（光学工程专业论文）基于法布里珀罗激光器的全光触发器研究.pdf

中文摘要 摘要：全光触发器是具有记忆功能的光逻辑器件，它们的组合可以实现时钟 恢复、再生、帧头分离、帧头识别等高速全光信号处理的各种功能，在未来的全 光交换网中起着重要的作用。目前，全光触发器的研制仍然处于起步阶段，许多 技术被考虑用于全光触发功能的实现。 本文提出了一种在法布里珀罗激光器中基于注入锁定特性和光学双稳性的全 光触发器实现方案，并进行了相应的实验研究。对注入锁定、自注入锁定、光学 双稳性分别进行了实验研究。搭建的全光触发器系统，包含一个激光器和由两个 布拉格光纤光栅和一个掺铒光纤放大器构造的外腔。系统基于光学双稳性的原理 实现触发器输出状态的稳定，关键是布拉格光纤光栅对激光器的输出进行有选择 的反馈后，通过掺铒光纤放大器的光强调整满足光学双稳性要求。全光触发器的 “开关 状态由注入的不同波长的触发光决定。实验表明，在1 5 3 7 n m 的波长位 置，实现了触发翻转功能，两个触发状态的消光比为1 5 d b 。 该全光触发器的结构简洁，易于集成。这是首次通过搭建法布里，珀罗激光器 外腔实现的全光触发器功能，提出的模型对于以后全光触发器的研究有重要的指 导意义和参考价值。 关键词：全光触发器；光学双稳性；法布里珀罗激光器；注入锁定；布拉格光纤 光栅。 a b s t r a c t a b s t r a c t ： a l l o p t i c a ln i p - f l o p ( o f f ) i s a l lo p t i c a ll o g i cd e v i c ew i t hm e m o r yf u n c t i o na n dc a n b ea s s e m b l e dt op r o v i d es u c hf u n c t i o n sa sc l o c kr e c o v e r y , c l o c kr e g e n e r a t i o n ，h e a d e r e x t r a c t i o n ，h e a d e rr e c o g n i t i o na n do p t i c a lb u f f e r i n gu t i l i z e di nh i 曲a l l o p t i c a ls i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e m s i tw i l lp l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nt h ea l l o p t i c a l - n e t t h ec u r r e n t r e s e a r c ho na l l o p t i c a lf l i p f l o p si ss t i l li ni t se a r l ys t a g en o wa n dl o t so ft e c h n o l o g i e s h a v e b e e nc o n s i d e r e da sac a n d i d a t eo fa l l o p t i c a lf l i p f l o p i nt h i sp a p e r , an o v e ls c h e m ei sp r o p o s e da n de x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e df o r a l l o p t i c a lf l i p f l o pb a s e do nt h eo p t i c a lb i s t a b i l i t yo fa l li n j e c f i o nl o c k e df a b r y - p e r o t l a s e rd i o d e ( v p l d ) f i r s t l y , t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e sa r er e s p e c t i v e l yd e m o n s t r a t e do n i n j e c t i o nl o c k e dl a s e r , s e l f - s e e d i n g ，o p t i c a lb i s t a b i l i t y a n dt h e na na l l - o p t i c a lf l i p - f l o p i sa s s e m b l e dw i t ho n ef p l da n dt w of i b e r - b r a g g g r a t i n g s ( f b g ) e x t e r n a lc a v i t y t h e a l l - o p t i c a ln i p f l o po p e r a t i o nc a l lb er e a l i z e du s i n go p t i c a lb i s t a b l i l i t yt om a i n t a i nt h e o u t p u ts t a t eo fo f f t h ee s s e n t i a lp a r tt oo b t a i nb i s t a b i l i t yi nt h i ss y s t e mi st h a tl a z i n g l i g h to u t p u to ff p - l di sf e db a c kp a r t l yb yt w of b g sa tc e r t a i nw a v e l e n g t h s t h e e d f aw a su s e dt oa d j u s tt h ep o w e ro ff e e d b a c kl i g h t t h eo no ro f fs t a t eo ft h e a l l o p t i c a lf l i p f l o p i sd e t e r m i n e db yt h es e to rr e s e tl i g h te x t e r n a l l ya td i f f e r e n t w a v e l e n g t h t h ea l l - o p t i c a lf l i p f l o po p e r a t e da tt h ew a v e l e n g t ho f15 3 7 n mw i t ha o n o f fc o n t r a s tr a t i oo f15d b t h ea d v a n t a g eo ft h ea l l o p t i c a l 脚- f l o pi si t ss i m p l es t r u c t u r ea n dc a nb e i n t e g r a t e de a s i l y t oo u rk n o w l e d g e ，i ti st h ef i r s tt i m et oe x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d a 1 1 - o p t i c a ln i p - f l o po p e r a t i o nu s i n gaf i b e rg r a t i n ge x t e r n a lc a v i t y , a n dt h em o d e lh a s i m p o r t a n tg u i d a n c em e a n i n ga n dr e f e r e n c ev a l u et ot h ef u t u r er e s e a r c ho fa l l - o p t i c a l n i p - f l o p k e y w o r d s ：a l l - o p t i c a lf l i p f l o p ；o p t i c a lb i s t a b i l i t y ；f a b r y - p e r o tl a s e rd i o d e s ； h l j e c t i o nl o c k i n g ；f i b e r - b m g g - g r a t i n g 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期： 年 月 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 5 6 致谢 本论文的工作是在我的导师盛新志、吴重庆教授的悉心指导下完成的，从论 文的开题到论文的最终定稿，每一个步无不凝聚着盛老师、吴老师的心血和智慧， 盛老师、吴老师对我的谆谆教导和言传身教使我不仅在专业知识上得到了长足的 进展，学到了许多科学的研究方法，更重要的是学习到了宝贵的做人道理，这些 都将使我终生受益。 王智教授、王健副教授、刘岚岚副教授对于我的科研工作提供了宝贵的意见， 在此表示衷心的谢意。 赵爽博士悉心指导我完成了实验室的科研工作，关心着过程中的每一个细节； 同时在学习、工作和生活上给予了我很大的支持和帮助；在撰写论文期间，也提 供了很多实质性的修改意见，在此向赵爽师姐表示衷心的感谢。 在实验室工作期间，我衷心感谢杨双收博士、高凯强博士、李政勇博士、王 亚平博士、余贶碌博士、王拥军博士、魏斌博士、田昌勇博士，他们严谨的治学 态度、孜孜不倦的求是精神潜移默化的影响了我，鞭策着我在未来的人生之路上 要不断进取；感谢翟璐瑶、宋超、李雪、王雪、孙广娜、张煦、赵瑞，孟庆文， 张人元，张金磊，与他们两年朝夕相处的日子是我一生的精神财富。 最后，感谢父母对我的养育之恩、无私的爱、经济和精神上的巨大付出，感 谢一直以来的默默关心和支持。 1 引言 随着数据业务特别是互联网业务的快速发展，通信网络业务量急速增长。光 纤传输速率的提高使得仍以电信号处理信息的交换节点出现了所谓“电子瓶颈 ， 节点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光电和电光转 换费用所抵消。为了解决这一问题，人们提出了全光网的概念。在理想的全光网 中，信号的交换、选路、传输和时钟恢复等所有功能都以光的形式进行。光交换 可以分为线路级、波长级、分组级以及比特级等多种形式。线路级光交换的缺点 是占用空间大，交换粒度太大，缺乏灵活性。波长级的交换对单个波长信道的带 宽利用率比较低。比特级的光交换就是在时间轴上将每个比特光信号的时间位置 转换到另一个时间位置，它的交换原理与电时分交换相同，光信号也是被分割成 时间片进行交换，它的优点是可扩展性较好，与现有的通信体系相一致，缺点是 交换粒度太细，要求网络节点具有很高的处理能力和速度。 在光分组交换网络中，全光包交换技术无需光电光的转换，克服了电子速率 瓶颈，能够极大地提高网络交换和路由分配的灵活性、增加用户的数量、实现网 络节点的自动识别与即插即用功能，因此全光包交换将是全光网的下一个战略目 标【1 1 。 1 1课题提出的背景和意义 全光包交换涉及到很多基础技术问题，如数据包结构、节点结构、接口问题、 路由问题、光包的同步和冲突问题等，其中用于取代电逻辑器件的全光逻辑器件 是实现全光包交换的主要障碍。目前，光学逻辑器件与电子学比起来仍然相对原 始，它们相对来说体积庞大、难于集成、有限的级联性、高损耗、高能耗，而且 速度很慢吲。 全光触发器( o f f ，a 1 1 o p t i c a lf l i p f l o p ) 是具有记忆功能的光逻辑器件，通 过它们的组合可以实现高速光信号处理的各种功能，如时钟恢复、再生、帧头分 离、帧头识别、数据恢复等。因此光触发器的性能，如响应速度、体积、输出状 态对比度等都会直接影响到节点以至于整个光网络的性能。 本文基于半导体激光器的注入锁定( 埘e c t i o nl o c k i n g ) 和光学双稳性( o p t i c a l b i s t a b i l i t y ) 原理，搭建出法布里珀罗( f a b r y - p e r o t ) 半导体激光器外腔注入系统的 全光触发器实验平台，对半导体激光器的注入锁定、光学双稳态、自注入锁定现 象分别进行了研究，并从静态触发入手，进行实验研究，以求达到全光触发的目 7 的。 1 2国内外研究现状 早在1 9 7 2 年s z 6 k e 等人就提出将两个双稳态器件耦合在一起，用光控制光， 最早实现了全光触发器。1 9 9 5 年，h i t o s h ik a w a g u c h i 等人在垂直腔表面发射激光 器中实现了偏振双稳态，并将其应用到光触发器中，实现了光的触发【3 1 。2 0 0 1 年， m a r t i n t h i l l 等人设计出由双耦合激光器实现的全光触发器。提出了相应的理论模 型，为触发器的研究奠定了理论基础【4 】。 近年来，国际上提出多种实现光触发器的方案，处于百花齐放的状态，触发 器的性能得到不断完善。目前，国外很多单位都重视光触发器的研制，著名的研 究小组有荷兰的埃因霍温工业大学( e i n d h o v e nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ) 1 4 和日本 的东京大学( t h eu n i v e r s i t yo f t o k y o ) 3 1 。国内在这一领域还未见文献发表。 1 2 1 基于垂直腔表面发射激光器的触发器方案 19 9 5 年，h k a w a g u c h i 等人使用垂直腔表面发射激光器( v c s e l ) 实现了以 偏振态作为输出状态的触发器【3 】，v c s e l 的输出光是线偏振的，并具有叉式分岔 偏振双稳态特性。在特定的温度及电流作用下，如果注入的是线偏振光，且与输 出光的偏振态正交，则输出偏振方向将转为与注入光的偏振方向相同，实现触发。 这种方案对温度的要求比较严格，实验是在1 8 5 的恒温下完成的。激光器注入 电流为3 5 2 m a ，触发光功率小于0 1 6 m w ，响应时间短，达到7 p s 。以偏振态作为 转换状态可以实现低功耗、高速度的光触发，但由于偏振态的保持性不好，因此 在偏振态的控制方面还要继续探索。 1 2 2 基于耦合激光器的方案 这一方案以波长作为输出状态的触发器，由m a r t i nt h i l l 等人提出【4 】，如图 1 1 所示：l a s e r l 对应波长a ，l a s e r 2 对应波长乞，l a s e r l 与l a s e r 2 耦合在一起。这 两个激光器中，一个激光器在发光时，将抑制另一个激光器发光。因此在这对耦 合激光器中，可以通过确定哪个激光器是主动发光来决定系统所处的状态。如果 有波长为 的光输出，则系统处于状态1 ；如果输出波长为五的光，则系统处于状 态2 。状态的翻转是通过向正在发光的激光器注入另一波长的外部光脉冲实现的。 当其消失后，激光器仍保持触发后的状态。图1 2 是文献【4 】中实现光触发器的具体 8 实验。实验中，激光器的腔长为7 m ，触发光功率为o 1 2 1 r n w 。 一il 一 一| ( -一爿 t l i p 4 1 0 p o u t p u t 卜 协o s a w a v e l e n g t hkt ot u r n o t | l m e r 2 图1 1 双耦合激光器光触发器的工作原理 娜b l u m 勒r i o 伽m 娟i a s 甜2o l i i a s e r l ；4 1 o u t p u t 图1 2 双耦合激光器光触发器的实验装置 以波长作为转换状态的基于双耦合激光器的光触发器具有以下优点：输出对 比度高，由于是对称结构，则两种状态之间差别比较小；输入输出波长的可调范 围很大；触发信号光功率小。但也存在一定缺陷，如结构复杂，不便于集成，但 随着光器件的发展及集成工艺的改进，这方面的问题会不断得到完善，如m 龇 t mt h i l l 等人在2 0 0 5 年设计出基于阵列波导光栅的集成多波长双态激光器【5 】，可以应 用于光触发器。 1 2 3 基于耦合偏振开关( p s w ) 的方案 这一方案同样以波长作为输出状态，半导体光放大器s o a 中同时注入两个不 同波长的光，会发生交叉偏振调制，利用这一原理可以设计出偏振控制开关p s w 。 将两个p s w 耦合在一起，就构成了光触发器【6 1 。如图1 3 所示。两个连续波激光 器分别发出波长为a 、五的激光。如果系统输出的波长为a ，说明p s w l 处于导 通态，p s w 2 由于受到a 光的偏振调制，对于如光处于断开状态，这时o u t p u t l 有 9 输出，o u t p u t 2 没有输出。当波长为乞的触发信号s e t 脉冲注入s o a l 时，p s w i 因受到偏振调制而对a 关闭对如导通，系统输出激光波长变为如，状态发生了翻 转。这时，即使触发信号光消失，p s w 2 输出的光仍然抑制p s w l 的输出，所以光 触发器保持触发后状态不变。 图1 3 基于双偏振开关的全光触发器 这种全光触发器的输出状态的对比度为2 0 d b 。s e t 脉冲的峰值功率为 一3 9 1 d b m ；r e s e t 脉冲的峰值功率为4 3 5 d b m 。整个装置的长度为1 2 m ，状态转换 时间能达到l o o n s 。这种触发器的优点是响应时间快，可达到p s 的量级，但需要 两个外部的连续波激光器，使系统变得更复杂。此外，对偏振态的控制使操作难 度加大。 1 2 4 基于马赫曾德干涉仪的方案 这种触发器以光强作为输出状态，为了解决双耦合激光器全光触发器响应时 间长的问题，m a r t i nt h i l l 等人又提出了通过耦合马赫曾德干涉仪m z i 来实现光 触发器的方案r 7 1 ，如图1 4 所示。触发器由两个耦合的m z i 组成，它的工作原理与 耦合激光器相似，不同点在于：耦合m z i 是以输出光的强弱来判断触发状态的； 耦合m z i 的基本原理是s o a 中的交叉相位调制，因此状态转换不需要建立新的 光场，所以响应时间要短得多。 1 0 铲 o i t 叫一 黛如2 0 1 伽4 1 & 幽i 铲 s 一 气l 8 2 图1 4 耦合m z i 实现的光触发器 此后，r c l a v e r o ， er r m o s 等人使用单s o a 的m z i 构造了光触发器嗍。这 种方案通过耦合器构成的反馈环取代了两个m z i ，使结构得到了简化，并缩短了 响应时间，仿真得到的响应时间小于l n s ，如图1 5 所示。 n 融叶 图1 5 单s o a 马赫曾德干涉仪实现 1 2 5 基于双向耦合器双稳态激光器的方案 这种触发器同样以光强作为输出状态。双稳态激光器即一种输入状态对应两 种输出状态的激光器，可用于实现光触发器。图1 6 是用双向耦合双稳态激光器实 现的光触发器【9 l 。 图1 6 双向耦合器双稳态激光器光触发器 触发信号光注入设备前端的吸收体，使其吸收饱和，光在主腔体内谐振，输 出端口有光输出。如果从另一个端口注入触发信号光，增加的载流子数改变了双 向耦合器的耦合系数，光将不再从主腔体输出，系统输出不同的光强，状态发生 了翻转。当r e s e t 触发光信号消失后，由于饱和吸收体的存在，阻止d c b l d 发射 激光，系统保持状态不变。s e t 端的电流为1 2 8 m a ，r e s e t 端的电流为3 0m a ，此处 在r e s e t 端加入了反转电压，可以减小r e s e t 光脉冲的功率。s e t 的光功率为6 d b m ， r e s e t 的光功率要小于0d b m ，输出对比度为1 0 d b 。 1 2 6 基于m m i b l d 的方案 这种触发器以模式作为输出状态，2 0 0 3 年，m i t s u r ut a k e n a k a 提出使用多模干 涉仪m m i ( m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c e ) 的双稳态激光器b l d ( b i l d ) 实现了光触 发器【1 0 1 。如图1 7 所示： 图1 7m m i - b l d 光触发器结构 m m i - b l d 的主体是含有活性材料的m m i ，在激光器的末端置有饱和吸收体， 用于产生双稳磁滞效应。m m i b l d 中有两个交叉耦合的模式，如图1 8 所示。利 用这种双模干涉特性，通过触发光信号，使激光器输出光的在激光器的末端置有 饱和吸收体，用于产生模式发生翻转。实验中，注入光信号功率为5 d b m ，波长可 变范围为1 5 5 0 1 5 6 5 n m ，输入两种状态的对比度为1 0 d b 。响应时间受光子寿命和 吸收体中载流子逃逸时间限制。 1 2 觯临 置燃孟纛 l 始皇 图1 8m m i - b l d 输出的两种模式 1 2 7 基于耦合法布里珀罗激光器的方案 翰墙啦瓣嘲 r e s e t 强翻国s e tp r a t e 嘲的哦锚蝴t ：p - l d ) 硝的黼i o 蝴钠悖删砸搬镩f p - c c ) ) 图1 9 基于耦合法布里珀罗激光器的全光触发器 2 0 0 6 年，y o n gd e o kj e o n g 等人提出基于两个耦合的法布里一珀罗激光器实现 的全光触发器【l 。如图1 9 所示： 这种方案以光强作为输出状态。系统由两个激光器组成，一个主激光器，一 个从属激光器。从属激光器依靠来自主激光器的波长为九的光维持注入锁定状态， 通过r e s e t 光改变主激光器的锁定环境，使从属激光器解除锁定在乃位置的锁定， 然后用s e t 光直接对从属激光器进行注入锁定重新回到初始状态，这样就实现了状 态的转换。以从属激光器发出的波长为乃的光的光强作为触发器的状态。实验中， 得到的触发器输出状态的消光比为7 d b 。 由于这种方案耦合了两个f p l d ，在实际操作中系统复杂，存在波长校准等 诸多困难，得到的触发器的两个输出状态消光比小。在此基础上我们提出了基于 一个f p l d 的全光触发器模型，通过布拉格光纤光栅构造外腔维持触发器的状态， 避免耦合两个激光器的必要的波长校准的过程。法布里珀罗激光器( f a b r y p e r o t l a s e rd i o d e s ，f p l d ) 也是常见的半导体激光器之一，具有体积小易于集成成本低 等优点，被广泛应用于通信系统中。 1 3本文的主要工作 现在光触发器的研究整体上处在个初级阶段，有各种研究方案提出，但没 有太大的突破，国际上也没有形成统一的共识。本论文就全光触发器研究的主要 工作如下： 1 在查阅文献资料的基础上，对全光触发器国内外发展现状做出较为全面的综 述，并确定研究的关注重点为基于法布里珀罗的以光强作为触发状态的全光 触发器。 2 提出基于f p l d 全光触发器模型，对注入锁定原理、光学双稳性进行理论分 析，对分别进行了实验研究，实验观察到了注入锁定、双稳态现象。并分析偏 振对实验的影响，改善了实验效果。 3 自建基于全光触发器系统，提出搭建环形外腔进行反馈保持系统状态。并进行 实验改进，采用两个光纤光栅以获得自注入锁定的实验系统结构。使用e d f a 调节反馈光强保证 实验表明，在1 5 3 7 n m 的波长位置，实现了触发翻转功能，取得了理想的结果， 两个触发状态的消光比为1 5 d b 。这是首次通过搭建法布里珀罗激光器外腔实现的 全光触发器功能，提出的模型对于以后全光触发器的研究有重要的指导意义和参 考价值。 1 4 2 法布里珀罗半导体激光器 本文中使用的半导体激光器( l a s e rd i o d e ，l d ) 是法布里珀罗激光器，又称 法布里珀罗激光二极管，如图2 i 所示。半导体激光介质上附加谐振腔，光波在 谐振腔内往复传输，受激放大发射激光。 有 解理面 图2 1 半导体激光器结构 半导体激光器是一类电流运作的理想的光子源器件，经历几十年的发展，就 器件类型、结构和增益介质而言，也由早期的同质结，经历了单异质结、双异质 结、单量子阱、多量子阱、法布里珀罗腔结构、无腔的分布反馈式结构、水平腔 结构、垂直腔结构发展。所以半导体激光器根据谐振腔的结构不同，可以分为法 布里珀罗激光器，分布反馈( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ，d f b ) 激光器、分布反射 ( d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ，d b r ) 激光器等多种类型。 半导体激光管具有体积小、功耗低、寿命长、可靠性高、单色性好等特点。 随着性能的提高，其应用领域也涉及诸多方面，它已经是光纤通信、光纤传感、 光互连、光盘存储、激光分子光谱学以及其他激光器泵浦中不可代替的重要光源， 甚至在激光加工和激光医疗等方面，半导体激光器都不失其高效率、可集成等佼 佼者的角色而受到充分的重视【l 纠4 1 。 2 1半导体激光器的基本原理 构成半导体激光器的半导体材料，比如硅、锗、砷化镓等，都是共价键的晶 体，其中的电子能级可以形成一种特殊的能带结构：价带和导带，如图2 2 所示。 导带 禁带 价带 图2 2 半导体材料的能带 在半导体中，电子在能级上如何分布是一个量子统计问题。由于电子是费米子， 它的分布由费米一狄拉克统计给出：对于大量电子组成的近独立体系，每个能量 为e 的单电子态，被电子占据的概率为 ，小 1 八乞j = 万而 ( 2 1 ) 其中e ，称为费米能级，它由系统的总电子数、系统能级的具体情况、温度等 决定。在常温下，本征半导体费米能级位于禁带中心，此时电子基本都位于价带， 导带是空的。对于p 型半导体，由于掺杂受主杂质，费米能级的位置位于价带顶 和受主杂质能带之间；如提高掺杂浓度，则费米能级进入价带，形成兼并型p 型 半导体。同样，对于掺杂施主杂质的n 型半导体，如果费米能级进入导带，能级 结构如图2 3 所示，则称为兼并型n 型半导体。 费米能级：；么费米能级一：- 。 禁带 费米能级 兼并p 型半导体的能级 图2 3 半导体材料掺杂后的能级 另外，激光的产生有三个基本的条件，即激励源、有源区必须有足够的反转 粒子数分布及光学谐振腔。把p 型半导体和n 型半导体相接触，在接触区形成p n 结，这是一个空间电荷区。但还要外加正电压才能使这个区域形成粒子数反转分 布，进而形成增益区，这个外加正电压就是激光二极管的激励源。图2 4 给出热平 衡时p n 结的能带结构图，图中的阴影部分表示主要被电子所占据的量子态。在热 平衡状态下，整个p n 结可以算出统一的费米能级，阴影部分都处在统一的费米能 级之下。在这种情况下，由于空间电荷区自建电场的影响，载流子( 电子和空穴) 1 6 懒 、 将 一 i 带粕 p 区 费米能级 图2 4 热平衡时p n 结的能带 p i g 1 臻经蕴n 勉区 ，米能级 1 挚繁经冱勉，糊搬 费米能级荔荔荔荔荔荔荔荔妻豸荔象荔毫勿歹乃一 图2 5 加正向电压后p n 结的能带 的分布不可能出现粒子数反转状态。如图2 5 所示，外加正向电压可打破这种平衡， 空间电荷区的自建电场被抵消，p 区的空穴和n 区的电子穿过空间电荷区流入对 方，成为对方的少数载流子，这时费米能级发生分离，在图中的增益区就出现粒 子数反转分布。 2 2法布里一珀罗激光器的基本特性 法布里珀罗激光器通常是用衬底材料的晶面作解理面以此形成谐振腔，并在 腔面上蒸镀抗反射或增透薄膜以改善腔面光学性能【1 5 】。在这种结构里，波导被劈 开后切成有限的长度，在两端形成镜面镜。这种谐振腔是用波导实现的平行配置 两面反射镜结构的，称为波导型法布里一珀罗谐振器。而法布里一珀罗型半导体激 光器，通常由电流注入给出增益1 1 6 j 。 法布里珀罗激光器是最常见、最普通的半导体激光器，目前光纤通信上采用 的f p l d 的制作技术已经相当成熟，普遍采用双异质结多量子阱有源层的结构。 实验中使用的法布里珀罗激光器，如图2 6 所示： 1 7 i 曩一 图2 6 法布里珀罗激光器 3 、厂 2 l d 4 1 p d 图2 7 法布里珀罗激光器的底部视图 如图2 7 所示，在实际应用的半导体激光器组件中，都含有一个能够检测激 光器背向光的光探测器( 光电二极管p d ) ，将光电二极管p d 探测到的激光器背向 光转化的电平和参考电平比较，放大后来控制激光器的偏置电流，从而达到限制 最大的输出光功率。 由于半导体激光器有许多不同于其他激光器的特点和用途，因而有比其它激 光器多得多的特性参数。可以粗略地将半导体激光器的有关特性参数分为以下几 类【1 7 】： 1 电学参数：阈值电流、最大工作电流、电压降、背光电流( 即位于激光器芯 片后端面的光探测器的光电流，用以监测激光器前端面与光纤耦合效率的变化) 、 串联电阻。 2 空间光学参数：近场、远场光强分布、发散角、像散。 3 光谱特性：线宽、中心波长、边模抑制比。 4 光学参数：输出光功率、消光比。 5 动态特性：噪声、调制间畸变、上升和下降时间、啁啾。 本文主要讨论半导体光源的发光特性和温度特性，半导体激光器的发光特性 包括发光曲线、阈值特性和光谱特性，都将分别进行介绍。 2 。2 ，1 法布里珀罗激光器的阈值特性 半导体激光器的发光特性由注入激光器的电流决定。阈值是所有激光器的属 性，它标志着激光器的增益与损耗( 包括内部损耗和输出损耗) 的平衡点，即阈 值以后激光器才开始出现净增益。由于半导体激光器是直接注入电流的电光转换 器件，因此其阈值常用电流密度或电流来表示。前者常用于不同结构性能的比较， 后者是一个直接可测量的参数1 1 3 】。 图2 8 实验得到的法布里珀罗半导体激光器发光特性示意 如图2 8 所示，当电流没有达到阈值1 0 m a 时，半导体介质未达到足够的反转 粒子数分布，只能发出普通的荧光，此时的光功率低，谱线宽。这是因为激光器 内部存在着各种损耗，如反射损耗、吸收损耗、散射损耗等。当注入激光器的电 流所形成的反转粒子数分布可以克服各种损耗时，才能发出激光。这个临界的电 流值称为阈值电流。当注入激光器的电流超过阈值电流时，激光器发出的光功率 就会迅速呈线性增加，当电流继续升高，超过一定值时，激光器就会损坏。如图 2 8 所示的法布里珀罗激光器的阈值电流在1 0 m a 左右，只有高于阈值才能正常工 作。 1 9 2 2 2 法布里珀罗激光器的光谱特性 典型的f p l d 的光谱常常比较宽，是因为发射的光波中包含若干模式的组合。 形成这种多模特性有两个原因。首先有源区粒子数反转分布在空间是不均匀的， 谐振腔内激励起的驻波干扰着粒子数反转分布也叫空间烧孔效应【1 7 1 ，这是参与辐 射复合的载流子浓度空间分布不均匀的结果。其次，对于给定频率处的增益降低， 这叫光谱空间烧孔效应，会对应于新的粒子数反转分布，这样另一个有利的模式 被激励的几率就增加了。这时下一个驻波被建立，以此循环达到平衡。相邻边模 被激励的第二种机制与吸收的非线性有关。随着辐射功率进一步集中某个模，对 应于这个模的品质因素q 会降低。这样，这个模就不再是优先的了，而另一个模 将被激励起来。 ( a ) 时间分辨方法测量的谱特性的光触爰器( b ) 平均谱特性 图2 9 激光器产生多模辐射原理图 上图是高分辨率的时分下的光谱特性，从图2 9 ( a ) 看出在5 n s - 5 0 n s 的短时间间 隔内，光谱特性大部分为单模。然后经过一个短的持续时间，最后又激励出一个 单模，但并不像原先的那样。如图2 9 ( b ) 显示的多模特性是由许多个这样的瞬间单 模按时间平均产生的1 1 4 j 。 图2 1 0 是通过光谱仪实验观测到的法布里珀罗激光器在工作电流下的辐射光 的光谱。如图所示的每个尖峰是激光器的一个分立的纵模，它表示沿激光腔长度 方向的一次谐振；纵模间隔与腔长和波长有关系，腔长越长，纵模间隔越小f l 引。 在注入电流高于激发阈值的条件下，我们得到了纵模间隔为1 1 n m 的多模辐射谱。 根据法布里珀罗腔中的沿轴线方向往返传播的情形，当波在腔镜上反射时，入射 波和反射波将会发生干涉，多次往复反射时就会发生多光束干涉。为了能在腔内 形成稳定振荡，要求波能因干涉得到加强。条件就是波从某一点出发，经腔内往 返一周再回到原来位置时，应与初始出发波同相( 即相差为2 万的整数倍) 。可以 将法布里珀罗腔中的满足谐振条件的平面驻波场称为腔的本征模式。在腔的横截 面内场分布是均匀的，而沿轴线方向形成驻波，这种腔内纵向场分布称为腔的纵 j e 宝銮适太堂亟堂焦途塞选查里：珀星坐昱佳邀左墨 5 叫b d 图2 1 0 法布里珀罗激光器的多纵模辐射谱 模。相邻两个纵模的频率之差屹称为纵模间隔，由下式给出： = 寺 ( 2 2 ) z 为腔的光学长度，而几何长度= 私，其中r 为充满光腔的均匀物质的折射率。 由于激光器的发光谱线，不仅取决于谐振条件，还取决于激光物质的发射光 谱。二者共同作用的结果，使得这种激光器的发射光谱，不仅有多条谱线，而且 谱线的包络呈高斯分布。激光器的谱宽是指多条谱线的整个谱宽，所以这种激光 器的谱宽是比较宽的。下图2 1 1 ( a ) 和2 1 1 ( b ) 是在注入电流大小在阈值以下和阈值 附近时的辐射谱，从中看出整个发光频谱的大致范围和形状。 i a i删 jp 1 t 1 ”i d _ 滞滞剁删j ： _ f _ ，l l| ! i 。 r 1 1 i 竹h 婴圜圆圈 ( a ) 注入电流低于阈值时 ( b ) 注入电流在阈值左右时 图2 1 l 不同注入电流条件下的辐射光谱 可以看出，当注入电流低于阈值的情形时，形成了大量的未激射纵模，当注 入电流在阈值电流附近时，可以观察到多个纵模已经开始激发起来，并且其中的 某几个相邻波长首先激射，从而消耗了大部分载流子，压制其它模式的激射。 2 l 2 2 3 法布里珀罗激光器的温度特性 半导体的特性对温度很灵敏，温度的变化对半导体激光器的阈值产生明显的 影响。温度升高，半导体激光器的闽值电流密度或阈值电流升高，增大的幅度随 不同激光器的材料体系和器件结构而异【l6 1 。温度的变化主要影响激光器的输出光 功率、阈值电流和输出光的波长。 半导体激光器的阈值电流密度随工作温度t 升高而明显增大： ，7 一t 、 厶( r ) = 厶佴) e x p l 芋i ( 2 3 ) k 0 式中，t r 为室温；h ( t r ) 为室温下阈值电流密度，是一个常数，不同的激光 器具有不同的值；t o 为特征温度，表示阈值电流对温度的敏感程度。由上式可以 看出，t o 越大，表明激光器对温度的敏感性越小。若t o 趋向无限大则半导体激光 器的j 血将不随温度变化。一般的量子阱激光器的特征温度典型值在1 7 0 - - 2 5 0 k 之 间，有时高达4 0 0 k 以上。当温度上升时，由于增益系数、漏电流、自由载流子吸 收损耗、散射损耗及耦合损耗等均会发生变化，进而影响阈值电流密度的大小， 而阈值电流的变化将直接引起输出光功率变化，使l d 光功率下降，从图2 1 2 可 以看出激光器的p i 曲线随温度变化而发生改变。 l t l i 图2 1 2 半导体激光器温度特性曲线 温度的升高也会使激光器的输出光波长向长波长方向漂移。漂移量为： 口) f 。= 2 10 3 三 。 丁) j i 【 ( 2 4 ) 式中l 为腔长，t 为温度变化量。 所以通过调节半导体激光器的工作温度可以改变其纵模位置，图2 1 3 为法布 里珀罗激光器1 5 5 4 n m 附近的纵模位置与温度的关系曲线【1 9 】。 15 5 4 4 n m 波长 1 5 5 3 9 n m 2 4 5 2 52 5 52 6 2 6 5 泪睡 恤舻己 图2 1 3 半导体激光器工作温度与1 5 5 4 n m 附近纵模峰值波长的关系曲线 由图可见随着温度的升高，峰值波长也不断的向长波长方向发生迁移，并且 在1 1 5 4 n m 附近对应2 的温度变化的纵模间隔约为0 8 n m 。 法布里- 珀罗激光器的纵模数还随电流的变化而变化。在刚刚达到阈值时，谱 线很多，随着注入电流的增加，主模的功率增加，其它模式的功率下降。有些激 光器在高注入电流时，会变成单纵模。所以在实验过程中，除了保证环境温度不 要过高或过低之外，还要尽量保证实验环境的温度稳定，以便辐射光谱的稳定。 在法布里珀罗激光器运转过程中，微小的不稳定( 比如温度和电流) 都能导致波 长的漂移，这个问题限制了其只能用在传输速率低的系统中。尽管法布里珀罗激 光器有如此的缺点，但是由于它的制造工艺简单，成本低，在通信系统中被广泛 应用【1 3 】。 3 基于注入锁定f p l d 的全光触发器原理 全光触发器是具有记忆功能的光逻辑器件，通过组合可以实现高速光信号处 理的各种功能，如时钟恢复、再生、帧头分离、帧头识别、数据恢复等。本文在 法布里珀罗激光器中基于注入锁定进行状态的转换翻转，利用光学双稳性的原理 实现状态的保持，以实现全光触发器。 3 1注入锁定的基本原理 注入锁定，是由优良激光的微弱光信号注入另一激光器中光放大并对其实现 振荡模式控制的技术1 2 0 。按工作状态，注入锁定可分为两类f 1 8 】： 连续激光器的注入锁定：在一个连续激光振荡器中，注入一弱激光信号， 若注入光信号频率m 足够接近激光器的自由振荡频率l ，激光振荡则可完全为注入 信号控制，激光器振荡模式的频率跃变为k ，相位与注入信号同步。 脉冲激光器的注入锁定：在调q 或增益开关激光器启动过程中注入一个弱 信号，可使频率与注入信号频率最接近的模式优先起振，其它模式被抑制。实际 上激光振荡并未被注入信号真正锁定，激光频率仍为激光器自由振荡的频率。 本文基于连续激光器的注入锁定进行工作。注入的光信号相对较弱，与腔内 自发辐射噪声同时增长，只是这个注入信号在放大过程中经历一个快速的相移而 移到最靠近的纵模，从而使这个纵模在与其他噪声的竞争中占优势，很快使介质 增益达到饱和，抑制了其它模式的增长。因此，最终输出激光的频率特性由法布 里珀罗激光器决定。 3 1 1 注入锁定的理论分析 如图3 1 所示，连续激光器振荡模的频率为y ，输出光强为厶。注入一频率为 屹( 角频率为q ) 、光强为厶的弱信号，输出光频率跳变为_ ，实现注入锁定。 对于注入信号而言，激光器相当于一个增益介质两端置有两面反射镜的再生 放大器。若图3 1 中反射镜的反射率为r ，以岛、乞( f ) 及i ( f ) 分别表示再生放大 厂厂 ) 图3 1 注入锁定过程示意图 2 4 ij v , ( c 0 1 ) 器的入射光、腔内左端的右向行波和输出光的电场，则由边界条件可得： & ) = 1 一，q ( r ) + ，疋) e x p g ( v 1 ) 三一口三一2 朋三】 ( 3 1 ) 4 ( ，) = 正瓦x p i 华三一内三 l 二 j ( 3 2 ) 式中g ( 嵋) 、口和三分别为增益介质的增益系数、损耗系数和激光器谐振腔长度 毛= c o 。r l c ；r 为增益介质折射率。由以上二式求出e i ( t ) 并考虑发生注入锁定现象 时q 与c o 十分接近的特点，再生放大器的输出光强：= l 反o ) l ， 一一一一互娶! 竺【竺望墨二竺兰】 1 l - r e x p g ( 1 ，) 一口讲+ 4 ，( 切c ) 2 ( q c o ) 2e x “g ( v ) 工一口引( 3 3 ) 当激光器稳定工作时 r e x p g ( v ) l 一口】- 1 ( 3 4 ) 所以，若注入光角频率q 等于激光器振荡模角频率力，则岭o o 。再生放大 器输出光强随注入光角频率q 变化的曲线如图3 2 所示。当q 接近c o 时，再生 放大器的输出光强可超过激光器的自由振荡输出光强厶。 图3 2 注入锁定原理图 这意味着注入光在激光器内急剧增强，在与激光器自由振荡模争夺高能级粒 子的过程中具有优势，结果角频率为国的自由振荡模式被抑制，输出光角频率锁 定于q 。激光器的自由振荡模是自发辐射噪声增长形成的，而角频率为q 的光波 则是由注入信号增长形成的，注入信号强度远远超过自发辐射噪声，这是它在竞 争过程中占优势的原因。 当q 接近缈时，输出光强并不会如图3 2 所示曲线那样无限增强，因该曲线 是在单程增益与单程损耗相等的情况下获得的。事实上，由于增益饱和效应，当 输出光强超过i o 时，单程增益变得小于单程损耗，因此光强不可能无限增长。下 面由稳定工作时能量平衡条件来估算注入锁定时的输出光强。稳定工作时单位时 i b - j 内腔内光能损耗应等于注入光能，因而有 帆( 眦) 【扣砒) 三】盖2 枇 ( 3 5 ) 式中，n 为单位体积内的光子数目；a 为光束截面积；t 为反射镜透过率。