（光学工程专业论文）用于epon的dwdm精确波长发送模块.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 近年来，一种新的接入网技术e p o n ( 以太无源光网络) 引起了政府和通信业界 的广泛关注，因为它有望解决“最后一公里”问题。随着市场宽带需求的日益成熟，特 别是光纤到户市场的日益发展，e p o n 作为一种接入技术有着美好的应用前景。 本文在对e p o n 中两种典型上行方式t d m a ( 时分多址) 和w d m a ( 波分多址) 进行简单 比较之后，得出了：要想克j 报e p o n 中采用传统的t d m a 上行方式的诸多技术难点，就必须 采用w d m a 上行方式的结论。而采用该方式需要特定且稳定的波长光发送模块。本文就是 围绕怎样设计这样的光模块这一主题来展开的。其主要内容包括： ( 1 ) 指出了：e p o n 采用t d m a 方式的诸多技术难点、采用w d m a 方式的优势。 ( 2 ) 阐述了外腔激光器的工作机理；求取了外腔激光器的等效模型，并在此基础上 分析了外腔激光器的闽值电流、输出效率同耦合效率、光纤光栅反射率之间的关系：把 激光器看成带延时的光放大器，得出了边模抑制比的表达式；在半导体激光器线宽的基 础上，得到了外腔激光器的线宽表达式，并对其进行了分析；从速率方程出发，求出了 外腔激光器的光子寿命，推出了外腔激光器的类共振频率，分析了类共振频率与相关外 腔参数的关系；最后给出了一个典型的外腔激光器的结构。 ( 3 ) 设计了一种基于集成芯片的激光器双环驱动方案，该双环能够在直接测量背光 监视二极管电流的基础上对偏置电流和调制电流分别控制：给出了完整的电路设计并制 作了电路板，以及调试方案及结果。 ( 4 ) 设计了一种基于集成芯片的激光器温度控制方案，该方案采用线性驱动和脉冲 宽度调制驱动相结合的方式，既提高了效率，又减小了外围器件，能够满足不同致冷功率 的需要：给出了完整的电路设计并制作了电路板，以及调试方案及结果。由该驱动电路和 温度控制系统以及激光器构成的光模块，在e p o n 系统上应用效果良好。 关键词：以太无源光网络外腔激光器激光器双环驱动 脉冲宽度调制( p w m ) 方式温度控制 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，e p o n ( e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) ，a san e wa c c e s sn e t w o r k t e c h n o l o g y ，h a s d r a w nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o m g o v e m m e n ta n d c o m m u n i c a t i o n i n d u s t r yb e c a u s ei tm a yb et h eb e s ts o l u t i o nt o “t h el a s tk i l o m e t e rp r o b l e m ”w i t hr a p i d g r o w t ho f m a r k e td e m a n d f o rb r o a d b a n d ，e s p e c i a l l yf t t h r a p i dd e v e l o p m e n t ，e p o n a sa n e wa c c e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y ，w o u l dh a v eab r i g h t p r o s p e c t a f t e rs i m p l e c o m p a r i s i o n b e t w e e nt d m a ( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea d d r e s s ) a n d w d m a ( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s ) ，t h et h e s i sp o i n t so u tt h a tw d m ai n s t e a do f t d m ac a na v o i dm a n yd i f f i c u l tt e c h n o l o g yp r o b l e m s b u ti nw d m a ，s p e c i f i ca n ds t a b l e w a v e l e n g t ht r a n s m i t t e ri se s s e n t i a l t h et h e s i sa i m sa th o w t od e s i g nt h et r a n s m i t t e rm o d u l e t h em a i n p a r t sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) p o i n t s o u tt e c h n o l o g yp r o b l e m si nt d m aa n d a d v a n t a g e si nw d m a ( 2 ) e x p l a i n so p e r a t i o nm e c h a n i s mo fe x t e r n a lc a v i t yl a s e r ；g e t t i n ge q u i v a l e n tm o d e l f o re x t e r n a lc a v i t yl a s e r ；b a s e do n e q u i v a l e n tm o d e l ，w e c a nc o n c l u d es o m er e l a t i o nb e t w e e n t h r e s h o l d 、o u t p u te f f i c i e n c ya n dc o u p l ee f f i c i e n c y 、r e f l e c t i v i t yo ff i b e rg r a t i n g ；t a k i n g e x t e r n a lc a v i t yl a s e ra so p t i c a l a m p l i f i e rw i md e l a y w ee a l d r a waf o r mf o rs i d em o d e s u p p r e s sr a t i o ；g e t t i n g l i n e w i d t hf o r mf o re x t e r n a l c a v i t yl a s e rf r o ms e m i c o n d u c t o rl a s e r l i n e w i d t ha n dt h e nd i s c u s s e di t ；f r o mr a t ee q u a t i o n ，w ec a l lg e t p h o t o nl i f e t i m ea n d r e s o n a n c e f r e q u e n c yw h i c h i sr e l a t e dw i t h p a r a m e t e r so f e x t e r n a lc a v i t y ( 3 ) p r e s e n t a t y p eo fd u a l l o o pd r i v es o l u t i o nf o rl a s e ro nt h eb a s eo fi c t h ed u a l 1 0 0 pc a n a d j u s t b i a sc u r r e n ta n dm o d u l a t i o nc u r r e n tt h r o u g h td i r e c tm e a s u r em o n i t o rp h o t o nc u r r e n t ， c o m p l e t el a s e rd r i v ec i r c u i td e s i g n 、p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) d e s i g na n dc i r c u i tt e s t ( 4 ) p r e s e n tat y p eo ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls o l u t i o no nt h eb a s eo fi c t h es o l u t i o nc a n e n h a n c ee f f i c i e n c ya n dd e c r e a s ep e r i p h e r ye l e m e n t sb e c a u s eo f c o m b i n i n gl i n e a rd r i v ea n d p w m ( p u l s e w i d t h m o d u l a t e ) d r i v e ；c o m p l e t e l a s e rt e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i td e s i g n 、p c b d e s i g na n d c i r c u i tt e s t t h et r a n s m i t t e r ，w h i c hi sc o m p o s e do fa b o v ed r i v ec i r c u i t 、t e m p e r a t u r e c o n t r o lc i r c u i ta n d l a s e r ，o p e r a t e sw e l li ne p o ns y s t e m k e y w o r d s ：e p o n e x t e r n a lc a v i t yl a s e r d u a l - l o o p d r i v ef o rl a s e r p w md r i v ef o r t e m p e r a t u r e c o n t r o l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：曼护猪 日期：瑚晦r 月g f t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 芝沪析 日期：抽毕年厂月r 日 指导教师签 日鹂哆年如箩 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 光纤通信是未来通信发展的趋势，随着长途干线网建设的逐步放缓，本地网、用户 接入网和有线电视网的份额会逐年增大，这些将给宽带市场带来全新的发展机遇。根据 赛迪公司在“2 0 0 4 中国通信市场年会”上对2 0 0 3 年中国网络通信市场的发展现状的总 结。该总结表明：2 0 0 3 年中国宽带用户数量呈雪崩式增长，中国宽带用户累计1 2 0 9 万， 全年增长率达到2 0 0 ，a d s l 终端设备销售量达到7 0 0 万，同比增长3 3 7 ；局端设备 全年销售1 5 2 0 3 万线，同比增长6 2 4 ，数据通信业务收入同比增长高达4 6 1 。 从海外市场上看，日本的f t t h ( 光纤到户) 市场普及率已经接近1 0 ，预计2 0 0 6 年 前后f t t h 将成为超过a d s l 以及有线电视的宽带上网方式。作为世界上宽带普及率最 高的国家韩国，2 0 以上的用户使用了宽带接入，并且各个通信公司将在2 0 0 5 年 前投资约1 1 0 亿美元用于宽带网的扩建，1 0 0 的家庭都将实现宽带接入，f t t h 将成主 流。欧美f t t h 市场尽管尚没有大规模展开，但增速较快，已有众多中小运营商尤其是 有线运营商开始推广f t t h 的应用。 虽然目前国内f t t h 的市场需求还没有达到成熟的程度，却也面临前所未有的机遇。 北京奥运会组委会宣布，2 0 0 8 年前将投资六十六亿美元扩展和升级电信网络；上海则提 出2 0 1 0 年前电信营业收入由现在的一百多亿元增至四百三十五亿元，将不可避免地要 进行大规模扩展和升级电信网络；湖北省也计划在武汉光谷展开光纤试点。预计2 0 0 8 年中国大城市有望率先实现f t t h 的应用。 正是由于宽带应用的不断发展造成了宽带骨干网与接入网之间的瓶颈。近几年，为 了适应市场发展需求，加之网络经济的泡沫和通信运营商的大量投入，网络容量一再扩 容，网络带宽再提速，宽带骨干网已经出现网络容量大大超过业务需求的现象。而到 目前为止，城域网及宽带用户接入网依然是网络发展的瓶颈。现有用户接a n 无法满足 华中科技大学硕士学位论文 用户快速上网的需要，以宽带城域网和宽带接入网a d s l ( 非对称数字用户线) 和以太 网等为重点的新一轮网络建设成为2 0 0 3 年的热点和高利润的增长点。 根据v e r t i c a ls y s t e m sg r o u p 的调查，在1 9 9 9 年7 6 9 6 的美国商业用户所在位置的 一英里范围内都存在光纤接入点，但是却没有连接。这种没有连接的现象，就是众所周 知的“最后一公里”。研究宽带“最后一公里”网络已经成为打破这一瓶颈的紧迫课题， 引起了各国政府和通讯企业的关注。e p o n 正是这个领域的热点技术，它是继a p o n 后又 一被广泛关注的p o n 技术。它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网上提供多种 业务的一种新技术。e p o n 是从i t u t 为a p o n 建立的g 9 8 3 标准上发展起来的，它希 望最终能够实现：在单一的光接入系统上传输数据、视频和语音等多种业务。 1 2e p o n 的两种典型上行方式比较 p o n ( 无源光网络) 上行信号的传输采用多址接入技术，g 9 8 2 建议的多址接入 技术为t d m a ( 时分多址接入) 、但也不排除w d m a ( 波分多址接入) 、( s c m a ) 副载波多址接入及c d m a ( 码分多址接入) 等其它多址接入技术。目前用的最成熟的是 t d m a 方式，鉴于本课题的研究内容，我们有必要对t d m a 方式和w d m a 方式作一个简单 的比较。 ( 1 ) t d m a t d m a 方式是将上行传输时间分为若干时隙，在每个时隙内只安排个0 n u ( 光网 络单元)以分组的方式向o l t ( 光线路终端) 发送分组信息，各o n u 按o l t 规定 的顺序依次向上游发送。由于o n u 向上游发送的分组在合路时可能发生碰撞，这就要 求o l t 测定它与各o n u 的距离后对各o n u 进行严格的发送定时。又由于各o n u 与 o l t 间距离不一样，它们各自传输的上行码流衰减也不一样，到达o l t 时的各分组信 号幅度不同，因此在o l t 端不能采用判决门限恒定的常规光接收机，只能采用突发模式 的光接收机，根据每一分组信号开始的几个比特信号幅度的大小建立合理的判决门限。 各0 n u 从0 l t 发送来的下行信号获取定时信息，并在o l t 规定的时隙内发送上行分组 信号，故到达o l t 的各上行分组信号在频率上是同步的，但由于传输距离不同，同时到 达o l t 时的相位差也就不同，因此在o l t 端必须采用快速比特同步电路，在每一分组 2 华中科技大学硕士学位论文 信号开始几个比特信号的时间内迅速建立比特同步。采用t d m a 方式的p o n 只需要 较为简单的光器件，n 个o n u 可以共享o l t 端一个接收机和单波长，因此经济。但 由于o l t 端需要采用上述新技术，电路部分相当复杂。而且当速率很高时，突发式光发 送接收模块成本昂贵，这时采用t d m a 技术不一定经济。 ( 2 ) w d m a 在采用w d m a 上行方式的e p o n 中，各o n u 的上行信号被调制为不同波长的 光信号，经过合波器耦合到同一光纤传输到o l t ，在o l t 中利用分波器分别取出属于 各o n u 不同波长的光信号，再分别通过光电探测器( p d ) 解调为电信号。w d m a 利用 光纤的低损耗波长窗口，上行信道完全透明，能以不同的方式传输不同的业务。只要光 纤线路有足够的功率余度，w d m a 便可方便地扩容与升级。与t d m a 相比，w d m a 无需测距和同步定时，也不需要突发式光发射接收模块，所用电路设备较为简单，而且 系统容量是采用t d m a 技术的n 倍。( 假如有n 个o n u ，每个o n u 单独使用一个光 发射机，每个o n u 使用一个波长：而t d m a 是n 个o n u 共享一个发射机，使用一个 波长) 但它要求光源有较高的稳定度，上行信道数目及信噪比受光合分波器件功率限 制，系统各通道共享光纤线路但不共享o l t 光接收设备( 需要的光接收模块是采用 t d m a 技术的n 倍) ，故系统成本很高。但在较高速率时，如果能采用低成本的稳定 的特定波长光源，那么采用w d m a 技术可以不用t d m a 高速突发式光发送和接收模 块，其成本将接近甚至低于t d m a 成本。 1 3 课题来源及论文主要内容 建立宽带光接入网已经是接入网发展的必然趋势，而e p o n 因为其对e t h e m e t 的 兼容以及充足的带宽等种种优点成为光接入网的热门技术。基于上面e p o n 中两种典型 上行技术的简单比较，我们可以了解到，要克服e p o n 中采用t d m a 上行方式中的诸 多技术难点，就需要采用w d m a 方式的上行技术，采用这种技术，需要一个稳定的特 定波长激光器。本课题就是围绕怎样设计这一光模块来展开工作的。本课题是8 6 3 课题 基于千兆以太网的宽带无源光网络( 编号2 0 0 1 a a l 2 2 0 2 3 ) 的重要组成部分基 于e p o n 的d w d m 精确波长发送模块。 华中科技大学硕士学位论文 本课题的主要工作及研究成果为： ( 1 ) 以光纤光栅外腔激光器为模型，阐述了外腔激光器的工作原理和特点，着重探 讨t k l 腔激光器的性能和结构，包括外腔激光器的静态特性，如闽值电流、输出效率和 耦合效率、光栅反射率之间的关系等：外腔激光器的高频调制特性；外腔激光器的线宽 特性。 ( 2 ) 设计了激光器的驱动电路。从方案的比较、确定，元件的选定，电路原理图的 设计，p c b 的设计到最后的电路调试，其中的每一部分都有详细的解释、说明及必要的 调试结果。其中有很多是个人在设计和调试过程中的一些心得，对于激光器驱动电路的 设计具有很现实的参考价值。 ( 3 ) 设计了激光器的温度控制电路。包括方案的比较、确定，元件的选定，电路原 理图的设计，p c b 的设计到最后的电路调试。其中也有不少个人的经验与总结，对于激 光器的温度控制电路也可以作为参考。 ( 4 ) 指出了设计激光器的驱动电路和温度控制电路的难点。 1 4 光收发模块的发展趋势和应用 近年来，全球光纤通信市场迅猛发展，极大的推动了光电器件的研发和生产，多种 多样的新型的光电器件应运而生。在光有源器件中，具有代表性的光收发模块最能反映 出光纤通信有源器件的发展动态和水平。光收发模块广泛应用予光纤接入网、电信传输 网和各种数字通信网络。据美国市场调查公司d a t a q u e s t 的预测，小型化、集成化、高 传输速率的光电一体模块将是光电器件今后的主要发展趋势。 纵观光收发模块的发展历程，我们可以看到以后的光模块的大致发展方向： 小型化：小型化，热插拔是光电元器件的主要发展方向，光收发模块作为其代表性 的产品也概莫能外。新款的商用收发模块向着小封装型方向发展，传统的大尺寸，双列 直插封装形式开始被同轴封装所取代，并且以s c 型接口形式应用得最多，小封装的s f f 型也将成为今后的发展方向。例如，a g i l e n tt e c h n o l o g i e s 公司的s f f 收发器系列产品 在快速以太网，千兆以太网和a t m 市场上得到了广泛的应用。 集成化：l u c e n t 公司微电子部的光电产品分部( l u c e n to e ) 是世界上主要的 华中科技大学硕士学位论文 s o n e t s d h 光器件和光模块产品的供应商，其产品覆盖了各种速率的s o n e t s d h 应用。 就激光器而言，l u c e n to e 能提供具有致冷的和无致冷器的f p 激光器和d f b 激光器，以 及p i n 和a p d 光检测器。为了提高产品的性能和集成度，l u c e n to e 为用户提供基于上 述两种激光器的光发射模块和p i n 或a p d 的光接收器模块产品，而对于光接收器模块来 说，有的产品内还集成了时钟和数据恢复电路单元。由于使用模块化产品进行系统设计， 能够得到更高的集成度，有效地减小分布电容和电感的影响，外壳的屏蔽使模块内部的 电路所受的电磁干扰要小得多，有利于提高整体性能。 高速传输速率：光纤具有理想的宽带特性，但是目前的光电技术发展水平还远未能 充分利用光纤的高带宽，因此光电器件的研究开发将向着高速传输的方向发展。光收发 模块的传输速率先后经历了从1 5 5 m b p s 到6 2 2 m b p s 、2 5 g b p s 、l og b p s 发展历程。目前 1 5 5 m b p s 、6 2 2 m b p s 、2 5 g b p s 的光收发模块已经成熟，传输速率达到1 0g b p s 的收发模 块也已经研制出来。 低价化：近年来，随着光电器件技术的应用范围不断拓宽，市场需求不断增长，光 电器件已投入大批量生产，因此，光电器件产品的生产成本下降，使得应用光技术的一 部分产品价格已随之下降。然而在光电器件当中，光模块的生产成本未能明显下降，主 要是因为光纤与光模块之间的连接采用自动化的方法难度很大，因为在自动化组装中， 光纤在与l d ( 激光二极管) 的衔接处很容易断裂，所以在制造过程中仍需大量劳动力进 行手工衔接，其劳动密集型产品的模式未改变。此外封装材料和封装工艺也导致了生产 成本和成品的体积显著增加。因此，有必要对这些加以改进，简化工艺，全面实现自动 化生产，降低成本。 低耗散：在光纤通信中，散热问题是必须考虑的一个很重要的问题。对于光收发模 块，最好尽量做到低电压，低电流工作，最大程度的减小发热问题。不需要致冷器的光 收发模块成本又要下降许多，同时可以减小光收发模块的体积。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 概述 2 外腔半导体激光器 世界上第一只半导体激光器是1 9 6 2 年问世的，1 9 6 4 年便有人尝试通过外部光反馈 实现激光器的单频振荡。由于质量不过关，上世纪6 0 年代半导体激光器几乎没有实际 应用。7 0 年代以后发明了双异质结半导体激光器，实现了室温连续工作，又由于光导纤 维的出现，使光通信迅速崛起。到了8 0 年代，光纤通信已成为一个重要产业，与此同 时半导体激光器在其他领域也得到大量应用。正是在这种背景下，外腔激光器的研究从 上实际8 0 年代初开始活跃起来。当时半导体激光器不能单频工作，一些著名的大学及 研究所如美国的麻省理工学院、华盛顿海军实验室、英国的国家电信研究所，日本的东 京工业大学等采用外腔对半导体激光器内部工作机理和特性进行研究，国内清华大学等 单位的外腔激光器的研究工作也是从那时开始的。 到了8 0 年代中后期，虽然分布反馈式动态单模半导体激光器件( d f b 、d b r ) 逐 渐走向实用，外腔激光器的研究不仅没有减弱，反而有更多的国家及单位加入这一行列。 据粗略统计，这一时期至少有美国、英国、法国、德国、日本、瑞士、俄罗斯、丹麦等 近2 0 个国家，四五十个研究单位从事外腔半导体激光特性及其应用的研究，其中除少 数大学外，多数是从事通信研究及半导体激光器制作的大公司、大研究所，如日本的 n e c 、n t t 、f u j u t s u 和美国的a t & t 等，他们自己研究外腔激光器并用于自己的频分 复用( 在一根光纤中同时传输多路不同波长的光信号，每两路光波之间的频率间隔约为 1 0 g h z ) 和相干光通信系统，以及相干计量检测、光谱频标等应用中。 9 0 年代以来，研究热点转移到大范围连续调谐、频率稳定和扩展应用等方面，并 陆续有商品推出，至今已有美国的惠普等十余家公司生产。 可调谐的激光光源是自1 9 6 0 年发明激光器以来一直致力研究的课题之一，是许许多 多应用领域迫切需要的光源。4 0 多年来，已研制的可调谐激光器( 如液体染料激光器、 掺钛蓝宝石激光器、色心激光器和光参量振荡器等) 都需要某一固定频率的激光器( 如 氩离子或n d ：y a g 激光器) 作为泵浦源。这些泵浦激光器本身通常效率很低，需消耗大 量的电能和冷却水，整个装置体积庞大，结构复杂，调谐能力也有限，而外腔可调谐半 6 华中科技大学硕士学位论文 导体激光器具有结构紧凑、高效率、控制致冷和高可靠性等优点，而且成本低、寿命长。 外腔半导体激光器还具有的光谱性能：光谱纯度高( 窄光谱线宽) ，波长调谐可以覆盖 从可见光到中红外区域，并且可以产生超短脉冲( p s ) 输出和实现高频( 数g b z ) 幅度 和频率调制。因此，外腔半导体激光器可望直接取代大多数的染料和掺钛蓝宝石激光器， 并完成许多先前无法实现的应用要求，如工业现场工艺监控，大气污染检测，医学诊断 和高分辨率光谱分析。大功率器件还可用于医学手术。可见光调谐器件可以用于投影显 示、高分辨率印刷、材料加工及军事领域。所以，可调谐外腔半导体激光器的研究和应 用应受到充分的重视。 在现代光通信系统中，高频调制、单频运转的半导体激光光源是一个非常关键的部 件。分布反馈半导体激光器因其显示出良好的动态单模特性而被广泛采用。但由于半 导体材料的折射率随注入载流子浓度变化而变化，在高速调制时，其光谱线宽存在较 大的啁啾展宽，而且因为要在有源区两端刻蚀光栅，工艺难度较大，成本较高，应用在 密集波分复用( d w d m ) 通信系统中，要求波长准确控制，也带来了成品率低的问题。光 纤布拉格光栅( f b g ) 的出现为解决以上问题开辟了一条新的途径。以光纤光栅为反馈元 件的外腔激光器成为研究的热点。利用光纤光栅的窄带高反特性，可以从很宽的半导体 激光器增益带宽中，实现稳定单纵模工作。这种激光器具有以下特点：1 ) 光纤光栅的反 射谱线易于做到小于激光二极管管芯的纵模间隔，有很好的抑制激光二极管管芯的边 模效果，2 ) 光纤光栅由石英材料制成，其折射率的稳定性大大优于半导体材料，3 ) 内 腔可由普通的激光二极管管芯制备，降低了成本，4 ) 由于其反射波长决定于在石英光 纤材料中制备的布拉格光栅，石英玻璃对温度不敏感，因此具有良好的波长稳定性，并且 可以避免或减弱半导体激光器调制时的波长啁啾效应，5 ) 激光二极管管芯同光纤光栅 的耦合是这种激光器制造的一个关键技术，而常用的半导体激光器在实际使用时，也 需要与光纤耦合，因此光纤光栅外腔半导体激光器不需要额外的工序和新的工艺技术， 与光纤系统天然的吻合性也正是光纤光栅的一个突出优点。 最近有报道。k 2o p t r o n i c s 公司推出了针对d w d m 市场的e c 3 1 外腔激光器。该产 品最高工作速率可以达n 3 1 2 5 g b p s ，啁啾效应也相当低，可以支持5 0 0 公里距离传输。 k 2 o p t r o n i c s 公司表示：这些新激光器为系统设备厂商将传统网络平台同现有i p 技术结 合起来提供了非常好的解决方案。紧接着该公司又推出了基于光纤光栅的e c 4 8 外腔激 华中科技大学硕士学位论文 光器，并且通过了t e l e o r d i a 认证，这些激光器采用1 4 针标准蝶型封装，输出功率达到 8 m w ，直接调制下传输距离可以达至1 1 6 5 0 公里。并且该款激光器迅速得到了商用，成为 j d s u 公司5 7 公里超长距离d w d m 传输模块的主要光源。e c 4 8 夕b 腔激光器是目前市场 上唯一综合2 0 0 ，4 0 0 平n 6 5 0 公里超长距离传输，直接调制，2 n 9 m w 大功率输出的激光器 产品。2 5 g 的e c 4 8 产品具有非常好的波长稳定性，采用标准1 4 针蝶形封装。 2 2 外腔半导体激光器的工作机理“5 。”圳 外腔半导体激光器是在普通半导体激光器( 激光二极管) 外部引入光反馈元件构成 的。激光二极管( l d ) 是一块很小的p n 结芯片，芯片两端的自然解理面构成谐振腔， 称为内腔或本征腔，外反馈元件与芯片前端面构成的谐振腔成为外腔。外反馈元件的种 类较多，可以是滤光片【6 】、光纤光栅【3 】、f - p 标准具【5 l ，以及这些元件的组合，其中光栅 腔可以实现大范围调谐，最为普遍。普通半导体激光器在静态( 直流) 工作和动态( 调 制电流) 下为多纵模振荡，为什么加了外部光反馈便可以实现单纵模工作呢? 众所周知，激光的产生是受激辐射光放大形成振荡的结果【1 , 2 1 ，受激辐射光放大若要 维持稳定的激光输出，光子在激光谐振腔中往返一周得到的增益( 放大) 必须大( 等) 于损耗，这是产生激光的重要条件。另一方面，激光的形成还要求满足谐振条件，即光 波在激光腔中形成稳定的驻波分布1 2 】。上述条件可以用图2 1 说明。图2 1 ( a ) 为半导 体激光器增益( g ) 、损耗( a ) 和波长( a ) 的关系曲线。由于半导体激光是粒子在能 带之间跃迁产生的，而能带的能量范围大，所以半导体激光器具有很宽的发光范围。图 2 1 ( a ) 中的五表示增益g 损耗口的区域，在此范围内满足谐振条件的激射波长如图 2 1 ( b ) 所示。每一种波长的光场分布成为一个模式，如果忽略折射率的变化，其模间 隔为【2 】：a 2 q = 五2 2 n l ，其中行为激光介质折射率，f 为本征腔腔长。对于1 5 u m 波段半 导体激光器， 。约为1 5 2 n m ，而 约为1 2 0 r i m ( 与注入电流等因素有关) ， 约 为五。的6 0 倍，所以似乎有6 0 多个模同时满足激光产生的条件。其实不然，这是由于 在半导体激光器中所有的光波模式消耗共同的提供放大的粒子数，模之间存在竞争，某 些模强了，某些模必然变弱。图2 1 ( a ) 所示增益曲线( g ) 和损耗( 口) 的位置是激 光尚未产生时的初始位置，随着激光的产生，消耗了提供放大的粒子，经历弛豫振荡过 华中科技大学硕士学位论文 程，增益曲线将均匀下降。理想情况下，激光增强达到稳定值时，增益将下降到图2 1 ( a ) 中的虚线位置，增益中心处g = 口，其他波长处g 口，所以只有位于增益曲线中心处 的单一模存在。上述过程成为增益饱和模竞争。但由于半导体激光器增益曲线很平缓等 原因，实际上增益曲线中心附近的多个纵模增益损耗差别不大。又由于半导体激光器的 自发发射几率很大( 各个模的初始光子来源于自发发射) ，因此这些纵模将同时存在。 激光输出多纵模如图2 - 1 ( c ) 所示。 毽 o 。 9 2 n l 图2 - 1普通半导体激光器模谱结构示意图p 1 ( a ) 激光二极管的初始增益( g o ) 和饱和增益( g ) 及 损耗( a ) 与波长( a ) 的关系曲线； ( b ) 由谐振条件决定的本征腔模谱：( c ) 实际激光器的输出纵模 在半导体激光器之外附；h h t 步b 腔反馈以后，将加大各个模间的损耗差别。对于外部反 馈光栅，光栅的反馈仅允许较窄的波长区域觑范围内的光能按原光路返回到激光二极管的 发光区，相当于在融范围内的损耗曲线急剧下降，如图2 2 ( a ) 所示。在觑范围内的模 式损耗大大减小，增益损耗差( g 一口) 比中心处的( g 一, o r ) 大的多。因此通过增益饱和 9 华中科技大学硕士学位论文 模竞争，将只有飘范围内的模存在，其他波长处的模被抑制。图2 2 ( b ) 和图2 1 ( b ) 一 样都表示激光二极管本征腔决定的模谱，图2 2 ( c ) 表示外腔与本征腔组成的复合腔决定 的模谱，其模间隔约为旯。= 五2 2 ( n l + l ) ，其中三为外腔腔长。以外腔长为5 c m 为例， a 2 。zo 0 2 3 n m ，( 对应1 5 m 波段) 。可见复合腔的模间隔比本征模间隔小的多。图2 2 ( d ) 表示光栅反馈带宽兄内的模谱。由于外腔存在，这些模的损耗也有所不同，同时分 配到每一模式上的自发发射几率也大大减小。在一定条件下，这样一组( 或数组) 外腔模 可以通过模竞争而形成单一外腔模，其输出如图2 2 ( e ) 所示。 外腔的存在不仅能够选模，而且可以大大压窄了单模的线宽f 7 1 。这一点在后面我们 可以看到。 毽 b 二l 础 ：uujl “ 三叫耐 ：i 高 竺山 、 ! ：i ：； ( a ) 激光二极管的初始增益( g 。)、及光栅反馈造成的 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 3 外腔半导体激光器的静态特性研究 2 3 1光纤光栅外腔半导体激光器的基本模型 图2 3 为光纤光栅外腔半导体激光器的基本结构和主要参数。 内腔和外腔中的光场分别为e ? 、i 、e 、乓，“+ ”、”分别代表正、 负z 方向。内腔长为0 外腔长，：，、f 。、0 、f 。分别为激光二极管后腔面和光纤光 图2 3 光栅外腔半导体激光器示意图 栅的场强反射系数和透射系数。在耦合处，激光二极管端面和光纤端面近似地看作一 个几何点，对内、外腔的场强反射系数和透射系数分别为、t ，如、f ：，则前向和后 向的耦合效率编、叩：可表示为( 4 】： 兽b 。， ”訾 b z ， 在已发表的有关光纤光栅外腔外腔激光器的分析中，没有考虑前向和后向的反射率 和透射率的差别，一般也没有计入耦合的损耗，因此在研究外腔激光器的静态特性时 都忽略了这个重要的因素，本文的模型试图对此有所改进。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 2 外腔半导体激光器的等效模型 当，l 0 时，称为弱反馈吼对于弱反馈，由于0 比 较小，因此只需要考虑外腔的一次反射光即可；对于强反馈，0 比较大，g 的反射光比 的反射光强的多，即来自外腔的反射光比来自激光二极管解理面的反射光要强，因此 必须考虑外腔的的多次反射光才可。在一f 面的分析中，我们以强反馈为例，即考虑了外腔 的多次反射 j s , 1 8 l 。 对于强反馈外腔激光器，假设在石= ，。处( 图2 - 3 中l d 管芯的右端面) 的光场为占( f ) ， 并记反射波为0 e ( f ) ，考虑外腔的多次反射，的计算如下： e ( ，) 经过l d 管芯的右端面反射回来的光场为e o ( ，) ，e o ( ，) = e ( ，) ，e ( r ) 透过管芯 右端面进入外腔并第一次返回l d 管芯的光场记为e ( ，) ，第二次、第三次返回的光场记 为e ：( f ) ，e ，( 磅。分别可以表示为： e ( r ) = e ( t ) t 1r , t 2e x p ( i 2 f 1 2 ，2 )( 2 3 ) 毛( ，) = e ( t ) t l e 匕f 2e x p 2 ( i 2 f 1 2 2 ) ( 2 4 ) 如( f ) = e ( t ) t 1 0r 2 2 r 2e x p 3 ( i 2 f 1 2 ，2 )( 2 5 ) 这样依次下去，第p 次返回的光场e ，( f ) = e ( t ) t 瞄哆。e x p 9 ( f 2 f 1 2 f 2 ) ，有： e ( f ) = e ( f ) + f l t 2 r g e ( t ) z ( r ：) e x p ( | f 2 f 1 2 l ：) ( 2 6 ) 可以得到： ，一二+ ( q t 2 一，i 屯) r ge x p ( i 2 , b 2 1 2 ) ，m 铲t 瓦面商矿 犯7 ) 其中履为外腔中的相位常数，表示在单位长度内光场的相位变化。 此式与许多文献中通常使用的公式不同，其中( f ：一，1r 2 ) 反映了耦合效率小于1 华中科技大学硕士学位论文 的实际情况。当耦合效率，7 ，玑均为1 时，并且有也= - f i ，上式就可变换为相关文献 中常用的外腔等效幅度反射率表达式【8 】： r ：r 1 + e x p ( i 2 f l z t 2 )f 2 8 ) 2 1 + r l r ge x p ( i 2 f 1 2 1 2 ) 【2 8 ) 由此可以得到外腔激光器的等效模型： 图2 _ 4 外腔激光器的等效模型 即l d 的左端面和外腔一起等效为一强度反射率为r 。= 川2 ( r 为等效幅度反射率) 的反射面，与l d 的左端面一起构成具有两端面的谐振腔。 在求取了光纤光栅外腔激光器的等效模型后，就可以算出外腔激光器的闽值条件。 在谐振腔中能形成自持振荡的条件是：当光波在两个腔面间经过多次反射回到原处时， 光波的振幅至少等于起始值。这个条件可用下式表示【4 】： 0e x p ( g a ) 1 1 e x p ( i 2 f 1 1 f 1 ) = 1( 2 9 ) 因此形成振荡的幅值条件可写为： 乩：a + 寺l n b ( 2 1 0 ) 乩硝+ 酉h 1 羽 2 1 0 其中口是腔内损耗系数。 假设l d 的电流和增益系数之间成正比关系，在阈值状态下的电流为【1 0 】： 厶= a ( 2 a t 一2 1 n r o l n r 。)( 2 1 1 ) 其中r 。= k + o 。f ：一r r 2 ) r g ( 1 一屹) 】2 记在z = ，处的光场为日u ) ，在忽略自发辐射的情况下，并考虑光场在外腔中的来回 华中科技大学硕士学位论文 多次反射，激光器光纤端和激光二极管后腔的输出光场可写为： 玩。= r 。e ( ，) = ，。，。e x p ( i b 2 ，2 ) e + ( ) ( 2 1 2 ) e l = “e i ( 0 ) = “e x p ( 一泸l e + ( r o( 2 1 3 ) 式( 2 1 1 冲e2 r i i i l 2 页丽它反映了光场在外腔中的多次反射，则整个激 光器的输出能量为： 弘阱倒2 埘* 警】巨“矧讹1 2 + 字】c x p 盼圳巨2 ( 2 1 4 ) l d 管芯内的激光场可以由下面式子给出： e = e + e x p ( i k l + 掣) ：讹一e x p 一( i k l + g 壁2 a ) z ( 2i 5 ) 而腔内的总能量为： 酬矸= 耻e x p q k l + 孚，扣+ 牡妒c 即半，：i 2 出 = 蚶( e x p ( g a ) l 。_ 1 ) + 忙r oe x p ( g 刊”孚】i 玉 ：川2 ( e x p ( g - a ) l - - 1 + r fe x p 2 ( g - c t ) l i e x p ( a - g ) 1 1 - 1 ) ：f e + l2 e x p ( g - t z ) l i - i ( 1 + 右e x p 国一口) ，) 因此，光纤光栅外腔半导体激光器光纤端的输出效率为 盱等= 蒜訾杀赫 考虑到阈值以上时有：r o r 。l e x p ( g a ) t 。】_ 1 ，则上式可化简为： ”蒜 j1 2 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 3 3 静态特性分析 根据( 2 7 ) ，( 2 1 0 ) ，( 2 1 1 ) 和( 2 1 8 ) ，对激光器的静态特性进行理论分析，可以得到 以下结论： ( 1 ) 阈值电流随着耦合效率的增加呈下降趋势，输出效率随耦合效率的增加而变大， 显然，耦合效率的提高对于降低阈值和提高输出效率都是非常有利的。提高并稳定光纤 同激光二极管芯片的耦合效率是器件制备的关键之一。 ( 2 ) 光纤光栅反射率的提高会导致两种矛盾的结果：降低了阈值，同时也降低了输 出效率。因此必须对光纤光栅的反射率进行合理的选择，既使激光器的阈值电流较低， 又能保证一定的输出效率。 2 3 4 边模抑制e l ( s m s r ) 与耦合效率和光纤光栅反射率的关系】 把激光器看成带延时的光放大器i ”，光子以自发发射速率r 。注入激光器。 如果 有外腔反馈时，r 。相当于被放大，有； 蹦1 慨，+ g 乙+ g 乙+ g l 乙p h ) - 去 ( 2 1 9 ) 其中g 。为往返的环路增益，包括端面损耗和腔损耗。 对于主模对应的g 。，记为g 。， 这样主模对应的光子通量2 1 为： 旦：一 o(220，1 g 十 i j l ot | m d 、 4 r 为相应模式的光子数目，f 。为复合腔的往返时间常数。 对于主边模，我们同样有： r ，鼻 1 一g l7 b ( 2 2 1 ) 由于每个模式在端面的输出功率正比于光子通量。所以边模抑制比