CN210571295U - 一种测量半导体光放大器soa线宽增强因子的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及全光信号处理技术领域，尤其是一种测量半导体光放大器SOA线宽增强因子的装置，包括光源部分和光纤斐索干涉仪两部分，光源部分包括第一激光器和第二激光器；第一激光器发出的信号光依次经过第一偏振控制器和第一波分复用器进入被测的半导体光放大器SOA；第二激光器发出的控制光经过调制器后依次经过第二偏振控制器和第一波分复用器同时进入被测的半导体光放大器SOA；从半导体光放大器SOA输出的光进入第二波分复用器；后进入光纤斐索干涉仪，根据干涉结果计算被测SOA的线宽增强因子。本实用新型结构简单，对外界不敏感，测量精度高，另外，在测量非线性相移和线宽增强因子时对信号光、控制光功率和偏置电流不做限制，适用范围较广。

Description

一种测量半导体光放大器SOA线宽增强因子的装置

技术领域

本实用新型涉及全光信号处理技术领域，尤其涉及一种测量半导体光放大器SOA线宽增强因子的装置。

背景技术

半导体光放大器(SOA)具有功耗小、易集成和非线性效应显著的特点，是全光信号处理中重要的基础器件。交叉相位调制(XPM)是半导体光放大器的光 -光互作用之一，已用于全光缓存、全光开关、以及异或门等光信号处理器件。

SOA中交叉相位调制的研究多集中在应用方面，其机理方面的研究较少，且这些研究一般仅考虑影响交叉相位调制某些因素。

SOA的交叉相位调制是一个复杂的物理过程，这种调制产生的非线性相移与信号光、控制光和偏置电流都有关系，为此，需要测量SOA的交叉相位调制产生的相移，目前测量此相移的方法有两种，一种是马赫-曾德尔干涉测量法，另一种是光谱分析法。考虑到马赫-曾德尔干涉对环境敏感，测量结果易受外界因素影响，光谱分析法的实验结构复杂。因此，我们提出一种测量半导体光放大器SOA线宽增强因子的装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种测量半导体光放大器SOA线宽增强因子的装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

设计一种测量半导体光放大器SOA线宽增强因子的装置，包括光源部分、待测半导体光放大器SOA、光纤斐索干涉仪；

所述光源部分包括用于发出波长为λ₁信号光的第一激光器LD1和用于发出波长为λ₂控制光的第二激光器LD2；

所述第一激光器LD1发出的λ₁信号光通过光纤依次经过第一偏振控制器PC1 和第一波分复用器WDM1进入被测半导体光放大器SOA；

所述第二激光器LD2发出的λ₂控制光通过光纤经过调制器将连续光变为脉冲光后，再依次经过第二偏振控制器PC2和第一波分复用器WDM1进入被测半导体光放大器SOA；

所述调制器上连接有用于调制信号的码型发生器PPG；

所述λ₁信号光和λ₂控制光通过第一波分复用器WDW1合束后经过被测半导体光放大器SOA输出后经过用于滤波的第二波分复用器WDM2，第二波分复用器 WDM2的光输出端通过光纤与所述光纤斐索干涉仪的输入端连接；

所述光纤斐索干涉仪内设有用于接收光的环行器，环行器设有第一端口、第二端口和第三端口；

所述第一端口与第二波分复用器WDM2的输出端相连接，用于接收第二波分复用器WDM2滤出后的光；

所述环行器的第二端口的一侧依次连接具有一定部分反射/部分透射的自聚焦透镜和用于反射光线的反射镜；

所述环行器的第三端口的一侧通过光纤连接用于检测干涉信号的光电探测器，其后连接用于记录波形及相应数据的高速示波器。

优选地，经过所述被测半导体光放大器SOA增益G引起的相移

为：

其中，β_c为SOA的线宽增强因子。

优选地，当λ₂光分别为“0”和“1”时，所述半导体光放大器SOA的增益分别为G₁和G₂；

则λ₁光的相移分别为

这样经过λ₂光的调制后，λ₁光的相位变化

为：

优选地，所述自聚焦透镜的表面是一个部分反射表面，到达透镜表面的光一部分被反射、一部分透射，在自聚焦透镜表面上的反射光为一次反射光，而透射光照射到反射镜后又被反射再回到自聚焦透镜中的为二次反射光；

设未被调制的信号光进入自聚焦透镜后，电场的复振幅为

则一次和二次反射光电场的复振幅分别为：

其中，A₁＝r₁A₁₀，

r₁和t₁分别为自聚焦透镜的反射率和透射率，r₂为反射镜的反射率，τ为二次反射光对一次反射光的时间延迟，τ＝2L/c，ω₁₀为信号光的角频率；

设调制的信号光进入所述自聚焦透镜后，电场的复振幅为

则一次和二次反射光电场的复振幅分别为：

其中，A₃＝r₁A₂₀，

由于一次和二次反射光的干涉包括：E₁和E₂、E₃和E₄、E₁和E₄、E₂和 E₃之间的干涉，因此利用光电探测器的平方检测特性，得到上述干涉的干涉信号强度分别为：

其中，P₁、P₃分别表示未调制和调制时一次反射光的反射光强，P₂、P₄为二次反射光的反射光强。

优选地，调整自聚焦透镜与反射镜之间的距离L，使ω₀τ＝π，则cos(ω₀τ)＝-1，因此上述干涉信号强度的公式可进一步写为：

优选地，利用高速示波器测得斐索干涉仪输出的波形，并读取其中的4个量P₁₂、P₃₄、P₁₄、P₂₃，通过遮挡二次反射信号又可获得一次反射信号的P₁和P₃值，然后利用上述公式反算出

即可求出线宽增强因子β_c。

本实用新型提出的一种测量半导体光放大器SOA线宽增强因子的装置，有益效果在于：

(1)、本实用新型基于光纤斐索干涉仪的实验***，通过SOA的交叉相位调制特性，得到了信号光、控制光功率和偏置电流对SOA的交叉相位调制产生的非线性相移

的影响，并得到了

时的相位调制面，另外还得到了不同条件下SOA的线宽增强因子及其变化规律。

(2)、本实用新型与现有技术的实验相比，本实用新型提出的实验装置结构简单，对外界环境影响不敏感，测量精度高，另外，在测量非线性相移

和线宽增强因子β_c时对信号光、控制光功率和偏置电流不做限制，适用范围较广，为更全面的研究SOA的非线性特性提供了新的测量装置。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

在附图中：

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中关于实施例输入信号功率与时间的波形图；

图3是本实用新型中关于实施例输入控制功率与时间的波形图；

图4是本实用新型中关于实施例信号功率与时间的波形图；

图5是本实用新型中关于实施例干涉功率与时间的波形图；

图6是本实用新型中关于实施例不同信号光功率下，非线性相移随偏置电流变化图；

图7是本实用新型中关于实施例不同控制光功率下，非线性相移随偏置电流变化图；

图8是本实用新型中关于实施例线宽增强因子随偏置电流的变化图。

图中标记为：1-第一激光器LD1、2-第二激光器LD2、3-第一偏振控制器 PC3、4-第二偏振控制器PC4、5-调制器、6-码型发生器PPG、7-第一波分复用器WDM1、8-待测的半导体光放大器SOA、9-第二波分复用器WDM2、10-光纤斐索干涉仪、11-环行器、12-环行器的第一端口、13-环行器的第二端口、14-环行器的第三端口、15-自聚焦透镜、16-反射镜、17-光电探测器、18-高速示波器。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

现结合说明书附图，详细说明本实用新型的结构特点。

参见图1，第一激光器LD1(1)发出波长为λ₁的信号光经过第一偏振控制器PC1(3)和第一波分复用器WDM(7)后进入半导体光放大器SOA(8)；而由第二激光器LD2(2)发出的波长为λ₂的控制光先经调制器(5)调制，调制器 (5)上连接有用于调制信号的码型发生器PPG(6)，由连续光变为脉冲光后，再经过第二偏振控制器PC2(4)和第一波分复用器WDM1(7)也进入半导体光放大器SOA(8)。

经过半导体光放大器SOA增益G引起的相移

为：

其中，β_c为SOA的线宽增强因子；当λ₂光分别为“0”和“1”时，SOA的增益分别为G₁和G₂，则λ₁光的相移分别为

这样经过λ₂光的调制后，λ₁光的相位变化

为：

在偏置电流I、注入SOA的信号光功率P_sig以及与控制光功率P_con不同的情况下，准确测量出

的值，就可以得到上述因素对交叉相位调制的影响，再根据上式，在进一步测量出G₁/G₂的情况下，又如何得到SOA的线宽增强因子β_c。下面说明如何测量

的值。

上述的λ₁和λ₂光从SOA输出后经过第二波分复用器WDM2(9)滤波，λ₁光作为信号光被滤出，进入光纤斐索干涉仪(10)中环行器(11)的第一端口 (12)，从第二端口(13)输出后进入自聚焦透镜(15)。自聚焦透镜(15)的表面是一个部分反射表面，到达透镜表面的光一部分被反射、一部分透射。在自聚焦透镜(15)表面上的反射光为一次反射光，而透射光照射到反射镜(16) 后又被反射再回到自聚焦透镜(15)中为二次反射光。一次和二次反射光通过自聚焦透镜(15)进入环行器(11)的第二端口(13)，从第三端口(14)输出进入光电探测器(17)。利用光电探测器(17)的平方检测特性，一次反射光，及一次和二次反射光的干涉信号被检测出来，然后用高速示波器(18)记录。通解分析记录的波形和相应的数据，获得调制相位。

设未被调制的信号光进入自聚焦透镜(15)后，电场的复振幅为

则一次和二次反射光电场的复振幅分别为：

式中A₁＝r₁A₁₀，

r₁和t₁分别为自聚焦透镜的反射率和透射率， r₂为反射镜的反射率，τ为二次反射光对一次反射光的时间延迟，τ＝2L/c，ω₁₀为信号光的角频率。

设调制的信号光进入自聚焦透镜后，电场的复振幅为

则一次和二次反射光电场的复振幅分别为：

式中A₃＝r₁A₂₀，

由于一次和二次反射光的干涉包括：E₁和E₂、E₃和E₄、E₁和E₄、E₂和E₃之间的干涉。因此利用光电探测器(17)的平方检测特性，得到上述干涉的干涉信号强度分别为：

式中P₁、P₃分别表示未调制和调制时一次反射光的反射光强，P₂、P₄为二次反射光的反射光强。调整自聚焦透镜(15)与反射镜(16)之间的距离L，使ω₀τ＝π，则cos(ω₀τ)＝-1，因此干涉强度(5)-(8)式可进一步写为：

通解分析高速示波器(18)记录的干涉波形和相应的数据，可获得P₁₂、 P₃₄、P₁₄和P₂₃的值，通过遮挡二次反射信号又可获得一次反射信号的P₁和P₃值，最后根据公式(9)-(12)可计算出P₂、P₄以及

的值。另外利用G₁/G₂＝P₁/P₃和公式(2)又可得到SOA的线宽增强因子β_c的值。

本实施例中，第一激光器LD1(1)输出波长为1557.9nm连续光，如图2所示；第二激光器LD2(2)先输出波长为1551.0nm的连续光，再经铌酸锂调制器调制后产生一个重复频率为2GHz，脉冲宽度为0.5ns的脉冲光信号，如图3所示；经过第二波分复用器WDM2(9)过滤出的信号光的一次反射信号，如图4所示；图中的高电平表示未调制时信号光的光功率P₁，低电平表示被控制光调制后信号光的光功率P₃。一次和二次反射光的干涉信号如图5所示，干涉信号 P₁₂、P₃₄、P₁₄、P₂₃的位置被标注在图中。

本实施例中非线性相移的测量结果：

图6给出了注入SOA控制光功率的P_con＝1.5mW，信号光功率 P_sig＝0.3、0.4、0.5mW时，非线性相移

随SOA偏置电流I的变化。

图7给出了P_sig＝0.3mW，P_con＝0.5、1.0、1.5mW时，

随I的变化。

从图6和7可以明显看出：

随P_con和I的增大而单调增大，随P_sig的增大而单调减小。

比较图6中的曲线可进一步看出：随着P_sig的增加，

随I变化曲线的斜率减小，这说明了P_sig的增加，使得

的变化减慢。

同样，比较图7中的曲线可看出：随着P_con的增加，

随I变化曲线的斜率也在增大，这说明了P_con的增加，使得

随I的变化加快。

从此图可以看出：β_c的值在5-8之间变化，且β_c随I的增加而增大，随P_sig的增加而减小，这一结论与现有技术给出的结果一致，验证了本实用新型提出的实验方案的可行性。另外，还得到了β_c随控制光功率P_con的变化规律，即β_c随 P_con的增加而增大，这是现有技术没有给出的结论。

本实用新型以半导体光放大器为对象，通过基于光纤斐索干涉仪的实验***，通过SOA的交叉相位调制特性，得到了信号光、控制光功率和偏置电流对SOA 的交叉相位调制产生的非线性相移

的影响，还得到了不同条件下SOA的线宽增强因子及其变化规律，验证了本实用新型的可行性。与现有技术相比，本实用新型提出的实验装置结构简单，对外界环境影响不敏感，测量精度高，另外，在测量非线性相移

和线宽增强因子β_c时对信号光、控制光功率和偏置电流不做限制，适用范围较广，为更全面的研究SOA的非线性特性提供了新的测量装置。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测量半导体光放大器SOA线宽增强因子的装置，其特征在于，包括光源部分、被测半导体光放大器SOA(8)、光纤斐索干涉仪(10)；

所述光源部分包括用于发出波长为λ₁信号光的第一激光器LD1(1)和用于发出波长为λ₂控制光的第二激光器LD2(2)；

所述第一激光器LD1(1)发出的λ₁信号光通过光纤依次经过第一偏振控制器PC1(3)和第一波分复用器WDM1(7)进入被测半导体光放大器SOA(8)；

所述第二激光器LD2(2)发出的λ₂控制光通过光纤经过调制器(5)将连续光变为脉冲光后，再依次经过第二偏振控制器PC2(4)和第一波分复用器WDM1(7)进入被测半导体光放大器SOA(8)；

所述调制器(5)上连接有用于调制信号的码型发生器PPG；

所述λ₁信号光和λ₂控制光通过第一波分复用器WDW1合束后经过被测半导体光放大器SOA(8)输出后经过用于滤波的第二波分复用器WDM2(9)，第二波分复用器WDM2(9)的光输出端通过光纤与所述光纤斐索干涉仪(10)的输入端连接；

所述光纤斐索干涉仪(10)内设有用于接收光的环行器(11)，环行器(11)设有第一端口(12)、第二端口(13)和第三端口(14)；

所述第一端口(12)与第二波分复用器WDM2(9)的输出端相连接，用于接收第二波分复用器WDM2(9)滤出后的光；

所述环行器(11)的第二端口(13)的一侧依次连接具有一定部分反射/部分透射的自聚焦透镜(15)和用于反射光线的反射镜(16)；

所述环行器(11)的第三端口(14)的一侧通过光纤连接用于检测干涉信号的光电探测器(17)，其后连接用于记录波形及相应数据的高速示波器(18)。

2.根据权利要求1所述的一种测量半导体光放大器SOA线宽增强因子的装置，其特征在于，经过所述被测半导体光放大器SOA(8)增益G引起的相移

为：

其中，β_c为SOA的线宽增强因子。

3.根据权利要求1所述的一种测量半导体光放大器SOA线宽增强因子的装置，其特征在于，当λ₂光分别为“0”和“1”时，所述半导体光放大器SOA(8)的增益分别为G₁和G₂；

则λ₁光的相移分别为

这样经过λ₂光的调制后，λ₁光的相位变化

为：

4.根据权利要求1所述的一种测量半导体光放大器SOA线宽增强因子的装置，其特征在于，所述自聚焦透镜(15)的表面是一个部分反射表面，到达透镜表面的光一部分被反射、一部分透射，在自聚焦透镜(15)表面上的反射光为一次反射光，而透射光照射到反射镜(16)后又被反射再回到自聚焦透镜(15)中的为二次反射光；

设未被调制的信号光进入自聚焦透镜(15)后，电场的复振幅为

则一次和二次反射光电场的复振幅分别为：

其中，A₁＝r₁A₁₀，

r₁和t₁分别为自聚焦透镜(15)的反射率和透射率，r₂为反射镜(16)的反射率，τ为二次反射光对一次反射光的时间延迟，τ＝2L/c，ω₁₀为信号光的角频率；

设调制的信号光进入所述自聚焦透镜(15)后，电场的复振幅为

则一次和二次反射光电场的复振幅分别为：

其中，A₃＝r₁A₂₀，

由于一次和二次反射光的干涉包括：E₁和E₂、E₃和E₄、E₁和E₄、E₂和E₃之间的干涉，因此利用光电探测器(17)的平方检测特性，得到上述干涉的干涉信号强度分别为：

其中，P₁、P₃分别表示未调制和调制时一次反射光的反射光强，P₂、P₄为二次反射光的反射光强。

5.根据权利要求4所述的一种测量半导体光放大器SOA线宽增强因子的装置，其特征在于，调整自聚焦透镜(15)与反射镜(16)之间的距离L，使ω₀τ＝π，则cos(ω₀τ)＝-1，因此上述干涉信号强度的公式可进一步写为：

6.根据权利要求1所述的一种测量半导体光放大器SOA线宽增强因子的装置，其特征在于，利用高速示波器(18)测得斐索干涉仪输出的波形，并读取其中的4个量P₁₂、P₃₄、P₁₄、P₂₃，通过遮挡二次反射信号又可获得一次反射信号的P₁和P₃值，然后利用上述公式反算出

即可求出线宽增强因子β_c。

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