CN102324983B - 基于迈克尔逊干涉仪的光域多波长信号产生系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤通信技术领域，具体为一种基于半导体环形激光器和迈克尔逊干涉仪的光域多波长产生系统。该多波长产生系统主要由一个半导体环形激光器和两个迈克尔逊干涉仪组成，通过迈克尔逊干涉仪对环形激光器的谐振模式进行滤波选择即可产生多波长输出。本发明产生的多波长输出频率间隔由迈克尔逊干涉仪决定，可完全满足波分复用（WDM）系统的要求；产生的多波长平坦度好，光信噪比（OSNR）高，实用性强。本发明所提出的器件结构简单，尺寸微小，在未来的光路集成（PIC）技术中有很好的应用前景。

Description

基于迈克尔逊干涉仪的光域多波长信号产生系统

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种光域多波长信号产生系统。

背景技术

如今，随着高速接入网、移动电话数据服务、多媒体广播系统和为了网格计算与远程存储的大容量数据网络等服务的发展，通信系统的可用带宽正在接受极大的考验。而光通信系统能够在数千公里的传输距离中支持Tb/s量级的容量，从而使之成为大容量传输系统的基础架构。

光纤通信系统以其巨大的带宽资源和良好的通信质量成为骨干传输网络的优先选择。同时，波分复用（WDM）技术增加了在光纤网络中并行传输波长的数量，从而极大程度上提高了光传输系统的容量，是目前超大容量光纤通信系统中最为成熟的技术之一。为了进一步提高WDM系统的传输能力，可以采用提高复用的波长数和增加单个通道的数据传输速率的方法。而就前者来说，已经有不少基于不同原理的方法被提出。

如图1所示为现有多波长产生技术之一的超连续谱方法。

在这种方法中，由脉冲激光器产生的宽频脉冲波经过一段保偏光纤之后，保偏光纤中产生的四波混频、自相位调制和交叉相位调制等非线性效应使得输入光的频谱进一步展宽。输出光经过一个带通滤波器之后，可以得到一个宽频且平坦的超连续谱。该连续谱再经过一段保偏光纤和一个偏振分束器组成的双折射率滤波器，其中的两个偏振方向的光场被分离，并且每个方向的输出为有一定频率间隔的梳状频谱，实现了多波长输出。上述技术至少存在如下缺点：

超连续谱激光器产生的多波长输出都是脉冲，而非连续波，这使得该方法的应用仅仅局限于归零码（RZ）传输系统。并且，为了在非线性光线中产生较强的非线性作用，该方法需要使用输出功率较大的脉冲激光器，输出功率为100瓦量级。于是如果持续使用这种技术，将会消耗极大的能量。

为了以较小功率代价产生连续的多波长输出，另外一类基于电光调制器的多波长产生方法被提出。如图2所示为该类技术中一种典型方法的系统结构图。

在这种方法中，激光器输出的连续光载波首先输入至由射频信号驱动的马赫曾德尔调制器（MZM）中。根据MZM的调制原理，射频驱动信号在光载波的谱线两边激射出一系列频率间隔与驱动信号频率相同的谐波。并且，通过调整MZM上的偏置电压，可获得不同组份的谐波输出。MZM产生的多波长输入至相位调制器，可进一步扩展频谱。上述技术至少存在如下缺点：

该技术产生的多波长结构复杂，需要使用激光源、驱动信号源和多个电光调制器，并且还需要大功率的电放大器来放大驱动信号。另外，该技术的调节精度要求较高，需要分别调节偏执电压、延迟相位等参数，使得得到满足要求且状态稳定的多波长输出难度很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，可以产生稳定多波长输出且系统调节过程简便的光域多波长信号产生系统。

本发明提出的光域多波长信号的产生系统，原理图如图3所示，包括1个半导体环形激光器和2个迈克尔逊干涉仪。该环形激光器和迈克尔逊干涉仪都可由III-V族半导体制备得到，从而集成在单片集成光路中。环形激光器的谐振腔中同时存在着两个方向的光场行波，即顺时针和逆时针方向。腔中谐振的模式必须满足相位自洽条件：

其中k为模式的波数，L为谐振腔的周长，m为正整数。另外，中心谐振模式（线性增益最大）的波长可以由谐振腔半导体材料的组分控制进行调节。由光速c，环形谐振腔的材料折射率n和周长L共同决定了腔中谐振模式的频率间隔：

。

环形激光器在谐振腔内产生了顺时针和逆时针方向的谐振模式，谐振模式的频率间隔由环形腔的周长和半导体材料的折射率决定。其中一个方向（如，逆时针方向）的模式经过耦合器输出后进入第一迈克尔逊干涉仪(a)，第一迈克尔逊干涉仪(a)的滤波间隔可通过设定干涉仪的尺寸进行调节。该方向的模式经过干涉仪的滤波作用后被反射回至环形谐振腔内，对另一个方向（如，顺时针方向）的模式产生增强作用。并且，逆时针模式在经过第一迈克尔逊干涉仪(a)反射的过程前后，会得到耦合波导加电而产生的增益。最终顺时针方向的模式会通过耦合器进入第二迈克尔逊干涉仪(b)，经过该干涉仪的滤波作用后即成为输出信号。

本方案与现有技术一和二的主要区别在于，所需器件尺寸微小，结构简单，可用集成工艺单片集成在半导体光路上；该技术所需的电流注入较小；输出的多波长频率和间隔由环形腔和迈克尔逊干涉仪的尺寸确定；输出多波长的光信噪比可由加在耦合波导上的增益电流进行调节。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明具有以下的优越性：

1）驱动电流小，节省功耗。

2）多波长的频率和频率间隔可由器件尺寸直接决定，省去了调节器件参数的复杂过程。

3）输出的光信噪比可由波导增益电流调节至最佳值，得到稳定可靠的输出。

4）将整套多波长输出方案集成于单片半导体上，适用于未来的集成光路。

本发明适用于大容量多用户光纤通信系统中的波分复用技术领域，可用于改善多路光载波的产生方法。

附图说明

图1 T. Morioka等人提出的基于脉冲激光器的超连续谱多波长产生系统图。

图2 Masamichi Fujiwara等人提出的基于电光调制器的多波长产生系统图。

图3 本发明基于环形激光器和迈克尔逊干涉仪的多波长产生系统图。

图4环形激光器在自由稳定谐振情况下的频谱图1。

图5环形激光器在自由稳定谐振情况下的频谱图2。

图6迈克尔逊干涉仪作用下光功率与模式频率的关系图。

图7 本方案得到的最终多波长输出频谱图。

图8 谐振腔内的目标激射模式的功率变化图。

具体实施方式

下面将根据本发明提出的基于环形激光器和迈克尔逊干涉仪的多波长产生方法，完整地描述具体实施过程。

本发明的多波长产生系统如下：

包括1个半导体环形激光器和2个迈克尔逊干涉仪。环形激光器的谐振腔中同时存在着两个方向的光场行波，即顺时针和逆时针方向。腔中谐振的模式必须满足相位自洽条件：

其中k为模式的波数，L为谐振腔的周长，m为正整数。另外，中心谐振模式（线性增益最大）的波长可以由谐振腔半导体材料的组分控制进行调节。由光速c，环形谐振腔的材料折射率n和周长L共同决定了腔中谐振模式的频率间隔：

为了研究谐振腔中各模式得到的增益以及各个模式之间的关系，给出以下模式场强(E_a)和载流子密度(N)的速率方程：

其中为光模式a电场强度E _a 对时间t的微分，v _g 为光场在谐振腔内的群速度，为材料的线性阈值增益，表达式为：

其中为增益g对载流子浓度N的微分和分别为阈值载流子浓度和透明载流子浓度，为抛物线系数。

为波导的限制因子，为载流子密度与阈值载流子密度之差：

是谐振腔的线性峰值增益g _pk 对载流子浓度N的微分，是线宽增强因子，是模式a的频率偏移，ω _a 和n _a 分别是模式a的角频率和对应的折射率，是光子寿命。因为其中激光器由载流子密度变化造成的线性阈值增益等于模式在腔内的损耗，于是：

和分别是模式b和模式d的电场强度，是模式c的电场强度的共轭。描述的是由模式之间的耦合作用对单个模式a所产生的三阶极化系数，包括三个非线性效应的总和，即频谱烧孔效应（SHB，），载流子热效应（CH，包含导带热效应和价带热效应，和）和载流子分布效应（CDP，）：

即为模式在时间和空间上的交叠系数，k为模式的波矢，ω为模式的角频率：

为耦合波导的耦合系数，为腔内往返时间：

，和分别为波导加电形成的半导体光放大器的增益系数，相位系数和长度。是与模式a相同频率相反方向的模式经过第一迈克尔逊干涉仪(a)反射得到的模式，是自发辐射项。

为载流子浓度N对时间t的微分。I为注入电流，e为单个电子的电量，V为谐振腔体积，为通过谐振腔内各种载流子损耗的总和计算得到的载流子寿命。S _a 是光子浓度与场强的转换系数，是模式a得到的总增益：

其中是模式a的总线性增益，是模式a的总非线性增益：

图4和图5显示了环形激光器在自由稳定谐振情况下，腔内两个行波方向的频谱图。在上述的例子中，图4显示的为顺时针方向的频谱，图5显示为逆时针方向的频谱。从这两个图可以看出，在未加反馈自由谐振的环形激光器中，其中一个方向的模式（该例中为顺时针方向）会进行主激射，模式功率较大。在该方向模式功率的抑制下，另一方向（该例中为逆时针方向）的模式功率较小。而且，两个方向都呈现为单模激射，边模抑制比(SMSR)较大。

环形谐振腔下的第一迈克尔逊干涉仪(a)，如图3所示,将会把其中一个方向（图中为逆时针方向）的光场反射回至环形谐振腔。而第二迈克尔逊干涉仪(b)用来对从环形腔最终的耦合输出进行滤波（图中为顺时针方向输出）。干涉仪两个臂的长度差可用来调节滤波的频率间隔，比如满足ITU规定的WDM间隔。也就是说，第一迈克尔逊干涉仪(a)用来使腔内欲选择的模式更加平坦，而第二迈克尔逊干涉仪(b)用来增加最终输出光的光信噪比。

下面来分析迈克尔逊干涉仪的滤波过程，最终从第一迈克尔逊干涉仪（a）处反射回至环形激光器的模式可表示为：

其中ω为角频率，t为时间，为的相位，为的幅度，表示如下：

其中是从环形激光器中耦合输出的，与模式a同频率但方向相反的模式的场强幅度。是第一迈克尔逊干涉仪(a)的损耗系数，而光场经历的损耗系数为/2。和是两臂的长度，而光场从耦合输出到第一迈克尔逊干涉仪(a)至返回环形激光器，经历的长度分别为2和2。最终，可以得到第一迈克尔逊干涉仪(a)的滤波函数：

而光功率和模式场强满足下列关系：

其中ε为介电常数，E为电场强度，v _g 为群速度，S为波导的横截面积。则经过第一迈克尔逊干涉仪(a)滤波的光功率可表示为：

即滤波得到的光功率与模式频率之间近似呈余弦函数关系，如图6所示。

第二迈克尔逊干涉仪(b)的滤波原理如下：

其中为的幅度，表示如下：

其中是干涉仪的损耗系数，而光场经历的损耗系数为/2。和是两臂的长度。最终，可以得到迈克尔逊干涉仪的滤波函数：

将上述所有理论过程进行综合，便可得到整个器件的理论模型。我们在MATLAB平台上进行了数值仿真，得到了图7所示的最终多波长输出频谱。从图中可以看出，目标载波的光信噪比达到了29.5dB以上，平坦度在5dB以下。

图8为谐振腔内的目标激射模式（此例中为顺时针方向）的功率变化图，可以看出原本为单模激射的频谱分布在第一迈克尔逊干涉仪(a)的作用下，开始变成多模稳定激射。在第二迈克尔逊干涉仪(b)的作用下，输出光谱的信噪比进一步增大。另外，多模激射在纳秒量级的时间内即可自动达到稳定，不需要进行复杂的参数调节，这种高速的多波长稳定输出在之前的各种方案中是难以达到的。

Claims (3)

1.一种光域多波长信号的产生系统，其特征在于结构包括：1个半导体环形激光器和2个迈克尔逊干涉仪；所述环形激光器和迈克尔逊干涉仪均由III-V族半导体制备得到，从而集成在单片集成光路中；半导体环形激光器的谐振腔中同时存在两个方向的光场行波：即顺时针和逆时针方向，腔中谐振的模式满足相位自洽条件： ，其中k为模式的波数，L为谐振腔的周长，m为正整数；另外，中心谐振模式的波长由谐振腔半导体材料的组分控制进行调节；由光速c，环形谐振腔的材料折射率n和周长L共同决定腔中谐振模式的频率间隔： ；

所述半导体环形激光器在谐振腔内产生顺时针和逆时针方向的谐振模式，其中一个方向的模式经过第一耦合器输出后进入第一迈克尔逊干涉仪(a)，第一迈克尔逊干涉仪(a)的滤波间隔通过设定干涉仪的尺寸进行调节；该方向的模式经过第一迈克尔逊干涉仪(a)的滤波作用后被反射器反射回至半导体环形谐振腔内，对另一个方向的模式产生增强作用；并且，一个方向的模式在经过第一迈克尔逊干涉仪(a)反射的过程前后，得到耦合波导加电而产生的增益；最终另一个方向的模式通过第二耦合器进入第二迈克尔逊干涉仪(b)，经过该第二迈克尔逊干涉仪的滤波作用后即成为输出信号。

2.如权利要求1所述的光域多波长信号的产生系统，其特征在于第一迈克尔逊干涉仪由两条存在一定长度差的波导臂组成，该长度差由波导的折射率和最终所求多波长的频率间隔决定。

3.如权利要求1所述的光域多波长信号的产生系统，其特征在于第二迈克尔逊干涉仪由两条存在一定长度差的波导臂组成，该长度差由波导的折射率和最终所求多波长的频率间隔决定。