多波長鎖模激光器在WDM光纖通信中的重要應(yīng)用

前言
---目前廣泛使用的光纖通信系統(tǒng),包括都市網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和使用光纖傳輸信號的各種設(shè)備系統(tǒng)等都需要使用大量的半導(dǎo)體分布反饋激光器作發(fā)射光源,這增加了網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。隨著都市光纖通信網(wǎng)絡(luò)、各種局域網(wǎng)和光纖信號傳輸設(shè)備儀器的廣泛使用,這一問題就更加明顯。模式鎖定激光器是時域應(yīng)用方面產(chǎn)生短脈沖的工具,包括要求C波段可調(diào)的重復(fù)頻率通信應(yīng)用,這種鎖模激光器還可在波分復(fù)用光纖通信網(wǎng)絡(luò)中用作多波段光源。由于這種半導(dǎo)體可調(diào)多波段激光器能提供光學(xué)梳狀濾波功能,且信道間隔范圍極寬：100～3.125GHz,因而可大量地減少目前WDM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中所用的普通分布反饋半導(dǎo)體激光器光源,大大地簡化WDM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于目前的WDM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在按國際通信聯(lián)盟（ITU）柵格上的精確位置采用多波段建立的,因而對系統(tǒng)建立的空間限制成本和性能都提出了很高的要求。而模式鎖定半導(dǎo)體激光器能產(chǎn)生脈沖重復(fù)頻率精確分開的高質(zhì)量信道梳,只要用一個這種鎖模半導(dǎo)體激光器便可代替許多個目前在WDM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中所使用的分布反饋激光器。這種激光器使目前WDM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有可能實現(xiàn)用單光源取代多光源的簡化方案,這不僅簡化了WDM通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),而且對降低系統(tǒng)成本十分有利,進(jìn)而把WDM通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用從都市網(wǎng)絡(luò)、接入接出網(wǎng)絡(luò)、測量和測試設(shè)備與便攜式野外測試設(shè)備等的應(yīng)用擴(kuò)展到新的應(yīng)用領(lǐng)域,如超連續(xù)譜的產(chǎn)生、頻率測量、超精細(xì)的分布WDM等,還可從激光光譜與時間特性獲得許多有益的應(yīng)用。

激光器的模式鎖定工作
---時域應(yīng)用中的鎖模激光器輸出功率是一種連續(xù)系列的品質(zhì)脈沖,圖1示出的是一個鉺玻璃鎖模激光器的輸出光脈沖頻率,其工作波長為1535nm,重復(fù)頻率為25GHz,周期為40ps,脈沖寬度約為4ps。一般說來,激光器的頻率模式由一個C/2L的無光譜區(qū)分隔開,這里的L表示激光器的腔長,激光器的工作常常是多模的,其模式隨時間的變化是隨機(jī)性的。顯然,這種變化會引起激光器的輸出光強(qiáng)度發(fā)生隨機(jī)性的起伏變化,從而導(dǎo)致模式間的相互干涉和模式競爭,這會降低激光器輸出的穩(wěn)定性和相干性能,因為一個穩(wěn)定和相干工作的連續(xù)波激光器通常只以一個激射模式工作。
---這種模式鎖住是靠強(qiáng)加模式相位,保持模式彼此間的恒定值的方式產(chǎn)生穩(wěn)定和相干脈沖激光。因此,這些模式都是相干密合的。基模鎖住導(dǎo)致出現(xiàn)一種周期系列的光脈沖,其周期為無光譜區(qū)距離的倒數(shù)。這種脈沖周期就是2個連續(xù)到達(dá)腔體端面反射鏡面脈沖間的間隔。而模式的頻率間隔和脈沖重復(fù)頻率間存在著一種固體的關(guān)系。換言之,這種定時脈沖梳的傅里葉變換是一種頻率或波長梳,這種能力正是使鎖模激光器能夠作為多波段激光光源的關(guān)鍵因素。
---當(dāng)以等于間模頻率間隔的頻率對激光器的損耗加以調(diào)制時產(chǎn)生鎖模工作。要對此現(xiàn)象進(jìn)行解釋一種途徑是設(shè)想在激光器腔體內(nèi)有一個只在短間隔時間內(nèi)周期打開的光閥。這種激光器只能在該脈沖精確地與打開光閥的時間重合時才工作。在該腔體工作的脈沖要求其工作模式應(yīng)是鎖相的,當(dāng)模式相位趨于偏離其理想的鎖模值時,光閥將會對隨脈沖增強(qiáng)的強(qiáng)度尾隨脈沖進(jìn)行修正。因此,腔內(nèi)的快光閥具有連續(xù)修復(fù)鎖模條件的作用。由于這種鎖模激光器以脈沖重復(fù)頻率工作,其所需脈沖寬度要比機(jī)械閥門能提供的性能好得多。實現(xiàn)模式鎖定對激光器腔體內(nèi)的損耗加以調(diào)制的途徑有兩種：一是有源調(diào)制,另一種是無源調(diào)制途徑。
● 有源調(diào)制鎖模：采用有源調(diào)制方式實現(xiàn)鎖模的激光器,通常是使用電光調(diào)制器來達(dá)到這一目的,而電光調(diào)制器由腔體重復(fù)頻率射頻信號驅(qū)動工作。
● 無源調(diào)制鎖模：這種實現(xiàn)鎖模工作的方式是采用叫做可飽和吸收的器件自然地把模式與快速響應(yīng)時間鎖定,而不是采用外部驅(qū)動信號的方式來實現(xiàn)鎖模。
---按照通信波長使用的鎖模激光器中有光纖激光器、半導(dǎo)體激光器和鉺玻璃激光器。
● 光纖鎖模激光器：這是一種有源調(diào)制鎖模光源,是以最終的重復(fù)頻率諧波方式實現(xiàn)鎖模的。因為這種激光器的腔體長,需要一條長的光纖以便獲得足夠的增益,在體積上比較大,在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜,這是其不足之處,其優(yōu)點在于對參數(shù)的校準(zhǔn)比較靈活,器件輸出功率大。
● 半導(dǎo)體鎖模激光器：這種激光器實現(xiàn)鎖模工作也是采用有源調(diào)制方式,這種光源的優(yōu)點是體積小,但輸出功率較小,穩(wěn)定性差些。目前這種技術(shù)仍是處于實驗室發(fā)展階段。
● 鉺玻璃鎖模激光器：這是一種采用無源調(diào)制方式實現(xiàn)鎖模的光源。這種激光器的結(jié)構(gòu)簡單,能獲得高的性能,圖2示出了25GHz的鉺玻璃鎖模激光器的組成結(jié)構(gòu),其腔體由增益玻璃、激光反射鏡、可飽和吸收器和可調(diào)濾波器組成。這種激光器的腔體短,25GHz激光器的腔長約為6mm,體積小,輸出功率大。這種無源鎖模激光器是把980nm的CW泵浦激光器輸出的光聚焦進(jìn)入腔體,然后再以腔體內(nèi)激射1550nm的ps脈沖,因而無需再輸入別的所需信號。
---這種鉺玻璃激光器利用的是摻鉺光纖放大器產(chǎn)品使用的成熟元器件,采用的是光學(xué)泵浦方式,泵浦是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的980nm激光二極管。這種半導(dǎo)體激光二極管泵浦源堅實,輸出功率高,工作又穩(wěn)定,同時價格也便宜。目前覆蓋整個C波段的多波段激光器的平均輸出功率為10dBm。這種器件有一個與反射襯底合在一起的可飽和吸收器,形成一個半導(dǎo)體可飽和吸收反射鏡,其反射特性隨光強(qiáng)度的增強(qiáng)而增強(qiáng)。它是一個超快速光開關(guān),其作用就像一個產(chǎn)生鎖模光譜的腔內(nèi)閥門,具有以極高的光流通特性在極短的時間內(nèi)把所有的激射光子都聚集在腔內(nèi)的作用。這種反射鏡響應(yīng)時間極短,對脈沖形成的響應(yīng)時間為毫微微秒級,對激光器初始自起動的響應(yīng)時間為微微秒級,這種反射鏡元件是采用最基本的半導(dǎo)體技術(shù)制作的。鉺玻璃激光器的譜段是可調(diào)的,覆蓋了整個C波段區(qū),因此,可設(shè)置成一個波長梳子覆蓋1530～1565nm光譜區(qū)的任何一段柵格信道。將信號鎖在國際通信聯(lián)盟柵格上需要有一個多波段梳按頻率漂移,以便精確地與已知的參照柵格重合,然后實現(xiàn)鎖定。所需最大的頻率漂移就是梳子間隔,等于鎖模激光器的無光譜區(qū)。這種激光器的一個無光譜區(qū)漂移需要一個波段時間的腔長變化,即1.5μm,濾出梳子邊緣的一個信道,然后可校準(zhǔn)反射鏡腔實現(xiàn)ITU柵格的鎖定。

多波段鎖模激光器簡化了WDM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
---隨著對波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)應(yīng)用日益增長的需求,要求系統(tǒng)的尺寸、功耗、復(fù)雜性、可靠性和成本方面必須要有很強(qiáng)的競爭性。由于城市空間的擁擠,可用空間限制要求是個突出的因素,這也要求系統(tǒng)盡量地簡化,從而縮小系統(tǒng)尺寸,減少占用空間,降低系統(tǒng)使用功耗,提高系統(tǒng)的可靠性,特別引人注目的是要在成本方面明顯降低,多波段鎖模激光器平臺有效地簡化了WDM系統(tǒng),符合上述的要求。
---1.WDM信道的產(chǎn)生
---把鉺玻璃多波段激光器與另一個在通信系統(tǒng)中使用的元件組合起來就可形
---成一個多信道WDM光源,如圖3所示。把激光器與一個動態(tài)增益均衡器和一個摻鉺光纖放大器連接起來就產(chǎn)生出一個平坦的32信道分布的WDM波段梳,其信道線寬為1MHz。該圖中是把25GHz梳狀產(chǎn)生的激光器調(diào)到1535nm的中心波長上,平均功率為12dBm。該器件輸出頻譜中心內(nèi)模式的光信噪比典型值大于60dB。眾多鎖模隨著功率和信噪比的降低從頻譜中心向每一個方向擴(kuò)展。因此,多波段激光器的可用信道數(shù)可利用現(xiàn)有WDM光源可兼容的信噪比要求條件來確定。
---由于激光器是基橫模鎖定,因而信道之間無任何側(cè)模出現(xiàn),但典型的分布反饋激光器的側(cè)模抑制比率可用作多波段激光器信噪比要求的門限值,WDM激光器光源的典型抑制比率為35dB左右。在多波段頻譜中,多于32個模式時比值大于35dB,因此,這種測試過程要用32個信道。
---2.梳狀濾波功能
---在多波段激光器構(gòu)成平臺中使用這種動態(tài)增益均值器的目的是實現(xiàn)多信道梳狀平坦濾波,使所期望的梳狀帶寬外側(cè)的模式急速衰減,摻鉺光纖放大器占用與WDM應(yīng)用相應(yīng)的功率電平信道,在本文該例中信道功率電平顯示高達(dá)10dBm。同時還可設(shè)置均值器的分布圖計算出放大器的增益分布,這就容許優(yōu)化信道計算,信噪比和功率系統(tǒng)、用于獲取密集波分復(fù)用（DWDM）頻譜的光譜分析儀分辨率為0.01nm。該例中的增益均值器是具有足夠高的分辨率,分辨整個C波段的信道間隔。該器件起作一種可尋址衍射光柵的作用,有一長排為數(shù)眾多的單獨(dú)分開的微機(jī)電系統(tǒng)窄條。
---相應(yīng)的功率精度和光譜功率波動為±1dB,動態(tài)范圍大于15dB,該測試設(shè)備有一個標(biāo)準(zhǔn)的摻鉺光纖放大器,其標(biāo)準(zhǔn)的輸出功率為27dBm。
---除了提供一個測試WDM元件的平臺而外,這種鎖模激光器光源還可用于顯示超連續(xù)譜的產(chǎn)生,用隨色散分布減少而降低的高非線性光纖把多波段梳加以擴(kuò)展使之能覆蓋到300nm的光波段。這種高峰值功率的P秒脈沖與非線性光纖相干涉產(chǎn)生超連續(xù)譜,25GHz鉺玻璃激光器發(fā)射的光脈沖與超連續(xù)譜產(chǎn)生的要求極為勿合,非常適用。

廣闊的應(yīng)用潛力
---鎖模激光器的上述能力通過分配的WDM產(chǎn)生1000以上的高質(zhì)量光載波信號能開拓出許多新的應(yīng)用,從而使光時分復(fù)用和WDM應(yīng)用的多波段短脈沖的實現(xiàn)成為可能,產(chǎn)生頻率測量用的精確光頻柵格。
---另一種先進(jìn)的應(yīng)用是超精細(xì)分配WDM系統(tǒng)應(yīng)用,這種應(yīng)用能以密度高達(dá)3.125GHz的間隔信道實現(xiàn)較慢的數(shù)據(jù)速率傳輸。這種較慢的數(shù)據(jù)速率間化了電路,避免了附加的時分復(fù)用,消除了高速信號,特別是40GHz信號傳輸時所遇到的嚴(yán)重色散問題,多波段激光器光源特別適用于這一應(yīng)用,因為這種激光器能產(chǎn)生許多單光源信道,其信道密度極高。事實上使用這種多波段激光器平臺能從根本上解決目前和近期遇到的諸多實際問題。WDM系統(tǒng)必須適應(yīng)環(huán)境條件提出的日益增多的要求,在成本、尺寸、功耗和復(fù)雜性等方面都必須不斷地得到明顯改善,顯然多波段激光器能滿足這一系列要求。

結(jié)論
---隨著都市局域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和日益增加的應(yīng)用,對WDM通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提出越來越嚴(yán)格的要求。多波段鎖模激光器能為WDM通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供光學(xué)梳狀濾波功能,其信道間隔距離極寬,達(dá)100～3.125GHz,大大地減少了所需的大量光源數(shù)量,簡化了通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),降低了功耗,提高了系統(tǒng)的可靠性,使系統(tǒng)成本大大地降低。這一系列好處將使WDM開拓更多的新應(yīng)用領(lǐng)域。