一种电吸收调制集成分布反馈激光器的研究

郑 奇

(湖北民族学院 理学院，湖北 恩施 445000)

通信源具有高稳定性好、易集成、体积小、脉冲周期小等特点是对现代和未来的光通信系统的重要要求，高重复频率、低抖动的超短脉冲源能在单位时间里向更远的距离传送更多的数据，它在光纤通信系统、光孤子传输系统、光时分复用通信系统、光存储等方向有重要的应用价值.分布反馈式半导体激光器DFB具有动态单纵模窄线宽输出和波长稳定性好两大优点，在目前的光纤通信系统中得到广泛应用，但随着光通信向着超大容量、超高速以及光联网方向的迅猛发展，高速调制下DBF存在着一定的调制频移以及波形畸变.基于电吸收调制器(EAM)的光脉冲源具有调制简单，易同步，输出脉冲周期小，性能稳定，脉冲宽度在一定范围内可调谐的优点.因此若将分布反馈半导体激光器DFB和EAM实现单片集成[1]，将是通信用短光脉冲源比较理想的方案.目前，在超带宽通信系统中基于EAM的光脉冲源已经成功应用，最近的相关报道表明，在重复率为40 GHz时，基于单一EAM可以产生小于4 ps的接近变换极限的高速超短光脉冲[2].作为光发射源，DFB和EAM组合方式的光脉冲输出的时域波型接近于孤子波型，这一特点使得它非常适合于光时分复用(OTDM)光孤子传输系统[3].

1 理论模型及模型设计

可以采用图1所示获取短脉冲信号源的方式，其基本结构基于电吸收调制器的EAL(electro-absorptionmodulator DFB laser)，当给EAM加上适当的反向直流(DC)偏置电压和射频(RF)正弦驱动电压后，分布反馈(DFB)半导体激光器输出的连续光(CW)经过EAM时，将会受到外加正弦信号的调制作用.在EAM的非线性吸收特性，即随着反向偏压的增加的影响下，电吸收调制器对光强的吸收以接近于指数的形式增加，偏置电压增大时，只有很小的光功率透过.在与RF作用下会产生超短脉冲序列，此时正弦调制速率决定了输出脉冲重复率，即两者等同.输出脉冲宽度由EAM调制器的吸收特性和外加的反向DC偏置信号VRF决定，而调制电压通常情况下会低于锯酸理调制器的驱动电压[4].

图1 DFB-EAM集成产生短脉冲的结构及原理图Fig.1 DFB-EAM integrated produce short pulse the structure and principle of the figure

在很多情况下，把EAM作为解复用器时是把它当做一个可用电信号灵活控制的光开关，高速的OTDM数据流复用后输入至EAM，在与输入信号同步的RF正弦信号和DC偏置电压作用下，EAM以RF信号的频率作为重复率将一定宽度的时间窗口打开，从而解复用了某一路具有基本速率的信号.此时，RF信号的工作频率与OTDM系统的基本速率相同.

在实际应用过程中，由于EAM解复用窗口特性主要由外加反向偏置电压和正弦调制电压的幅度所决定，二者幅度的相互大小将直接决定窗口透过率、消光比、窗口宽度等，解复用器本身性能会受这些参数的直接影响.在此同时，因为OTDM信号在经过长距离的传输后会有一定的抖动，脉冲的时间抖动会在解复用过程中表现为输出信号的强度变化，这会最终影响到信号接收时的误码率.因此，在该过程中必须同时考虑解复用器本身窗口特性及时钟抖动二者的影响，为了达到最佳解复用窗口，使接收信号的误码率最小，应对EAM的解复用窗口特性进行综合性设计.

出于减小光脉冲宽度的实际需要，可以采取将EAM级联(Tandem Electroabsorption Modulators)起来使用的方法.在这样的过程中，光信号会连续两次通过EAM，其光脉冲宽度可以减小[5]，这显然是实际需求期望出现的.另外，EAM还可以实现产生高速的超短光脉冲的功能和作为高速光开关实现OTDM通信系统解复用的功能.在和TOAD(terahertz optical asymmetric demultiplexer)、非线性光纤环境(nonlinear opticalfiber loop mirror-NOLM)等基于交叉相位调制效应的全光解复用器比较，EAM解复用器具有结构紧凑性能稳定的显著优点，在电时钟控制下即可完成解复用功能，因此是一种更加接近实用化的高速开关器件，在高速的OTDM系统中得到了广泛的应用.除了可以产生高速超短光脉冲和解复用外，EAM在光信号处理方面也具有重要的应用.基于EAM的光开关可以作为相位鉴别器，用以组成高速的光电混合锁相环，实现OTDM信号时钟提取功能[6-8].单EAM的输出功率可以看成是所加电压的函数V：

I=I0exp{-(V/V0)n}

(1)

V=Vh+VRFcos(2πft)

(2)

I0是输入电流(对应输入光功率)，V0是脉冲输出时的偏置电压，Vb是EAM的反向偏置电压，VRF是射频信号幅值、n是自然数通常取值为1～5.

当T(V)取exp(-((值)/值)n)的T(V)，式(1)可以转化成：I=I0T.

此时两级联多电平逆变器的输出功率EAMS也可以被表示为：I=I0T1(V1)T2(V2).

这里T1(V1)、T2(V2) 分别是第一个和第二个EAM的光学透射率函数.如果添加一个光学推迟两EAMS之间的界限，输出功率可表达成：I=I0exp{-[V01+VRF1cos(2πft+ΔΦ)/V01]n}exp{-[(V02+VRF2cos2πft)/V02]n}.

这里ΔΦ是光纤延迟线相对相位的改变.

2 实验测试和结果分析

实验中使用EMA调制器脉冲串级系统，即一个可调的分布反馈(DFB)半导体激光器(EXFO FLS-2600 b)结合两级联多电平逆变器EAM调制器，分别被放大(电气放大器(SHF，100)，给系统输入的20-GHz无线电频率信号来自射频发生器(型号：安捷伦E8257D).一个可调光延迟时间之间的界限是两个EMA调制器用于延迟变化、调整)的时候从第一EAM光脉冲到达第二个EAM来产生短脉冲.使用一个50-GHz U2T光电探测器(XPDV2020R)测量输出的激光脉冲流.使用安捷伦高速86100C示波器(70-GHz电子带宽)来快速显示雷达脉冲波形，实验结果如图3-5所示.

图2 级联EAM结构示意图 图3 双EAM下脉冲宽度、上升时间与偏置电压关系 Fig.2 Cascade EAM structure schematic drawing

图4 双EAM下产生的两倍脉冲频率波形图 图5 -0.8 V的偏置电压下的脉冲图 Fig.4 Cascade EAM produced two times pulse frequency Fig.5 -0.8 V bias voltage pulse figure

实验结果显示，当对20兆赫以下的信号进行两个EAM操作，当常数n取3时，仿真波形表明当相变ΔΦ是(2k+1)π(k=1,2,…)时，输出强度是最大强度的1/7；而输出脉冲中，脉冲重复频率从20兆赫上升到40兆赫；消光比已大于20 dB，输出了FWHM约为5.8Ps的短脉冲光.

3 结论

级联EAM的使用，使两种不同信号：electroabsorption调节器信号和一个可调光延迟线信号产生了一种双频光学短脉冲序列，具有40 GB脉冲宽度，进一步提高基于EAM的超短脉冲源的消光比(实验数据显示其已大于)和减小了脉冲宽度，光信号连续两次通过电吸收调制器，因此可以有效地提高脉冲序列的消光比，并进一步减小其占空比，输出光脉冲的时域波型接近孤子脉冲波型 .

另外，在后续试验中将进一步去寻找低时间抖动和频率啁啾方法；寻找减少pulsewidth、减小高反向偏置的电压，减小光功率损失以及同降低了side-mode抑制比(SMSR)电吸收效果的原因.通过细致的实验去发现和克服各种导致抖动的不确定因素，减少系统的复杂性和对成本进行控制，制成稳定经济性高的信号系统.

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