CN102354073A - 基于耦合腔垂直腔面发射激光器宽带信号慢光可调延时器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合腔垂直腔面发射激光器宽带信号慢光可调时延器。本发明的方法包括：通过改变VCSEL一侧DBR的结构，构造无缘腔和和有缘腔相耦合的耦合腔，可以有效地扩展器件的延时带宽。本发明技术方案能够通过调节CC-VCSEL的偏置电流、输入信号光功率或波长，有效调节宽带信号的慢光延时。本发明装置具有室温条件下工作、操作简单、易于集成等优点。

Description

基于耦合腔垂直腔面发射激光器宽带信号慢光可调延时器

技术领域

本发明涉及全光分组交换网络中的光缓存、光学传感、图像处理等技术领域领域，具体涉及光纤通信***中宽带信号慢光可调延时器领域。

背景技术

当今，人类的生产生活不断向着数字化、信息化的方向迈进，亟待实现准确、高速、大容量的信息存储和传输。传统的通信技术越来越无法满足人们的这一需求，信息的全光存储和传输逐渐成为了现今关注的热点。

目前，在光存储领域控制光脉冲的缓存长度和群速度都可以实现信息的存储。根据这两种方式，人们逐渐探索实现全光存储的方案。1991年，I.Chlamtac等人提出了基于光纤延迟线+光开关的存储方案，它利用光纤的延迟特性配合光开关来调节延迟时间，就构成了“交换延迟线”。这种结构的光纤缓存器，是以光信号经历不同长度的光纤路径来调节光信号的延迟时间的，它结构复杂并且不具备读写的功能，因此理论上不是真正意义的缓存器。

同年，斯坦福大学利用提出的电磁诱导透明(EIT)技术，首次在Sr原子中观察到慢光延时现象。随后Hau，Harris等人于1999年利用利用接近绝对零度的钠原子蒸汽作为介质，将光速减慢到17m/s。这些成果虽然都曾一度引起轰动，但是离实际应用相去甚远，因为将Na原子等气体原子冷却到纳开量级的温度非常困难，而且耗资巨大如果能在室温固体中实现超慢光速，其应用才显得更加现实。

随后Chang-Hasnain等人首次观测到不同频率的正弦信号能够在VCSELs中独立产生延迟；随后P.C.Peng等人又研究了信号的调制频率对延迟时间的影响。在对此方法的研究和时间过程中，本发明的发明人发现：当信号与VCSEL的中心频率产生谐振时延迟时间最大，随着信号频率与谐振频率差值的增大，信号延迟量迅速下降。这一现象反映出VCSEL的延时谱线具有较尖锐的峰值和较窄的带宽，造成这一现象的原因是由于高反射率DBR构成的谐振腔导致了延时带宽受限于F-P腔的线宽，这种频谱特性非常容易导致传输信号的失真，从而大大的限制了带宽信号在VCSEL中的慢光延时，进而影响VCSEL作为光存储器的发展。因此，如何优化器件的延时带宽成为目前亟待需要解决的问题。

发明内容

鉴于以上陈述的已有技术的不足，本发明旨在提供一种的耦合腔结构VCSEL慢光可调时延器，能够扩展延时带宽，为宽带信号慢光延时提供条件。

本发明采用的技术方案是：一种基于耦合腔垂直腔面发射激光器宽带信号慢光可调时延器，包括：伪随机二进制序列发生器(PRBS源)，可调谐激光器，马赫增德尔调制器，偏振控制器，可调光衰减器，光耦合器，光功率计，光环路器，耦合腔垂直腔面激光器(CC-VCSEL)和直流电源。其特征在于，通过改变垂直腔面发射激光器一侧DBR的结构，构造无缘腔与有缘腔相耦合的耦合腔，利用该耦合腔扩展器件的延迟带宽，从而使器件适于宽带信号的慢光延时。处理步骤包括：进入CC-VCSEL的激光束首先从可调谐激光器中发射，经过马赫增德尔(Mach-Zehnder)调制器后，调制生成PRBS信号，随后信号经过偏振控制器和光衰减器后被分为两路，一路进入CC-VCSEL，另一路进入光功率计进行功率监测。

上述技术方案可以看出，由于本发明实施采用耦合腔垂直腔面发射激光器实现宽带信号的慢光延时，因此通过改变VCSEL顶部DBR的结构构造无源腔，由于顶部无源腔的存在，反射率在信号频谱范围内不再是一个常数，而是随着频率变化的量，并且在谐振频率处出现明显的凹谷。这是因为顶部膜层结构改变，其微腔的选频特性也发生变化，该结构对谐振频率处信号的反射率迅速减小，这一变化降低了谐振频率处信号的延迟时间，同时由于反射谷谱陡峭边缘的存在进一步提高了谐振频率附近信号的延时量，因此相应的延时曲线与单腔VCSEL延时谱线相对比，延时带宽在更广的频谱范围内出现了扩展，并且顶部趋于平坦，这一变化使CC-VCSEL更合适于宽带信号的传输。基于CC-VCSEL的宽带信号慢光可调延时器具有处理高速率高带宽信号的能力，并且延时量可以通过改变CC-VCSEL的偏置电流、信号光的功率和波长进行调节，且易于与其他半导体光电器件芯片集成，工作在室温条件，因此在全光缓存领域具有巨大的应用前景。

附图说明如下：

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面将对发明描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明装置中CC-VCSEL的结构示意图。

图2是CC-VCSOA中信号延时过程示意图。

图3是本发明装置的结构示意图。

图4虚框内是本发明的光可调延时器；其余为延时测量的装置结构示意图。

图5(a)CC-VCSOA顶部反射率随信号波长的变化曲线(b)单位失偕相位引起的延时谱线(c)顶部反射率的变化引起的延时谱线(e)1550nm CC-VCSEL的延时谱线。

图6不同频率超高斯信号的慢光延时时域图。

图7不同频率超高斯信号的慢光延时眼图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。显然，所描述的实例仅仅是本发明的一些实施例，而非全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于耦合腔垂直腔面发射激光器宽带信号慢光可调器，能够通过扩展VCSEL的延时带宽而应用于宽带信号的慢光延时领域。本发明实施例还提供相应的慢光延时***。一下分别进行详细说明。

延时1550nm的CC-VCSEL的结构如图1所示，整个腔体由有源腔、间隔层、基底和分布布拉格反射镜(DBR)组成，其中DBR是由λ₀/4光学厚度的高低折射率不同的介质层交替生成，顶部膜层的周期数分别为k₁和k₂，DBR膜堆与所夹λ₀/2长度的间隔层构成了一个无源腔，并与有源腔相耦合而形成耦合腔。当CC-VCSEL工作在反射模式下，信号从顶层DBR耦合进入腔体并且输出。

信号在CC-VCSOA中产生慢光延时的过程如图2所示，图中延时信号谱与输入信号谱之间的关系表示为

其中g(ω)exp(iψ(ω))是CC-VCSOA的传递函数，其相位正色散的取值决定了信号的延迟时间，即τ＝-dψ(ω)/dω。

目前计算传递函数的方法主要是利用微腔理论，将CC-VCSEL腔体看成由高反射率反射镜夹一个有源腔构成，顶部、底部镜面反射率分别为R_t和R_b，有源腔腔长为L_c，信号场

由顶部反射镜入射，沿有源腔轴向z传输，经过两侧DBR多次反射后形成驻波，最终从顶部反射镜输出，其中信号场在VCSEL两端面满足边界条件：

${\tilde{E}}^{+}\left(0\right)={\tilde{E}}_m\sqrt{1-R_t}+\sqrt{R_t}\exp (-\mathrm{i\π}){\tilde{E}}^{-}\left(0\right)---\left(1\right)$

${\tilde{E}}^{-}\left(L_c\right)=\sqrt{R_b}\exp (-\mathrm{i\π}){\tilde{E}}^{+}\left(L_c\right)---\left(2\right)$

${\tilde{E}}_{\mathrm{ref}}=\sqrt{R_t}\exp (-\mathrm{i\π}){\tilde{E}}_m+\sqrt{1-R_t}{\tilde{E}}^{-}\left(0\right)---\left(3\right)$

式中E^±(0)和E^±(L_c)分别对应z＝0和z＝L_c时正负z方向信号场。信号场E^±(z)在腔内传输过程满足：

$\frac{\∂{\tilde{E}}^{\±}\left(z\right)}{\∂z}=\±\frac{g_c}{2}{\tilde{E}}^{\±}\left(z\right)\stackrel{-}{+}\mathrm{ik}{\tilde{E}}^{\±}\left(z\right)---\left(4\right)$

式中k是介质中的传播常数，k＝2πn_c/λ，n_c为介质有效折射率，λ是真空中信号波长，模式增益为g_c＝ξTg_m-a_c，其中ξ是增益增强因子，它反映了F-P腔驻波波峰与有源区量子阱的对准程度，纵向限制因子Γ＝L_a/L_c，其中L_a是量子阱厚度，a_c是腔内平均吸收系数，材料增益g_m是与载流子密度N有关的量，即：

$g_m\left(N\right)=g_0\ln \left(\frac{N_s+N}{N_{\mathrm{tr}}+N_s}\right)---\left(5\right)$

式中，N_tr是透明载流子浓度，g₀和N_s分别对应增益拟合参量和载流子拟合参量。根据(4)式，结合边界条件，可以得到反射模式下CC-VCSEL的传递函数表达式：

$g\left(\mathrm{\ω}\right)\exp \left(\mathrm{i\ψ}\left(\mathrm{\ω}\right)\right)=\frac{-\sqrt{R_t}+\sqrt{R_b}{G}_s\exp (-2\mathrm{i\θ})}{1-\sqrt{R_b{R}_t}{G}_s\exp (-2\mathrm{i\θ})}---\left(6\right)$

式中G_s＝exp(g_cL_c)，为单程增益，单程失谐相位θ＝2πn_cL_c(1/λ-1/λ₀)，它反映了信号波长与谐振腔波长λ₀的失谐程度。根据(6)式不难推导相位和延时表达式：

$\mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\arctan \left(\frac{R_b^{1/2}(R_t-1)G_s\sin 2\mathrm{\θ}}{R_b^{1/2}(R_t+1)G_s\cos 2\mathrm{\θ}-R_t^{1/2}(1+R_b{G_s}^2)}\right)---\left(7\right)$

$\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\frac{\mathrm{d\ψ}}{\mathrm{d\ω}}=\mathrm{AA}\×\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\ω}}+\mathrm{BB}\×\frac{{\mathrm{dR}}_t}{\mathrm{d\ω}}---\left(8\right)$

式中dθ/dω＝n_cL_c/c，由于ψ和R_t都是与频率相关的量，则式中AA＝-dψ/dθ和BB＝-dψ/dRt分别反映了单程失谐相位和顶部反射率对信号延时的影响，其算数表达式为：

$\mathrm{AA}=\frac{R_b{G}_s^2(1-R_t^2)-\sqrt{R_t{R}_b}(1+R_b{G}_s^2)G_s(1-R_t)\cos 2\mathrm{\θ}}{R_t+R_b{G}_s^2(1+R_t^2+R_t{R}_b{G}_s^2)-2\sqrt{R_t{R}_b}(1+R_b{G}_s^2)G_s(1+R_t)\cos 2\mathrm{\θ}+4R_t{R}_b{G}_s^2{\cos }^{2}2\mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

$\mathrm{BB}=\frac{R_b{G}_s^2\sin 4\mathrm{\θ}-0.5\sqrt{R_t^{-1}{R}_b}(1+R_b{G}_s^2)G_s(1+R_t)\sin 2\mathrm{\θ}}{R_b{G}_s^2(R_t-1){\sin }^{2}2\mathrm{\θ}+{(\sqrt{R_b}{G}_s(1+R_t)\cos 2\mathrm{\θ}-(1+R_b{G}_s^2)\sqrt{R_t})}^2}---\left(6\right)$

由于无源腔的存在，顶部反射率R_t不再是一个常数，而是随ω变化的量，对比单腔VCSEL的延时表达式，(4)式中BB×dR_t/dω≠0，它反映出耦合腔结构的存在对慢光延时的影响。

利用如图3所示装置产生慢光延时，本发明装置由伪随机二进制序列发生器(PRBS源)、可调谐激光器、马赫增德尔调制器、偏振控制器、可调光衰减器、光耦合器、光功率计、光环路器、耦合腔垂直腔面激光器(CC-VCSEL)和直流电源构成。

首先搭建实验平台如图4所示，即可测量了CC-VCSEL的慢光延时。在此基础上，在载流子密度为1.45×10¹⁸cm^-3时，器件顶部反射谱和器件的延时谱如图5所示。由图可知由于顶部间隔层的存在，反射率在信号频谱范围内不再是一个常数，而是随着频率变化的量，并且在谐振频率处出现明显的凹谷。这是因为顶部膜层结构改变，其微腔的选频特性也发生变化，该结构对谐振频率处信号的反射率迅速减小，这一变化降低了谐振频率处信号的延迟时间，同时由于反射谷谱陡峭边缘的存在进一步提高了谐振频率附近信号的延时量(如图5(c)所示)，因此相应的总延时曲线(图5(d)所示)与单腔VCSEL延时谱线相对比(图5(b))，延时带宽在更广的频谱范围内出现了扩展，并且顶部趋于平坦，这一变化使CC-VCSEL更合适于宽带信号的传输。

利用图5给出的延时谱，图6和图7分别给出了不同带宽慢光延时信号的时域图和眼图，图中延迟信号的质量随着信号带宽的增大而有所下降，在传输20GHz和40GHz的高斯信号时，可以看到有明显的信号失真，眼图的张角也逐渐减小，失真的原因是由于延时带宽的限制。虽然延时谱的半值全宽为94GHz，而顶部平坦区域的带宽仅为17GHz，因此在传输高于17GHz的宽带信号时容易产生失真，但从该结果可以看出其传输带宽和输出信号的质量已远远高于单腔结构VCSEL。

综上所述，本发明提出了一种新的利用耦合腔结构优化VCSEL慢光延迟带宽的方法，构建出了较平坦的延迟曲线。通过理论分析推导出CC-VCSEL的慢光延时表达式，发现延迟谱受耦合腔结构的影响。数值仿真结果表明：改变顶部反射率可以扩展延时谱宽。通过调节参数，本发明在8ps的峰值延时情况下，将谱线的半值全宽扩展到94GHz，同时得到17GHz的顶部平坦区域，因此利用该结构进行慢光延时可以有效的降低宽带信号的失真。为了进一步提高信号延时量和扩展带宽，今后还需要对耦合腔VCSEL进行级联，从而适应未来超宽带慢光信号的传输。

以上所陈述的仅仅是本发明装置的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种基于耦合腔垂直腔面发射激光器(CC-VCSEL)宽带信号慢光可调时延器，其特征在于，通过改变垂直腔面发射激光器一侧DBR的结构，构造无缘腔与有缘腔相耦合的耦合腔，利用该耦合腔扩展器件的延迟带宽，从而使器件适于宽带信号的慢光延时。处理步骤包括：进入CC-VCSEL的激光束首先从可调谐激光器中发射，经过马赫增德尔(Mach-Zehnder)调制器后，调制生成二进制位随机序列(PRBS)信号，随后信号经过偏振控制器和光衰减器后被分为两路，一路进入CC-VCSEL，另一路进入光功率计进行功率监测。

2.实现权利要求1所述之宽带信号慢光可调时延器，其特征在于：CC-VCSEL的耦合腔结构，是通过在VCSEL有缘腔一侧DBR膜堆之间构造一个λ₀/2长度的间隔层，该间隔层与所夹DBR膜堆构成了一个无源腔，并与原有源腔相耦合而形成耦合腔。

3.根据权利要求1所述的宽带信号慢光可调时延器，其特征在于：该结构改变了器件顶部反射率，导致反射谱在谐振频率处出现反射谷，这一变化降低了谐振频率处信号的延迟时间，提高了谐振频率附近信号的延时量，从而扩展了器件的延迟带宽，并优化了延迟谱线。

4.根据权利要求1所述的宽带信号慢光可调时延器，其特征在于：改变可调谐激光器的信号功率和波长，或者CC-VCSEL的偏置电流，可以产生不同的延时效果。

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