基于3×3耦合器的窄线宽单频激光器噪声测量技术

提出一种基于3×3耦合器的非平衡迈克耳孙干涉仪的延时自外差技术,理论分析了此技术用于测量窄线宽单频激光器噪声的原理,搭建了测试系统,对Emcore公司的分布反馈式(DFB)半导体激光器以及NKT公司的商用超窄线宽DFB光纤激光器这两类典型光源的相位噪声、频率噪声以及线宽进行了测试。结果表明,此技术可以用于完整地测试不同类型激光器的噪声特性,并且验证了此技术的正确性和稳健性。     

大气信道下窄线宽激光器对相干通信系统性能影响研究

在空间下行相干激光通信系统中,激光器的线宽大小会影响通信系统的性能,而窄线宽激光器能有效降低激光器线宽引起的激光器相位噪声,目前已经成为相干激光通信系统的首选。光信号在大气信道传输时,大气湍流会引起光信号强度和相位的波动,从而进一步影响系统的通信性能。针对上述问题,基于四相移键控(Quadri Phase Shift Keying, QPSK)通信系统的工作原理,进一步考虑窄线宽激光器线宽和大气湍流引起的光信号强度和相位的波动,给出了空间下行QPSK通信系统误码率模型。并基于该模型,数值仿真分析了窄线宽激光器对空间下行相干激光通信系统性能的影响。结果表明：大气湍流不仅严重影响系统性能,也会弱化激光器线宽对系统性能的影响。而对于大气湍流影响而言,其引起的相位波动要大于光强波动的影响。此外,随着通信速率增大,激光器线宽对于系统性能影响也会随之降低。文中对于空间下行相干激光通信系统的优化设计和调试具有一定的实际参考意义。     

窄线宽激光技术研究进展（特邀）

激光线宽作为表征激光相干性的重要参数,自激光技术诞生以来就备受人们关注。窄线宽激光器由于光谱纯度高、相干长度长、相位噪声低等优点,被广泛应用于引力波探测、冷原子物理、相干光通信、光学精密测量,以及微波光子信号处理等领域。随着现代信息技术的发展,窄线宽激光器作为这些应用的核心光源,在固有的线宽、噪声等参数得到进一步优化的同时也被期望拥有一些新的性能,如参数的极致调控、时频超稳、波长调谐,以及波长扫描等。激光本征线宽源于自发辐射噪声,激光器线宽压缩的发展历程是研究人员与自发辐射噪声对抗的历程。纵观窄线宽激光的发展历史,激光腔构型从简单的两个反射镜构成的单主腔、多布拉格反射面（DBR）构成的单主腔、分布反馈（DFB）结构构成的单主腔,到激光单主腔加固定单外腔,再到波长自适应分布弱反馈激光构型,其核心思想都是利用反馈信号对自发辐射噪声进行抑制。本文以激光主腔构型的演化发展为叙述脉络,总结窄线宽激光技术的研究进展,对比激光谐振腔构型在激光线宽压缩、噪声抑制思想上的异同,最后重点介绍新近发展的波长自适应分布弱反馈窄线宽激光器,对该类新型激光器的物理思想、核心器件和系统性能进行分析和讨论。     

高速相干光通信中的多符号差分检测技术研究

针对高速相干光通信系统中激光器相位噪声和频偏估计的补偿问题,设计了基于MSDD(多符号差分检测)的相位恢复算法,研究了在ASE(自激发射放大)噪声、激光器线宽和频偏等因素影响下的系统性能和MSDD算法的补偿能力。仿真结果表明,自适应MSDD算法对激光器线宽和频偏的补偿效果显著,对线宽为1 MHz、频偏为100 MHz的20GBaud QPSK(正交相移键控)系统,误码率为10-3时的OSNR(光信噪比)代价仅为0.6dB。     

基于相干包络解调的窄线宽测量算法研究

激光线宽对光学相干探测系统的探测范围、精度和噪声特性都有重要影响。为精确测量半导体激光器的线宽值,提出了通过解调短延时自外差的干涉谱来实现高精度窄激光线宽测量的新方法。搭建短延时的自外差干涉测量系统,得到半导体激光器的干涉谱,通过设计算法对干涉谱的相干包络进行解调,最终获得了严格的洛伦兹线型谱和相应的谱线宽度,通过理论分析、仿真和实验验证了该方法的可行性。该方法可以忽略因1/f频率噪声产生高斯展宽带来的影响,与传统线宽测量方法相比,该方法的测量结果更加精确。     

千赫兹量级窄线宽半导体激光器研究进展

窄线宽半导体激光器由于其高单色性、低频率噪声、高可调谐性等优点,广泛应用于高速相干光通信、分布式传感、激光雷达等领域.随着高品质因子(Q)光学谐振腔、硅光异构集成芯片等技术的发展,窄线宽半导体激光器近十年经历了革命式发展,线宽压缩至千赫兹(kHz)量级,甚至到亚千赫兹量级.文章阐述了千赫兹量级窄线宽半导体激光器的最新进展,针对不同压缩线宽机制的窄线宽激光器进行了分类介绍,深入讨论了优化耦合系数、减少外腔损耗等对窄线宽激光器性能的影响,并针对未来应用需求展望了千赫兹量级窄线宽激光器在进一步压缩线宽、提升输出光功率方面的发展方向.     

窄线宽半导体激光器

<正> 日立制作所中央研究所开发了下一代相干光通信用窄谱宽半导体激光器。谱线宽为3.6kHz,采用这种半导体激光器可实现具有最高接收灵敏度的相位调制、零差检波方式。器件的结构是内部有衍射栅的分布反馈型,为了实现窄谱线,采用了周期调制型衍射栅和应变多量子阱有源层。     

光反馈对光纤光栅外腔半导体激光器特性的影响

主要研究了外加光反馈对光纤布拉格光栅外腔半导体窄线宽激光器特性的影响。在研究温度对光纤光栅外腔半导体激光器激射波长影响的基础上,设计了强度可调的外加光反馈系统,并利用延时自外差法测试外腔半导体激光器的线宽,从实验上分析了不同强度的外加光反馈对外腔半导体激光器线宽和噪声的影响。实验结果表明,在外加光反馈强度逐渐增强的过程中,激光器线宽逐渐变窄。当反馈比为-22dB时,激光器线宽被压窄至原始线宽的15%。与此同时,在相同的反馈变化下,激光器的相对强度噪声开始无明显变化,直到反馈比达到-27dB。再继续增大反馈强度,相对强度噪声显著增大,激光器内部发生相干崩塌。     

激光器对光电振荡器相位噪声的影响

为了改善光电振荡器相位噪声特性、提高光电振荡器性能,采用理论分析和实验验证的方法,研究了激光器线宽、光功率与光电振荡器相位噪声之间的关系.测试了激光器在功率相等、线宽不等情况下,光电振荡器所产生的微波信号的频谱特性和相位噪声特性;测试了给定线宽激光器在不等功率情况下,所产生的微波信号的相位噪声特性.结果表明,激光器线宽越窄、光功率越大,光电振荡器产生微波信号的频谱特性和相位噪声特性就越好;在频偏1kHz以外,相位噪声受激光器线宽影响较小,受光功率影响较大.这一结果对改善光电振荡器相位噪声有一定的帮助.     

LDPC码在相干光通信下的性能分析与研究

对于相干光通信系统,相位噪声成为影响系统性能的重要因素之一,并严重影响LDPC码(低密度奇偶校验码)软译码的性能。仿真结果表明,在16QAM调制方式下,500kHz线宽的激光器相位噪声将导致1.5dB的性能损失。为了降低相位噪声的影响,提出了一种基于相位噪声估计值修正LLR(对数似然比信息)的方法。经仿真验证,该LLR修正方法能够挽回0.5dB的译码性能损失。     

Spectral analysis of optical mixing measurements

A general rigorous theory of optical heterodyne and homodyne measurements is presented. The power spectrum of the photocurrent resulting from two uncorrelated optical beams mixing on a photodetector is derived. In particular, a rigorous analysis is presented for the delayed self-homodyne method which is used to characterize laser source linewidth by a Mach-Zehnder interferometer with a delay exceeding the source coherence length. Existing treatments are generalized to address non-Lorentzian laser sources of arbitrary lineshape. The analysis is further generalized to cover the case of modulated nonstationary sources. An example of the application of this theory is given. It is shown how the theory may be used to interpret an experimental result obtained using the gated delayed self-homodyne technique for characterizing the frequency chirp of laser sources under modulation     

外腔长度对FBG-ECL输出特性的影响

根据光纤光栅外腔半导体激光器(FBG-ECL)的等效腔模型,讨论了外腔长度对FBG-ECL的调制特性、线宽以及强度噪声的影响.指出增大外腔长度可以使FBG-ECL具有很窄的线宽,非常适合应用在相干光通信系统中.同时发现,外腔长度的增大也将导致强度噪声、调制特性的恶化,外腔的选择对FBG-ECL应用在不同光通信系统中十分重要.     

Statistical properties of Rayleigh backscattering in single-modefibers

An analytical model that takes into account the influence of the laser linewidth on Rayleigh backscattering is given. For an unmodulated source the power spectral density is found to be identical to the delayed self-homodyne spectrum of the laser. The backscattered signal was measured for different laser linewidths, and the results are compared with the theory. The effects of Rayleigh backscattering noise on fiber gyroscopes and bidirectional optical systems are discussed     

片上集成克尔光频梳的波分复用光纤通信技术综述（特邀）

为了应对在传输容量、光谱利用率、能量效率、体积和系统复杂度方面日益增长的需求,波分复用(WDM)光纤通信系统需要比目前使用的传统激光模块更先进的激光源。由集成片上微腔产生的克尔光频梳是下一代波分复用激光源中的一个十分具有前途的方案,其优势包括宽光谱、大量的梳齿、与波分复用信道相匹配的频率间隔、高度稳定的频率、低的相位噪声、与芯片集成的兼容性以及能够低成本地批量生产。回顾了克尔光频梳的基本原理,并介绍了各种克尔光频梳器件的制造方法。此外,还讨论了克尔光频梳的特点,如高光谱纯度和能够兼容芯片集成以及其能在长距离相干传输和数据中心互连中推动波分复用光通信发展。     

移频延时自外差法的DFB激光器线宽测量

为了测量分布反馈（DFB）单模半导体激光器线宽,采用一种新颖的基于马赫-曾德尔干涉结构的光纤自外差测量方案,设计了一套全光纤延时自外差法测量系统,并进行了理论分析。在此基础上搭建了延时光纤长度分别为900m,3000m和6000m的窄带线宽测量系统,对实验室一台中心波长为1550nm、标称线宽值为800kHz的DFB单模半导体激光器光源进行了测试,测得激光器线宽值分别为951.566kHz,832.471kHz和802.221kHz,并对所设计的方案进行了模拟仿真验证。结果表明,与模拟仿真结果作对比,延时光纤长度为6000m时的窄带线宽测量系统最优,其误差在3%之内,证明了所用自外差干涉原理的合理性和准确性。全光纤移频延时自外差法对测量DFB激光器线宽具有优越性和重要的实用价值。     

Source-induced noise in optical systems driven by low-coherencesources

High-power quasimonochromatic light sources may deliver enough power into optical and fiber-optic systems to make the source noise dominant at the system output. With an RMS value proportional to light intensity, this noise limits the system sensitivity and dynamic range to levels which cannot be improved by injecting more light into the system. Source-related noise may originate not only from the source intensity fluctuations, but also from a phase-to-intensity conversion process which is characteristic of many single-spatial-mode multiple-path optical systems. The shape of the power spectral density of the source-induced noise, being critically dependent on the physical structure of the system, is analyzed for a self-homodyne Mach-Zehnder structure and for a recirculating delay line. For single-path communication systems, it is shown that source-originated noise exceeds both shot and thermal noise for a received optical power of only a few tens of microwatts     

空间激光通信技术若干问题的讨论

文中讨论了卫星间和星地间激光通信技术方案的若干问题。从背影噪声、体积、质量、器件性能和可行性角度，比较分析了激光波段的选择。８００和１５０ｎｍ波段的半导体激光器具有体积小、质量轻、效率高的优点。与可见波段相比，背景噪声低。提出了一个利用光纤通信技术和器件总体方案的建议。采用由半导体激光器振荡器和ＥＤＦＡ光放大器构成的ＭＯＰＡ结构作为通信发射机的的光源；采用光纤环行器和光纤耦合器实现发收光路的复用；     

Performance of narrow deviation coherent optical CPFSK-DD withtight IF filtering and an amplified interfering echo

An exact probability of error expression that includes the impact of tight IF filtering and an amplified interfering echo is presented for a narrow deviation binary CPFSK-DD coherent optical receiver. The result is given in terms of the Marcum Q-function and accommodates the phase memory in the CPFSK signaling format; the impact of IF filtering on the signal, echo, and additive noise; the impact of reflections on optical amplifier noise; the non-Gaussian noise statistics at the decision moment; and the influence of laser phase noise. Sensitivity penalty results are presented for three modulation indices, both with and without intersymbol interference and phase noise, thus providing the first detailed insight into the impact of an interfering echo on CPFSK-DD receiver performance. Interferometric interference effects are observed independent of the accumulated laser phase noise between the main and echo signals, and it is concluded that a relative echo magnitude of 10% or less represents a good design criterion to aim for in a practical communication system. In all cases, the analytical results have been confirmed through extensive Monte-Carlo simulation