CN101276982B - 外注入式增益开关激光器超短脉冲的产生方法 - Google Patents

外注入式增益开关激光器超短脉冲的产生方法 Download PDF

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Abstract

一种外注入式增益开关激光器超短脉冲的产生方法，其将增益开关激光器产生的多纵模光谱特性的超短光脉冲序列信号输至光学放大器放大，经光谱分量信号选择器筛选出光学放大器输出的位于自发辐射ASE噪声频段内、中心波长与增益开关激光器其中一纵模相同的窄光谱分量信号，以光谱分量信号选择器输出的窄光谱分量信号，一路作为外来种子光，经光谱分量信号反馈回路回注至增益开关激光器，使增益开关激光器腔内被选中的单纵模震荡增强，形成外部光注入锁定；光谱分量信号选择器输出的另一路即是所需的超短光脉冲序列。本发明解决了背景技术中重复频率固定、应用范围受限，结构复杂、体积大、成本高的技术问题，本发明具有波长可调谐的功能。

Description

外注入式增益开关激光器超短脉冲的产生方法
技术领域
本发明涉及一种增益开关激光器的激光信号的产生方法，具体涉及一种外注入式增益开关激光器产生超短脉冲的方法。
背景技术
超短光脉冲源是实现超高速、大容量全光通信***与网络的核心部件之一，它在超宽带光信号采样、光存储、超高速光子模-数转换等方面也有着重要的应用价值。在实际应用中，要求超短光脉冲源具有体积小、结构简单、重复频率高、抖动低、通用性好、成本低和可靠性高等特点。电讯应用中，为实现结构紧凑、可批量生产的超高速光发射机及其阵列，还要求超短光脉冲源具有能与其它光学器件集成在一起的特点。
半导体激光器的增益开关是一种简单、可靠的超短光脉冲技术，可以方便地应用于现有的商用化半导体激光器中，能够灵活地输出可变重复频率的皮秒级光脉冲信号，适应不同通信接口速率或网络升级换代，对不同数据率信号进行超快采样和波形监测等。虽然增益开关激光器存在着定时抖动和频率啁啾大的问题，但可以采用光注入锁定和光滤波等方式解决。
增益开关激光器的光注入锁定方式可分为外注入和自注入两种方法。虽然采用外注入和自注入方法可以解决增益开关的光脉冲信号的波长可调谐和抑制抖动的问题，但是自注入方法要求增益开关激光器的外腔环路长度L与所产生的超短光脉冲周期序列的重复频率fr严格满足公式①的关系：
f r = m τ ①
其中m为正整数，τ为一个超短光脉冲信号通过该外腔环路所需要的传输时间。若光脉冲信号在外腔环路中的传输速率为v，则 τ = L v . 外腔环路设计完成，外腔环路长度L值即固定，自注入式增益开关激光器所产生的超短光脉冲周期序列的重复频率fr就可由公式①确定出，而增益开关就失去了可灵活改变光脉冲信号重复频率fr之特性。实际应用中，受环境温度变换等影响，工程上难以确保通信***和网络的接口数据速率始终是公式①所确定的重复频率fr，这就使得自注入式增益开关激光器的应用范围受到很大限制。虽然外注入方法可以解决该问题，但是外注入式增益开关激光器通常又需要额外使用一个波长可调谐的窄谱线宽度连续波(CW)光源作外部注入的种子光源，结果将导致增益开关激光器成本增加、结构复杂且体积增大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种外注入式增益开关激光器超短脉冲的产生方法，其解决了背景技术中出现的重复频率固定、应用范围受限，结构复杂、体积大、成本高的技术问题。
本发明的技术解决方案是：
一种外注入式增益开关激光器超短脉冲的产生方法，其包括以下实现步骤：
(i)将增益开关激光器2产生的具有多纵模光谱特性的超短光脉冲序列信号输至光学放大器3进行放大；
(ii)通过光谱分量信号选择器4筛选出光学放大器3输出的位于自发辐射ASE噪声频段内的、中心波长与增益开关激光器2的其中一个纵模相同的窄光谱分量信号；
(iii)以光谱分量信号选择器4输出的窄光谱分量信号，一路作为外来的种子光，经光谱分量信号反馈回路6回注至增益开关激光器2，使增益开关激光器2腔内被选中的单纵模震荡增强，形成外部光注入锁定；光谱分量信号选择器4输出的另一路即是所需要的超短光脉冲序列。
上述光谱分量信号选择器4，当改变该光谱分量信号选择器4的输出波长值，且每次都对应于增益开关激光器2的某个不同纵模，则增益开关激光器2腔内被选中的单纵模运行的中心波长随之改变，可以实现增益开关激光器2波长的可调谐。
上述增益开关激光器2可采用F-P半导体激光器。
上述光学放大器3可采用覆盖所需波段、且是宽光谱的半导体光放大器或掺铒光纤放大器。
上述光谱分量信号选择器4根据F-P半导体激光器输出纵模间隔确定光谱分量信号选择器的输出光谱宽度，所述的光谱分量信号选择器4可采用窄带滤波器或可调光纤光栅。
本发明具有以下优点：
1、结构简单、易于制造，可光学集成。
2、具有灵活改变光脉冲重复频率的特性，同时具有波长可调谐的功能。
3、无需波长可调谐的窄谱线连续激光器作为专门的外部注入种子光源，不仅简化了***结构，而且降低了***的成本与体积。
4、定时抖动和频率啁啾小、稳定性好。
附图说明
图1为本发明的工作原理图。
图2为无光注入的常规增益开关半导体激光器输出的时域光脉冲信号波形。
图3为无光注入的常规增益开关半导体激光器输出的光谱特性图。
图4本发明在波长为1547nm的光注入锁定下输出的光谱图。
图5本发明在波长为1534nm的光注入锁定下输出的光谱图。
图6本发明在波长为1549nm的光注入锁定下输出的光谱图。
图7本发明在波长为1554nm的光注入锁定下输出的光谱图。
图8为无光注入时常规增益开关激光器输出抖动为3ps的光脉冲信号波形。
图9为本发明在外注入式时抖动为0.5ps的超短光脉冲信号波形。
图10为本发明重复频率为1GHz时的超短光脉冲序列。
图11为本发明重复频率为2.5GHz时的超短光脉冲序列。
具体实施方式
参见图1，本发明主要由增益开关激光器、光学放大器、光谱分量信号选择器、光谱分量信号反馈回路组成。增益开关激光器的外部光注入是通过光学反馈回路实现的。因为增益开关激光器输出的光脉冲信号功率一般较低的，实际应用中，通常要采用光学放大器增强其功率。本发明的具体实现步骤如下：
(i)将增益开关激光器2产生的具有多纵模光谱特性的超短光脉冲序列信号输至光学放大器3进行放大。增益开关激光器2可采用F-P半导体激光器，即法布里—玻罗半导体激光器、射频信号放大器5和直流偏置电源1构成的常规的增益开关激光器。光学放大器3具体可采用半导体光放大器、掺铒光纤放大器等覆盖所需波段、且是宽光谱的放大器。
(ii)通过光谱分量信号选择器4筛选出光学放大器3输出的位于自发辐射ASE噪声频段内的、中心波长与增益开关激光器2的其中一个纵模相同的窄光谱分量信号。由于光学放大器3会产生宽频谱的自发辐射ASE(ampl ified spontaneous emission)噪声，通过设置于光学放大器3输出端的光谱分量信号选择器4，可筛选位于自发辐射ASE噪声频段内的窄光谱分量信号。光谱分量信号选择器4可根据F-P半导体激光器输出纵模间隔来确定光谱分量信号选择器的输出光谱宽度，可选用窄带滤波器、也可采用可调光纤光栅等其他光谱分量信号选择器。
(iii)以光谱分量信号选择器4输出的窄光谱分量信号，一路作为外来的种子光，经光谱分量信号反馈回路6回注至增益开关激光器2，使增益开关激光器2腔内被选中的单纵模震荡增强，形成外部光注入锁定；光谱分量信号选择器4输出的另一路即是所需要的超短光脉冲序列。为锁定外部注入光信号，可使光谱分量信号选择器4所选出的窄光谱分量信号的中心波长与增益开关激光器2的其中一个纵模相同，则光谱分量信号选择器4输出的光信号即可用作外来的种子光回注给增益开关激光器2，使增益开关激光器2腔内被选中的纵模震荡明显加强，同时抑制增益开关激光器2腔内其它纵模。从而确保增益开关激光器2的单纵模运转，并有效抑制定时抖动。由于光学放大器3自发辐射的增益谱线很宽，当光谱分量信号选择器4筛选出对应于增益开关激光器2的某个纵模的窄光谱分量信号，并通过光谱分量信号反馈回路6将该信号注入至增益开关激光器2时，增益开关激光器2腔内与注入的窄光谱分量信号波长对应的纵模震荡增强。通过改变光谱分量信号选择器4的输出波长值，并且每次都对应于增益开关激光器2的某个不同纵模，则增益开关激光器2腔内被选中的单纵模运行的中心波长随之改变，实现增益开关激光器2波长的可调谐。增益开关激光器2产生的超短光脉冲信号经过光学放大器3放大后，与光学放大器3固有的宽频谱的自发辐射ASE噪声一起输入到光谱分量信号选择器4中。光谱分量信号选择器4输出光信号的一路经光谱分量信号反馈回路6馈送到增益开关激光器2，形成外部光注入锁定，抑制了增益开关激光器2腔内其它不需要的多纵模，实现了单纵模运转。光谱分量信号选择器4输出光信号的另一路即是所需要的超短光脉冲序列。
向增益开关激光器2施加一个直流偏置电流1、并采用射频信号驱动，则增益开关激光器2产生超短光脉冲序列，见图2。其产生的脉冲序列具有抖动大、多纵模光谱、波长不可调谐等缺点。该超短光脉冲序列的重复频率等于射频信号的重复频率。该增益开关激光器2输出的光谱具有多纵模的特性，见图3。
本发明光谱分量信号选择器4筛选出对应于增益开关激光器2的某个纵模的光谱分量信号，并通过光谱分量信号反馈回路6将它注入到增益开关激光器2中的F-P半导体激光器，实现增益开关激光器2的单纵模运行状态，如图4、5、6、7所示。由此可见，改变光谱分量信号选择器4的输出波长值，并使其每次都对应于增益开关激光器2的各个不同纵模，即可实现波长可调谐，同时也减小了增益开关光脉冲信号的频率啁啾。在没有光注入的情况下，增益开关激光器2产生的超短光脉冲信号具有显著的定时抖动，如图8所示。采用本发明进行光注入锁定后，增益开关激光器2产生的超短光脉冲信号的定时抖动大大降低，见图9。本发明用于实现重复频率可变的、低抖动、单纵模工作的增益开关激光器，图10、11为实验测得的输出光脉冲信号重复频率随输入端射频正弦信号或余弦信号重复频率变化而改变的情况。

Claims (4)

1.一种外注入式增益开关激光器超短脉冲的产生方法，其包括以下实现步骤：
(i)将增益开关激光器(2)产生的具有多纵模光谱特性的超短光脉冲序列信号输至光学放大器(3)进行放大；
(ii)通过光谱分量信号选择器(4)筛选出光学放大器(3)输出的位于自发辐射ASE噪声频段内的、中心波长与增益开关激光器(2)的其中一个纵模相同的窄光谱分量信号；
(iii)以光谱分量信号选择器(4)输出的窄光谱分量信号，一路作为外来的种子光，经光谱分量信号反馈回路(6)回注至增益开关激光器(2)，使增益开关激光器(2)腔内被选中的单纵模震荡增强，形成外部光注入锁定；光谱分量信号选择器(4)输出的另一路即是所需要的超短光脉冲序列；
所述的光谱分量信号选择器(4)，当改变该光谱分量信号选择器(4)的输出波长值，且每次都对应于增益开关激光器(2)的某个不同纵模，则增益开关激光器(2)腔内被选中的单纵模运行的中心波长随之改变，以实现增益开关激光器(2)波长的可调谐。
2.根据权利要求1所述的外注入式增益开关激光器超短脉冲的产生方法，其特征在于：所述的增益开关激光器(2)采用F-P半导体激光器。
3.根据权利要求2所述的外注入式增益开关激光器超短脉冲的产生方法，其特征在于：所述的光学放大器(3)为覆盖所需波段、且是宽光谱的半导体光放大器或掺铒光纤放大器。
4.根据权利要求3所述的外注入式增益开关激光器超短脉冲的产生方法，其特征在于：所述的光谱分量信号选择器(4)根据F-P半导体激光器输出纵模间隔确定光谱分量信号选择器的输出光谱宽度，所述的光谱分量信号选择器(4)为窄带滤波器或可调光纤光栅。
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