多波长相干光注入锁定的波长跟踪自动化控制_梁英.pdf
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1、D O I:1 0.1 6 1 3 6/j.j o e l.2 0 2 3.0 2.0 3 3 1多波长相干光注入锁定的波长跟踪自动化控制梁 英,于晋龙*,李天宇,王 菊,王子雄(天津大学 电气自动化与信息工程学院 光纤通信实验室,天津3 0 0 0 7 2)摘要:本文基于全 网 光 同 步 的 超 密 集 波 分 复 用 无 源 光 网 络(u l t r a-d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i-p l e x i n gp a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k,UDWDM-P ON
2、),对多波 长 注 入 锁 定 的 稳 定 性 进 行 了 研 究,提 出 了一种波长跟踪控制方法:用 光 电 探 测 器(p h o t o-d i o d e,P D)接 收 从 激 光 器(s l a v e l a s e rd i o d e,S L D)的光信号并进行滤波与 检 波 处 理,所 得 信 号 用 于 建 立S L D参 数 分 布 模 型 并 进 行 线 性 扫 描 控 制。该 方法经基于L a b V I EW程序控制与数据采集(d a t aa c q u i s i t i o n,DAQ)的仪器实验验证后,对相关驱动电路进行了模块化改良,采用基于微控制单元(m
3、 i c r o c o n t r o l l e ru n i t,MCU)的控制,使得该 控制模块具有更高控制精度、更易封 装 的 特 点,从 而 能 更 好 应 用 于 多 波 长 光 的 多 路 注 入 锁 定 当 中。本文采用主动锁模激光器(m o d e-l o c k e dl a s e r,ML L)作为多波长光源,对 双 路S L D的 注 入 锁 定 进行了验证与对照实验,结果表明:在 相 同 注 入 条 件 下,采 用 波 长 跟 踪 控 制 模 块 的 注 入 锁 定 组 具 有更佳的稳定性。关键词:光通信;注入锁定;半导体激光器;光频率梳中图分类号:T N 2 4
4、 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-0 0 8 6(2 0 2 3)0 2-0 1 9 0-1 0A u t o m a t i cw a v e l e n g t h t r a c k i n g c o n t r o l f o rm u l t i-w a v e l e n g t h c o h e r-e n t o p t i c a l i n j e c t i o n l o c k i n gL I A N GY i n g,Y UJ i n l o n g*,L IT i a n y u,W A N GJ u,W A N GZ i x i o n g(L
5、a b o r a t o r yo fO p t i c a lF i b e rC o m m u n i c a t i o n s,S c h o o l o fE l e c t r i c a l a n d I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,T i a n j i nU n i v e r s i-t y,T i a n j i n3 0 0 0 7 2,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do n t h ew a v e l e n g t hs y n c h r o n o u su l
6、t r a-d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gp a s s i v e o p-t i c a l n e t w o r k(U DWDM-P O N),aw a v e l e n g t h t r a c k i n g c o n t r o lm e t h o db a s e do ns i g n a l d e t e c t e db yp h o-t o e l e c t r i c d e t e c t o r(P D)f o rm u l t i-w a v e
7、l e n g t ho p t i c a l i n j e c t i o n l o c k i n g i s p r o p o s e d.S p e c i f i c a l l y,t h e d i s t r i-b u t i o nm o d e l o f t h e s l a v e l a s e r(S L D)p a r a m e t e r i s e s t a b l i s h e db y f i l t e r i n g a n dd e t e c t i n g t h e o u t p u t s i g-n a l f r o
8、mP D,w h i c h i s u s e d f o r t h e l i n e a r s c a n n i n g c o n t r o l.A f t e r t h e c o n f i r m a t o r y e x p e r i m e n tw i t hL a b-V I E Wc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n(D A Q),t h ec o n t r o lm o d u l ei sr e f o r m e db ym i c r o c o n t r o l l e ru n i t
9、(M C U)a n dd r i v i n gc i r c u i t t o i m p r o v e t h e c o n t r o l p r e c i s i o na n d e n c a p s u l a t i o n,s o t h a t i t c a nb ew e l l a p-p l i e d i nm u l t i-c h a n n e l i n j e c t i o n l o c k i n g.T w o-c h a n n e l i n j e c t i o n l o c k i n gt e s tw i t ht w
10、od i s t r i b u t e-f e e d b a c kl a s e r i s c o m p a r e d,w h i c hu s i n g t h e a c t i v e l ym o d e-l o c k e d l a s e r(M L L)a sam u l t i-w a v e l e n g t hs o u r c e.I tt u r n e do u t t h a t t h e s l a v e l a s e rc o n t r o l l e db yw a v e l e n g t ht r a c k i n gm o
11、d u l es h o w e db e t t e rs t a b i l i t yu n d e rt h e s a m e i n j e c t i o nc o n d i t i o n s.K e yw o r d s:o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n;i n j e c t i o n l o c k i n g;s e m i c o n d u c t o r l a s e r s;o p t i c a l f r e q u e n c yc o m b0 引 言 多波长光源,特别是光频率梳,在宽光谱范围内提供均匀
12、间隔的相干光分量,被广泛应 用于光通信、距离测量、遥感技术等多方面。其中在超密集波分复用(u l t r a-d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i-p l e x i n g,UDWDM)技术的应用当中,光频率梳相较于采用激光器阵列的传统方式,具备更 高的频光 电 子 激 光第3 4卷 第2期 2 0 2 3年2月 J o u r n a l o fO p t o e l e c t r o n i c sL a s e r V o l.3 4N o.2 F e b r u a r y2 0 2 3*E-m a i l:l i
13、 a n g y i n g 3 1 7 1 6 3.c o m收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 7 修订日期:2 0 2 2-0 6-0 8基金项目:国家自然科学基金(6 1 7 7 5 1 6 2,6 1 4 2 7 8 1 7)资助项目谱效率、更佳的带宽灵活性以及更高效的 光纤非线性补偿,对组建未来大容量、灵活栅格光网络有更大潜 力16。与 之 相 应 的,采 用 解 复 用 器 与 放大器的方 式7进 行 波 长 提 取 不 仅 不 利 于 系 统 集成,也将不可避免地降低传输信噪比,而注入锁定的方法则能很好地克服这一问题。如L I U等1通过对可调 谐 数 字 超 模 分 布 式
14、 布 拉 格 反 射 激 光 器(d i g i t a ls u p e r m o d ed i s t r i b u t e dB r a g gr e f l e c t o r,D S-D B R)注入锁定实现了基于频 率梳的可调 谐发射机;L U等6则采用基于直调垂直腔面发射激光器(v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r,V C S E L)的注 入 锁 定 实 现 多 路 并 行 通 信,单 路 速 率 达 到1 4G b/s。结合注入 锁定在生成 毫米 波 与 光 载 微波方面的应用,基
15、于全网光同步的超密集 波分复用 无 源 光 网 络(u l t r a-d e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k,UDWDM-P ON)方 案 被 提 出8,9,其 中 采 用 锁 模 激 光 器(m o d e-l o c k e d l a s e r,ML L)作为波长基准,对多路从激光器(s l a v e l a s e rd i o d e,S L D)分别进行注入锁定以实现用户波长分配及信号上变频,具
16、有窄间隔、低成本的优势;但与此同时,光频率梳 作为波长基准具有频道间隔相对稳定、整体波长 会因环境因素整体漂移的特点,这种偏移在弱注 入条件下会导致失谐量超出锁定范围,为系统的 传输质量带来恶劣影响。另一方面,激光器的注入锁定技术自2 0世纪8 0年代起在光通信领域得到了广泛应用,有众多学者针 对 其 动 态 特 性 与 应 用 进 行 了 研 究1 0。其中,D E NG等1 1采 用V C S E L的 注 入 锁 定 技 术 构建了速率1.2 5G b/s的四路正交幅度调制(4-q u a-t r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n
17、,4 QAM)-正 交 频 分复 用(o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g,O F DM)无源光网络;GAN等1 2对调制光高阶分量注入法布里-珀罗激光器(F a b r y-P r o t l a s e rd i-o d e,F P-L D)的锁定特性进行了分析和仿真,并以此产生毫 米波;K R S T I C等1 3针对F P-L D注 入 锁定的双稳态特性进行了研究,并讨论了S L D双稳态之间的切换时间;HUANG等1 4利用远程注入锁定 分 布 式 反 馈 激 光 器(
18、d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a-s e r,D F B)作为双工 收发器实现 了无线 光 通 信 的设计。对于弱注入功率条件下的注入锁定,KAK-AR L A等1 5出于 对 自 由 空 间 光 通 信 中 相 位 敏 感放大器(p h a s es e n s i t i v ea m p l i f i e r,P S A)泵浦光恢复的考虑,采用掺铒光纤放大器(e r b i u m-d o p e df i-b e ra m p l i f i e r,E D F A)与 电 锁 相 环(p h a s el o c k e dl o o
19、p,P L L)实现 了 注 入 功 率 最 低 达 到-6 5d B m的 注 入 锁 定;同 样 采 用P L L,WU等1 6采用注 入 锁 定 对 间 隔 为2 5 0MH z、注 入 功 率 比 为-7 0d B的光频率梳进行了波长分离;K I M等1 7则 通 过 光 注 入 锁 定(o p t i c a li n j e c t i o nl o c k i n g,O I L)光锁 相 环(o p t i c a lp h a s e-l o c kl o o p,O P L L)结构对注入功率比为-5 6d B的信号进行了再生放大。尽管O P L L极大提高了弱注入锁定的相
20、位稳定,其反馈控制需要高速电子器件与短 环路长度,因而更适用于极窄的锁定带宽,否则会大大增加控制成本和复杂性。本文针对光频率梳弱注入条件下的注入锁定提出了一种波长跟踪控制方法:基于光电 探测器(p h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r,P D)、检波处理与数据采集(d a t aa c q u i s i t i o n,D AQ)构 成 的 反 馈,采 用 程 序 控制S L D的工作波长,以达到跟随注入波长锁定的目的。文中首先对该方法进行了原理分析并展示了可行性实验,而后分别实现了以L a b V I EW控制为核心 的 控 制 环 路,以 及 以
21、微 控 制 单 元(m i c r o-c o n t r o l l e r,MC U)为核 心 的 控 制 电 路。通 过 验 证与对比实验可以认为,该方法相较P L L结构更适用于具有较大锁定带宽并追求更低实现成本的应用场合。此外,该方法对于因 环境变化导 致的注入 光 波 长 偏 移 现 象 也 表 现 出 较 好 的 跟 踪 控 制效果。1 基本原理1.1 注入锁定原理分析 图1展示了一套主从式激光器注入锁定的简化框图,其中主激光器(m a s t e rl a s e rd i o d e,ML D)提供外部注入光并经由偏振控制器(p o l a r i z a t i o nc
22、o n-t r o l l e r,P C)调整偏振方向,而后由1口通过光环形器2口注入S L D,其结果由环形器3口输出;当注入满足一定条件时,S L D会与ML D同步并工作在相同波长,即进入注入锁定状态。事实上,通过向半导体激光器速率方程引入注入光强度与相移进行小信号分析,可将S L D的状态数值表示为1 0:dA(t)dt=12g N(t)-Nt hA(t)+Ai n jc o s(t),(1)d(t)dt=2g N(t)-Nt h-Ai n jA(t)s i n(t)-,(2)dN(t)dt=J-NN(t)-P+g N(t)-Nt hA(t)2,(3)式中,A(t)为光子数S(t)的
23、归一化振幅:A2(t)=S(t);(t)为S L D内部光场与注入光的相位差,即:(t)=s(t)-i n j(t),其中s(t)与i n j(t)分别为S L D191第2期 梁 英等:多波长相干光注入锁定的波长跟踪自动化控制 与ML D的光场相位;=i n j-s为S L D自由振荡频率(s)与注入光频率(i n j)之差;N(t)为S L D的载流子数;其余参数:g、Nt h、Ai n j、N、P、J分别为增益系数、载流子数量阈值、耦合系数、注入光振幅、线宽增强因子、载流子复合速率、光子衰减速率和归一化泵浦电流。图1 注入锁定简化框图F i g.1 S i m p l i f i e d
24、b l o c kd i a g r a mf o r i n j e c t i o n l o c k i n g 对式(1)(3)求得稳态解,可将稳定注入锁定状态下的频率范围表示为:-1+2Pi n jPo=m i n m a x=Pi n jPo,(4)式中,Po与Pi n j分别为S L D输出功率及注入光功率,为便于描述,用L R=m a x-m i n表示该注入条件下S L D的锁定带宽。由式可知,S L D的锁定范围主要取决于耦合系数、线宽增强因子及注入功率比Pi n j/Po。其中与均由S L D自身特性决定,因而对于特定参数的S L D(=3,L=3 0 0m,r=0.3
25、3,ng=3.3),可根据注入功率比划分出锁定范围,如图2所示。图中阴影部分为稳定注入锁定范围,当注入功率比较大(如-2 0d B附近)时,S L D的锁定带宽较大(约1 1.7GH z)且随注入比的增加而增大;当注入功率比较小(如-4 0d B附近)时,S L D的锁定带宽较小(约1.2 GH z)且随着注入比的减小而急遽减小,图2 特定从激光器的锁定范围F i g.2 L o c k i n gr a n g eo fas p e c i f i c s l a v e l a s e r甚至当注入功率比为-5 0d B时,该激光器的注入锁定频率带宽仅有3 7 0MH z。事实上,UDWD
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