【正文】 概 述一、OTDM 系統(tǒng)及其關(guān)鍵器件的發(fā)展自上世紀(jì) 70 年代以來(lái)，隨著現(xiàn)代信息社會(huì)的飛速發(fā)展，光纖通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。理論上，光纖可以提供25000GHz 的帶寬，如何利用這一巨大的帶寬資源，成了各國(guó)研究機(jī)構(gòu)的努力目標(biāo)。人們相繼提出了光的波分復(fù)用(WDM)和光時(shí)分復(fù)用(OTDM) 技術(shù)。這兩種技術(shù)是克服光電子器件的瓶頸、提高光通信容量的有效途徑。波分復(fù)用技術(shù)研究較早，構(gòu)成系統(tǒng)的光發(fā)射器，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，波長(zhǎng)路由器，波長(zhǎng)復(fù)用、解復(fù)用器，光開(kāi)關(guān)等各種器件發(fā)展相對(duì)成熟，部分已經(jīng)接近商用水平；實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中的傳輸容量達(dá)到了10 Tb/s。OTDM 相對(duì)于WDM 的研究較晚，自上世紀(jì)90 年代才開(kāi)始得到廣泛研究，但是在短短的十年間就取得了巨大成就。OTDM 之所以引起人們的很大興趣，主要原因有兩個(gè)[1]:OTDM 能夠克服WDM 的一些缺點(diǎn)，如：避免由摻鉺光纖放大器(EDFA)級(jí)聯(lián)導(dǎo)致的光譜不均勻性；避免非理想的濾波器和波長(zhǎng)變換所引起的串話；不會(huì)出現(xiàn)由光纖的非線性效應(yīng)如四波混頻(FWM)，受激拉曼散射(SRS)等導(dǎo)致的信道串?dāng)_；不需要復(fù)雜的控制方案來(lái)達(dá)到苛刻的波長(zhǎng)穩(wěn)定性以及昂貴的穩(wěn)定可調(diào)的濾波器；OTDM 技術(shù)被認(rèn)為是長(zhǎng)遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。為了滿足人們對(duì)信息的大量需求，將來(lái)的網(wǎng)絡(luò)必將是采用全光交換和全光路由的全光網(wǎng)絡(luò)(AON)，OTDM 的一些特點(diǎn)使它作為將來(lái)的全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案更具吸引力：(1)、可簡(jiǎn)單地接入極高的線路速率(高達(dá)幾百Gbit/s)，目前OTDM 系統(tǒng)單通道速率達(dá)到了160 Gb/s；(2)、支路數(shù)據(jù)可具有任意速率等級(jí)，和現(xiàn)在的技術(shù)如SDH 以及ATM 網(wǎng)絡(luò)兼容性好；(3)、由于是單波長(zhǎng)傳輸，大大簡(jiǎn)化了放大器級(jí)聯(lián)管理和色散管理；(4)、雖然網(wǎng)絡(luò)的總速率很高，但在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，電子器件只需以本地?cái)?shù)據(jù)速率工OTDM 和WDM 技術(shù)具有一定的互補(bǔ)性，OTDM 是WDM 技術(shù)的有效補(bǔ)充，兩者的結(jié)合可支撐未來(lái)超高速光通信網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。二、激光器鎖模技術(shù)的發(fā)展激光器的鎖模技術(shù)并不是一個(gè)新的技術(shù)，它是隨著激光器的發(fā)展而發(fā)展的。最初的鎖模技術(shù)應(yīng)用在固體激光器中，用于產(chǎn)生高能超短脈沖，現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)仍在大功率固體激光器中得到發(fā)展，通過(guò)鎖模技術(shù)和脈沖壓縮技術(shù)，激光脈沖寬度在飛秒量級(jí)甚至更窄，這為研究各種超快現(xiàn)象提供了強(qiáng)有力的工具。Herman A. Haus系統(tǒng)地介紹了鎖模激光器的發(fā)展歷史[2]程。隨著光通信系統(tǒng)的發(fā)展，人們對(duì)半導(dǎo)體激光器用于產(chǎn)生超短光脈沖進(jìn)行了大量的研究，從80 年代開(kāi)始，半導(dǎo)體激光器的鎖模技術(shù)已經(jīng)研究了20 多年，到目前已經(jīng)進(jìn)行了大量而且深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究，近期半導(dǎo)體鎖模激光器的研究總結(jié)還可以可以參考E. A. Avrutin 的文章[3]。下面我們將簡(jiǎn)要的介紹一下重點(diǎn)在OTDM 中的應(yīng)用的各種半導(dǎo)體鎖模激光器的研究進(jìn)展。相對(duì)于WDM中的多波長(zhǎng)激光器、可調(diào)諧激光器來(lái)說(shuō)，在OTDM系統(tǒng)中尤其WDM/OTDM系統(tǒng)也是非常需要類(lèi)似的器件。目前已經(jīng)對(duì)多信道波長(zhǎng)脈沖光源有過(guò)一些研究。它的原理是利用濾波元件將半導(dǎo)體鎖模激光器的多縱模譜進(jìn)行頻域上的分割成相同的縱模群，然后通過(guò)調(diào)制使每一縱模群之間的縱模模式形成鎖定，進(jìn)而形成脈沖輸出。這樣多中心波長(zhǎng)，多信道脈沖就行成了。例如OFC2003 上報(bào)道了每個(gè)信道速率750 Mbs/s，一共168 個(gè)信道的多波長(zhǎng)鎖模脈沖輸出[4]。另外，基于光纖環(huán)形激光器的鎖模技術(shù)一直有著迅速發(fā)展。第一章半導(dǎo)體激光器鎖模的數(shù)值模擬在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中，產(chǎn)生高重復(fù)頻率的超短光脈沖的器件是高速、大容量OTDM系統(tǒng)，WDM/OTDM系統(tǒng)，光孤子通信系統(tǒng)，以及光纖射系統(tǒng)[5] (fiberradio frequency millimeter wave system)的關(guān)鍵器件。半導(dǎo)體鎖模激光器由于其內(nèi)在的短腔長(zhǎng)，大增益帶寬，是實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率，短脈沖寬度的光脈沖的理想器件[6]。本章我們用有限差分的數(shù)值方法模擬了耦合的行波速率方程組，該方法能夠較準(zhǔn)確地模擬鎖模的動(dòng)態(tài)過(guò)程，給出了典型的DFB的動(dòng)態(tài)過(guò)程以及主動(dòng)鎖模激光器的鎖模過(guò)程。 鎖模技術(shù)原理從數(shù)學(xué)上講，鎖模就是激光器產(chǎn)生的不同縱模之間由于某種調(diào)制機(jī)制(如增益調(diào)制，損耗調(diào)制等)而發(fā)生相互耦合，模式之間形成固定的相位關(guān)系，這時(shí)就稱為模式被鎖定，頻域上模式之間的鎖定意味著時(shí)域上形成了光脈沖。自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器表現(xiàn)為多縱模振蕩。 描述縱模模式鎖定情況下的光脈沖輸出 N=5 描述半導(dǎo)體激光器鎖模動(dòng)態(tài)特性的方法能夠較準(zhǔn)確描述半導(dǎo)體鎖模激光器的動(dòng)態(tài)特性的方程為一組耦合的行波速率方程組。半導(dǎo)體激光器中存在正向和反向傳播的兩個(gè)行波，行波在激光腔中隨時(shí)間傳播演化形成激光輸出。當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行一定的調(diào)制，則經(jīng)過(guò)調(diào)制的行波在傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)放大，反饋，最終形成穩(wěn)定的脈沖輸出。一、DFB 激光器的瞬態(tài)特性DFB 激光器的參數(shù)如下：腔長(zhǎng)L＝400μm，分成M＝30 小段，計(jì)算每一步的時(shí)間為L(zhǎng)/M, 光柵的耦合系數(shù)30cm1，注入電流密度J＝1000A/cm2。我們分別模擬了DFB 激光器的瞬態(tài)特性，包括(a) 增益分布，(b)載流子分布，可以看到空間燒孔效應(yīng)；(c)輸出光功率；(d)穩(wěn)態(tài)光譜，可以看到是雙模振蕩。由這些圖可以看出，行波速率方程能很方便地模擬器件的各種動(dòng)態(tài)特性。(a)(d)Wavelength(.)二、 單片集成的鎖模激光器單片集成的半導(dǎo)體鎖模激光器結(jié)構(gòu)，模擬中用到了有源區(qū)La=400μm, 透明波導(dǎo)區(qū)Le=400μm, 布拉格光柵區(qū)Lg=200μm, 激光器分成50 段，每步的計(jì)算時(shí)間為光經(jīng)歷每個(gè)小段長(zhǎng)度的時(shí)間，則脈沖在腔中經(jīng)歷一周的時(shí)間為100小段。 單片集成的半導(dǎo)體鎖模激光器結(jié)構(gòu)示意圖 ae 所示的單片集成鎖模激光器的動(dòng)態(tài)特性曲線 為模擬的結(jié)果。從(a)中我們可以明顯地看出激光器不同段的光子濃度分布，在增益區(qū)內(nèi)可以看到分布的不均勻性。右端的布拉格反射區(qū)對(duì)光子形成了反饋與輸出。(b)圖表示了激光器腔中動(dòng)態(tài)的載流子濃度分布?？梢钥闯雒黠@的空間燒孔效應(yīng)。(c)圖為脈沖的輸出，虛線表示了載流子濃度的變化，鎖模使得光形成了穩(wěn)定的脈沖；對(duì)(c)中的一段穩(wěn)態(tài)時(shí)域輸出進(jìn)行傅立葉變換，得到了脈沖的光譜圖，即(d)圖，可以觀察到鎖模使得9 個(gè)縱模形成了鎖定，從而導(dǎo)致了時(shí)域上的光脈沖。(e)圖是根據(jù)式()計(jì)算的激光器的強(qiáng)度響應(yīng)。我們可以明顯觀察到了調(diào)制增強(qiáng)的現(xiàn)象。關(guān)于激光器對(duì)調(diào)制的共振增強(qiáng)效應(yīng)我們將在第五章有較為詳細(xì)的分析。(e)圖的意義在于，利用行波速率方程可以很自然的模擬激光器的共振增強(qiáng)