（光学工程专业论文）基于soa偏振差分的时钟信号源.pdf

i l ，。 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， 提供阅览服务，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：浓涌滴 签字日期：矽p 年占月7 日 ) , ) i l i - 鍪g ：懒、：孑j 影刃、 签字日期：y 。年f 月1 日 p 霜0 中图分类号：t n 9 2 9 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 基于s o a 偏振差分的时钟信号源 c l o c k g n a s o u r c eb a s e do nc r o s sp o l a r i z a t i o nodulationock s l p j a a ls o u r c eb a s e do nr o s sp o l a ni o nm o d u l a t i o no fs o ats u a 作者姓名：张清涛 导师姓名：吴重庆 学号：0 8 1 2 2 2 1 4 职称：教授 学位类别：工学学位级别：硕士 学科专业：光学工程研究方向：光通信网络与光信息处理 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 值此论文完成之际，向曾经给我帮助和支持的良师益友表示衷心的感谢。 首先，由衷的感谢我尊敬的导师吴重庆教授。他严谨细致、一丝不苟的作风 一直是我工作、学习中的榜样。在学业上他的教导循循善诱，在工作思路上吴老 师也有着自己独特的见解，在论文开始之初就帮我指明了如何去分析问题、指标 的重要性，在0 9 年社会实践中吴老师也给了很大帮助，使包括我在内的0 8 级硕 士都受益匪浅。在此，谨向吴老师表示衷心的感谢和崇高的敬意，祝愿他身体健 康，阖家幸福! 在研究生学习期间，得到了李政勇老师的大力帮助，是李老师在我刚进实验 室的时候，帮助我逐步了解和深入到科研之路。虽然李老师工作非常繁忙，但是 对实验中遇到的问题他都耐心解答和探讨，在此向李政勇老师表示衷心的谢意! 感谢盛新志教授、王健副教授、刘岚岚副教授、王智教授、小吴老师，不论 在学习上还是平时的生活、就业上，他们都给与了我极大的关怀，在此向他们表 示诚挚的感谢! 同时，实验室杨双收博士、王亚平博士、尚超博士、冯震博士、余贶录博士， 他们丰富的工作经验、深厚的专业功底以及孜孜不倦的求学精神都深深的感染了 我，感谢这些师兄师姐们在生活和学习上给予我的帮助。感谢张慧源、孙凌宇与 他们同窗两年朝夕相处的日子，感谢实验室0 8 级兄弟姐妹们，你们都是我一生的 精神财富。 最后，我要深深感谢生我养我的父母。在我进行我的学业的时候，他们在远 方不断的给予我支持、鼓励和关心；我能完成这篇论文，完成我的学业，也有他 们的一份功劳。在此祝愿他们开开心心，身体健康! 中文摘要 摘要：高速时钟信号源是光通信，特别是高速光时分复用系统中的关键设备， 如何获得高速信号源是本文研究的重点。高速光信号源的获得有两个关键的因素： 一是短脉冲的发生，二是速率倍增，如何在实验室目前拥有的2 5 g b s 的信号源基 础上，通过差分和倍速得到高速短脉冲是本文的工作目标。 目前，高速光信号源的研究方案主要是利用脉冲压缩和锁模激光器的组合， 而应用偏振敏感的s o a 有可能对这种方案进行优化。半导体光放大器s o a 中复 杂的偏振效应能够成为差分技术的关键，再利用延迟倍速技术( 时分复用技术) 将低速率的短脉冲倍速到高速率，实现高速信号源。 本文首先通过查阅文献等了解s o a 的偏振效应，并根据实验对这些效应有了 更深的理解；通过设计了一款紧凑型挤压偏振控制器，实现对偏振态的有效控制， 且不会在光路中引入额外光程，解决了系统中对光程差的严格限制；通过对李政 勇博士论文中提出方案的对比，自己搭建实验光路对同向和异向差分方案进行了 验证，得到了较好的实验结果，并通过优缺点分析确定了最终方案；组装了完整 的信号源样机，迸一步提高了差分性能，并做了实验结果的分析。 关键词：半导体光放大器s o a ；偏振效应；差分；倍速；偏振控制 分类号：t n 9 2 9 ，lr a bs t r a c t a b s t r a c t ：h i 曲一s p e e dc l o c ks i g n a l s o u r c ei st h ek e ye q u i p m e n ti n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s ，i np a r t i c u l a r , h i g h s p e e do p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs y s t e m ， h o wt og e th i g h - s p e e ds i g n a ls o u r c ei st h ef o c u so ft h i sp a p e r t h e r ea r et w ok e yf a c t o r s i ng e t t i n gh i 曲- s p e e do p t i c a ls i g n a ls o u r c e ：f i r s t ，t h eo c c u r r e n c eo fs h o r tp u l s e s ，t h e s e c o n di st h er a t ed o u b l e d t h ef o c u so ft h i sp a p e ri st og e tt h eo p t i c a lp u l s ed i f f e r e n t i a l a n dh a v ei td o u b l e do nt h e b a s i so fe x i s t i n g2 5 g b s o p t i c a ls i g n a l s o u r c e si no u r l a b o r a t o r y c u r r e n t l y , t h em a i nw a yt og e th i g h s p e e do p t i c a ls i g n a ls o u r c ei s t ou s ep u l s e c o m p r e s s i o na n dac o m b i n a t i o no fm o d e l o c k e dl a s e r s ，w h i l ep o l a r i z a t i o ns e n s i t i v e s o a a p p l i c a t i o nm a yb eo p t i m i z e df o rt h i sp r o g r a m s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ) p o l a r i z a t i o ne f f e c th a sd r a w nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o mp e o p l e w i t ht h e t e c h n o l o g yo ft i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t h el o w - r a t es h o r t - p u l s ew i l lb ed o u b l e di n t o 1 1 i g h - s p e e ds i g n a ls o u r c e f i r s t l y , b ys e a r c h i n gd o c u m e n t sig o tad e e p e ru n d e r s t a n d i n go ft h ep o l a r i z a t i o n e f f e c t s ，t h e nid e s i g n e dac o m p r e s s i o np o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e rw h i c ha c h i e v e de f f e c t i v e c o n t r o lo ft h ep o l a r i z a t i o ns t a t e ，w i t h o u ta d d i t i o n a lo p t i c a lp r o c e s st ot h es y s t e m b u i l t e x p e r i m e n t a ll i g h tp a t ho nt h es a m ea n dd i f f e r e n td i r e c t i o na n di d e n t i f i e dt h ef i n a lp l a n b ya n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sf r o mt h er e s u l t a tl a s t , ia s s e m b l e da c o m p l e t ep r o t o t y p eo f t h es i g n a ls o u r c et of u r t h e ri m p r o v et h ed i f f e r e n t i a lp e r f o r m a n c e ， a n dm a d et h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e y w o r d s ：s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ( s o b ) ；p o l a r i z a t i o nc o n t r o l ；s p e e d d o u b l e ； c l a s s n 0 ： l， 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t i v l 引言1 1 1 高速时钟信号源在光纤通信中的重要意义1 1 2激光脉冲信号处理技术及研究现状。1 1 3 光纤通信系统中的偏振问题及研究现状。2 1 4偏振控制器的应用现状。2 1 4 1 全光学偏振控制器2 1 4 2 基于压电陶瓷的偏振控制器3 1 4 3 旋转光纤圈型偏振控制器3 1 5论文选题的意义、主要内容及结构4 2 半导体光放大器偏振效应的研究5 2 1s o a 偏振效应5 2 1 1 自偏振旋转5 2 1 2 交叉偏振调制6 2 1 3 电流引起的偏振旋转6 2 2 挤压式偏振控制器的研究一7 2 2 1 挤压式偏振控制器的设计与制作8 2 2 2 挤压式偏振控制器的测试。1 1 2 3s o a 偏振特性的自差分1 3 3信号差分和倍速的研究1 5 3 1实验中用到的关键器件介绍1 5 3 1 12 5 g b s 光脉冲信号源1 5 3 1 2 半导体光放大器s o a 及其驱动温控电路16 3 1 3 光路中的偏振控制器1 9 3 1 4 测试用示波器1 9 3 1 5 实验中其他器件的尾纤长度1 9 3 2基于s o a 偏振旋转的光脉冲信号差分一2 0 3 2 1 基于s o a 偏振效应的差分方案2 0 3 2 2 差分方案的验证2 2 3 3光脉冲时延耦合实现倍速2 5 4实际信号源的整体设计与测试2 8 4 1信号源的主要指标2 8 4 2 基于差分一倍速方案的信号功率分析2 8 4 3实验方案的提出一2 9 4 4信号源的实物设计3 0 4 5信号源的测试31 4 6测试结果分析3 5 5小结j 3 6 5 1本文的主要工作和成绩一3 6 5 2 本文存在的缺点。3 6 5 3下一步工作3 6 参考文献3 8 作者简历。3 9 独创性声明4 0 学位论文数据集4 1 1 引言 1 1 高速时钟信号源在光纤通信中的重要意义 随着高速互联网、视频业务以及大容量专线业务的迅速发展，网络需求在不 断的增长，推动网络向更大容量和更高速率发展。今年来，全球的运营商纷纷将 关注点投向高速传输系统的现场试验和商用网络建设，高速的光通信传输已经成 为业界关注的焦点。 所谓的光纤通信系统，是指从光端机到光端机的系统。光端机包括光发送机 和光接收机，而光发射机中，最重要的部分就是光源。高速时钟信号源是光通信， 特别是高速光时分复用系统中的关键设备，主要有三个方面的作用：一是直接用 作高速时钟信号，为光网络提供统一的时间基准，是网络同步的关键技术；另一 方面作为基准信号，用于实现不同格式的线路编码；在光归零码的产生、光分组 交换以及高速光信号处理等方面也有重要应用。随着通信速率的不断提升，信号 源的研制越来越困难，因为需要更短的脉冲与更高的重复速率，这些都是高速光 纤通信系统升级的新挑战【1 1 。 1 2 激光脉冲信号处理技术及研究现状 在早期研究中，高速光信号源主要使用主动锁模的半导体激光器产生，但这种 方式输出的高速信号很不稳定，后来随着搀铒光纤的出现，开始用高性能的铒光 纤激光器进行锁模以获得稳定的短脉冲信号，但需要复杂的腔长稳定装置，不便 于实际应用。此后又出现了一些新技术，但也各有利弊。目前高速信号源的发展 趋势是将短脉冲发生技术与锁模激光器结合起来，利用脉冲压缩技术产生短脉冲， 然后通过锁模激光器进行有理数谐波锁模获得稳定的高速信号。 2 0 0 8 年9 月，李政勇博士在他的博士学位论文【2 】中，提出了一种基于半导体光 放大器( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r , s o a ) 交叉偏振调制的光脉冲数字差分方 法，成功将5 g b s 的低俗时钟信号倍速到4 0 g b s ，获得了高速时钟信号。这种创 新性成果对实现偏振编码等关键技术提供了一种确实可行的方案与技术，实现了 高速偏振控制与偏振编码通信。本文的出发点也是在李政勇博士理论研究的基础 上，尝试运用该差分技术，在获得实验效果的基础上实现完整的信号源。 1 3 光纤通信系统中的偏振问题及研究现状 在实际光纤通信中，传输光的偏振态是沿光纤不断变化的，而且光纤中每一 点的偏振态还会随时间变化。光纤本身的偏振模色散( p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ， p m d ) 由于光纤制造工艺的改进，已经降到足以忽略的水平，而偏振态控制是克服 环境对光纤系统偏振影响的最佳途径。半导体光放大器作为一种偏振敏感的器件， 正在引起人们越来越多的关注。s o a 中的偏振效应不仅非常显著，而且多而复杂， 因此还有必要对s o a 的偏振特性进行深入分析。s o a 具有偏振敏感、极快的响应 速度、极大的非线性折射系数及复杂的光一光互作用，对于解决高速光通信的偏 振问题具有相当重要的意义。 1 4 偏振控制器的应用现状 目前，主要使用的偏振控制器有三种，分别为全光学偏振控制器、基于压电 陶瓷的偏振控制器和旋转光纤圈形偏振控制器，下面简要介绍各种偏振控制器的 原理。 1 4 1 全光学偏振控制器 全光学偏振控制器【3 】主要原理图如图1 1 ： 偏振分策黼 双光束硝骨器 图1 1 全光学偏振控制器原理图 在光纤输出端，无论光场的偏振态如何，总可以将光场偏振态分解为两个相 互正交偏振态的叠加。若选定其中一个偏振态为控制偏振方向，并利用相位补偿 方式使另一个偏振态偏振方向发生旋转，调整为与其相同的偏振方向，则可在光 纤输出端获得一稳定的线偏振光，从而达到偏振控制的目的。 2 1 4 2 基于压电陶瓷的偏振控制器 基于压电陶瓷的偏振控制器是利用压电陶瓷的压电效应，通过调整驱动电流 的大小，实现压电陶瓷不同大小的位移，产生渐变的压力实现对光纤的挤压，达 到偏振态的调制，主要外形如下： 图1 2 基于压电陶瓷的偏振控制器 另外，压电陶瓷也可以用来制作微位移器。利用压电陶瓷逆压电效应驱动执 行元件发生微位移，它具有体积小，响应快，推力大等优点，且精度高，便于控 制，是理想的微位移器，广泛应用在纳米技术、航天、精密测量、微细加工、机 器人等领域。 1 4 3 旋转光纤圈型偏振控制器 主要机理是利用光纤在受到外力或弯曲时引起的感应双折射来控制在光纤内 传播的两个偏振分量的相移，从而达到控制偏振态的功能t 4 。当光纤弯曲时，光纤 横截面的内应力具有各向异性分布，由于弹光效应，使光纤材料折射率发生了变 化，从而产生附加的应力双折射。这种双折射可以用来制造相位延迟器。 舭尬z 4 图1 3 旋转光纤圈形偏振控制器结构 3 1 5 论文选题的意义、主要内容及结构 高速光纤通信与光纤传感技术的飞速发展，使得高速信号源的重要性越来越 得以体现，而如何利用s o a 的偏振效应，由低速时钟信号获得高速时钟信号源成 为了一种新的课题。整体方案主要参考李政勇博士提出的差分技术，在此基础上 实现实验验证和实际信号源的制作。 高速光信号源的核心技术有两个，一是短脉冲的发生，二是速率倍增。利用 s o a 的超快偏振旋转进行光脉冲差分，获得短脉冲，然后对它进行速率倍增获得 高速信号。应用s o a 偏振敏感的特性，尤其是偏振旋转特性，利用延迟差分技术 获得信号的前沿，是该课题主要的实现方法，是对目前利用压缩脉冲与锁模激光 器组合获得高速信号源的一种优化。 论文主要内容及结果安排如下： 一、主要分析高速时钟信号源的重要性、激光脉冲处理及光纤偏振问题的 研究现状，指出利用s o a 的偏振敏感可以作为实现高速时钟信号源的方 案。 二、主要论述半导体光放大器偏振效应的研究，并基于此自主设计挤压型 偏振控制器，为下一步的偏振控制做好铺垫，通过理论和实际测试得到了 所设计偏振控制器的性能。 三、实验验证了s o a 的偏振差分效应和光脉冲延时耦合的可行性，得到了 完整的基于s o a 偏振差分效应的实验方案。 四、对信号源整体进行了设计和测试，包含主要指标、信号功率损耗分析、 实物设计及最后的实验结果。 五、指明论文所取得的研究成果，指出以后的研究方向 4 ， 2 半导体光放大器偏振效应的研究 半导体光放大器( s e m i c o n d u c t o ro p t i e a la m p l i f i e r , s o a ) ，其基本结构、原理和 特性与半导体激光器很相似。半导体激光器是基于激光半导体介质固有的受激辐 射光放大机制，不仅可以制作相干光振荡器，也可以制作光放大器。s o a 偏振效 应的应用是目前光通信、全光信号处理领域的一大研究热点，偏振敏感的s o a 是 一种基于偏振的光信号处理的理想器件，已广泛用于波长变换、有源调制器、全 光开关、全光逻辑等。而且新的应用还在不断涌现，如全光触发器、全光3 r 再生、 超短光脉冲产生等【5 j 。 总之，s o a 偏振效应的应用在不断创新历史，已成为偏振研究领域的一个重 要方向。半导体光放大器是具有良好非线性特性的光子器件，它的非线性效应主 要有交叉增益调制效应、交叉相位调制效应、四波混频和交叉偏振效应，这些非 线性效应可以用来实现波长变换、光开关和多种全光逻辑功能【5 】。 2 1s o a 偏振效应 2 1 1 自偏振旋转 3 0 罨2 0 耀 蜜 1 0 o l - l l l t h 图2 1s o a 偏振态灵敏性特性 s o a 的自偏振旋转效应和下文中将要介绍的由电流引起的偏振效应往往是结 合在一起讨论的，因为电流变化必然导致自偏振效应的改变。图2 1 给出了实验中 的横向条形半导体放大器增益g 与注入电流【1 ( i i m ) 】的关系，图中s o a 的t e 模 和t m 模式的端面反射系数分别为0 3 8 和o 2 5 ，限制因子分别为0 5 2 和0 1 4 。插 ， 图2 2 交叉偏振调制实验 上图2 2 中，s o a 为半导体光放大器，p c 为偏振控制器，c 为环行器，b p f 为带通滤波器，p a 为偏振分析仪。激光器1 发出的信号光( 波长为1 5 5 2 6 0 n m ) 通过s o a ，然后经过环行器c 和窄带滤波器b p f 到达偏振分析仪p a 。调整偏振 控制器p c i ，在p a 的邦加球上将出现一个偏振态。然后加入由激光器2 发出的控 制光( 波长为1 5 5 2 9 2 n m ) ，首先观察到信号光的输出光功率会发生变化，这主要 是由交叉增益调制所引起的。同时，我们在p a 的邦加球上观察如下图2 3 所示的 偏振态的演化。这说明除了交叉增益调制外，还存在一种与控制光有关的偏振旋 转，许多文献称其为非线性偏振旋转。但从光一光互作用的角度看，它是交叉偏 振调制。 2 1 3 电流引起的偏振旋转 随着注入电流的变化，即使保持s o a 的输入偏振特性不变，输出的偏振态 也会变化。如图2 3 是当改变电流输出偏振态的变化。对于一个实现系统中所用的 s o a 器件，由于在s o a 的输入端与输出端都耦合了一段光纤，所以偏振态的变化 不应该简单的看成是t e 模和t m 模的双折射，它还应该包括由于尾纤而导致的偏 振态的演化。 6 j 匕塞交适太堂亟堂僮途塞坐昱签迸越太墨偏握夔廑的研塞 蚴4 譬_ 嚣 图2 3 当改变电流输出偏振态的变化 虽然偏振态的变化是绕着主态的同心圆，但是随电流变化的速率是不匀速的， 电流较小的变化较大，反之较小。如图2 4 实验是固定输入偏振态与功率，只改变 s o a 电流的情况下得出的。实验中，调整输入光的偏振态，使得输出光的偏振态 始终呈线偏振态。图2 4 是此线偏振态在邦加球赤道上的旋转角度。 挂2 妖 粪 匠匿墨圜 - _ 一 - - - - 一 一 - - 01 02 03 04 0i m 图2 4 调整电流时线偏振光的旋转角度 2 2 挤压式偏振控制器的研究 课题中的差分原理主要是基于s o a 的偏振旋转效应，如何实现s o a 输入偏 振态的控制显得尤为重要。因此必须在光路中加入偏振控制器，实现对偏振态的 输入控制和输出选择。偏振控制器作为光路系统中必不可少的部分，它的各种偏 振控制性能作为一个提前着重研究的对象。 7 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l 目前实验室通用的偏振控制器一般为如下图2 5 的设计： 图2 5 旋转光纤圈型偏振控制器 这种偏振控制器易于控制，稳定性高，前期实验系统搭建中就是用该偏振控 制器。但是也存在自身的一些问题，比如会在光路中引入至少6 m 的光程，这对一 些对光程或光程差要求敏感的光路系统中会带来很大的不便；同时不能直接安放 于已固定的系统或光纤光路中，使用中存在一定的局限。而本文基于s o a 偏振效 应的高速信号源，对光程差的要求很高，这也是实现差分和倍速的关键，因此设 计一款不引入额外光程，并易于安装使用的偏振控制器是本文的一大工作重点， 是实现后面实验环节的基础，因此对挤压型偏振控制器进行了探索与设计。 2 2 1 挤压式偏振控制器的设计与制作 设计之前，首先是验证挤压式偏振控制器的可行性。利用实验室现有的偏振 控制器，进行了改装，实验装置如下图2 6 ： 图2 6 改造的p c 实验装置 8 在偏振分析仪上得到了以下图2 7 所示的偏振态轨迹： 图2 7 偏振分析仪上得到的挤压和旋转测试图 基本原则是利用侧压力的挤压结合绕中心轴的旋转来设计：分别挤压和旋转 时，轨迹基本呈现正交，而且旋转时重复性良好，挤压因为推进速度问题，可能 不太平滑。基本证明这种偏振控制器可以实现偏振态的遍历，可以用作设计挤压 型偏振控制器的雏形。 在此基础上，我们设计了以下款偏振控制器，其详细结构图分别为图2 8 ( a ) 、 ( b ) 和( c ) ： 图2 8 ( a ) 正视图 9 图2 8 ( b ) 拆解图 图2 8 ( c ) 使用方法 此偏振控制器的优势在于不会引入额外的光程差，同时体积小( 长宽幸高： 7 5 * 2 5 4 c m ) ，易于安装、集成在实验箱等光路系统中，旋转过程中稳定性很强， 因为加工设备的限制，目前存在的一个主要问题就是挤压螺丝的丝距过大，造成 压力的不均匀性，这是一个需要改进的地方。 使用方法： 1 如果需要安装在固定的光学平台或者机箱上，先将底板固定于其上，保证 整个固定过程中底板不会移位，以实现光纤的准确固定； 2 将一侧的边架固定于底板之上，再将中轴下面板插入凹槽，固定另侧的 边架部分： l o 3 调整边架中聚四氟乙烯的位置，将待压光纤部分置于中轴的中心位置； 4 固定一侧的小方块，固定过程中要尽量保证光纤的平直。松紧应适当，压 力过大会导致插入损耗过大以致影响使用，压力过小将起不到固定光纤的 作用，在转动过程中光纤会出现扰动。再固定另一侧小方块，此时应该保 持光纤的拉直，并尽量使待压光纤位于整个轴的中心位置； 5 将中心轴的上面板固定，调节两个控制螺丝，安装完成。 2 2 2 挤压式偏振控制器的测试 同时对这款偏振控制器进行了测试，得到结果如下表2 1 和表2 2 ： 表2 1 旋转时的s t o k e s 变化 表2 2 挤压时s t o k e s 变化 图2 9 多次旋转时的偏振态轨迹图2 1 0 旋转挤压正交性 图2 1 1 两次挤压偏振态轨迹图2 1 2 旋转和挤压遍历性 实际邦加球上偏振态轨迹如图2 9 一图2 1 2 - 可见，在旋转时具有很好的重复 性，能够实现3 6 0 。的遍历；旋转和挤压时偏振态的变化呈现正交性，根据上面的 1 2 数据计算得到两者角度为7 9 度，这和测试条件等有很大关系，但基本能够满足偏 振正交，以实现邦加球上偏振态的遍历。 2 3s o a 偏振特性的自差分 实验中，需要用到基于s o a 偏振差分效应的两路光进行差分得到短脉冲，前 期准备工作中也做了一些相关的准备工作。其中，s o a 偏振特性的自差分效应就 是一个很值得关注的现象。实验装置图如2 1 3 所示： d o h l 酾v 函庸i z 贸 。“； 图2 1 3 自差分效应光路图 其中，输入光经过一个l 2 耦合器( 断开一路) ，通过一个偏振控制器( p c ) 后进入s o a ，再经过一个环形器、窄带滤波器和检偏器进入示波器进行观察。实 验过程中，仅调节s o a 的驱动电流，其他实验装置保持不动。 在实验中，我们记录在s o a 的增益电流一次为1 3 0 m a 、1 6 0 m a 、2 1 0 m a 、2 4 0 m a 时的输出信号，结果得到了以下图2 1 4 的实验现象。 这是对前文所述s o a 自偏振效应和由电流引起的偏振效应一个很好的例证。 实验中，我们只改变了s o a 的驱动电流，偏振控制器p c 未改变，因此s o a 的输 出光的偏振态完全由s o a 的自偏振效应和由电流引起的偏振效应决定，再通过一 个检偏器的偏振态选择，实现对脉冲的调制。因此，这个现象可以应用于基于s o a 的脉冲调制。 罅；等：竹，：。；，：，旆， 。 ； 一一 一 一 一! k ：二二二二二j o 乏j = 互：二：x ；： ： ： - - - - - - - - 一 飞门：厂l 厂l 厂ru 7 _ _ 一；：一 图2 1 4 改变电流时s o a 自差分对信号脉冲的调制 1 4 3 信号差分和倍速的研究 前面已经讨论了s o a 的偏振效应，如何利用这种效应实现信号的差分和倍速 是本章讨论的重点。延迟差分技术在数字信号处理中有广泛的应用，用来得到数 字信号的前后沿，在光信号处理中，我们也可以用延迟差分技术得到光脉冲，这 就依靠s o a 的偏振旋转效应。 3 1 实验中用到的关键器件介绍 3 i i2 5 g b s 光脉冲信号源 2 5 g b s 光脉冲信号源：如图3 1 原理图，速率为2 5 g b s 的电信号由脉冲码型 发生器( p u l s ep a t t e r ng e n e r t o r , p p g ) 产生，激光器( l a s 哪产生波长15 5 6 n m 、功率1 m w 的连续相干光，经过铌酸锂外调制器产生2 5 g b s 的光信号。此时的输出光功率约 为2 0 0 t t w 。实物照片如图3 2 所示： 图3 12 5 g b s 光脉冲信号源 图3 2 实物照片 3 1 2 半导体光放大器s o a 及其驱动温控电路 在我们实验系统中，所使用的半导体光放大器为i n p h n i x 公司生产的中心波长 为1 5 5 0 n m 的半导体光放大器，它的最大驱动电流为3 0 0 m a 。内部结构如图3 3 所 示。由图可以看出，i n p h n i x 的这种半导体光放大器内部集成了热电制冷器t e c 、 热敏电阻t h e r m i s t a n c e 及其引线管脚定义。器件详细参数见表3 1 。 眷h 掌n 舞 钟善i n ，啊 t o tt 0 1 3 p i 珏d e f i n i t i o n p i n 1 4 - p mb u t t e r f l y 1 i e c ( - ) 2k c 3 l h e r m i s t o r 4t h e r m i s t o r 5 k c 6 7n c gk c 9n c 1 0 s 。a ( + ) 1 1 s o k ( - ) 1 2k c 1 3 c a 5 e 1 4 t e c ( - ) 图3 - 3s o a 内部结构构成及引线管脚定义 表3 1 器件的详细参数 实验所用的光放大器的机箱实际照片如图3 4 和3 5 ： 1 6 图3 4 光放大器机箱 图3 5 内部电路及光路布置 实验前首先对所用的s o a 进行了偏振相关增益效应进行了研究，实验系统图 如图3 6 ： p c 图3 6 实验系统图 得到如下结果如表3 2 ： 输入光波长：1 5 5 6 4 0 1 n m ，输入光功率3 0 0 1 t w ，经p c 后进入s o a 的为2 8 2 9 w 1 7 表3 2s o a 偏振相关增益 对数据进行了计算后得到如下结果为图3 6 和3 7 ： 图3 6 增益曲线 1 8 3 1 3 光路中的偏振控制器 图3 7p d g 为前文第二章中所设计的挤压型偏振控制器，三个偏振控制器的插入损耗如 下表3 3 ： 表3 3 紧凑型挤压偏振控制器的插入损耗测试 3 1 4 测试用示波器 型号：力科l e c o r y ，s d a5 0 0 0 a ，s e r i a ld a t aa n a l y z e r 3 1 5 实验中其他器件的尾纤长度 实验中对光程准确度有很高的要求，因此较为准确的测定了实验中用到的器 件的尾纤参数为表3 4 ： 表3 4 关键器件的尾纤长度 1 9 c o u p l e l ( 1 幸2 ) 5 0 ：5 0 1 5 、2 0 2 0 c o u p l e 2 ( 1 木2 ) 5 0 ：5 01 5 、1 5 1 7 5 c o u p l e 3 ( 1 2 ) 5 0 ：5 0 1 5 、 1 5 1 6 5 c o u p l e 4 ( 2 木2 ) 5 0 ：5 01 5 1 7 、1 5 1 6 8 环形器 1 2 ：1 1 1 2 s o a9 4 、9 4 3 2 基于s o a 偏振旋转的光脉冲信号差分 3 2 1 基于s o a 偏振效应的差分方案 通过参考李政勇博士提出的差分技术，我们通过脉冲叠加等方式改变输入脉 冲的偏振态和功率，由于s o a 的x p o l m 及x g m 效应，就可以实现脉冲的差分。 在实现脉冲偏振态和功率改变的方法上，我们主要有两种方案： 异向输入方案：使用图3 8 光脉冲差分原理：输入光信号( 处) 首先在耦合 器( c ) 处分成均等的两部分，其中上部分( i ) 经过偏振控制器( p c i ) 及环形器 后反向输入s o a ，下部分( i i ) 经偏振控制器p c 2 和一段跳线后进入s o a ，并与 i 在s o a 中相互作用。调节光路中跳线长度，使脉冲叠加与未叠加部分的偏振态 与功率出现差异，未叠加部分产生短脉冲后，经过窄带滤波器( n b f ：0 4 r i m ) 后 其波形在两正交偏振方向的投影如图所示，其中短脉冲为s 态。最后调节偏振 控制器p c 3 只让s 态脉冲经过检偏器( p 0 1 ) 输出，便可得到输入光脉冲后沿的差 信号。 p ( = 2 _ 一 一 曲也l s o i 1 图3 8 异向差分光路图 同向输入方案：使用图3 9 中的光脉冲差分原理：输入光信号( 处) 首先在 耦合器( c 1 ) 处分成均等的两部分，两路各经过一个偏振控制器后，耦合到两臂 不等长的耦合器( c 2 ) ，耦合后的叠加脉冲再进入s o a 。耦合器c 2 的两臂长度必 须经过计算选取，只有合适的长度差才能实现脉冲的有效叠加。耦合器c 2 耦合输 出的光脉冲( 处) 叠加和未叠加部分的偏振态和功率出现差异，未叠加部分产 生短脉冲后，经过窄带滤波器( n b f ：0 4 r i m ) 后其波形在两正交偏振方向的投影 如图所示，其中短脉冲为s 态。最后调节偏振控制器p c 3 只让s 态脉冲经过检 偏器( p 0 1 ) 输出，便可得到输入光脉冲前后沿的差分信号。 p c 2 _ 叫 ，游”溶 图3 9 同向差分光路图 操作中有两个关键，一个是偏振控制器的调节，尤其是偏振控制器p c 2 ，要 保证脉冲叠加与未叠加部分的输出偏振态具有最大的差异，即s t o k e s 矢量的夹角 最大，以便于分离出差分短脉冲信号，须使输入偏振态经过p l p 后正好在p o i n c a r 6 球的大圆上；另一个关键操作是光纤延迟量的调节，以保证两路信号在s o a 中 干涉，实验证明只有在两路光的光程差基本相等的时候干涉效果最好，因此如何 保证光程基本相等是一个值得探讨的问题。在此主要有三个方案可供选择： 1 使用自聚焦透镜和一对五维调节架的方法，精确实现光程的控制，可以实 现o 一1 0 c m 的精密延迟。但是这种方法对光路插入损耗大，考虑到这种 损耗对差分的影响，应适当在另一路上加衰减器，使通过耦合器的分光比 分别为1 0 - 9 0 、3 0 ：7 0 、5 0 ：5 0 等观察分光比对差分信号的影响。 2 采用绕光纤的圆筒状p z t 进行微细控制，( 文献中设计电压为2 2 0 v ，可 实现的光程差为1 9 m m ) ，要首先建立在先前较准确的熔接光纤基础上， 而且这种方法可以采用并联结构，由一个电源控制三个p z t ( 分别位于差 分p c i 处a 点，倍速两点b 、c 处) 。这种方法由电动控制，增加了整个 光路延迟的可控性能，可重复性好。 2 1 压电 陶瓷 图3 1 0 基于压电陶瓷的光程差调制原理图 3 采用掐光纤的办法，通过熔接不同长度的跳线，来达到实现不同延迟量控 制。这种方法是最为简易的一种，不需要额外的电路控制或者调节架，易 于集成在实验箱内部。 作为一个实验箱，其中的耦合器、环形器、s o a 等的尾纤长度都是确定 的，因此综合考虑以上三种方法，认为第三种方法最适合于本文中的光程控 制，不需要增加额外的电路和调节架，很容易集成在实验箱内部，同样的单 模光纤受温度等外界环境影响系数相同，可以作为稳定的光纤延迟量，所以 通过熔接不同长度的跳线来实现光程控制。 系统组建完成后，2 5 g b s 的时钟信号经过该光路系统后，应该输出完整 的差分信号；此时的脉宽应该 1 0 0 p s ( 3 0 p s 左右为佳) ，以满足下一步的倍速 需求，并尽量通过调节光程差( 光路i i 的跳线长度) ，使脉宽压缩到最小。 3 2 2 差分方案的验证 一、异向差分方案的实验验证： 基于图3 8 搭建实验光路系统，此时2 5 g b s 的光脉冲发生器( p p g 数据为 2 4 8 8 3 2 0 k b s ，激光器驱动电流2 6 m a ，调制器调制电流分别为：- 4 3 6 、5 5 7 ) 输 出的原始信号波形如图3 1 1 ： l a l 晶。k ： ；& + a 一1 t 专 。、 、。 寸弋 ? | 51 1 i f f ： i l _ _ “ 矿“h l 一、卜一卜 ：、n， v v l 匦爱垂可丽圈笾菇，蓟 隧圈琵圜 x l t - 24 3 n s6 j 74 2 n s ) c 2 z4 9 9 晴1 厶x 互1 3 4 8h - i z 图3 1 1 输入信号波形波形 将s o a 驱动电流调制1 7 0 m a 左右，缓慢依次调节偏振控制器p c i 、p c 2 、p c 3 ， 得到较为稳定的差分脉冲信号，如图3 1 2 ： i 。f lll i n1 i h i 、 ； f 。l fl ： 1 7 l jjf * 1 卢，：， k 一一d 。 ， 、v ? ，艮o 1 - “，、一 ，、一一一 j q“、，。， rv 、p l ， 圜 ll 、 ； o 、，“ _ 叫 。一、， 、， ，“- 一一 圄 从上图我们可以看出， 圈圜隧圈密圈 x 1 - 25 0 5 n s ) k0 x 2 2 5 0 5 噼i i a x = 一 图3 1 2 稳定的差分信号 脉冲的峰值基本等高，分布很均匀，并非由于自差分 效应得到的尖脉冲，因此这是我们需求的差分短脉冲，此时脉冲的宽度大约为 1 0 0 p s ，还不能满足下一步倍速的需求，主要有三方面的可能原因：光纤延迟量的 调节还不够精确；偏振控制器的调节还没有完全的到位；示波器的分辨率达不到 要求，因为这三个方面都是下一步需要着重测试的地方。 二、同向差分实验验证 基于图3 9 搭建实验光路系统，此时2 s g b s 的光脉冲发生器( p p g 数据为 2 4 8 8 3 2 0 k b s ，激光器驱动电流2 6 m a ，调制器调制电流分别为：4 3 6 、5 5 7 ) 输 出的原始信号波形如图3 1 3 ： l l l 弋 陬 - 八一l i j j ： 、h 。 l i一专 ； 一1 ； 5 3 ， ) 1 一，一i i 矗一i 一 ，。 沪 0 、 。j 。 v l： 图 一 图3 1 3 原始输入信号波形 此时，调节s o a 驱动电流至1 8 0 m a ，信号在示波器上显示得到了明显的增益， 适当调节偏振控制器p c i 、p c 2 、p c 3 ，使出现较为明显的差分信号，得到如下的 差分脉冲图3 1 4 ： l i 卜。l ： i 。il 。i j；i ii 。， 移 秽 一1 _ 7 n l n