增益开关激光器抖动抑制问题研究

郑 奇

( 湖北民族学院 理学院，湖北 恩施445000)

现代光通讯方式的迅猛发展及普及，对于电－光转换器件的要求也越来越高，作为光通信中最为主要的器件，激光器性能在一定程度上决定了通信的质量．在超大容量、超高速光时分复用(OTDM)网络和通信系统中，只有消光比大、重复频率高、脉冲窄、抖动小的光源才能满足大容量高速率且误码率低的传输要求．增益开关半导体激光器由于具有体积小、结构简单、重复频率高且可调、通用性好、低成本和高稳定性等特点，受到大家的广泛关注，并从20 世纪80 年代末开始在全世界得到大量研究．由于增益开关激光器本身输出的光脉冲序列存在着定时抖动和频率啁啾大、脉冲宽度较宽、脉冲相位的相关性差等缺点，因此它在现代光通信系统中的应用就受到了限制［1］．但是，随着消抖动技术和脉冲压缩技术的不断进步，增益开关激光器必将在未来高速乃至超高速光通信中发挥重要作用．

根据外注入激光速率方程，详细分析研究了增益开关激光器产生脉冲、脉冲宽度优化、抖动抑制以及重复频率优化的理论推导和数值模拟，从实验上研究了不同重复频率下调制电流与输出脉冲宽度的关系、抖动抑制等半导体增益开关激光器的稳定性问题．在增益开关条件下，产生的脉冲有较大的抖动和负啁啾等特点，为在实际的应用中得到能输出低抖动、性能优良的脉冲序列的通信用半导体激光器源．

1 理论模型

为了能从增益开关激光器中得到低抖动的脉冲，一般可采用两种方案来抑制抖动，一种是自种子注入，另一种是外部种子注入．

图1 半导体激光器部件的等效电路Fig．1 The equivalent circuit of semiconductor laser components

自种子注入是采用一种光学的办法把输出的脉冲光的一小部分反馈给半导腔内，使得腔内的载流子在注入的时刻，瞬间激发达到抑制抖动的目的．一般常用自注入的方法有:光纤光栅，外部环路，非线性环境［2］．该方法的特点必须让外腔长度和内腔长度精确匹配．外部种子注入方法一般采用一个外部连续光源，使其输出波长与产生脉冲的波长一致，从而实现注入连续光抑制抖动的目的．该方法可采用外部连续激光器［3］，也可利用光放大器的自发辐射噪声加一个滤波器，采用回环注入抑制抖动［4］，但该方法结构复杂．

为了实现激光器长期的稳定工作和较好的操作性，一般采用外部种子注入的方式，外注入单纵模运转的速率方程如下:

外注入式抖动抑制单纵模速率方程:

其中:Δ(t)=Δωt－φ(t)为种子光和主激光器相位差，Δω 为两激光器的角频率之差，Fs，Fn，Fφ是朗之万噪声项，Xs，Xn，Xφ高斯随机变量，S(ti)，N(ti)分别是时间间隔Δt开始时刻的光子和载流子浓度．

时间抖动定义为电脉冲与光脉冲之间时间差的标准偏差，其数学表达式为:

表1 参数表Ta．1 Parameter list

其中:t0为接通延迟时间的平均值，ti为第i次延迟时间，为了减小随机对结果的影响，N=1000．为了抑制抖动，实验采用外注入单纵模运转的速率方程(1)～(2)，同时为了模拟真实的实验，分别在方程的载流子，光信号和相位项中增加了朗之万噪声项，见式(3)～(8)．

2 实验及模拟

2．1 注入种子光、偏置电流与接通延迟时间的关系

接通延迟时间是注入电信号与产生光脉冲的时间差，在通信中接通延迟时间越短，系统的实时性越好，误码越低，研究这个特性是十分必要的．对注入种子光、偏置电流与接通延迟时间的关系进行研究分析时，采用的是在调制频率为2．5 GHz，调制电流为45 mA，偏置电流为11 mA 条件下解方程组(1)～(3)得出数据．

数值模拟过程中发现，当注入功率由－60 dBm 增至－5 dBm 时，接通延迟时间约有15 ps 左右的变小发生(图2)，这是由于注入种子光功率的增加，受激辐射更容易，提前了产生光脉冲的时刻，这方面文献［5，6］已在实验中证实．当注入功率不改变，而改变偏置和调制电流产生超短脉冲时，实验结果显示随着偏置电流的增加，接通延迟时间是不断增加的(图3)，这表明了激光器最佳工作条件是在低偏置情况下．

图2 接通延迟时间与注入功率的关系Fig．2 Relationship between delay time and injection power

图3 接通延迟时间与偏置电流的关系Fig．3 Relationship between bias current and pulse width of jitter

2．2 注入种子光功率与脉宽抖动的关系

随着注入种子光功率的增加(图4)，抖动从1．6 ps 减小到0．5 ps 左右，图6 是没注入种子光时的脉冲图形，其抖动约为6 ps 左右，图5 为注入种子光功率为－22 dBm 时输出图形，抖动约为0．6 ps．

图4 注入种子光功率与输出脉冲宽度和抖动的关系Fig．4 Relationship between the output pulse width and jitter of injection seed light power

图5 经种子光注入后输出脉冲抖动情况Fig．5 Jitter after the seed light output pulse injection

这说明注入种子光对抑制抖动有明显效果．但注入种子光在抑制抖动不是越大越好，图4 中可看出，当注入功率增加到一定程度抖动不再减小反而增加，此时的注入光已是一种附加性噪声．同时当注入功率增加到－35 dBm，脉冲开始展宽，具体表现为图5 的脉宽要远大于图6 的，文献［12］中指出外种子光的注入会降低激光器可实现的增益幅度，脉宽会随之增加．因此实际中要调节偏置调制电流和注入功率，综合考虑脉宽与抖动的关系使输出脉冲质量最优．本实验的模拟结果很吻合文献［7－8］中的试验结果．

另外，在数值模拟时发现脉冲宽度和抖动对偏置电流比调制电流要敏感的多，仅稍微改变偏置电流的大小的改变就会引起脉冲宽度和抖动发生较大的变化，这是偏置电流对载流子浓度的影响比调制电流的影响大的原因［9－10］．图7 显示的情况为调制电流为34 mA、调制频率为2．5 GHz 取值时，改变偏置电流的抖动脉宽图．从图7 显示，在脉宽最小处，抖动有个突然的增加随后又减小．这种现象文献［11－12］在实验中发现了这个现象，分析为可能原因是脉宽最窄处，同时也是载流子浓度变化最大处，导致了更大的不稳定性．

图6 注入前输出脉冲抖动情况Fig．6 Jitter before the output pulse injection

图7 偏置电流与脉宽抖动的关系图Fig．7 Relationship between Bias current and pulse width of jitter

3 结语

从激光单模速率方程出发，附加尾随机信号和注入种子光情况下，模拟了在特定频率下，偏置电流、调制电流和注入种子光与输出脉冲对抖动所产生的影响．同时得到在无种子光注入、不同的调制( 下转第456 页)于双滞环电流矢量控制技术的电流调节器具有硬件结构简单，仅需测量转子电流的瞬态值，变换器的门信号直接用开关表产生，取消了传统PI 控制的调制单元，使其具有内在的电流限制属性、非常快的动态响应速度和优良的参考电流跟踪能力，且对系统参数变化具有很强的鲁棒性，具有一定的商业化应用前景．

［1］ 贺益康，周鹏．变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述［J］．电工技术学报，2009，24(9):140－146．

［2］ 吕志强，许国东．兆瓦级双馈风电机组电网故障时的暂态分析［J］．电力系统保护与控制，2010，38(23):112－116，125．

［3］ 郑伟，季筱隆，苏彦民．一种新颖的异步电机标量控制方案［J］．中小型电机，2005，32(6):43－47．

［4］ Mitsutoshi Yamamoto，Osamu Motoyo－shi．Active and Reactive Power Control for Doubly Fed Wound Rotor InductionGenerator［J］．IEEE Trans． on Power Electronics，1991，6(4):624－629．

［5］ Pena R，Clare J C，Asher G M．Doubly Fed Induction Generator Using Back to back PWM Converter and Its Applicationto Variable Speed Wind Energy Generation［J］．IEEE Proceedings ElectricPower Application，1996，143(3):231－241．

［6］ Muller S，Deicke M，DeDoncker R W．Doubly Fed InductionGenerator Systems for Wind Turbines［J］．IEEE Industry Application Magazine，2002，8(3):26－33．

［7］ 李辉，杨顺昌，廖勇．并网双馈发电机电网电压定向励磁控制的研究［J］．中国电机工程学报，2003，23(8):159－162．

［8］ 刑作霞，郑琼林，刘光德．变速恒频风电机组直接转矩控制［J］．辽宁工程技术大学学报，2006，25(4):556－559．

［9］ XU Lie，Phillip Cartwright．Direct Active and ReactivePower Control of DFIG for Wind Energy Generation［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21(3):750－758．

［10］ Mohseni M，Islam S，Masoum M A S．Enhanced hysteresis－basedcurrent regulators in vector control of DFIG wind turbines［J］．IEEETrans．On Power Electronics，2011，26，(1):223－234．

［11］ 叶小军，曾江，王克英，等．并联有源电力滤波器双滞环电流控制策略［J］．电力系统保护与控制，2009，37(9):60－64．

［12］ 郭自勇，周有庆，刘宏超，等．一种基于电压空间矢量的有源滤波器滞环电流控制新方法［J］．中国电机工程学报，2007，27(1):112－117．