直接调制光反馈半导体激光器产生超宽带信号*

刘明1)2)张明江1)2)3)† 王安帮1)2) 王龙生1)2) 吉勇宁1)2) 马喆1)2)

1)(太原理工大学，新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原 030024)

2)(太原理工大学光电工程研究所，太原 030024)

3)(东南大学，毫米波国家重点实验室，南京 210096)

(2012年8月29日收到;2012年10月9日收到修改稿)

1 引言

2002年，美国联邦通信委员会(FCC)容许了超宽带技术未经许可的商业应用，为了避免超宽带(UWB)信号对现有无线通信系统的干扰，FCC一方面将UWB系统的带宽限制在3.1—10.6 GHz频带内，另一方面将UWB信号的功率谱密度限定在-41.3 dBm/MHz以下[1].由于UWB技术拥有高速率、抗多径衰落、低功耗、强穿透力、高精度定位以及高安全性等特点，使其在无线通信、无线网络传感、穿墙雷达、智能交通、精确定位等众多领域有着广泛而重要的应用前景[2,3].为了拓展UWB无线通信，弥补高带宽、高频谱利用率的UWB信号在电域难以产生这一不足以及UWB信号在空间传输距离过短(一般为几米或十几米)这一应用限制，使得本地UWB系统能够与有线网络以及其他无线网络实现互联，2003年以来研究者们先后提出验证了超宽带技术和光纤传输技术于一体的新技术——光载超宽带无线(UWB-over- fiber)技术，UWB-over- fiber技术既能利用光纤的巨大带宽和低损耗传输，又能发挥超宽带无线通信灵活方便的优势，已成为目前无线通信领域研究开发的一个热点[4,5].在光域中直接产生UWB微波信号是实现UWB-over- fiber技术的核心问题，这样不仅可以避免额外的电-光转换，而且利用光学方法产生UWB信号还有低损耗、高带宽、抗电磁干扰等众多优点[4-6].

目前，国内外多家研究机构在光生UWB信号方面开展了工作，并取得了重要进展.2008年，Chen等[7]利用同步的偏振调制和双折射时间延迟的原理产生了多频带的UWB脉冲信号;Chang等[8]利用两路并行的马赫-曾德尔调制器产生了UWB脉冲信号.2009年，Pan和Yao[9]利用相位调制器和马赫-曾德尔干涉仪在光域内直接产生UWB脉冲;同年，Yu等[10]利用光注入分布反馈式半导体激光器产生了UWB信号.2010年，Juan和Lin[11]利用脉冲注入半导体激光器产生UWB脉冲信号;Zhang等[12]基于高非线性光子晶体光纤产生UWB脉冲信号;冯新焕等[13]利用保偏光纤布拉格光栅作为鉴频器产生UWB脉冲信号;Zhou等[14]利用高非线性光纤中的多重交叉相位调制以及多重的相位-强度调制转换产生UWB信号.2011年，Zhang等分别利用级联的马赫-增德尔调制器[15]和光纤环形振荡器[16]产生UWB脉冲信号.2012年，文献[17，18]利用带有微波光子滤波器的光电振荡器产生UWB脉冲信号，基于级联的微波光子滤波器产生UWB脉冲信号;同年，Luo等[19]利用半导体光放大器产生UWB脉冲信号.上述研究主要集中于产生满足美国联邦通信委员会关于室内无线通信频谱辐射掩模(FCC Indoor Mask)的高斯脉冲一阶导数或高阶导数的UWB冲激脉冲信号(impulse radio，IR)，其频率范围限定于3.1—10.6 GHz.然而，迅猛发展的应用于不同环境下的无线通信系统需要不同频段、不同带宽且功率谱平滑的超宽带信号，因此在光域产生中心频率可调谐、频谱带宽可控的UWB信号，将大大拓展光载超宽带无线技术的应用领域.2010年2月，Khan等[20]提出了一种基于光子学微腔的UWB任意波形生成技术，实现了UWB信号中心频率的大范围调谐.2010年11月，Peled等[21]提出了基于受激布里渊散射放大自发辐射的类噪声超宽带信号产生方法，该方法具有信号中心频率可调节且带宽可变化的优点.

在前期的工作中，我们提出并论证了利用10 GHz的电吸收调制器对基于半导体激光器的非线性效应产生的混沌光进行外调制产生混沌UWB脉冲信号的方案[22-24].文献[22]中提出并论证了对光反馈半导体激光器产生的混沌光进行外调制产生超宽带脉冲信号;文献[23，24]分别从理论和实验论证了对光反馈外加光注入半导体激光器产生的混沌光进行外调制产生混沌UWB脉冲信号.虽然这两种方法利用外调制混沌激光的方法在光域直接产生了超宽带信号且实现了UWB信号频谱的-10 dB带宽和中心频率可调谐，但前者所产生的超宽带信号的频谱并没有很好地满足FCC的要求，后者虽然较好高地满足了FCC频谱模板的要求，提高了频谱利用率.但外光注入必然会使得系统复杂以及增加系统的成本，且这两种方法所用的电光调制器也会提高系统复杂度、增加系统的成本.本文提出并论证了一种简单、经济的方案——无须额外的电光调制器，直接电流调制光反馈半导体激光器产生混沌UWB脉冲信号，所产生的混沌UWB脉冲信号不仅具有可控的频率带宽和可调谐的中心频率，而且在未经任何色散补偿情况下，在频谱的形状几乎没有发生变化的条件下，实现了34.08 km光纤传输，相比于我们前期的工作[25]，在UWB信号的传输距离与传输性能上有了明显的改善.

2 理论模型及模拟结果

2.1 理论模型

直接调制光反馈半导体激光器产生超宽带脉冲信号的系统模型如图1所示.混沌激光源由一个分布反馈式半导体激光器(DFB-LD)和一个反射系数可调的光纤反射镜(FM)组成.在不同的偏置电流和反馈强度下，激光器的输出将会出现单周期态、倍周期态、混沌态，在适当的条件下可以使激光器输出混沌激光，通过调节偏置电流和反馈强度可控制该混沌激光的频谱特性.将一列速率为960 Mb/s的方波信号直接对此光反馈半导体激光器进行调制，生成输出速率可变的纳秒量级的混沌超宽带光脉冲信号(chaotic-UWB pulses).当脉冲持续时间T满足T＞1/2ΔF，(ΔF为原始混沌信号的-10 dB带宽)时，混沌脉冲信号的带宽将与原始连续混沌信号的带宽ΔF一致[26].

图1 直接调制光反馈半导体激光器产生超宽带脉冲信号的系统模型 DFB-LD，分布反馈式半导体激光器;FM，光纤反射镜

直接电流调制光反馈半导体激光器的理论模型可由下列的光场复振幅E和载流子N的速率方程组来描述：

式中E和N分别表示激光器的电复振幅和载流子密度，kf为反馈系数，反馈强度为10lg(k2f)dB，为了与实验系统相对应，反馈延时设为τ=28 ns.模拟中用到的其他参数为：透明载流子浓度 N0=0.445×106µm-3，阈值电流 Ith=22 mA，小信号增益系数 g=1.414×10-3µm3·ns-1，载流子寿命 τN=2.5 ns，光子寿命 τp=1.17 ps，激光在腔内往返周期τin=7.38 ps，线宽增强因子α=5.0，增益饱和系数ε=5×10-5µm3，有源层体积V=324µm3.方波信号直接对激光器进行电流调制时，I=Ith+1.5×Ith×N(“0”或 “1”)，当调制的方波信号为“0”时，激光器的偏置电流为阈值电流，此时激光器的输出光功率极弱;当调制的方波信号为“1”时，激光器的偏置电流为2.5倍的阈值电流，此时激光器输出为混沌脉冲序列.

2.2 数值模拟结果

图2(a)为偏置电流2.5Ith，反馈强度-12 dBm，未加方波信号调制时的混沌脉冲的频谱图;图2(b)，(c)，(d)所示为当偏置电流 2.5Ith，反馈强度-12 dBm，调制速率960 Mb/s时混沌UWB脉冲信号时序、频谱和光谱.直接对混沌激光器进行调制后输出的混沌UWB脉冲序列如图2(b)所示，从插图中可以看出混沌UWB脉冲序列的长度0.52 ns，大约包含了8个脉冲，每一个脉冲的半高全宽约为32.5 ps.在图2(c)中，蓝色的线为混沌UWB脉冲信号的频谱，其-10 dB带宽可以达到6.8 GHz，中心频率6.9 GHz，相对带宽为102%，红色线为FCC室内频谱模板，产生的混沌UWB脉冲信号的频谱较好地满足了FCC室内模板的要求.图2(d)为直接调制光反馈半导体激光器的光谱图.

为了分析直接调制光反馈半导体激光器的频谱响应特性，探究偏置电流、反馈强度对-10 dB带宽和中心的频率的影响，数值模拟中，固定反馈强度为-12 dBm，调节偏置电流，从1.2Ith到1.8Ith到2.5Ith，结果如图3(a)—(c)所示，随着偏置电流的逐渐增大，-10 dB带宽逐渐从4.2 GHz增加到5.2 GHz，直到6.8 GHz，中心频率逐渐从5.8 GHz增大到6.4 GHz，直到6.9 GHz;固定偏置电流为2.5Ith，调节反馈强度分别为 -24，-18，-12 dBm，随着反馈系数的逐渐增大，-10 dB带宽逐渐增加为 5.6，6.4，6.8 GHz，中心频率逐渐从 6.1 GHz 增大到6.6 GHz，直到6.9 GHz，结果如图3(d)—(f)所示.

图2 (a)为偏置电流为2.5Ith，反馈强度为-12 dBm时的未进行调制的混沌脉冲的频谱图;(b)，(c)，(d)分别为偏置电流2.5Ith，反馈强度-12 dBm，调制速率960 Mb/s的混沌UWB脉冲的时序图、频谱图、光谱图

图3 混沌UWB脉冲在不同状态下的频谱图 (a)偏置电流为1.2Ith，反馈强度为-12 dBm时的频谱图;(b)偏置电流为1.8Ith，反馈强度为-12 dBm时的频谱图;(c)偏置电流为2.5Ith，反馈强度为-12 dBm时的频谱图;(d)偏置电流为2.5Ith，反馈强度为-24 dBm时的频谱图;(e)偏置电流为2.5Ith，反馈强度为-18 dBm时的频谱图;(f)偏置电流为2.5Ith，反馈强度为-12 dBm时的频谱图

偏置电流和反馈强度是使得混沌UWB信号的频谱发生变化的重要影响因素，当激光器进入混沌状态，它的本征振荡，即弛豫振荡将变为非阻尼的状态，混沌激光的主要能量在频域上将分布在弛豫振荡频率附近，这使得频谱的中心频率大致与激光器的弛豫振荡频率一致.随着偏置电流的增加，加剧了激光模式间的相互作用，导致光谱展宽[27]，从而频谱的中心频率和带宽逐渐增大;反馈强度的增强，增加了混沌态的复杂度，也会使得混沌激光的中心频率和频谱带宽进一步增加.

3 实验装置和实验结果

3.1 实验装置

图4为混沌超宽带信号产生的实验装置图，一个商用的分布反馈式半导体激光器(DFB-LD)，通过外加光纤环反馈系统用来产生混沌激光，输出光经一个50：50的耦合器后分为两路，其中一路作为输出，另一路作为反馈光源，光衰减器(VA)和两个偏振控制器(PC1和PC2)分别用来控制反馈光的强度和偏振状态.利用本课题组研制的码率可调的随机数发生器(NRZ-RDG)[28]产生的非归零码随机序列直接调制半导体激光器产生混沌UWB光脉冲信号，混沌UWB光脉冲经由一个带宽为45 GHz的光电探测器转化为混沌UWB电脉冲，为了分析UWB信号的传输特性，生成的UWB信号的时序、功率谱以及对应的光谱分别用6 GHz的实时示波器(Lecroy SDA8Zi-A)，26.5 GHz的频谱分析仪(Agilent N9010A)和光谱仪(Agilent 86140B)进行观测.

3.2 混沌超宽带信号的产生

图4 实验装置图 LD，半导体激光器;RNG，随机数发生器;PC，偏振控制器;OC，光环行器;VA，可调光衰减器;SO，光隔离器;EDFA，掺铒光纤放大器;PD，光电探测器;OSA，光谱分析仪;ESA，频谱分析仪;OSC，示波器

图5 (a)直接调制激光器的随机码的时序;(b)实验产生的混沌UWB脉冲信号的频谱;(c)时序;(d)光谱

混沌激光是激光器输出不稳定性的一种特殊形式，此时尽管激光器的动态特性同样可以由确定的速率方程来描述，但是激光器的输出(光强、波长、相位)在时域上不再是稳态，而是类噪声的随机变化，半导体激光器受到反馈光的扰动，其输出会出现从低频起伏到混沌[29]，从倍周期到混沌的演变过程.实验中，将半导体激光器的偏置电流和反馈强度调节到适当的条件下，使得激光器产生混沌振荡后输出连续的混沌光，而后利用随机序列直接对激光器进行内调制，产生混沌脉冲序列，每一个混沌脉冲序列包含数十个幅度随机起伏的混沌脉冲.实验中，激光器的阈值电流为16 mA，光纤反馈环长为5.6 m.为了产生符合FCC室内模板要求的频谱，通过优化偏置电流、反馈强度，调制速率来实现，图5所示为直接调制半导体激光器的随机码的时序图以及当偏置电流为32 mA，反馈强度为-4 dBm，调制速率为960 Mb/s时混沌UWB脉冲信号的频谱图、时序图、调制前后的光谱图.图5(a)为用于直接半导体激光器的随机码的时序图;在图5(b)中，蓝色的线为所产生混沌UWB脉冲信号的频谱，其-10 dB带宽可以达到9.6 GHz，相对带宽为155%，中心频率为6 GHz，红色的线为FCC室内频谱模板，灰色的线为频谱仪基底噪声，可以看出实验产生的混沌UWB脉冲信号的频谱较好地满足了FCC室内模板的要求;直接调制光反馈半导体激光器输出的混沌UWB脉冲序列如图5(c)所示，从插图中可以看出混沌UWB脉冲序列的长度为4 ns，大约包含了20个脉冲，所以每一个脉冲的半高全宽为100 ps.通过温度控制器将分布反馈式半导体激光器的中心波长稳固在1549.572 nm，-20 dB的线宽为0.2 nm，如图5(d)所示.

3.3 偏置电流、反馈强度和调制速率对-10 dB带宽和中心频率的影响

实验研究了偏置电流、反馈强度、调制速率对所产生的混沌UWB信号的频谱特性的影响，实现了混沌UWB信号的频谱带宽可控、中心频率可调谐输出.实验中，固定反馈强度为-4 dBm，调制速率为960 Mb/s，调节偏置电流，如图6(a)—(c)所示，当偏置电流分别为1.4Ith，1.7Ith，2.0Ith时，对应的混沌UWB信号的-10 dB带宽分别为7.8，8.7，9.6 GHz，中心频率分别为 4.9，6.2，6.6 GHz;UWB 信号的-10 dB带宽和中心频率与偏置电流的关系曲线如图6(d)所示，随着偏置电流的逐渐增大(1.1Ith—2.0Ith)，-10 dB 带宽逐渐增加 (5.6—9.6 GHz)，中心频率逐渐增大(3.8—6.6 GHz).

固定偏置电流为2.0Ith，调制速率为960 Mb/s，调节反馈强度，如图7(a)—(c)所示.当反馈强度分别为-12，-8，-4 dBm时，对应的混沌UWB信号的-10 dB带宽分别为8.0，8.75，9.6 GHz，中心频率分别为4.2，5.7，6.6 GHz;混沌UWB信号的-10 dB带宽和中心频率与反馈强度的关系曲线如图7(d)所示，随着反馈强度的逐渐增大(-14.0—4.0 dBm)，-10 dB带宽逐渐增加(7.8—9.6 GHz)，中心频率逐渐增大(4.0—6.6 GHz).

固定偏置电流为32 mA，反馈强度为-4 dBm，改变调制速率，当调制速率分别为360，720，960 Mb/s时的频谱图如图8(a)—(c)所示;UWB信号的-10 dB带宽和中心频率与调制速率的关系曲线如图8(d)所示，随着调制速率的逐渐增大(240—960 Mb/s)，-10 dB带宽会出现小幅度的增加，中心频率几乎没有发生变化，这和文献[23]中表述是相一致的.随着调制速率的增大，混沌脉冲序列的宽度逐渐变窄，导致混沌UWB信号的频谱出现小幅度的展宽，而中心频率几乎没有变化.

图6 (a)，(b)，(c)为偏置电流分别为22，27，32 mA的实验频谱图;(d)-10 dB带宽和中心频率随偏置电流变化的实验曲线图

图7 (a)，(b)，(c)反馈强度分别为-12，-8，-4 dBm的实验频谱图;(d)-10 dB带宽和中心频率随反馈强度变化的实验曲线图

图8 (a)，(b)，(c)调制速率分别为360，720，960 Mb/s的实验频谱图;(d)UWB信号的频谱的-10 dB带宽和中心频率随调制速率变化的实验曲线图

如果进一步增大偏置电流和反馈强度，-10 dB带宽和中心频率将会继续增加，但是产生的混沌UWB脉冲信号的频谱将超出FCC室内频谱模板的限制.直接调制光反馈半导体激光器会出现很丰富的动态特性，例如周期振荡、低频振荡、混沌[30-32].本文中，直接调制光反馈半导体激光器产生混沌UWB信号，我们的研究仅限于偏置电流从1.1Ith到2.0Ith，反馈强度从-14 dBm到-4 dBm，调制速率从240 Mb/s到960 Mb/s这样的范围内，如果三个参量超出上述的变化范围，直接调制光反馈半导体激光器的输出特性将会出现其他的动态特性.

图9 在不同长度的传输光纤下，混沌UWB信号的频谱形状变化趋势的实验曲线图

3.4 混沌UWB信号的传输特性

进一步研究了所产生的混沌UWB信号在光纤中的传输特性，检测了混沌UWB信号频谱形状随传输距离的变化趋势.如图9所示，设定偏置电流为32 mA，反馈强度为-4 dBm，调制速率为960 Mb/s，将混沌光脉冲经EDFA放大后进行长距离的光纤传输，可以看到分别经10.14，23.94，34.08 km的光纤传输后，混沌UWB信号的频谱形状几乎没有变化，只是在能量上因为光纤的传输损耗有着不同幅度的衰减，这是因为频谱形状的变化主要取决于混沌UWB脉冲的形状变化，而实验中，对于直接调制的光反馈DFB激光器的输出光的线宽相对较窄，在光纤传输中，窄线宽的混沌UWB脉冲受光纤色散的影响较小，所以光纤色散效应并没有导致UWB信号的脉冲形状发生明显的畸变，从而使得混沌UWB信号的频谱几乎没有变化，这意味着此系统下所产生的混沌UWB信号受光纤色散的影响非常小.此外，在混沌UWB信号的功率谱中没有出现离散的谱线，这说明无需引入抖动[33]或者优化调制格式[34]来缓解由于离散的功率谱所带来的消极影响，降低了系统的成本和复杂度.

4 结论

本文提出并论证了一种有效、经济的方案产生混沌UWB信号——直接电流调制光反馈半导体激光器产生混沌UWB信号.理论分析了偏置电流、反馈强度对混沌UWB脉冲信号频谱的-10 dB带宽和中心频率的影响.研究表明，混沌UWB脉冲频谱的-10 dB带宽分别随着偏置电流的逐渐增大和反馈强度的逐渐增强而逐渐增加;中心频率分别随着偏置电流的逐渐增大和反馈强度的逐渐增强而逐渐增大.实验中，直接在光域产生了速率为960 Mb/s的混沌UWB脉冲信号，其频谱的中心频率为6 GHz，-10 dB带宽为9.6 GHz，相对带宽为155%.通过调谐偏置电流和反馈强度，实现了混沌UWB信号的中心频率和-10 dB带宽大范围可调.此外，经过长距离(34.08 km)的光纤传输后，频谱的形状几乎没有发生变化，这意味着光纤色散对所产生的混沌UWB信号的几乎没有影响，而且混沌UWB信号的功率谱中没有出现离散的谱线，这说明可以忽略由于离散的功率谱所带来的消极影响，无需优化调制格式.这使得所提出的系统将在未来的光载超宽带无线接入网中拥有潜在的应用前景.

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