摘 要：多波长锁模激光器为波分复用（WDM）光纤通信网络系统提供了光学梳状滤波功能,其信道间的间隙距离范围宽达100～3.125GHz,从而大大减少了网络通信系统中过去对半导体激光器的大量需求,进一步简化了现有WDM光纤通信网络的复杂性,扩大了应用范围,降低了系统应用的成本,提高了系统的可靠性。 Re u r#K
$1
\!Oe[i
前言 }u)G ERWO
!|QeYGnq6
---目前广泛使用的光纤通信系统,包括都市网络系统、局域网络系统和使用光纤传输信号的各种设备系统等都需要使用大量的半导体分布反馈激光器作发射光源,这增加了网络和系统的复杂性和成本。随着都市光纤通信网络、各种局域网和光纤信号传输设备仪器的广泛使用,这一问题就更加明显。模式锁定激光器是时域应用方面产生短脉冲的工具,包括要求C波段可调的重复频率通信应用,这种锁模激光器还可在波分复用光纤通信网络中用作多波段光源。由于这种半导体可调多波段激光器能提供光学梳状滤波功能,且信道间隔范围极宽：100～3.125GHz,因而可大量地减少目前WDM网络系统中所用的普通分布反馈半导体激光器光源,大大地简化WDM网络系统。由于目前的WDM网络系统是在按国际通信联盟（ITU）栅格上的精确位置采用多波段建立的,因而对系统建立的空间限制成本和性能都提出了很高的要求。而模式锁定半导体激光器能产生脉冲重复频率精确分开的高质量信道梳,只要用一个这种锁模半导体激光器便可代替许多个目前在WDM网络系统中所使用的分布反馈激光器。这种激光器使目前WDM网络系统有可能实现用单光源取代多光源的简化方案,这不仅简化了WDM通信网络系统,而且对降低系统成本十分有利,进而把WDM通信网络的应用从都市网络、接入接出网络、测量和测试设备与便携式野外测试设备等的应用扩展到新的应用领域,如超连续谱的产生、频率测量、超精细的分布WDM等,还可从激光光谱与时间特性获得许多有益的应用。 4T^WRS
P@? '@.e
激光器的模式锁定工作 kpUU'7Q
wi
>ta
---时域应用中的锁模激光器输出功率是一种连续系列的品质脉冲,图1示出的是一个铒玻璃锁模激光器的输出光脉冲频率,其工作波长为1535nm,重复频率为25GHz,周期为40ps,脉冲宽度约为4ps。一般说来,激光器的频率模式由一个C/2L的无光谱区分隔开,这里的L表示激光器的腔长,激光器的工作常常是多模的,其模式随时间的变化是随机性的。显然,这种变化会引起激光器的输出光强度发生随机性的起伏变化,从而导致模式间的相互干涉和模式竞争,这会降低激光器输出的稳定性和相干性能,因为一个稳定和相干工作的连续波激光器通常只以一个激射模式工作。 };sm8P{M
PiQs><FK8
---这种模式锁住是靠强加模式相位,保持模式彼此间的恒定值的方式产生稳定和相干脉冲激光。因此,这些模式都是相干密合的。基模锁住导致出现一种周期系列的光脉冲,其周期为无光谱区距离的倒数。这种脉冲周期就是2个连续到达腔体端面反射镜面脉冲间的间隔。而模式的频率间隔和脉冲重复频率间存在着一种固体的关系。换言之,这种定时脉冲梳的傅里叶变换是一种频率或波长梳,这种能力正是使锁模激光器能够作为多波段激光光源的关键因素。 ^%@.Vvz<
\kO_"{7n
---当以等于间模频率间隔的频率对激光器的损耗加以调制时产生锁模工作。 w`_9 *AF9
要对此现象进行解释一种途径是设想在激光器腔体内有一个只在短间隔时间内周期打开的光阀。这种激光器只能在该脉冲精确地与打开光阀的时间重合时才工作。在该腔体工作的脉冲要求其工作模式应是锁相的,当模式相位趋于偏离其理想的锁模值时,光阀将会对随脉冲增强的强度尾随脉冲进行修正。因此,腔内的快光阀具有连续修复锁模条件的作用。由于这种锁模激光器以脉冲重复频率工作,其所需脉冲宽度要比机械阀门能提供的性能好得多。实现模式锁定对激光器腔体内的损耗加以调制的途径有两种：一是有源调制,另一种是无源调制途径。 |0 %UM}
mMWNUkDq
● 有源调制锁模：采用有源调制方式实现锁模的激光器,通常是使用电光调制器来达到这一目的,而电光调制器由腔体重复频率射频信号驱动工作。 i kiy>W8
,i. P= o
● 无源调制锁模：这种实现锁模工作的方式是采用叫做可饱和吸收的器件自然地把模式与快速响应时间锁定,而不是采用外部驱动信号的方式来实现锁模。 }7v2GfEkM
&zy9} 4w,
---按照通信波长使用的锁模激光器中有光纤激光器、半导体激光器和铒玻璃激光器。 &Wk<F3qN
=h!m/f^x
● 光纤锁模激光器：这是一种有源调制锁模光源,是以最终的重复频率谐波方式实现锁模的。因为这种激光器的腔体长,需要一条长的光纤以便获得足够的增益,在体积上比较大,在结构上较为复杂,这是其不足之处,其优点在于对参数的校准比较灵活,器件输出功率大。 #| Po&yu4R
03;(v %
● 半导体锁模激光器：这种激光器实现锁模工作也是采用有源调制方式,这种光源的优点是体积小,但输出功率较小,稳定性差些。目前这种技术仍是处于实验室发展阶段。 2p ,6=8^v
".Ug
A\0
● 铒玻璃锁模激光器：这是一种采用无源调制方式实现锁模的光源。这种激光器的结构简单,能获得高的性能,图2示出了25GHz的铒玻璃锁模激光器的组成结构,其腔体由增益玻璃、激光反射镜、可饱和吸收器和可调滤波器组成。这种激光器的腔体短,25GHz激光器的腔长约为6mm,体积小,输出功率大。这种无源锁模激光器是把980nm的CW泵浦激光器输出的光聚焦进入腔体,然后再以腔体内激射1550nm的ps脉冲,因而无需再输入别的所需信号。 S5!2%-;<k
y70gNPuTOD
---这种铒玻璃激光器利用的是掺铒光纤放大器产品使用的成熟元器件,采用的是光学泵浦方式,泵浦是工业标准的980nm激光二极管。这种半导体激光二极管泵浦源坚实,输出功率高,工作又稳定,同时价格也便宜。目前覆盖整个C波段的多波段激光器的平均输出功率为10dBm。这种器件有一个与反射衬底合在一起的可饱和吸收器,形成一个半导体可饱和吸收反射镜,其反射特性随光强度的增强而增强。它是一个超快速光开关,其作用就像一个产生锁模光谱的腔内阀门,具有以极高的光流通特性在极短的时间内把所有的激射光子都聚集在腔内的作用。这种反射镜响应时间极短,对脉冲形成的响应时间为毫微微秒级,对激光器初始自起动的响应时间为微微秒级,这种反射镜元件是采用最基本的半导体技术制作的。铒玻璃激光器的谱段是可调的,覆盖了整个C波段区,因此,可设置成一个波长梳子覆盖1530～1565nm光谱区的任何一段栅格信道。将信号锁在国际通信联盟栅格上需要有一个多波段梳按频率漂移,以便精确地与已知的参照栅格重合,然后实现锁定。所需最大的频率漂移就是梳子间隔,等于锁模激光器的无光谱区。这种激光器的一个无光谱区漂移需要一个波段时间的腔长变化,即1.5μm,滤出梳子边缘的一个信道,然后可校准反射镜腔实现ITU栅格的锁定。 Cu7i Hh Y5
)HE yTHLtJ
多波段锁模激光器简化了WDM网络系统 Z&!$G'X
! 7D S
---随着对波分复用（WDM）系统应用日益增长的需求,要求系统的尺寸、功耗、复杂性、可靠性和成本方面必须要有很强的竞争性。由于城市空间的拥挤,可用空间限制要求是个突出的因素,这也要求系统尽量地简化,从而缩小系统尺寸,减少占用空间,降低系统使用功耗,提高系统的可靠性,特别引人注目的是要在成本方面明显降低,多波段锁模激光器平台有效地简化了WDM系统,符合上述的要求。 1OL~ )X3
---1.WDM信道的产生 2kve?/
5gEK$7 Vp
---把铒玻璃多波段激光器与另一个在通信系统中使用的元件组合起来就可形 >o7k%T|l$
XrF9*>ti?
---成一个多信道WDM光源,如图3所示。把激光器与一个动态增益均衡器和一个掺铒光纤放大器连接起来就产生出一个平坦的32信道分布的WDM波段梳,其信道线宽为1MHz。该图中是把25GHz梳状产生的激光器调到1535nm的中心波长上,平均功率为12dBm。该器件输出频谱中心内模式的光信噪比典型值大于60dB。众多锁模随着功率和信噪比的降低从频谱中心向每一个方向扩展。因此,多波段激光器的可用信道数可利用现有WDM光源可兼容的信噪比要求条件来确定。 df\>-Hl
?H?r!MZ%
---由于激光器是基横模锁定,因而信道之间无任何侧模出现,但典型的分布反馈激光器的侧模抑制比率可用作多波段激光器信噪比要求的门限值,WDM激光器光源的典型抑制比率为35dB左右。在多波段频谱中,多于32个模式时比值大于35dB,因此,这种测试过程要用32个信道。 DdgFBO
~3 (>_r
---2.梳状滤波功能 &x #5-O'
V5 w^Le_^
---在多波段激光器构成平台中使用这种动态增益均值器的目的是实现多信道梳状平坦滤波,使所期望的梳状带宽外侧的模式急速衰减,掺铒光纤放大器占用与WDM应用相应的功率电平信道,在本文该例中信道功率电平显示高达10dBm。同时还可设置均值器的分布图计算出放大器的增益分布,这就容许优化信道计算,信噪比和功率系统、用于获取密集波分复用（DWDM）频谱的光谱分析仪分辨率为0.01nm。该例中的增益均值器是具有足够高的分辨率,分辨整个C波段的信道间隔。该器件起作一种可寻址衍射光栅的作用,有一长排为数众多的单独分开的微机电系统窄条。 H[C n@XE
VGIc|Q=F
---相应的功率精度和光谱功率波动为±1dB,动态范围大于15dB,该测试设备有一个标准的掺铒光纤放大器,其标准的输出功率为27dBm。 | <$O5b'
&aOOG8l
---除了提供一个测试WDM元件的平台而外,这种锁模激光器光源还可用于显示超连续谱的产生,用随色散分布减少而降低的高非线性光纤把多波段梳加以扩展使之能覆盖到300nm的光波段。这种高峰值功率的P秒脉冲与非线性光纤相干涉产生超连续谱,25GHz铒玻璃激光器发射的光脉冲与超连续谱产生的要求极为勿合,非常适用。 &jcr7{cD
Y8T.RS0
广阔的应用潜力 10 ^=1@U
@pz2}Hd |
---锁模激光器的上述能力通过分配的WDM产生1000以上的高质量光载波信号能开拓出许多新的应用,从而使光时分复用和WDM应用的多波段短脉冲的实现成为可能,产生频率测量用的精确光频栅格。 ,\7okf7H,-
*<1m
2t>.
---另一种先进的应用是超精细分配WDM系统应用,这种应用能以密度高达3.125GHz的间隔信道实现较慢的数据速率传输。这种较慢的数据速率间化了电路,避免了附加的时分复用,消除了高速信号,特别是40GHz信号传输时所遇到的严重色散问题,多波段激光器光源特别适用于这一应用,因为这种激光器能产生许多单光源信道,其信道密度极高。事实上使用这种多波段激光器平台能从根本上解决目前和近期遇到的诸多实际问题。WDM系统必须适应环境条件提出的日益增多的要求,在成本、尺寸、功耗和复杂性等方面都必须不断地得到明显改善,显然多波段激光器能满足这一系列要求。 |Gi/=[Tp
?K"]XXsI
结论 $mlcaH
{ `> x"Y5
---随着都市局域网络的发展和日益增加的应用,对WDM通信网络系统提出越来越严格的要求。多波段锁模激光器能为WDM通信网络系统提供光学梳状滤波功能,其信道间隔距离极宽,达100～3.125GHz,大大地减少了所需的大量光源数量,简化了通信系统的结构,降低了功耗,提高了系统的可靠性,使系统成本大大地降低。这一系列好处将使WDM开拓更多的新应用领域。
