一种半导体光放大器有源光纤环增益误差平衡方法

摘要

本发明提供了一种半导体光放大器有源光纤环增益误差平衡方法，其特征在于：步骤为：通过测得饱和功率与小信号增益，获得半导体光放大器对应Agrawal公式的参数。根据噪声/时间曲线斜率，按照采样周期时序，取出对应的自发放大噪声基线漂移值，在各次采样结果中减去该值，得到N个采样数据点，然后，利用空间离散化的Agrawal公式结合数值解法得到叠加在每一个采样数据点上的非线性增益数值，对各采样数据点上的非线性增益数值进行均一化，获得平衡非线性增益后的采用数据。本发明提供的方法结构简单、易于编写，且可以与数据处理单元结合。可较大程度地剔除在结果中存在的非线性增益误差，提高被测信号波形采样数据的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对半导体光放大器有源光纤环中非线性增益进行平衡，以抑制采样结果中非线性误差的后处理方法。

背景技术

随着光电技术的发展，近年来出现了用于高速脉冲波形检测的光等效时间采样方法。该方法利用光纤、非线性晶体、半导体光放大器、有源波导结构或光纤干涉环等非线性介质，基于等效时间原理对脉冲进行采样。由于采样过程中避免了受传统光示波器中光电变换的带宽限制，所以全光等效时间采样技术的测量带宽可以达到THz以上。根据等效时间采样原理，其测量脉冲必须为周期脉冲或在测试时间内具有稳定周期特性的脉冲，各次脉冲之间的时间间隔一致、波形具有同一性。但是在很多场合被测信号为瞬态波形，或者其重复周期较长、超出了等效时间采样系统的测试窗口；另外有一些被测信号各次波形之间性态不稳定、需要单独提取测量。这两种情况下的测量也可视作瞬态光信号测量。如果要将光等效时间采样方法应用于这一领域，就需要对被测信号进行复制，形成符合光等效时间采样要求的周期性信号序列。

现阶段利用瞬态波形形成周期性脉冲序列的手段主要有两种，第一种是利用耦合器结合光纤结构形成对瞬态波形的复制，该方法各次信号之间的间隔由光纤长度决定、同时当结构确定后复制脉冲数量难以调整。这使其加工难度较高并且灵活性较差。第二种是基于有源环状结构的复制器在一由光纤及耦合器形成的环状结构中纳入了掺铒光纤放大器或者半导体光放大器作为环内损耗的补偿措施，其输出脉冲序列的间隔由环长度确定。由于可在环内设置光可调延迟线，且对环长度的加工较为简便，所以其复制的稳定性与可控性都优于耦合器阵列光纤方式。但是采用光纤放大器的有源光纤环无法快速地对复制过程进行高速开关控制，容易引起被测脉冲前后交叠。而半导体光放大器可以实现纳秒级的开关功能，可以高速地对环内复制过程进行切换，并可以提供高度集成化的解决方案。

半导体光放大器有源光纤环在进行脉冲复制时，由于其内部载流子的波动，会在放大过程中引入非线性增益。主要体现在有源光纤环输出序列中的波形各部分受到的增益不同、发生形变，这将为后端光等效时间采样引入了误差。为了抑制该非线性增益，可以通过辅助直流光注入加以缓解。但是在部分情况下仍然存在一定程度的波形失真。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决目前使用半导体光放大器有源光纤环脉冲复制器作为光等效时间采样复制前端存在非线性增益的问题的方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种半导体光放大器有源光纤环增益误差平衡方法，其特征在于：步骤为：

步骤1、由半导体激光放大器、环内控制模块、耦合器及合波器组成半导体光放大器有源光纤环，在合波器上连接一辅助直流光激光器，从而在半导体光放大器的一端注入较大幅度的辅助直流光；

步骤2、向半导体光放大器有源光纤环内输入小幅度的测试光并逐渐加大，测得饱和功率与小信号增益，通过对半导体激光放大器的总增益取对数得到积分增益                                                ，通过对饱和功率反除载流子寿命得到饱和能量E_sat，通过公式：

，计算得到，其中，为载流子寿命，为输入脉冲时域包络，为脉冲时间；

步骤3、利用示波器观察半导体光放大器有源光纤环的ASE噪声输出曲线，得到环内噪声与时间相关的线性变化趋势，即噪声/时间曲线斜率，由耦合器输入瞬态脉冲，由环内控制模块对该瞬态脉冲复制N次，由光等效时间采样器件对耦合器的输出进行采样，将采样步进与复制间隔相匹配，根据噪声/时间曲线斜率，按照采样周期时序，取出对应的自发放大噪声基线漂移值，在各次采样结果中减去该值，得到N个采样数据点；

步骤4、在N个采样数据点的前后各添加M个归零点，利用积分增益的时变关系，并将步骤2得到的代入同时结合Euler偏微分方程数值解法或RK偏微分方程数值解法得到每一个采样数据点对应的积分增益变化量，由积分增益变化量反向递推，即可得到叠加在每一个采样数据点上的非线性增益数值；

步骤5、对各采样数据点上的非线性增益数值进行均一化，获得平衡非线性增益后的采用数据。

本发明所述半导体光放大器有源光纤环增益误差平衡方法可以对用于瞬态光脉冲等效时间采样的半导体光放大器有源光纤环中存在的非线性增益误差进行后处理均衡。该方法利用递推手段实现，结合了通过光等效时间采样获得的采样数据点与实验参数拟合，另外还考虑到了半导体光放大器有源光纤环有较大辅助直流光注入的客观条件。方法结构简单、易于编写，且可以与数据处理单元结合。可较大程度地剔除在结果中存在的非线性增益误差，提高被测信号波形采样数据的精度。

附图说明

图1为半导体光放大器有源光纤环结构图与对应的实验系统；

图2为半导体光放大器有源光纤环增益误差平衡方法运算流程；

图3为不规则瞬态脉冲被半导体光放大器有源光纤环复制后的脉冲波形；

图4为原始脉冲与第40个复制后脉冲的波形比较；

图5为原始脉冲波形、等效时间采样结果与方法恢复结果。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明提供的一种半导体光放大器有源光纤环增益误差平衡方法所依托的硬件结构如图1所示，环中半导体光放大器采用的是Kamelian公司生产的OPB-12-15-NCFA型半导体光放大器。控制半导体光放大器的控制模块使用Cyclone V GX（5CGXC4），通过对其内部时钟的设定，实现对半导体光放大器有源光纤环复制周期的调整。环内可控光延迟线选用Santec ODL-330型。有源光纤环输入输出耦合器与合波器采用OlsenTech OT-WFSC 1 × 2 PM 50:50耦合器及合波器。系统中辅助直流光源、光滤波器、环内可调光衰减器、可调滤波器与偏振控制器采用JDSU公司多应用平台控制器（MAP-280R）中的对应模块。其中辅助激光器进入环内的光功率由280R的衰减通道控制。隔离器集成在280R的滤波器模块当中。用于连接系统中各部件的保偏光纤需要具有较小的弯曲敏感度。本实施例采用康宁公司生产的低弯曲敏感保偏熊猫光纤。

实验中使用的不规则瞬态短光脉冲发生器选用了Agere公司的D2598T19型2.5Gb/s直接调制DFB激光器。该光源输出光脉冲的波长位于1562.1nm。我们利用了张弛效应，使其输出脉冲前沿剧烈地不规则震荡，从而便于充分验证半导体光放大器有源光纤环增益误差平衡方法的有效性。在半导体光放大器有源光纤环后端，接入一台HP-83480示波器用以观察脉冲波形。此外复制后的脉冲序列被送往长度为100m的高非线性光纤（长飞NL-1550）进行基于四波混频的光等效时间采样。采样后数据经PIN展宽后进入数据采集卡读入计算机中。

在半导体光放大器有源光纤环进行复制时，环内部的半导体光放大器主要起到平衡环内由输入输出与其他光无源器件引入的损耗。半导体光放大器增益与内部的载流子密度相关。由于环内半导体光放大器进行放大时，其偏置电流为常数，即单位时间内注入其有源区的电子密度不发生变化。而为了抑制该半导体光放大器的自发辐射噪声与载流子非线性波动，还在其一端注入较大幅度的辅助直流光。在以上条件的共同作用下，有源光纤环中半导体光放大器工作于过饱和状态，体现在增益远低于小信号增益、有源区载流子密度较低。当被复制脉冲行经有源光纤环进入到半导体光放大器中，其放大过程将消耗一定数量的载流子。而同时偏置电流也在向有源区补充载流子。如果消耗的载流子与补充的载流子相等，脉冲就可以无损放大。反之，由于脉冲幅度时变，脉冲各部分受到的增益不同，即发生形变。

虽然上述辅助直流光注入抑制方法无法完全达成载流子损耗-注入平衡。但是由于有较大辅助直流光注入，相对于没有辅助直流光的小信号放大状态，此状况下载流子密度在对脉冲放大过程中的极大值与极小值之差被降低。脉冲每一次经过半导体光放大器时，非线性增益的幅度仅与脉冲本身性态有关，其各部分所受的增益与其上一次行经半导体光放大器时相比变化不大，这为后处理方法提供了实施的前提。

结合图2，本发明提供的一种半导体光放大器有源光纤环增益误差平衡方法，其步骤为：

先向环内输入小幅度的测试光并逐渐加大，测得饱和功率与小信号增益两项实验值。由此进行参数拟合计算。积分增益通过对半导体光放大器总增益取对数得到，饱和能量E_sat通过对饱和功率反除载流子寿命得到。利用下列公式的静态条件，经计算得到：

，所谓静态条件指若输入光功率不发生改变，公式左侧导数项为零，其中，为载流子寿命，为输入脉冲时域包络，为脉冲时间。

对控制模块进行设定，令其复制周期为4ms。利用示波器观察半导体光放大器有源光纤环的ASE噪声输出曲线，得到环内噪声与时间相关的线性变化趋势（即噪声/时间曲线斜率）。

之后进行复制与光等效时间采样，实施例中脉冲复制40次，采样步进为12.5ps，采样时域范围为0-0.5ns，即脉冲变化较为剧烈的前沿部分。复制间隔为80微秒、以环内可调光延迟线匹配采样步进。由图3与图4中可见，由于有较大辅助直流光注入，所以各次脉冲之间的变化并不剧烈，所以满足方法的实施条件。在利用四波混频得到的采样结果中，根据前述噪声/时间曲线斜率，按照采样周期时序，可取出对应的自发放大噪声基线漂移值，之后在各次采样结果中减去该值。在完成基线校正后，即可利用处理好的数据实现增益误差平衡。

通常等效时间采样是在复制后的每一个脉冲上进行一次部分取样，第N次取样对应第N个复制后脉冲等效时基上波形的性态，该部分波形为原始波形经过N次增益放大后的性态，可表示成：

，该式对应输入脉冲时域包络的离散化，可以利用该式的显式格式对积分增益等进行时域对应的离散化。其中，为在时刻采样的总增益、为对应采样时基的原始脉冲波形、T为采样间隔。为一线性增加的自发放大辐射噪声，可以利用实验预先测得，并于结果中消去。将增益表示成积分增益随脉冲波形时域包络的变化形式，并将自发放大辐射噪声表示为积分增益、模场限制因子（）、自发辐射系数（）与有源光纤环（）噪声带宽的乘积形式，可得：

，由于半导体光放大器有源区载流子的密度随输入脉冲波形包络进行变化，所以积分增益的值也为一时间变化量。可以看出，展开后包含自发辐射系数的一项为一线性递增量，会在采样结果中产生基线漂移，可以通过预先测量结合后处理在结果中消去。

利用本领域周知的Agrawal半导体光放大器积分增益的时变关系公式：

，该公式为Agrawal公式，是半导体光放大器领域常用公式，该式用于求时变积分增益。

首先在采样得到的四十个数据点之前，补5个零值数据点作为恢复起点，这些归零点对应的积分增益为其饱和静态放大时的值。利用分段Hermite插值在各归零点之后填补9个过渡数据点。完成上述操作后，将拟合得到的参数带入Euler方法公式：

，并计算第一个数据采样点在第一圈的积分增益。

若使用RK方法，则代入公式：

，对于积分增益的初始值，可以选取在没有被复制脉冲带来之前的环内增益进行运算。上述方程中所对应的参数，可通过对脉冲失真进行对此实验测量之后使用拟合方法得到。利用该积分增益值与采样结果推得原始波形第一个采样点对应处的波形幅度。之后利用分段Hermite插值，在其后再填补10个过渡数据点。分段Hermite插值的公式为：

其中，P_N为第N个采样点，t_k为插值时基，为第j个采样结果，为第j+1个采样结果，为第j个采样点对应的时基，为第j+1个采样点对应的时基，为第j-1个采样点对应的时基。使用其他插值方式亦可，但需符合插值函数使用收敛条件。利用得到的结果，计算其经两次复制后对应波形下一个步进处的积分增益（计算第二个数据采样点在第一圈与第二圈的积分增益）。利用该积分增益值与采样结果推得原始波形第二个采样点对应处的波形幅度。之后利用分段Hermite插值，在其后再填补10个过渡数据点。以此类推，直到完成40个采样点的积分增益计算与波形回复为止。

简而言之，如果要获得第N个采样点对应的原始波形，先去除基线漂移，然后计算其在第1到N次复制时的积分增益，并移除这些积分增益。计算该处积分增益通过位于其前面的数据点构造的插值函数得到。本实施例对应的原始脉冲波形、等效时间采样结果与方法恢复结果如图5所示，由图中可以看出，由于非线性增益，依靠光等效时间采样获得的数据与原始波形存在偏差，尤其是在剧烈变化的前沿附近失真较大。经过本发明所提出方法的纠正，处理后的数据点已经基本接近原始波形。由此可见其可以有效地对有源光纤环脉冲复制器中的非线性增益进行平衡，提高采样数据精度。