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1、 国家自然科学基金 编号 及集成光电子学国家重点联合实验室开放课题资助项目 收稿日期 收到修改稿日期 第 卷第 期中国激光年 月 半导体激光器的光自注入技术 徐磊姚敏玉张剑峰李玉华陈明华高以智清华大学电子工程系北京 提要报道了一种光脉冲自注入的新方法 它能使增益开关 激光器输出光脉冲的时间抖动从 减小到 分析了注入光延迟时间及功率对时间抖动的影响 指出为取得抑制时间抖动的最佳效果 必须选择合适的反馈光脉冲延迟时间和适当的反馈光功率 实验中观察到在增益开关 激光器光脉冲建立期间注入反馈光时 输出光脉冲会发生严重畸变 关键词增益开关 激光器 时间抖动 自注入利用 半导体激光器的增益开关效应产生超短
2、光脉冲是高速光时分复用 通信系统中常用的光发射源 以其结构紧凑和方法简单而受到人们的重视 得到广泛的应用 其不足之处之一是输出光脉冲时间抖动较大 直接影响光通信系统的误码特性 限制系统传输速率的提高 在光通信系统中 为达到误码率 等于 要求光脉冲的时间抖动小于脉冲图 增益开关半导体激光器工作原理时间间隔的 对于光时分复用系统 如果利用 全光解复用 对光脉冲时间抖动要求更高 需小于脉冲时间间隔的 因此 对于 的光时分复用系统 光脉冲的时间抖动应小于 增益开关 半导体激光器产生超短光脉冲是基于激光张弛振荡的机理 如图 所示 在高重复频率正弦电流调制作用下 当载流子密度增加并超过阈值 时 腔内光子数
3、密度按指数急 剧增加 导致载流子密度减小 形成一个超短光脉冲 由于 半导体激光器内自发辐射造成 达到阈值 的时刻 在时域上发生随机变化 从而导 致光脉冲的建立时间产生抖动 这是非相关抖动产生的根本原因 通常 光脉冲的时间抖动包括相关抖动和非相关抖动 相关抖动由激光器的驱动电路引起 非相关抖动主要来源于激光器腔内自发辐射噪声 对于 半导体激光器 非相关抖动往往大于相关抖动 因此减小非相关抖动是降低光脉冲时间抖动的关键 目前减小时间抖动的两种主要方法是连续光外注入 和光自注入 连续光外注入需要外加一个连续光源并使其波长位于输出光脉冲的中心波长附近 这将增加光脉冲源的成本费用 本文提出一种结构十分简
4、单的新颖光自注入技术来减小 激光器输出光脉冲的时间抖动 由于反馈光取之于 激光器输出的光脉冲 只需另加几个光纤器件便可获得很好的抑制时间抖动的效果 光自注入减小抖动的实验描述实验中所使用的 半导体激光器超短光脉冲源如图 所示 输出光脉冲经自聚焦透镜 准直后 再经另一自聚焦透镜耦合进入光纤 实验中保持激光器的直流偏置为 微波调制信号的平均功率为 温度控制在 图 激光器图 实验装置图光自注入减小抖动的实验装置如图 所示 在 激光器的输出端接一光纤耦合器 耦合器的两输出端连接一偏振控制器 和光纤拉伸装置 构成光纤环路反射镜 通过调节 可以改变自注入光强度 注入光延迟时间的改变通过拉伸光纤来实现 实验
5、中用频率合成器 产生 的正弦波信号 经微波放大器放大到几十至百毫瓦 作为 半导体激光器的微波调制信号和提供取样示波器的外触发信号 用 取样示波器 可直接读出光脉冲时间抖动均方根值 根据求 得 光 脉 冲 实 际 时 间 抖 动 值 式 中 为 示 波 器 触 发 延 迟 而 引 入 的 时 间 抖 动 的 典型值为 实验中采用微波信号源和放大电路引入的抖动 为为光电转换接头引入的时间抖动 一般 可忽略不计 故光脉冲的实际抖动值为实验测量结果及分析未采取光自注入方法前 激光器输出光脉冲的时间抖动为 其波形如图 所示 调节 和光纤拉伸装置 观察到输出光脉冲的时间抖动明显减小 其波形见图 示波器测得
6、的抖动值为 由 式计算可得实际抖动值为 未采取光自注入抑制抖动之前 由于该激光器输出的光脉冲抖动较大 作为光时钟脉冲源用于光纤非线性环镜对 信号解复用时 系统误码率较大 无法达到 的通信系统要求 经采取此技术减小抖动后 该光源已成功地用于半导体光放大器环镜 对 中国激光卷的解复用实验 误码率可达 图 激光器直接输出的光脉冲图 减小抖动后输出的光脉冲图 脉冲最小时间抖动值随自注入延迟时间变化曲线图 产生畸变的光脉冲图 输出光脉冲的最小时间抖动值随自注入光功率的变化曲线为了进一步研究注入光延时和功率对减小时间抖动的影响 做了以下两个实验 加入一个光学延迟线 延迟时间调节可 达 改变延迟时间 测得输
7、出光脉冲的最小时间抖动与延迟时间的关系曲线如图 所示 可以看出 时间抖动值随反馈延迟时间呈近似正弦形变化 实验中观察到若反馈延时不合适时 不仅不能有效地抑制噪声 减小抖动 而且会造成输出光脉冲的严重畸变 如图 所示 分析造成光脉冲畸变的原因 是由于在光脉冲建立期间注入光脉冲 此时腔内载流子密度大于阈值即图 中 阶段 注入光脉冲引起受激辐 射输出 形成两个尖峰 调节时应避免这种情况 在 激光器和环路反射镜之间加一个 的耦合器 调节 改变反馈光功 率 测得光脉冲的最小时间抖动与注入光功率关系曲线如图 所示 因无法测量注入 激期徐磊 等 半导体激光器的光自注入技术光器的有效光功率 曲线中所示值为相对
8、注入光功率 从图中可以看出 反馈光功率在一定范围内可以有效地抑制抖动 但是反馈过强会引起噪声增大导致脉冲抖动增加 由于在测量图 和图 曲线时在光路中接入光学延迟线 光纤耦合器 光纤接头的增多导致随机性的光反馈量增加 使自注入消抖动的效果略变差 未达到 讨论用上述取样示波器直接测量光脉冲的时间抖动 适用于 脉冲抖动的测量 小于 的脉冲抖动量的精确测量需要宽带宽 低噪声 高分辨率的频谱仪 否则会引入较大的测量误差 值得注意的是应尽量避免输出光纤连接线端面的光反馈影响测量精度 本文提出的减小时间抖动的方法适用于抑制非相关抖动 进一步降低光脉冲的时间抖动还需要减小其相关抖动 即使用低抖动的微波信号源及
9、低噪声微波放大器等 致谢感谢课题组有关同事提供的实验器材及仪器 参考文献中国激光卷GS-DFB半导体激光器的光自注入技术GS-DFB半导体激光器的光自注入技术作者：徐磊， 姚敏玉， 张剑峰， 李玉华， 陈明华， 高以智， Xu Lei， Yao Minyu， Zhang Jianfeng， Li Yuhua， Chem Minghua， Gao Yizhi 作者单位：清华大学电子工程系,北京,100084 刊名：中国激光 英文刊名：CHINESE JOURNAL OF LASERS 年，卷(期)：2000,27(5) 被引用次数：8次参考文献(7条)参考文献(7条)1.M Jinno Effe
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12、tter single-mode pulse generation by a self-seeded,gain-switched Fabry-Perot semiconductor laser 1994(24)6.R Calvani;F Cisternino;R Girardi All fibre self injection seeding for timing jitterreduction in a chirp compensated gain-switched DFB laser7.L P Barry;J Debeau;R Boittin Simple technique to imp
13、rove the spectral quality ofgain-switched pulses from a DFB laser外文期刊 1994(25)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1. 王安帮.王云才.郭文阁.张首刚.Wang An-Bang.Wang Yun-Cai.Guo Wen-Ge.Zhang Shou-Gang 有效压缩增益开关DFB激光器光谱线宽的注入时间窗口期刊论文-物理学报2007,56(1)2. 王云才 增益开关半导体激光器在外光注入下脉冲抖动的实验研究期刊论文-物理学报2003,52(9)3. 刘元山.张建国.赵卫.LIU Yuan-shan.ZHA
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