 Applied Physics 应用物理, 2013, 3, 56-60 http://dx.doi.org/10.12677/app.2013.32011 Published Online March 2013 (http://www.hanspub.org/journal/app.html) Based on the Negative-Feedback Modulating of MZM Researching on Dark Pulse Generation Huiyi Wang1, Lan Lan1, Liehui Chen1, Kezheng Feng1, Liankeng Cao1, Y in Chen2 1Guangdong Planning and Designing Institute of Telecommunications Co., Ltd., Guangzhou 2School of Information and Optoelectronic Science and Engineering, South China Normal University, Guangzhou Email: wanghuiyi6977@126.com Received: Dec. 27th, 2012; revised: Jan. 3rd, 2013; accepted: Jan. 15th, 2013 Abstract: Dark pulse has been specially researched in the world. Considering the flexible electronic control of the MZM, the transmission rate function of the MZM is analyzed to obtain output characteristics of the negative-feedback condition. The MZM driven by electronic hyperbolic-secant pulse modulate the CW laser in the negative-feedback condition of the MZM, and the dark pulse is generated with finite CW background. Moreover, the analysis and simulation experiment results indicate the effective feasibility. Keywords: Dark Pulse; Negative-Feedback; Modulation 基于 MZM 负反馈调制下的暗脉冲产生研究 王会义 1，蓝 斓1，陈烈辉 1，冯克正 1，曹炼铿 1，陈 银2 1广东省电信规划设计院有限公司，广州 2华南师范大学信息光电子科技学院，广州 Email: wanghuiyi6977@126.com 收稿日期：2012 年12 月27日；修回日期：2013 年1月3日；录用日期：2013年1月15 日 摘 要：暗脉冲产生的研究已成为国际上热点研究之一。考虑到马赫曾德尔调试(MZM)技术具有灵活的电控特 性，通过对MZM 技术的透过率曲线进行分析，获得了MZM 在负反馈调制条件下的输出特性，并利用双曲正 割电脉冲信号驱动的 MZM 调制连续激光，产生了有限连续背景光下的暗脉冲。分析和仿真表明该方法具有有 效的可行性。 关键词：暗脉冲；负反馈；调制 1. 引言 1973 年，A. Hasegawa 和F. Tappert[1]理论预言了 暗孤子的存在，从此相关科研工作者开始通过不同方 式对其研究，并发现暗脉冲在光纤传输特性方面具有 诸多独特性质。例如暗脉冲在光纤中形成不需要阈值 功率[2]；暗脉冲在有损耗介质传输展宽速度比亮孤子 小一半[3]；暗脉冲由放大器自发辐射(ASE)噪声引起时 间抖动比亮脉冲小 2倍[4]等。所以，暗脉冲在光纤中 传输时，具有比亮脉冲更强的抵抗能力和更佳的稳定 性。如何产生暗脉冲也成为国际上的一个研究热点。 目前，暗脉冲的产生技术主要有利用光纤非线性 特性形成的调制不稳定性技术[5]、脉冲整形技术[6]、 被动锁模光纤激光器技术[7-9]等。其中，在暗脉冲产生 的前期研究中，调制不稳定性技术和脉冲整形技术的 设备复杂，难度较大。这也使得暗脉冲的研究进展一 直比较缓慢。近几年，被动锁模光纤激光器中暗脉冲 的产生受到了人们的广泛关注，对于暗脉冲的研究报 道纷纷涌现[7-10]。但是，通过前期对于暗脉冲被动锁 Copyright © 2013 Hanspub 56  基于 MZM 负反馈调制下的暗脉冲产生研究 模光纤激光器技术研究来看，实验室不易获得稳定的 高重复率暗脉冲[8,11,12]。所以为了克服该缺点，主动电 调制的马赫曾德尔调制器(MZM, M-Z Modulator)技术 不失为一种可选择的方法。 通过对 MZM 调制的输出特性进行分析，发现当 MZM 的输出函数发生 π相移后，驱动的电调制信号 将落在透过率曲线的负反馈调制区域。利用双曲正割 电脉冲信号对 MZM进行驱动，调制光器产生的连续 激光，获得了暗脉冲的调制输出，并且可以通过调节 伪随机的发生码率改变暗脉冲的重复率。考虑到 MZM 调制连续激光产生光信号的技术已比较成熟， 所以采用该仿真方法产生暗脉冲具有有效的可行性， 为获得暗脉冲种子源提供一种简单的方法。 2. MZM原理及分析 图1为典型的 MZM 简图。其基本原理为[13]：输 入光 i I 经过一个 3 dB 耦合器后被平分进入到由 LiNO3构成的光波导臂，这两臂分别被施加 1 Vt 2 t 和 的偏置电压。从而使得经过MZM 两臂的光产生 不同的相移、。当两束光在第二个 3 dB耦 合器相遇时将会产生相移差 ，在满 足相位关系时产生透射光 2 V t 1t 2t 1 t o I 。 给出 MZM的输入光、偏置电压、输出光之间的 透射率函数关系： 22 12 12 π π cos cos 22 oi io VV i I II V II 式中，为相位变化量为π时的偏置电压。对于单臂 MZM，，此时 MZM 只受到偏置电压 π V 2 0Vt 1 Vt的 调制。图 2给出了 o I 随 变化曲线。 1 Vt 在偏置电压 在二区间变化时，此时透射率函 数随着偏置电压 的增大而快速增大，即为正反馈 调制机制；当偏置电压 在一区间或三区间时，此 时透射率函数随着偏置电压 的增大而快速减小， 1 Vt 1 Vt 1 Vt 1 Vt Figure 1. Typical diagram of MZM 图1. MZM 示意图 归于一化系数 1π RVV；透射率 oi II Figure 2. Transmittance curve 图2. 透射曲线 即为负反馈调制机制。在负反馈调制条件下，MZM 输入端输入连续激光时，可以使 时的连续激 光顺利通过；当 10Vt 1 Vt变化时，透射率函数则会随着偏 置电压增大而迅速下降，最终形成和正反馈条件下 “翻转”的光脉冲信号。 3. 暗脉冲产生仿真 为了更好的对上述理论分 析进 行验证 ，利用 OptiSystem 仿真软件对光信号经过 MZM调制后的实 验结果进行了系统仿真。系统仿真的简图，如图 3所 示，其中包含了中心频率为 193.1 THz，线宽为 10 MHz，发射功率为 4 dBm 的连续激光器(CWL)；可调 比特率的比特发生机(BSG)用以产生 40 Gb/s的00100 数字电信号，使双曲正割电信号产生器(HSPG)发射双 曲正割电脉冲信号；电相移器(EPS)将产生的双曲正割 电脉冲信号加上 π的相移后输入到单臂调制的 MZM 中，从而调制由CWL 产生的连续激光，获得调制后 的光脉冲信号输出；光谱分析仪(OSA)、光示波器 (OTDV)、光功率计(OPM)用来对产生的光信号进行实 验测量和观察。 通过对 MZM 的理论分析可知，工作在正常状态 的MZM 在加入π相移后会使得它由正反馈调制变为 负反馈调制状态。系统仿真正是通过 EPS 使得 HSPG 产生的偏置电压信号加入了π的相移，使 MZM 工作 在负反馈调制区间。根据上述给出的条件设定仿真系 统的参数，将 EPS 的相移间隔设为36˚，运行搭建的 仿真系统。如图4为随着 EPS 的相移 变化的 MZM Copyright © 2013 Hanspub 57  基于 MZM 负反馈调制下的暗脉冲产生研究 Copyright © 2013 Hanspub 58 比特发生机(BSG)、双曲正割电信号产生器(HSPG)、电相移器(EPS)、连续激光器(CWL)、马赫曾德尔调制器(MZM)、光谱分析仪(OSA)、光示波 器(OTDV)、光功率计(OPM) Figure 3. System simulation schematic diagram 图3. 系统仿真示意简图 Figure 4. Pulse-shape with the EPS changing 图4. 脉冲随 EPS 变化情况  基于 MZM 负反馈调制下的暗脉冲产生研究 Power (dBm) -100 -80 -60 -40 -20 1.5521.55251.553 -90 -70 -50 -30 -10 1.5521.55251.553 Power (dBm) Wavelength (nm)Wavelength (nm) (a) (b) Figure 5. (a) Spectrum of bright pulse; (b) Spectrum of dark pulse 图5. (a) 亮脉冲光谱图；(b) 暗脉冲光谱图 Table 1. Value of input and output power 表1. 输入和输出功率值 CW laser Bright pulse Dark pulse Power (dB) 4.00 −6.09 2.41 调制连续激光输出的光脉冲波形图。 从系统仿真结果可以看出，随着相移 的变大， 正常状态下的双曲正割光脉冲的背景光越来越强，最 终在 时形成了有限连续背景光下的一个下 陷的光脉冲，即暗脉冲光信号。并且，OPM测量了图 4(a)和(f)对应的 MZM输出光功率，分别为−4.139 dBm 和3.275 dBm。从仿真数据得出，负反馈调制下的 MZM 对于低的偏置电压时的连续激光透射率损耗较 小，所以输出的光功率要远大于正反馈调制时的光功 率，这有利于更充分利用CWL 发射的连续激光，提 高光信号源的发射功率。仿真中，通过改变 BSG 的 发生比特率改变 MZM输出的暗脉冲的发射重复率， 但是由于 MZM 本身物理相应特性有限，使得其调制 速率不可能无限提高。 180 f 图5为图 4(a)和(f)对应的光谱图。其中，从图中 可以看出暗脉冲的光谱峰值要大于双曲正割光脉冲 的光谱峰值，表 1给出输入连续光功率和输出亮脉冲 与暗脉冲对应功率。 进一步得出 MZM产生暗脉冲强能够更有效的利 用CWLaser 光功率。测量获得图5(a)的边摸抑制比为 6 dBm，而图5(b)的边摸抑制比为 21 dBm 边摸。但是， 当暗脉冲和亮脉冲具有相同平均功率时，亮脉冲由于 具有很高的峰值光功率，更容易产生非线性效应加快 其在正色散光纤中的展宽，所以在正色散光纤中传输 时暗脉冲较亮脉冲具有更强的抵御正色散光纤色散 和非线性的特点[3]，并且在 MZM 输出的暗脉冲具有 更好的边摸抑制比。可以看出，该仿真产生的暗脉冲 具有较好的脉冲质量。由于暗脉冲的线宽主要由 CW Laser 的线宽所决定，所以实际系统中可以 通过线 宽 更窄的单频光纤激光器[14]来获得单色性更好的 MZM 调制的暗脉冲输出，从而提高MZM 调制产生的暗脉 冲输出的光谱质量。 4. 结论 通过对上述 MZM的理论分析和仿真结果对比之 前报道的采用被动锁模技术产生暗脉冲的装置[8,11,12]， 利用负反馈调制下的 MZM系统可以产生高重复率的 暗脉冲，并通过改变比特发生机的信号发生速率控制 暗脉冲发射的重复率。这些使得基于 MZM 负反馈调 制下产生的暗脉冲具有灵活的电控特性。仿真结果也 进一步证实，MZM 调制产生的暗脉冲具有较好的边 模抑制比。仿真基于现有成熟光电子器件基础之上。 因此，该技术方法使得 MZM负反馈调制下产生暗脉 冲具有有效的可行性。同时，也为获得暗脉冲种子源 提供了另一种可行的技术方案。 参考文献 (References) [1] A. Hasegawa, F. Tappert. Transmission of stationary nonlinear optical pulses in dispersive dielectric fibers I. Anomalous dis- persion. Applied Physics Letters, 1973, 23(3): 142-145. [2] S. A. Gredeskul, Y. S. Kivshar. Generation of dark solitons in optical fibers. Physical Review Letters, 1989, 62(8): 977. [3] W. Zhao, E. Bourkoff. Generation, propagation, and amplifica- tion of dark solitons. Journal of the Optical Society of America Copyright © 2013 Hanspub 59  基于 MZM 负反馈调制下的暗脉冲产生研究 B, 1992, 9(7): 1134-1144. [4] J. P. Hamaide, P. Emplit and M. Haelterman. Dark-soliton jitter in amplified optical transmission system. Optics Letters, 1991, 16(20): 1578-1580. [5] J. E. Rothenberg, H. K. Heinrich. Observation of the formation of dark-soliton trains in optical fibers. Optics Letters, 1992, 17(4): 261-263. [6] P. Emplit, M. Haelterman and J. P. Hamaide. Picosecond dark soliton over a 1-km fiber at 850 nm. Optics Letters, 1993, 18(13): 1047-1049. [7] H. Zhang, D. Y. Tang, L. M. Zhao and X. Wu. Dark pulse emis- sion of a fiber laser. Physical Review A, 2009, 80: Article ID: 45803. [8] H. Y. Wang, W. C. Xu, Z. C. Luo, A. P. Luo, W. J. Cao, J. L. Dong and L. Y. Wang. Experimental observation of dark soliton emitting with spectral sideband in an all-fiber ring cavity laser. Chinese Physics Letters, 2011, 28(2): Article ID: 024207. [9] H. P. Li, H. D. Xia, Z. Jing, J. K. Liao, X. G. Tang, Y. Liu and Y. Z. Liu. Dark pulse generation in a dispersion-managed fiber la- ser. Laser Physics, 2012, 22(1): 261-264. [10] M. Feng, K. L. Silverman, R. P. Mirin and S. T. Cundiff. Dark pulse quantum dot diode laser. Optics Express, 2010, 18(13): 13385-13395. [11] H. Y. Wang, W. C. Xu, W. J. Cao, L. Y. Wang and J. L. Dong. Experimental observation of bright-dark pulse emitting in an all- fiber ring cavity laser. Laser Physics, 2012, 22(1): 282-285. [12] L. Y. Wang, W. C. Xu, Z. C. Luo, W. J. Cao, A. P. Luo, J. L. Dong and H. Y. Wang. Dark pulses with tunable repetition rate emission from fiber ring laser. Optics Communications, 2012, 285(8): 2113-2117. [13] K. Noguchi, O. Mitomi, H. Miyazawa and S. Seki. A broadband Ti:LiNbO3 optical modulator with a ridge structure. Journal of Lightwave Technology, 1995, 13(6): 1164-1168. [14] S. H. Xu, Z. M. Yang, W. N. Zhang, X. M. Wei, Q. Qian, D. D. Chen, Q. Y. Zhang, S. X. Shen, M. Y. Peng and J. R. Qiu. 400 mW ultrashort cavity low noise single frequency Yb3+-doped phos- phate fiber laser. Optics Letter, 2011, 36(18): 3708-3710. Copyright © 2013 Hanspub 60 |