外部光注入自旋VCSEL周期振荡毫米波信号产生装置和方法

外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置和方法
技术领域
1.本发明涉及光学技术领域，尤其是指一种外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置和方法。


背景技术：

2.毫米波具有频段较高，频谱较宽，有较好的传输带宽和速率等特点，所以应用毫米波传输可以满足无线通讯容量需求的增加以及解决目前微波频段带宽有限的问题。无论是光载射频传输系统(rof)，还是代表科研前端的军用雷达，高质量的微波毫米波信号源都在其中起到了非常重要的作用。光生微波技术则是利用光子学方法产生微波信号，由于其具有高频、能够在光纤中传输、不受电磁干扰、易于进行波分复用等优点，近年来受到人们的广泛关注和高度研究。常见的光生微波技术方案主要有外部调制法、光外差法、直接调制法、光电振荡器技术和单周期振荡技术。这些光生微波技术方案具有各自的优势，其中基于单周期振荡动力学产生的微波信号具有高频、单边带光谱结构特征、频率可调谐范围较大等优点。例如：利用连续波光注入半导体激光器产生单周期振荡，并使用镜面反馈稳定微波信号的方案(参见[j.p.zhuang and s.c.chan,"phase noise characteristics of microwave signals generated by semiconductor laser dynamics,"opt.express 23,2777-2797(2015).])；基于光注入垂直腔面发射激光器的单周期振荡产生可调的微波信号方案(参见[s.ji,y.hong,p.s.spencer,j.benedikt,and i.davies,"broad tunable photonic microwave generation based on period-one dynamics of optical injection vertical-cavity surface-emitting lasers,"opt.express 25(17),19863-19871(2017).]).基于自由运行的自旋垂直腔面发射激光器单周期振荡的微波信号产生方案(参见[y.huang,p.zhou,and n.li,"broad tunable photonic microwave generation in an optically pumped spin-vcsel with optical feedback stabilization,"opt.lett.46(13),3147-3151(2021)]).
[0003]
尽管目前基于单一自旋vcsel的毫米波产生方案具有结构简单，频率调节范围大等优势，但其依赖于外部应力去调节双折射率。然而在实际应用中，双折射的调节具有一定的难度，并且难以实现连续可调，不足以满足更多的应用需求。


技术实现要素：

[0004]
为解决上述技术问题，本发明提供了一种外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置和方法。
[0005]
一种外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置，包括：
[0006]
信号产生模块，所述信号产生模块包括主激光器和从激光器，所述主激光器发出的光束注入所述从激光器产生单周期振荡信号；
[0007]
第一光偏振控制器，所述第一光偏振控制器用于控制所述单周期振荡信号的偏振态，产生偏振光束；
[0008]
反馈模块，所述反馈模块将所述偏振光束分为第一支路光束和第二支路光束，所述第一支路光束反馈至所述从激光器；
[0009]
光电转换模块，所述光电转换模块接收所述第二支路光束并拍频产生毫米波信号；
[0010]
其中，所述从激光器为自旋vcsel，所述毫米波信号的频率为所述主激光器和所述从激光器的失谐频率与双折射率之和。
[0011]
优选的，所述从激光器为自旋载流子注入的光泵浦自旋vcsel。
[0012]
优选的，所述自旋载流子注入的光泵浦自旋vcsel的泵浦源为980nm连续波输出。
[0013]
优选的，所述主激光器发出的光为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光。
[0014]
优选的，所述反馈模块包括：光耦合器、第一反馈回路、第二反馈回路和光环形器，所述第一反馈回路和第二反馈回路均包括依次连接的延迟光纤、可变衰减器、第二光偏振控制器；所述光耦合器将所述偏振光束分为第一支路光束和第二支路光束；其中，所述第一支路光束分为上支路光束和下支路光束，所述上支路光束和所述下支路光束分别经过所述第一反馈回路和所述第二反馈回路后经所述光环形器注入所述从激光器。
[0015]
优选的，所述第一反馈回路和所述第二反馈回路包含的延迟光纤的长度不等。
[0016]
优选的，所述光电转换模块包括：
[0017]
光隔离器，所述光隔离器用于接收所述第二支路光束，并保持单向传输；
[0018]
光电探测器，接收由所述光隔离器输出的所述第二支路光并进行拍频产生毫米波信号。
[0019]
一种外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生方法该方法通过如上所述的外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置实现，该方法包括：
[0020]
s1：主激光器发出光注入从激光器，所述从激光器发出单周期振荡信号；
[0021]
s2：控制单周期振荡信号的偏振态，产生偏振光束；
[0022]
s3：将偏振光束分别分为两束光路，其中一路光束反馈至从激光器；
[0023]
s4：另一路光束拍频产生毫米波信号。
[0024]
优选的，步骤s1中通过改变主激光器的注入强度、中心频率，使得毫米波信号频率范围提升。
[0025]
优选的，步骤s2中其中一路光束反馈至从激光器前对其进行增加时延、进行可变衰减、控制偏振态处理。
[0026]
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0027]
本发明所述的外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置和方法产生将主激光器发出的光注入至从激光器产生频率失谐，使得本发明产生的毫米波信号频率为频率失谐与双折射率之和。与光注入一般vcsel相比本发明具有更高的频率；与自旋激光器系统相比本发明具有连续可调的特性。同时本发明采用增加反馈回路的设计实现对毫米波信号的线宽进行压缩和相位的进一步稳定。
附图说明
[0028]
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0029]
图1为本发明的外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置示意图。
[0030]
图2为本发明的时序图。
[0031]
图3为本发明的光谱图。
[0032]
图4为本发明的频谱图。
[0033]
说明书附图标记说明：1、从激光器；2、主激光器；3、第一光偏振控制器；4、光环形器；5、第二光偏振控制器；6、可变衰减器；7、延迟光纤；8、光耦合器；9、光隔离器；10、光电探测器。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0035]
如图1所示，本发明提供了一种外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置，包括：
[0036]
信号产生模块，所述信号产生模块包括主激光器2和从激光器1，所述主激光器2发出的光束注入所述从激光器1产生单周期振荡信号；
[0037]
第一光偏振控制器3，所述第一光偏振控制器3用于控制所述单周期振荡信号的偏振态，产生偏振光束；
[0038]
反馈模块，所述反馈模块将所述偏振光束分为第一支路光束和第二支路光束，所述第一支路光束反馈至所述从激光器1；
[0039]
光电转换模块，所述光电转换模块接收所述第二支路光束并拍频产生毫米波信号；
[0040]
其中，所述从激光器1为自旋vcsel，所述毫米波信号的频率为所述主激光器2和所述从激光器1的失谐频率与双折射率之和。
[0041]
在一个可选的实施例中，所述从激光器1为自旋载流子注入的光泵浦自旋vcsel。优选的，所述自旋载流子注入的光泵浦自旋vcsel的泵浦源为980nm连续波输出。
[0042]
在一个具体的实施例中，所述主激光器2发出的光为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光。
[0043]
在一个具体的实施例中，所述反馈模块包括：光耦合器8、第一反馈回路、第二反馈回路和光环形器4，所述第一反馈回路和第二反馈回路均包括依次连接的延迟光纤7、可变衰减器6、第二光偏振控制器5；所述光耦合器8将所述偏振光束分为第一支路光束和第二支路光束；其中，所述第一支路光束分为上支路光束和下支路光束，所述上支路光束和所述下支路光束分别经过所述第一反馈回路和所述第二反馈回路后经所述光环形器4注入所述从激光器1。在本发明的一个实施实例中，所述第一反馈回路和所述第二反馈回路包含的延迟光纤7的长度不等。例如第一反馈回路包含的延迟光纤7的长度小于第二反馈回路包含的延迟光纤7的长度。在一个可选的实施例中，所述反馈回路为全光反馈或电光反馈，其传输形式为光纤传输或空间光传输。本实施例通过采用反馈回路存储相位信息，施加反馈后，单周期振荡模式被锁定到反馈回路的外腔模式，降低了激光器信号引起的相位噪声，进一步压缩了线宽，从而获得双路、频率高、大宽带和灵活可调谐的毫米波信号。
[0044]
在一个具体的实施例中，所述光电转换模块包括：
[0045]
光隔离器9，所述光隔离器9用于接收所述第二支路光束，并保持单向传输；
[0046]
光电探测器10，接收由所述光隔离器9输出的所述第二支路光并进行拍频产生毫米波信号。
[0047]
通过数值仿真模拟了所述的激光器a注入光泵自旋vcsel产生单周期振荡波形，建立速率方程如下：
[0048][0049][0050][0051][0052][0053][0054]
其中，e
x
和ey表示线性极化场的振幅，和表示相位，n
+
和n-表示归一化载流子密度，并可用于表示归一化载波变量n和m分别为密度，并可用于表示归一化载波变量n和m分别为γs表示耦合自旋向上和自旋向下载流子的自旋弛豫率，γ
p
为双折射率，γa表示线性二向色性，κ为光场衰减速率，γ为载流子重组速率，α为线宽增强系数，η表示总的归一化泵浦率，定义为η＝η
+
+η-，β
sp
表示自发辐射因子，ξ
x,y
为高斯白噪声，τ
1，2
为第一反馈回路、第二反馈回路的反馈时延，k
f1,2
为第一反馈回路、第二反馈回路的反馈强度，f0为激光器工作频率，。椭圆偏振度p定义为e
injx
和e
injy
表示注入信号的场振幅，δ
x
和δy则是对应的相位，两个场的关系可通过喷射角θ
p
来表示，e
injx
＝e
injy
tanθ
p
，p
inj
为注入水平，定义为其中δω为失谐频率，定义为光注入角频率ω
inj
与自旋vcsel的偏振x分量(ω
x
＝αα
a-γ
p
)和y分量(ωy＝γ
p-αγa)之间的中频之差。
[0055]
仿真中各参数取值为：κ＝250ns-1
、α＝3、γ＝1ns-1
、γs＝63ns-1
、γa＝0、γ
p
＝ns
‑1、η＝2、β
sp
＝10-5
、k
inj
＝150ns-1
、θ
p
＝45
°
、δ＝90
°
、δω＝-55ghz。图2为右旋圆偏振光注入光泵自旋vcsel产生的单周期振荡信号波形，图3是右旋圆偏振光注入情形下的输出单周期振荡信号的光谱，图中可以看出主激光器2的工作频率和从激光器1的工作主频之差为-25ghz，双折射率为30πns-1
，通过拍频可以产生频率55ghz(δω+γ
p
/π)的微波信号。图4为基于本发明方法及装置产生的微波频谱，从图4(a)中在没有外部光注入的情况下，毫米波线宽约为3.7mhz，而在加入了外部光注入后，毫米波的线宽压缩到了10khz，由此通过外部光注入的方式获得了高频率、窄线宽的高质量光子微波信号。
[0056]
本发明还提供了一种外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生方法，该方法通过如上述所述的外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置实现，可与上文描述的一种外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置相互对应参照，该方法包括：
[0057]
s1：主激光器2发出光注入从激光器1，所述主激光器2发出单周期振荡信号；
[0058]
s2：控制单周期振荡信号的偏振态，产生偏振光束；
[0059]
s3：将偏振光束分别分为两束光路，其中一路光束反馈至从激光器1；
[0060]
s4：另一路光束拍频产生毫米波信号。
[0061]
在一个具体的实施例中，步骤s1中通过改变主激光器2的注入强度、中心频率，使得毫米波信号频率范围提升。
[0062]
在一个具体的实施例中，步骤s2中其中一路光束反馈至从激光器前对其进行增加时延、进行可变衰减、控制偏振态处理。
[0063]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于，包括：信号产生模块，所述信号产生模块包括主激光器和从激光器，所述主激光器发出的光束注入所述从激光器产生单周期振荡信号；第一光偏振控制器，所述第一光偏振控制器用于控制所述单周期振荡信号的偏振态，产生偏振光束；反馈模块，所述反馈模块将所述偏振光束分为第一支路光束和第二支路光束，所述第一支路光束反馈至所述从激光器；光电转换模块，所述光电转换模块接收所述第二支路光束并拍频产生毫米波信号；其中，所述从激光器为自旋vcsel，所述毫米波信号的频率为所述主激光器和所述从激光器的失谐频率与双折射率之和。2.根据权利要求1所述的外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于，所述从激光器为自旋载流子注入的光泵浦自旋vcsel。3.根据权利要求2所述的外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于，所述自旋载流子注入的光泵浦自旋vcsel的泵浦源为980nm连续波输出。4.根据权利要求1所述的外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于，所述主激光器发出的光为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光。5.根据权利要求1所述的外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于，所述反馈模块包括：光耦合器、第一反馈回路、第二反馈回路和光环形器，所述第一反馈回路和第二反馈回路均包括依次连接的延迟光纤、可变衰减器、第二光偏振控制器；所述光耦合器将所述偏振光束分为第一支路光束和第二支路光束；其中，所述第一支路光束分为上支路光束和下支路光束，所述上支路光束和所述下支路光束分别经过所述第一反馈回路和所述第二反馈回路后经所述光环形器注入所述从激光器。6.根据权利要求5所述的外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于，所述第一反馈回路和所述第二反馈回路包含的延迟光纤的长度不等。7.根据权利要求6所述的外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于，所述光电转换模块包括：光隔离器，所述光隔离器用于接收所述第二支路光束，并保持单向传输；光电探测器，接收由所述光隔离器输出的所述第二支路光并进行拍频产生毫米波信号。8.一种外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生方法，其特征在于，该方法通过如权利要求1-7所述的外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生装置实现，该方法包括：s1：主激光器发出光注入从激光器，所述从激光器发出单周期振荡信号；s2：控制单周期振荡信号的偏振态，产生偏振光束；s3：将偏振光束分别分为两束光路，其中一路光束反馈至从激光器；s4：另一路光束拍频产生毫米波信号。9.根据权利要求8所述的外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生方法，其特征在于，步骤s1中通过改变主激光器的注入强度、中心频率，使得毫米波信号频率范围提升。10.根据权利要求8所述的外部光注入自旋vcsel周期振荡毫米波信号产生方法，其特
征在于，步骤s2中其中一路光束反馈至从激光器前对其进行增加时延、进行可变衰减、控制偏振态处理。

技术总结
本发明涉及一种外部光注入自旋VCSEL周期振荡毫米波信号产生装置和方法。本发明的外部光注入自旋VCSEL周期振荡毫米波信号产生装置和方法将主激光器发出的光注入至从激光器，使得本发明产生的毫米波信号频率为主从激光器的频率失谐与双折射率之和。与光注入一般VCSEL相比本发明具有更大的频率范围；与自旋激光器系统相比本发明具有连续可调的特性。同时本发明采用增加反馈回路的设计实现对毫米波信号的线宽进行压缩和相位的进一步稳定。波信号的线宽进行压缩和相位的进一步稳定。波信号的线宽进行压缩和相位的进一步稳定。


技术研发人员：戈杉杉 戈静怡 李念强 周沛
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/8/1