可调谐半导体激光器的相位噪声及其对相干通信系统的影响

摘要

随着各种互联网应用如物联网、云计算、大数据等的快速发展，光通信需要不断地迭代更新来满足日益增长的通信容量需求。波长可调谐半导体激光器由于可以灵活切换输出波长，已经成为了实现下一代光网络的关键技术之一。为了进一步提高通信系统的光谱效率，相干通信技术已经被越来越多地应用在各种系统架构中，而相干通信系统对激光器的相位噪声又提出了很高的要求。为了让可调谐半导体激光器更好地应用在高速的通信系统中，研究它的相位噪声特性及其对相干通信系统的影响就具有重要意义。本文从激光器仿真模型和数据传输实验出发，对分布式布拉格反射器（Distributed Bragg Reflector,DBR）型可调谐半导体激光器的相位噪声进行了深入地研究，并且分析了这种类型的激光器在相干通信系统中应用时存在的问题，最后通过改进系统的数字信号处理（Digital signal processing,DSP）算法或者调制格式来解决这些问题。具体的研究内容如下： （1）通过实验和理论计算研究了非线性增益对半导体激光器相位噪声的影响。在测量激光器相位噪声的过程中，发现了一些奇异的现象。为了解释这些现象背后的物理机理，首先建立了完整的非线性增益模型，然后在引入非线性增益和散粒噪声源的情况下模拟计算了激光器的相位噪声。模拟结果表明，在非线性增益的影响下，激光器边模的强度抖动会引入额外的相位噪声，当激光器的边模波长大于主模时，线宽展宽更为严重。此外，非线性增益会引起激光器的双稳态，从而造成激光器相位噪声的跳变现象。这些研究和分析有助于理解激光器的相位噪声特性，并且很好地解释了观察到的实验现象。 （2）通过实验和模拟研究了Y分支（Y-branch）激光器的相位噪声特性，着重分析了相加型的游标效应带来的影响。在考虑了有源区的自发辐射，无源区的载流子噪声，注入电流的1/f噪声以及光栅反射镜引起的失谐效应之后，我们建立了完善的激光器仿真模型。通过对比Y-branch激光器和取样光栅-DBR（Sampled Grating-DBR,SG-DBR）激光器的模拟结果，分析了不同的游标效应带来的影响。结果表明，Y-branch激光器由于相加的选模方式而具有更大的相位噪声。这是因为不同的选模方式会引起不同的光栅反射特性，从而引起不同的相位噪声特性。最后，我们对两种激光器的相位噪声进行了详细的测量，实验结果和模拟结果相吻合，证明了仿真模型的可靠性。 （3）提出了使用基于卡尔曼滤波的载波相位恢复方法来克服调谐激光器的额外相位噪声，并通过系统试验和模拟仿真对提出的方案进行了研究。首先对测量的SG-DBR激光器相位噪声进行了分析，根据分析结果对卡尔曼滤波的状态参量进行了优化。然后在考虑了低频的额外相位噪声的情况下，模拟了不同调制格式的传输特性，结果证明了提出的方案可以很好地克服额外的相位噪声带来的信号劣化，并且适用于并行运行的系统中。接着通过系统传输实验对提出的方案进行了研究，在并行运行的系统中，使用基于卡尔曼滤波的载波相位恢复方法可以获得比二阶锁相环（Phase Lock Loop,PLL）更好的线宽容忍特性，从而实现更优质的数据传输性能。最后，在30nm范围内调节了SG-DBR激光器的波长之后，测试了激光器输出不同波长的情况下的数据传输特性，实验结果进一步证明了所提出方案的可行性。 （4）为了实现更高光谱效率和能源利用率的可重构光网络，我们提出了一种适用于相干光包交换收发机的双差分星型16级正交幅度调制（Doubly Differential Star16-ary Quadrature Amplitude Modulation,DD-star-16-QAM）。首先介绍了这种调制格式的编码和解编码方式，然后通过模拟和实验来研究了它在静态和动态切换的相干通信系统中的性能。静态情况下的结果表明DD-star-16-QAM调制格式可以很好地消除频率偏置（Frequency Offset,FO）所带来的影响。在动态的实验中，激光器具有随时间变化的线宽或者激射频率，DD-star-16-QAM能够克服随时间变化的频率偏置，而且其切换时间和线宽达到稳定的时间相关。由于常用的16-QAM调制格式会受到激光器频率抖动的影响，因此DD-star-16-QAM可以让接收机获得更短的切换等待时间。

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