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单片集成可调谐半导体激光器的控制研究

作　者: 吕辉
导　师: 黄德修；余永林
学　校: 华中科技大学
专　业: 光电信工程
关键词: 可调谐半导体激光器取样光栅分布布拉格反射器型激光器半导体光放大器动态波长切换等效微波电路模型超宽带信号光波长锁定
分类号: TN248.4
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

可调谐半导体激光器一直被认为是光纤通信系统和下一代光网络的关键器件之一。它不仅能为密集波分复用(DWDM)系统提供及时、有效的库存管理和信道快速建立功能,而且还能极大地降低光源备用方案的成本；更为重要的是,它还能为下一代可重构光网络提供自动波长配置、波长转换和波长路由功能,从而大大增加网络的灵活性和带宽利用率。可调谐半导体激光器凭借着其广阔的应用前景,受到了国内外的普遍关注。本论文针对单片集成可调谐半导体激光器的控制及相关应用展开了较系统而深入的研究,具体研究内容如下：(1)介绍了可调谐半导体激光器的理论基础,包括半导体激光器的增益谱特性和布拉格反射(DBR)光栅的波长选择机制,以及取样光栅分布布拉格反射器(SGDBR)型激光器中的游标(Vernier)波长调谐原理,为本论文SGDBR激光器及与半导体光放大器(SOA)单片集成的SGDBR激光器(SGDBR-SOA集成器件)的控制研究提供了理论依据。(2)结合SGDBR激光器的波长调谐原理,设计出SGDBR激光器的波长自动测试系统。利用该波长自动测试系统可以准确、快速地完成SGDBR激光器的波长定标,为器件的动态性能研究奠定了测试基础。(3)对SGDBR激光器内部热电制冷器(TEC)的控制进行了研究,通过对两种不同TEC控制方式的比较,分析了TEC控制电路对SGDBR激光器动态波长切换的影响,并根据实验结果提出了改进方案。(4)对SGDBR激光器及SGDBR-SOA集成器件进行了动态波长切换的实验研究,根据实验结果分析了切换过程中瞬态模式产生的影响,并通过SOA节的快速开关控制改善了器件的动态波长切换性能。(5)根据速率方程分别推导出SGDBR-SOA集成器件的增益节和SOA节小信号电流调制的等效微波电路模型。利用受控源将前面推导出的两个电路模型级联,并考虑增益节的寄生效应,构成SGDBR-SOA集成器件增益节小信号调制的等效电路模型。在实验测得的器件微波S参数(反射系数S11和传输系数S21)的基础上,采取解析计算和数值拟合相结合的方法提取电路模型中的所有电路参数,并在不同的增益节直流偏置和器件的不同工作波长条件下完成电路参数的重复提取。最后利用得到的等效电路模型及参数值,对SGDBR-SOA集成器件增益节小信号电流强度调制(IM)响应分层次进行模拟分析,结果表明寄生效应及集成的SOA对于SGDBR激光器直接调制响应的抑制作用。(6)根据SOA的载流子和光子浓度速率方程推导出SGDBR-SOA集成器件SOA节小信号电流调制的微波等效电路模型,采用与前面相同的方法提取电路模型中的所有电路参数。集成的SGDBR激光器的不同输出波长和输出光功率对SOA节电流调制会产生不同的影响,电路模型中用不同的电路参数值来体现。利用得到的模型和参数对集成器件SOA节小信号电流调制导致的输出频率变化特性进行模拟,结果表明器件的频率调制(FM)响应与SOA节直流偏置电流有关,FM响应的大小在SOA节增益饱和点前后有不同的变化趋势。另外,对器件输出光频率啁啾的时域变化曲线进行了模拟,结果可与SGDBR激光器增益节直接电流调制导致的频率啁啾值相比拟,这也和相关文献报道的实验结果相吻合。(7)通过SGDBR-SOA集成器件SOA节小信号电流调制等效电路模型对SOA节电流调制引起的光增益时域变化波形进行了模拟,模拟结果提示了SOA节电流调制导致SGDBR-SOA集成器件输出类高阶超宽带(UWB)脉冲的可能性。实验研究证实了这种UWB信号产生方法的可行性,在实际器件的不同工作波长上得到了满足联邦通信委员会(FCC)要求的UWB功率谱。这为光域中直接产生UWB信号提供了一种新方法,并且产生的UWB信号具有波长调谐性。(8)在自行研制出的SGDBR激光器控制系统的基础上,借鉴他人提出的SGDBR激光器波长锁定的思路,针对自行研制的SGDBR激光器,提出精确、快速的光波长锁定设计方案。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-27
  1.1 现代光通信网络的发展概况及趋势  11-14
  1.2 可调谐半导体激光器在光网络中的应用  14-17
  1.3 可调谐半导体激光器的发展现状  17-20
  1.4 单片集成DBR型可调谐半导体激光器的控制技术  20-24
  1.5 本论文的研究内容  24-27
2 DBR型可调谐半导体激光器的相关理论  27-42
  2.1 引言  27
  2.2 半导体激光器的工作原理及增益特性  27-30
  2.3 DBR激光器的模式选择和波长调谐  30-37
  2.4 Vernier调谐原理及SGDBR激光器  37-41
  2.5 小结  41-42
3 SGDBR激光器的静态波长调谐控制  42-50
  3.1 引言  42
  3.2 调谐节驱动电流控制精度要求  42-44
  3.3 波长自动扫描控制系统设计  44-47
  3.4 实验结果及分析  47-49
  3.5 小结  49-50
4 SGDBR激光器动态波长切换控制  50-71
  4.1 引言  50
  4.2 SGDBR激光器动态波长切换控制系统设计  50-54
  4.3 TEC控制方式对波长切换的影响  54-62
  4.4 集成SOA的动态调控设计与实施  62-69
  4.5 小结  69-71
5 SGDBR-SOA集成器件电流调制特性及其微波电路模型分析  71-107
  5.1 引言  71-72
  5.2 微波S参数及其测量方法  72-75
  5.3 增益节小信号电流调制的微波电路模型及性能分析  75-88
  5.4 SOA节小信号电流调制的微波电路模型及性能分析  88-98
  5.5 利用SOA节电流调制产生UWB信号  98-105
  5.6 小结  105-107
6 SGDBR激光器输出光波长锁定  107-114
  6.1 引言  107
  6.2 光波长锁定的原理及方法  107-111
  6.3 光波长锁定系统的设计  111-112
  6.4 小结  112-114
7 总结与展望  114-117
致谢  117-119
参考文献  119-136
附录1 攻读博士学位期间发表论文目录  136-137
附录2 论文中缩略词的含义  137-139

单片集成可调谐半导体激光器的控制研究

内容摘要

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