CN1421970A - 低抖动频率无关半导体脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

低抖动频率无关半导体脉冲激光器属于光通信和超快现象研究领域。针对现有降低增益开关半导体激光器脉冲抖动的技术只适用于几个固定重复频率的缺陷，本发明的特征在于利用一个半导体脉冲激光器作为种子注入源，通过外脉冲注入方法来降低主增益开关半导体激光器的脉冲抖动。当种子脉冲在主脉冲产生前20～40ps这一时间窗口注入时，便可产生低抖动频率无关的波长可调谐的半导体激光脉冲。该发明是一个全光纤激光器，具有操作简单、易于实现和适用范围广等优点。

Description

低抖动频率无关半导体脉冲激光器

技术领域  本发明低抖动频率无关半导体脉冲激光器属于光通信和超快现象研究领域。

背景技术  半导体激光脉冲广泛应用于光通信领域和超快现象研究之中，特别是用增益开关(电调制)方法产生半导体激光脉冲，具有结构简单、体积小、价格低、脉冲重复频率连续可调等优点，目前在光通信中多用增益开关半导体激光器做为通信光源。但是由于激光器腔内自发辐射的影响，增益开关半导体激光器通常具有较大的脉冲间的时间抖动，也就是说，光脉冲重复频率的瞬时起伏较大。例如，对于增益开关分布反馈式(DFB)半导体激光器而言，其脉冲的时间抖动高达十几个皮秒(ps)。大的抖动会增加高速光通信系统的误码率。例如，为达到10^-12的误码率，要求光脉冲的时间抖动小于脉冲间隔的1/14。对于光时分复用系统，则要求脉冲抖动小于脉冲间隔的1/20。这样，对于20Gb/s的光时分复用系统，光脉冲的时间抖动应低于2.5ps。光脉冲的抖动是限制光通信向更高速发展的一个主要障碍。

抖动也会对超短光脉冲的应用产生限制，例如在基于超短光脉冲的电光取样系统中，抖动的存在降低了测量系统的时间分辨率，在基于激光脉冲探针的泵浦-探测测量中，抖动的存在会降低测量系统的信噪比。

对激光脉冲的研究成为近几年研究的一个热点，目前人们实验发现：通过自种子或外连续光注入技术可以有效的降低增益开关半导体激光器的脉冲抖动，自种子注入技术是将激光器出射的部分脉冲光经过外部反射器件再反射注入到激光器腔内，这一注入到激光器本身腔内的技术称为自种子注入技术。自种子注入技术降低抖动的条件是：光脉冲在外腔的中的往返时间严格地等于脉冲周期的整数倍。这一技术有一个明显的缺陷：一旦外腔长度确定时，增益开关半导体激光器的重复频率便不能改变，而重复频率连续可调是增益开关半导体激光器的最主要优点之一。降低抖动的另一技术是用外部连续光注入，但它要求昂贵的波长可调谐光源。另外，我们在实验中发现，对于增益开关Fabry-Perot激光器，外部连续光注入只会增加脉冲抖动，而不可能降低抖动，从目前的实验结果来看，外部连续光注入降低抖动技术只适应于增益开关DFB激光器。

发明内容 为了克服现行的自种子注入技术受光脉冲重复频率限制这一缺陷，本发明公开了低抖动频率无关半导体脉冲激光器的技术方案。

本发明低抖动频率无关半导体脉冲激光器，其特征是由两个波长相吻合的带尾纤半导体激光器通过光纤耦合器耦合组成一个激光器系统。其中一个半导体激光器作为外部注入种子脉冲源，称之为种子激光器，种子激光器产生的光脉冲部分注入到另一个半导体激光器腔内，被脉冲注入的半导体激光器称为主激光器，主激光器的腔内不需内置光隔离器。种子激光器由重复频率可调谐的调制信号源1、宽带信号放大器2、T型偏置器3和直流偏置电源15、带尾纤的半导体激光器4及其温度控制器12组成。直流偏置电流和调制信号通过T型偏置器3叠加到半导体激光器4上，产生重复频率可调谐的种子脉冲。主激光器由调制信号源1、宽带电延迟线5、宽带信号放大器6、T型偏置器7、直流偏置电源16、带尾纤的半导体激光器8和温度控制器13组成，直流偏置电流和调制信号通过T型偏置器7叠加到半导体激光器8上，产生相同重复频率的主激光脉冲。主激光器与种子激光器共用同一个调制信号源1，以保证这两个激光器具有相同的时钟基准。种子激光器与与主激光器均采用带尾纤的半导体激光器，种子激光器的尾纤17与主激光器的尾纤18通过光纤耦合器10连接。种子脉冲通过一组偏置控制器11由光纤耦合器10的端口III注入到主激光器腔内，主激光器的脉冲输出通过耦合器10的端口II出射。当种子激光器内无光隔离器时，需要在光纤耦合器与种子激光器之间设置一个光学隔离器14，防止主激光器的脉冲注入到种子激光器腔内。调节电延迟线5使主激光器的调制电信号从调制信号源1到主激光器8腔内的传输时间t₁，种子激光器的调制信号从调制信号源1到种子激光器4腔内的传输时间t₂与种子脉冲在尾纤中的传输时间t₃，满足下面公式：

             t₁(ps)+(30±10)ps＝t₂(ps)+t₃(ps)其中：(30±10)ps为种子脉冲注入主激光器的提前量。

本发明低抖动频率无关半导体脉冲激光器，其特征在于主激光器可以是单模激光器或多模半导体激光器。当主激光器选用多模激光器时种子脉冲的出射波长，可实现波长可调谐的单模输出。

本发明低抖动频率无关半导体脉冲激光器，其特征在于种子激光器的波长通过改变其工作温度来调谐。

本发明的优点为全光纤结构，结构简单、使用方便、易于实现。主激光器输出的激光脉冲具有波长可调谐、低抖动且与光脉冲的重复频率等特点。这种激光器可具体应用于光通信、光电测量技术、超快现象研究等领域，其应用范围覆盖通信、生物、材料、电子及工业等行业。

附图说明  附图为低抖动频率无关半导体脉冲激光器的结构示意图。

附图中的标号为：1：微波信号源，2、6：宽带射频放大器，3，7：T型偏置器，4：半导体激光器(种子激光器)，5：宽带电延迟线，8：半导体激光器(主激光器)，9：同相位功率分配器，10：光纤耦合器，11：偏置控制器，12、13温度控制器，14：隔离器，15、16：直流电源，17：种子激光器尾纤，18：主激光器尾纤。

具体实施方式  以Fabry-Perot和DFB两个不同的半导体激光器为例：假设无内置隔离器的Fabry-Perot半导体激光器为主激光器，带有内置光隔离器的DFB半导体激光器为种子激光器，两个激光器的波长基本吻合，两个激光器都加以直流偏置电流。由一个电调制源产生某一频率的调制信号，经过同相位功率分配器分成两部分，一部分调制信号经过宽带信号放大器和T型偏置器用于驱动种子激光器产生光脉冲。另一部分调制信号经过电延迟线、宽带信号放大器并通过T型偏置器作用到主激光器上。主激光器通过温度控制器工作在恒定的温度下，以保证波长不随时间偏移。调节种子激光器的工作温度使其出射的波长与主激光器的一个纵模的中心波长一致。种子激光器的激光脉冲通过一组偏振控制器，经过10∶90的光纤耦合器(根据注入种子光功率的不同，可选择不同分配比率的光纤耦合器)，将种子脉冲功率的10％注入到主激光器腔内。如果两激光器的尾纤与光纤耦合器的总长为2m，光纤的折射率n＝1.53，种子光脉冲在尾纤及耦合器中所传输的时间为：选用电传输速度为0.7c(c为真空中的光速)的宽带同轴电缆做为电调制信号的传输线，调制主激光器的传输线比调制种子激光器的传输线多2m，调制信号从调制信号源到两个激光器的时间差为：

调节电延迟线，让其产生170ps的延迟，即满足公式：t₁(ps)+(30±10)ps＝t₂(ps)+t₃(ps)。此时主激光器通过光纤耦合器端口II出射的光脉冲的边模抑制比超过15dB，脉冲抖动降低2～3倍，重复频率的调谐范围仅受所选用光电器件带宽的限制且波长可在20nm范围连续可调。

Claims (1)

1.低抖动频率无关半导体脉冲激光器，其特征是由两个波长相吻合的带尾纤半导体激光器通过光纤耦合器耦合组成一个激光器系统，其中一个半导体激光器作为外部注入种子脉冲源，称之为种子激光器，种子激光器产生的光脉冲部分注入到另一个半导体激光器腔内，被脉冲注入的半导体激光器称为主激光器，主激光器的腔内不需内置光隔离器，种子激光器由重复频率可调谐的调制信号源(1)、宽带信号放大器(2)、T型偏置器(3)和直流偏置电源(15)、带尾纤的半导体激光器(4)及其温度控制器(12)组成，直流偏置电流和调制信号通过T型偏置器(3)叠加到半导体激光器(4)上，产生重复频率可调谐的种子脉冲，主激光器由调制信号源(1)、宽带电延迟线(5)、宽带信号放大器(6)、T型偏置器(7)、直流偏置电源(16)、带尾纤的半导体激光器(8)和温度控制器(13)组成，直流偏置电流和调制信号通过T型偏置器(7)叠加到半导体激光器(8)上，产生相同重复频率的主激光脉冲，主激光器与种子激光器共用同一个调制信号源(1)，以保证这两个激光器具有相同的时钟基准，种子激光器与与主激光器均采用带尾纤的半导体激光器，种子激光器的尾纤(17)与主激光器的尾纤(18)通过光纤耦合器(10)连接，种子脉冲通过一组偏置控制器(11)由光纤耦合器(10)的端口III注入到主激光器腔内，主激光器的脉冲输出通过耦合器的端口II出射，当种子激光器内无光隔离器时，需要在光纤耦合器与种子激光器之间设置一个光学隔离器(14)，防止主激光器的脉冲注入到种子激光器腔内，主激光器的调制电信号从调制源(1)到其腔内(8)的传输时间t₁，种子激光器的调制信号从调制信号源(1)到其腔内(4)的传输时间t₂与种子脉冲在尾纤中的传输时间t₃，满足公式：

                      t₂(ps)+(30±10)ps＝t₂(ps)+t₃(ps)其中：

(30±10)ps为种子脉冲注入主激光器的提前量。