多波长相干光注入锁定的波长跟踪自动化控制_梁英.pdf

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),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 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 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 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 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 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 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(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 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 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 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 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 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,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