外注入式增益開關雷射器超短脈衝的產生方法
2023-06-01 15:26:26
專利名稱：外注入式增益開關雷射器超短脈衝的產生方法
技術領域：
本發明涉及一種增益開關雷射器的雷射信號的產生方法，具體涉及一種外注入式 增益開關雷射器產生超短脈衝的方法。
背景技術：
超短光脈衝源是實現超高速、大容量全光通信系統與網絡的核心部件之一，它在超 寬帶光信號採樣、光存儲、超高速光子模-數轉換等方面也有著重要的應用價值。在實 際應用中，要求超短光脈衝源具有體積小、結構簡單、重複頻率高、抖動低、通用性好、 成本低和可靠性高等特點。電訊應用中，為實現結構緊湊、可批量生產的超高速光發射 機及其陣列，還要求超短光脈衝源具有能與其它光學器件集成在一起的特點。
半導體雷射器的增益開關是一種簡單、可靠的超短光脈衝技術，可以方便地應用於 現有的商用化半導體雷射器中，能夠靈活地輸出可變重複頻率的皮秒級光脈衝信號，適 應不同通信接口速率或網絡升級換代，對不同數據率信號進行超快採樣和波形監測等。 雖然增益開關雷射器存在著定時抖動和頻率啁啾大的問題，但可以採用光注入鎖定和光 濾波等方式解決。
增益開關雷射器的光注入鎖定方式可分為外注入和自注入兩種方法。雖然採用外注 入和自注入方法可以解決增益開關的光脈衝信號的波長可調諧和抑制抖動的問題，但是 自注入方法要求增益開關雷射器的外腔環路長度丄與所產生的超短光脈衝周期序列的 重複頻率,嚴格滿足公式①的關係
其中m為正整數，r為一個超短光脈衝信號通過該外腔環路所需要的傳輸時間。若光脈
衝信號在外腔環路中的傳輸速率為v，貝'F二^。外腔環路設計完成，外腔環路長度
丄值即固定，自注入式增益開關雷射器所產生的超短光脈衝周期序列的重複頻率/;就可由公式①確定出，而增益開關就失去了可靈活改變光脈衝信號重複頻率,之特性。 實際應用中，受環境溫度變換等影響，工程上難以確保通信系統和網絡的接口數據速
率始終是公式①所確定的重複頻率y;，這就使得自注入式增益開關雷射器的應用範圍 受到很大限制。雖然外注入方法可以解決該問題，但是外注入式增益開關雷射器通常
又需要額外使用一個波長可調諧的窄譜線寬度連續波(cw)光源作外部注入的種子光
源，結果將導致增益開關雷射器成本增加、結構複雜且體積增大。
發明內容
本發明的目的在於提供一種外注入式增益開關雷射器超短脈衝的產生方法，其解 決了背景技術中出現的重複頻率固定、應用範圍受限，結構複雜、體積大、成本高的 技術問題。
本發明的技術解決方案是
一種外注入式增益開關雷射器超短脈衝的產生方法，其包括以下實現步驟 (i )將增益開關雷射器2產生的具有多縱模光i斟寺性的超短光脈衝序列信號輸 至光學放大器3進行放大；
(ii) 通過光譜分量信號選擇器4篩選出光學放大器3輸出的位於自發輻射ASE 噪聲頻段內的、中心波長與增益開關雷射器2的其中一個縱模相同的窄光譜分量信號；
(iii) 以光譜分量信號選擇器4輸出的窄光譜分量信號， 一路作為夕卜來的種子光， 經光譜分量信號反饋迴路6回注至增益開關雷射器2，使增益開關雷射器2腔內被選 中的單縱模震蕩增強，形成外部光注入鎖定；光譜分量信號選擇器4輸出的另一路即 是所需要的超短光脈衝序列。
上述光譜分量信號選擇器4，當改變該光譜分量信號選擇器4的輸出波長值，且
每次都對應於增益開關雷射器2的某個不同縱模，則增益開關雷射器2腔內被選中的 單縱模運行的中心波長隨之改變，可以實現增益開關雷射器2波長的可調諧。 上述增益開關雷射器2可採用F-P半導體雷射器。
上述光學放大器3可採用覆蓋所需波段、且是寬光譜的半導體光放大器或摻鉺光 纖放大器。
上述光譜分量信號選擇器4根據F-P半導體雷射器輸出縱模間隔確定光譜分量信 號選擇器的輸出光譜寬度，所述的光譜分量信號選擇器4可採用窄帶濾波器或可調光纖光柵。
本發明具有以下優點-
1、 結構簡單、易於製造，可光學集成。
2、 具有靈活改變光脈衝重複頻率的特性，同時具有波長可調諧的功能。
3、 無需波長可調諧的窄譜線連續雷射器作為專門的外部注入種子光源，不僅簡 化了系統結構，而且降低了系統的成本與體積。
4、 定時抖動和頻率啁啾小、穩定性好。
圖1為本發明的工作原理圖。
圖2為無光注入的常規增益開關半導體雷射器輸出的時±或光脈衝信號波形。 圖3為無光注入的常規增益開關半導體雷射器輸出的光譜特性圖。 圖4本發明在波長為1547nm的光注入鎖定下輸出的光譜圖。 圖5本發明在波長為1534nm的光注入鎖定下輸出的光譜圖。 圖6本發明在波長為1549皿的光注入鎖定下輸出的光譜圖。 圖7本發明在波長為1554皿的光注入鎖定下輸出的光譜圖。 圖8為無光注入時常規增益開關雷射器輸出抖動為3ps的光脈衝信號波形。 圖9為本發明在外注入式時抖動為0. 5ps的超短光脈衝信號波形。 圖10為本發明重複頻率為lGHz時的超短光脈衝序列。 圖11為本發明重複頻率為2. 5GHz時的超短光脈衝序列。
具體實施例方式
參見圖1，本發明主要由增益開關雷射器、光學放大器、光譜分量信號選擇器、 光譜分量信號反饋迴路組成。增益開關雷射器的外部光注入是通過光學反饋迴路實現 的。因為增益開關雷射器輸出的光脈衝信號功率一般較低的，實際應用中，通常要採
用光學放大器增強其功率。本發明的具體實現步驟如下
(i )將增益開關雷射器2產生的具有多縱模光譜特性的超短光脈衝序歹瞻號輸 至光學放大器3進行放大。增益開關雷射器2可採用F-P半導體雷射器，即法布裡一 玻羅半導體雷射器、射頻信號放大器5和直流偏置電源1構成的常規的增益開關雷射 器。光學放大器3具體可採用半導體光放大器、摻鉺光纖放大器等覆蓋所需波段、且是寬光譜的放大器。
(ii)通過光譜分量信號選擇器4篩選出光學放大器3輸出的位於自發輻射ASE 噪聲頻段內的、中心波長與增益開關雷射器2的其中一個縱模相同的窄光譜分量信號。 由於光學放大器3會產生寬頻譜的自發輻射ASE (amplified spontaneous emission) 噪聲，通過設置於光學放大器3輸出端的光譜分量信號選擇器4，可篩選位於自發輻 射ASE噪聲頻段內的窄光譜分量信號。光譜分量信號選擇器4可根據F-P半導體雷射 器輸出縱模間隔來確定光譜分量信號選擇器的輸出光譜寬度，可選用窄帶濾波器、也 可採用可調光纖光柵等其他光譜分量信號選擇器。
(m)以光譜分量信號選擇器4輸出的窄光譜分量信號， 一路作為夕卜來的種子光， 經光譜分量信號反饋迴路6回注至增益開關雷射器2，使增益開關雷射器2腔內被選 中的單縱模震蕩增強，形成外部光注入鎖定；光譜分量信號選擇器4輸出的另一路即 是所需要的超短光脈衝序列。為鎖定外部注入光信號，可使光譜分量信號選擇器4所 選出的窄光譜分量信號的中心波長與增益開關雷射器2的其中一個縱模相同，則光譜 分量信號選擇器4輸出的光信號即可用作外來的種子光回注給增益開關雷射器2，使 增益開關雷射器2腔內被選中的縱模震蕩明顯加強，同時抑制增益開關雷射器2腔內 其它縱模。從而確保增益開關雷射器2的單縱模運轉，並有效抑制定時抖動。由於光 學放大器3自發輻射的增益譜線很寬，當光譜分量信號選擇器4篩選出對應於增益開 關雷射器2的某個縱模的窄光譜分量信號，並通過光譜分量信號反饋迴路6將該信號 注入至增益開關雷射器2時，增益開關雷射器2腔內與注入的窄光譜分量信號波^f 應的縱模震蕩增強。通過改變光譜分量信號選擇器4的輸出波長值，並且每次都X寸應 於增益開關雷射器2的某個不同縱模，貝鵬益開關雷射器2腔內被選中的單縱模運行 的中心波長隨之改變，實現增益開關雷射器2波長的可調諧。增益開關雷射器2產生 的超短光脈衝信號經過光學放大器3放大後，與光學放大器3固有的寬頻譜的自發輻 射ASE噪聲一起輸入到光譜分量信號選擇器4中。光譜分量信號選擇器4輸出光信號 的一路經光譜分量信號反饋迴路6饋送到增益開關雷射器2，形成外部光注入鎖定， 抑制了增益開關雷射器2腔內其它不需要的多縱模，實現了單縱模運轉。光譜分量信 號選擇器4輸出光信號的另一路即是所需要的超短光脈衝序列。
向增益開關雷射器2施加一個直流偏置電流1、並採用射頻信號驅動，則增益開關雷射器2產生超短光脈衝序列，見圖2。其產生的脈衝序列具有抖動大、多縱模光 譜、波長不可調諧等缺點。該超短光脈衝序列的重複頻率等於射頻信號的重複頻率。
該增益開關雷射器2輸出的光譜具有多縱模的特性，見圖3。
本發明光譜分量信號選擇器4篩選出對應於增益開關雷射器2的某個縱模的光譜 分量信號，並通過光譜分量信號反饋迴路6將它注入到增益開關雷射器2中的F-P半 導體雷射器，實現增益開關雷射器2的單縱模運行狀態，如圖4、 5、 6、 7所示。由此 可見，改變光譜分量信號選擇器4的輸出波長值，並使其每次都對應於增益開關雷射 器2的各個不同縱模，即可實現波長可調諧，同時也減小了增益開關光脈衝信號的頻 率啁啾。在沒有光注入的情況下，增益開關雷射器2產生的超短光脈衝信號具有顯著 的定時抖動，如圖8所示。採用本發明進行光注入鎖定後，增益開關雷射器2產生的 超短光脈衝信號的定時抖動大大降低，見圖9。本發明用於實現重複頻率可變的、低 抖動、單縱模工作的增益開關雷射器，圖10、 ll為實驗測得的輸出光脈衝信號重複頻 率隨輸入端射頻正弦信號或餘弦信號重複頻率變化而改變的情況。
權利要求
1. 一種外注入式增益開關雷射器超短脈衝的產生方法，其包括以下實現步驟(i)將增益開關雷射器(2)產生的具有多縱模光譜特性的超短光脈衝序列信號輸至光學放大器(3)進行放大；(ii)通過光譜分量信號選擇器(4)篩選出光學放大器(3)輸出的位於自發輻射ASE噪聲頻段內的、中心波長與增益開關雷射器(2)的其中一個縱模相同的窄光譜分量信號；(iii)以光譜分量信號選擇器(4)輸出的窄光譜分量信號，一路作為外來的種子光，經光譜分量信號反饋迴路(6)回注至增益開關雷射器(2)，使增益開關雷射器(2)腔內被選中的單縱模震蕩增強，形成外部光注入鎖定；光譜分量信號選擇器(4)輸出的另一路即是所需要的超短光脈衝序列。
2. 根據權利要求1所述的外注入式增益開關雷射器超短脈衝的產生方法，其特徵在於所述的光譜分量信號選擇器(4)，當改變該光譜分量信號選擇器(4)的輸出波長值，且每次都對應於增益開關雷射器(2)的某個不同縱模，則增益開關雷射器(2) 腔內被選中的單縱模運行的中心波長隨之改變，以實現增益開關雷射器'(2)波長的可調諧。
3. 根據權利要求1或2所述的外注入式增益開關雷射器超短脈衝的產生方法，其 特徵在於所述的增益開關雷射器(2)可採用F-P半導體雷射器。
4. 根據權利要求3所述的外注入式增益開關雷射器超短脈衝的產生方法，其特徵 在於所述的光學放大器(3)為覆蓋所需波段、且是寬光譜的半導體光放大器或摻鉺光纖放大器。
5. 根據權利要求4所述的外注入式增益開關雷射器超短脈衝的產生方法，其特徵 在於所述的光譜分量信號選擇器(4)根據F-P半導體雷射器輸出縱模間隔確定光譜 分量信號選擇器的輸出光譜寬度，所述的光譜分量信號選擇器4為窄帶濾波器或可調 光纖光柵。
全文摘要
一種外注入式增益開關雷射器超短脈衝的產生方法，其將增益開關雷射器產生的多縱模光譜特性的超短光脈衝序列信號輸至光學放大器放大，經光譜分量信號選擇器篩選出光學放大器輸出的位於自發輻射ASE噪聲頻段內、中心波長與增益開關雷射器其中一縱模相同的窄光譜分量信號，以光譜分量信號選擇器輸出的窄光譜分量信號，一路作為外來種子光，經光譜分量信號反饋迴路回注至增益開關雷射器，使增益開關雷射器腔內被選中的單縱模震蕩增強，形成外部光注入鎖定；光譜分量信號選擇器輸出的另一路即是所需的超短光脈衝序列。本發明解決了背景技術中重複頻率固定、應用範圍受限，結構複雜、體積大、成本高的技術問題，本發明具有波長可調諧的功能。
文檔編號H01S3/00GK101276982SQ20071001757
公開日2008年10月1日 申請日期2007年3月28日 優先權日2007年3月28日
發明者劉元山, 張建國, 衛 趙 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所