导体激光器产生周期一振荡，实现了时钟提取。结 果表明，当周期一振荡的基频频率或谐波频率等于或接近注入信 太原理工大学硕士研究生学位论文
3、II 号的频率时，周期一振荡的基频和谐波频率被锁定，从而提取出 低噪声的时钟信号。数值仿真实现了从 20Gb/s 和 220Gb/s 的伪 随机信号中提取出 20GHz 的时钟信号。 3. 将信号光和探测光同时注入半导体激光器，利用光注入半导体激 光器产生的周期一振荡的微波锁频效应和交叉增益调制效应，同 步实现了时钟分频及波长转换。在一定范围内通过改变注入信号 光强度、探测光强度、探测光与锁定模式之间的波长失谐量可以 得到稳定的输出信号；通过提高偏置电流可以提高输出信号的幅 值，超出此范围亦不能获得稳定的输出信号。 关键词：半导体激光器，光注入，非线性动力学，时钟提取，波长转换 太原理工大学硕
4、士研究生学位论文 III ALL-OPTICAL CLOCK DIVISION AND WAVELENGTH CONVERSION BY OPTICAL INJECTION DRIVEN SEMICONDUCTOR LASER ABSTRACT Combine optical time division multiplex (OTDM) and wavelength division multiplex (WDM) is effective method to settle the high transmission rate in communication networks. All-op
5、tical clock extraction and wavelength conversion have gained much attention because they are the key functions in OTDM and WDM networks. However, conventional all optical clock extraction and wavelength conversion are separated. Thus, new method for performing optical clock extraction and wavelength
6、 conversion is necessary in OTDM and WDM systems. Semiconductor lasers with small size, low cost, long lifetime and other features, become preferred device in clock extraction and wavelength conversion. Focusing on all-optical clock division and wavelength conversion by optical injection driven semi
7、conductor laser, this thesis mainly includes that: 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV 1. Utilizing the rate equation in optical injection semiconductor laser, we numerically study the effect of linewidth enhancement factor, injection strength, and frequency detuning on the dynamical characteristics. The results sho
8、w that the nonlinear dynamics is favored by large values of the factor. As the linwidth enhancement factor increases, the frequency of period-one oscillation increases. The frequency of the period-one oscillation is increasing as the injection strength and frequency detuning increasing. 2. Utilizing
9、 the period-one oscillation subjected to optical injection, we achieve the clock extraction. Our results indicate that when the oscillation or harmonic frequency approaches the repetition rate of the signal light, the oscillation and harmonic frequency are locked. Thus optical clock is obtained. Num
10、erically extract the 20GHz optical clock from the 20Gb/s and 220Gb/s pseudorandom bit stream, respectively. 3. The signal light and the probe light are injected into the semiconductor laser. Using the period-one oscillation characteristics and cross-gain modulation effect in an optically injected se
11、miconductor laser, we obtain the clock extraction and wavelength conversion. The 10GHz optical clock with wavelength 1555 nm can be extracted from 20 GHz signal light with wavelength 1550 nm. The stable output signal can be obtained when the signal light strength, 太原理工大学硕士研究生学位论文 V probe light stren
12、gth, and bias current wavelength detuning are modulated at the certain range. KEY WORDS: semiconductor laser, optical injection, nonlinear dynamics, clock extraction, wavelength conversion 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 半导体激光器的非线性动力学特性 1.1.1 激光器的稳定性分类 一个复杂的动力学系统各个变量的弛豫速率可以各不相同， 那些快速弛豫的变量 比慢速弛豫的变量更快地接近
13、于动力学稳定态， 技术上可将快速弛豫的变量用定态处 理。因此，系统的动力学特性主要由慢速弛豫的变量决定，而系统的相空间维数也得 到降低。 这就是绝热消去原理。 因此根据此原理对单模均匀加宽激光器分类按场振幅， 极化强度和粒子反转三个变量弛豫速率可分为三类1： A 类激光器。 这类激光器的极化强度和粒子反转的弛豫速率比场的衰减速率大得 多。根据绝热消去原理，激光的动力学行为主要由场的速率方程表述。 B 类激光器。这类激光器的极化强度的弛豫速率比粒子反转的弛豫速率和场的衰 减速率大得多。根据绝热消去原理，激光的动力学行为主要由粒子反转和场的速率方 程表述。 C 类激光器。这类激光器的三个变量的弛豫
14、速率基本相同，激光的动力学行为由 三个变量表述。满足某个条件时，即环腔条件和泵浦强度极高时才可以实现不稳定， 这在通常条件下是难以做到的。 显然只有 C 类激光器才有可能产生非线性输出， 而前两类激光器至少要增加一个 扰动才能产生非线性输出。 半导体激光器属于 B 类激光器， 要实现半导体激光器的非 线性输出，通常采用的办法是给半导体激光器增加一个扰动，即通过外部光注入、光 反馈或光电反馈来实现。Lang-Kobayashi 速率方程2是研究半导体激光器非线性输出 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 的理论基础。 1.1.2 半导体激光器常见外部扰动的方式 半导体激光器在无外部扰动时，当注入电
15、流超过阈值（满足产生激光的条件） ， 激光器的输出经历短时间驰豫振荡，系统很快达到稳定。要实现半导体激光器不稳定 输出，即非线性输出，需要给与适当的外部扰动，产生外部扰动的方式主要有外光注 入、光反馈和光电反馈方式。 1. 外部光反馈半导体激光器 外部光反馈就是在半导体激光器的外部，通过放置反馈的器件使得激光器输出经 反射器返回到激光器。 外部反馈可以是一般的平面镜反馈也可以是相位共振反馈或过 滤光反馈。在此我们给出了一般的平面镜反馈来进行描述，它的结构如图 1-1 所示。 图 1-1 外部光反馈半导体激光器 Figure 1-1 Schematic plan of laser diode w
16、ith optical feedback 外部光反馈下单模半导体激光器的电场速率方程，即 Lang-Kobayashi 方程可写 为： 0 d11 (1)()()exp() d2 f Pin kA ig NNAA ti t =+ (1-1)考虑到自发辐射、增益饱和等实际因素，载流子密度、复电场强度以及相位的 速率方程如下： 2 ( ) d( )( )1 ( )( ) d th np N t N tN t Jg N tNA tF t =+ (1-2) ( ) d ( )1 ( ) ( )()cos ( ) d2 f th in s t k A t g N tNA tA ttF t +=+ (1-3) 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ( ) d ( )1() ( )sin ( ) d2( ) f th in t k tA t g N tNtF tA t =+ (1-4)
