CN113258437A - 一种半导体锁模激光器及状态调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体锁模激光器及状态调制方法，该状态调制方法包括：获取待调制***的工作状态；判断所述工作状态是否在初始状态；若是，则判断是否接收到外部驱动信号；若是，依据所述外部驱动信号，将所述待调制***的初始状态切换至第一工作状态或第二工作状态。该状态调制方法基于外部驱动信号，可以使所述待调制***由初始状态切换到第一工作状态或第二工作状态，以半导体锁模激光器而言，即半导体锁模激光器可以实现两种工作状态，并非现有技术中固定的一种工作态模式。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，更具体地说，涉及一种半导体锁模激光器及状态调制方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，半导体激光器(Semiconductor Mode-Locking Laser)已被广泛的应用于人们的日常生活和工业生产中，是推动最近一次信息技术革命的关键器件。
基于半导体激光器而言，其工作态主要分为两种类型：其一，是连续波的工作态(Continue Wave，简称CW态)，通过在腔体中设置滤波器等技术手段，可实现频域上的单模输出，输出信号为连续的光信号；其二，是脉冲波的工作态(Pulse Wave，简称PW态)，其将激光器腔体内部的多纵模通过主动锁模、被动锁模和混合锁模等技术手段，可被调整为具有固定相位差，实现输出超窄脉宽、高光强的时序光脉冲，其在频域上表现为具有固定模式间隔的光学频率梳。
但是，在现有的已公布的半导体激光器方案中，该半导体激光器只存在CW或PW一种工作态，无法实现两种工作态的切换和状态调制。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种半导体锁模激光器及状态调制方法，技术方案如下：
一种状态调制方法，所述状态调制方法包括：
获取待调制***的工作状态；
判断所述工作状态是否在初始状态；
若是，则判断是否接收到外部驱动信号；
若是，依据所述外部驱动信号，所述待调制***从所述初始状态切换至第一工作状态或第二工作状态。
优选的，在上述状态调制方法中，所述状态调制方法还包括：
判断所述工作状态是否处于所述第一工作状态；
若是，则判断是否接收到第一外部微扰信号；
若是，则所述待调制***从所述第一工作状态切换为所述第二工作状态。
优选的，在上述状态调制方法中，所述状态调制方法还包括：
判断所述工作状态是否处于所述第二工作状态；
若是，则判断是否接收到第二外部微扰信号；
若是，则所述待调制***从所述第二工作状态切换为所述第一工作状态。
一种半导体锁模激光器，所述半导体锁模激光器用于实现上述任一项所述的状态调制方法；
所述半导体锁模激光器包括：
相对设置的第一反射器和第二反射器；
在第一方向上依次设置在所述第一反射器和所述第二反射器之间的饱和吸收体以及半导体增益介质；
所述第一方向由所述第一反射器指向所述第二反射器；
所述饱和吸收体具有切换端口；
其中，所述外部驱动信号用于控制施加在所述半导体增益介质上的电流值，以及配置所述切换端口的连接状态，以在预设条件下所述半导体锁模激光器从所述初始状态切换至所述第一工作状态或所述第二工作状态。
优选的，在上述半导体锁模激光器中，所述切换端口的连接状态包括：正偏电压状态、反偏电压状态、空载状态和接地状态。
优选的，在上述半导体锁模激光器中，
当所述半导体增益介质上的电流大小超过设定电流阈值时，且所述切换端口的连接状态被配置为正偏电压状态或空载状态时，所述半导体锁模激光器从所述初始状态切换至所述第一工作状态。
优选的，在上述半导体锁模激光器中，
当所述半导体增益介质上的电流大小超过设定电流阈值时，且所述切换端口的连接状态被配置为反偏电压状态或接地状态时，所述半导体锁模激光器从所述初始状态切换至所述第二工作状态。
优选的，在上述半导体锁模激光器中，当所述半导体锁模激光器处于所述第一工作状态，且在接收到所述第一外部微扰信号之后，基于所述第一外部微扰信号，所述切换端口的连接状态从所述正偏电压状态或空载状态切换至所述反偏电压状态或接地状态，以将所述半导体锁模激光器从所述第一工作状态切换为所述第二工作状态。
优选的，在上述半导体锁模激光器中，当所述半导体锁模激光器处于所述第二工作状态，且在接收到所述第二外部微扰信号之后，基于所述第二外部微扰信号，所述切换端口的连接状态从所述反偏电压状态或接地状态切换至所述正偏电压状态或空载状态，以将所述半导体锁模激光器从所述第二工作状态切换为所述第一工作状态。
优选的，在上述半导体锁模激光器中，所述第一工作状态为连续波工作状态；
所述第二工作状态为脉冲波工作状态。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种状态调制方法包括：获取所述待调制***的工作状态；判断所述工作状态是否在初始状态；若是，则判断是否接收到外部驱动信号；若是，依据所述外部驱动信号，将所述待调制***的初始状态切换至第一工作状态或第二工作状态。
该状态调制方法基于外部驱动信号，可以使所述待调制***由初始状态切换到第一工作状态或第二工作状态，以半导体锁模激光器而言，即半导体锁模激光器可以实现两种工作状态，并非现有技术中固定的一种工作态模式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种状态调制方法的原理框架示意图；
图2为本发明实施例提供的一种状态调制方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种状态调制方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种状态调制方法的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的一种半导体锁模激光器的原理结构示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种半导体锁模激光器的原理结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种半导体锁模激光器在CW态下输出光信号的时域波形图；
图8为本发明实施例提供的一种半导体锁模激光器在PW态下输出光信号的时域波形图；
图9为本发明实施例提供的一种半导体锁模激光器在CW态和PW态间动态切换的光信号时域波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
在本发明的发明创造过程中，发明人发现，现有的一种调制方式为电光调制，基于电光调制(Electro-Optic Modulation)而言，是一种将微波信号加载到光信号的一种技术手段，是光通信和光信号处理***中的连接光和电两个领域的桥梁。
在目前已公布的电光调制方案中，主要是通过晶体或半导体结构的线性或非线性电光效应，在结构中配置一定的偏压，进而引起传输光信号特征的变化。
例如，通过线性光电效应，改变传输光信号的相位，实现光信号的相位调制；或通过马赫曾德尔干涉仪，将传输光的相位信息转换为强度信息，实现光信号的强度调制；或通过电致吸收效应(量子受限斯塔克效应)，改变光传输的吸收损耗，实现传输光信号的吸收调制；或通过偏振分束和干涉，改变传输光的偏振态，实现光信号的偏振调制。
但是，本质上都是利用晶体或半导体结构的线性或非线性电光效应实现的，电光调制所实现的过程是一个参量引起另一个参量的变化，也就是说，其实是一种模拟调制的技术手段。
基于此，发明人发现，这种调制方式存在以下技术问题：
例如，调制过程中的非线性效应、传输过程中的色散效应、外部噪声以及其它环境干扰因素等问题。
并且，由于调制效率的限制，需要采用较大的驱动电压来实现较好的调制效果，***功耗缺乏控制，并且无法对功率较小的微扰进行简单有效的探测。
为了突破模拟调制的限制，本发明提出了一种新的数字调制技术，即状态调制(State Modulation)。
基于状态调制而言，状态调制是指在两个可以存在的态之间，实现由一个工作态转变为另一个工作态的目的，并且结构或***可以在任意一个工作态上稳定的工作。
与传统的电光调制相比，状态调制本质上是一种内生性数字调制技术，不受限于晶体或半导体结构的线性或非线性电光效应。并且，两种工作态的转变可以由一系列微扰来驱动，例如电信号、声信号、光信号等。
也就是说，该状态调制是在某一个极小的微扰驱动下发生内生的状态累积，实现工作态间的切换，整个状态调制过程中驱动微扰所耗费的能量极小。
例如，以半导体激光器实现的状态调制，在微扰驱动下，该半导体激光器可以在锁模状态和单模状态间进行切换，同时，在无微扰的情况下锁模激光器也可以在任意一个工作台上稳定输出。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种状态调制方法的原理框架示意图。
参考图2，图2为本发明实施例提供的一种状态调制方法的流程示意图。
所述状态调制方法包括：
S101：获取待调制***的工作状态。
在该步骤中，所述待调制***(以半导体锁模激光器为例进行说明)的工作状态至少包括初始状态|0>、第一工作状态|1>(CW态)和第二工作状态|2>(PW态)。
S102：判断所述工作状态是否在初始状态|0>。
在该步骤中，所述初始状态|0>可以理解为所述待调制***处于未工作状态。
S103：若是，则判断是否接收到外部驱动信号(0)。
在该步骤中，如图1所示，所述外部驱动信号(0)主要用于配置工作条件，以改变所述待调制***的工作状态。
S104：若是，依据所述外部驱动信号(0)，所述待调制***从所述初始状态|0>切换至第一工作状态|1>或第二工作状态|2>。
在该实施例中，该状态调制方法基于外部驱动信号(0)，可以使所述待调制***由初始状态|0>切换到第一工作状态|1>或第二工作状态|2>，以半导体锁模激光器而言，即半导体锁模激光器可以实现两种工作状态，并非现有技术中固定的一种工作态模式。
例如，如图1所示，所述外部驱动信号(0)配置第一工作条件，以使所述待调制***由初始状态|0>切换到第一工作状态|1>。
所述外部驱动信号(0)配置第二工作条件，以使所述待调制***由初始状态|0>切换到第二工作状态|2>。
并且，所述待调制***在不同的工作状态下，均可以稳定工作。
可选的，在本发明另一实施例中，参考图3，图3为本发明实施例提供的另一种状态调制方法的流程示意图。
所述状态调制方法还包括：
S105：判断所述工作状态是否处于所述第一工作状态|1>。
S106：若是，则判断是否接收到第一外部微扰信号。
S107：若是，则所述待调制***从所述第一工作状态|1>切换为所述第二工作状态|2>。
在该实施例中，通过引入第一外部微扰信号，使得待调制***发生内部的第二工作状态|2>的累积，以实现所述待调制***从第一工作状态|1>向第二工作状态|2>的切换。
可选的，在本发明另一实施例中，参考图4，图4为本发明实施例提供的又一种状态调制方法的流程示意图。
所述状态调制方法还包括：
S108：判断所述工作状态是否处于所述第二工作状态|2>。
S109：若是，则判断是否接收到第二外部微扰信号。
S110：若是，则所述待调制***从所述第二工作状态|2>切换为所述第一工作状态|1>。
在该实施例中，通过引入第二外部微扰信号，使得待调制***发生内部的第一工作状态|1>的累积，以实现所述待调制***从第二工作状态|2>向第一工作状态|1>的切换。
可选的，在本发明另一实施例中，当外部微扰信号(包括第一外部微扰信号和第二外部微扰信号)为一个数据序列时，基于该状态调制***实现了外部数据对自身工作状态的调制，该调制速率由状态切换后稳定速度决定。
需要说明的是，该外部微扰信号并未直接参与状态调制***中的参数调制过程，而是驱动状态调制***内生的状态累积，以实现不同状态的切换，且该外部微扰信号耗费能量极低。
基于本发明上述实施例可知，本发明实施例提供的状态调制方法，突破了单一工作状态的限制，即可在CW态(第一工作状态|1>)和PW态(第二工作状态|2>)任意一种态下稳定工作，也可以实现CW态和PW态之间的切换和状态调制。
需要说明的是，该状态调制***除了存在基于半导体锁模激光器的运用之外，还可以利用状态调制实现数据承载和激光雷达探测复合参量。
以低速信号的数据承载为例进行说明：
利用可重构半导体锁模激光器的动态特性，通过外部信号的驱动增益或吸收介质实现激光器的状态调制，例如信号“1”时，半导体锁模激光器工作在PW态；信号“0”时，半导体锁模激光器工作在CW态；在接收端通过包络检波和隔直，检测两种工作状态下输出信号特征恢复初始数据，可实现微弱信号的探测和远距离传输。
以激光雷达为例进行说明：
驱动半导体锁模激光器在PW态和CW态之间按一定扫描周期切换，同时测量目标物体的速度和距离。
当工作在CW态时，利用激光雷达中多普勒频移测速度的具体实施方案可以探测到目标物体的速度。
当工作在PW态时，半导体锁模激光器可在时域上稳定输出间隔固定的超窄光脉冲，将脉冲向目标物体发射出去后在同一端接收，进行时延对比，测量激光脉冲序列在目标和发射端来回飞行的时间，即渡过越时间，从而得到发射端与目标物体的距离。
可选的，在本发明另一实施例中还提供了一种半导体锁模激光器，参考图5，图5为本发明实施例提供的一种半导体锁模激光器的原理结构示意图。
所述半导体锁模激光器100用于实现上述任一实施例所述的状态调制方法；即上述任一实施例所述的状态调制方法可应用于所述半导体锁模激光器100上。
所述半导体锁模激光器100具有线性腔体结构，所述半导体锁模激光器100包括：
相对设置的第一反射器1和第二反射器2；
在第一方向上依次设置在所述第一反射器1和所述第二反射器2之间的饱和吸收体3以及半导体增益介质4；
所述第一方向由所述第一反射器1指向所述第二反射器2；
所述饱和吸收体3具有切换端口31；
其中，所述外部驱动信号(0)用于控制施加在所述半导体增益介质4上的电流值，以及配置所述切换端口31的连接状态，以在预设条件下所述半导体锁模激光器100从所述初始状态|0>切换至所述第一工作状态|1>或所述第二工作状态|2>。
在该实施例中，所述半导体锁模激光器100主要包括第一反射器1、第二反射器2、半导体增益介质4以及具有切换端口31的饱和吸收体3。
其中，相对设置的第一反射器1和第二反射器2构成了半导体锁模激光器100的振荡腔体，所产生的光信号从所述第二反射器2输出。
在所述半导体锁模激光器100的振荡腔体内部，分别还包括具有切换端口31的饱和吸收体3以及半导体增益介质4。
其中，所述饱和吸收体3设置在相邻所述第一反射器1的一侧，所述半导体增益介质4设置在所述饱和吸收体3远离所述第一反射器1的一侧，即所述半导体增益介质4设置在所述饱和吸收体3和所述第二反射器2之间。
具体的，通过所述外部驱动信号(0)控制施加在所述半导体增益介质4上的电流值，以及配置所述切换端口31的连接状态，以在预设条件下将所述半导体锁模激光器100的初始状态|0>切换至第一工作状态|1>或第二工作状态|2>。
可选的，在本发明另一实施例中，所述切换端口的连接状态包括：正偏电压状态、反偏电压状态、空载状态和接地状态。
在其中一个实施例中，当所述半导体增益介质4上的电流大小超过设定电流阈值时，且所述切换端口31的连接状态被配置为正偏电压状态或空载状态时，所述半导体锁模激光器100从所述初始状态|0>切换至所述第一工作状态|1>。
在另一个实施例中，当所述半导体增益介质4上的电流大小超过设定电流阈值时，且所述切换端口31的连接状态被配置为反偏电压状态或接地状态时，所述半导体锁模激光器100从所述初始状态|0>切换至所述第二工作状态|2>。
具体的，在所述半导体锁模激光器100中，所述半导体增益介质4为半导体激光器100提供足够的振荡增益，当注入电流超过半导体锁模激光器100腔体的阈值电流之后，半导体锁模激光器100输出光信号。
进一步的，通过配置所述饱和吸收体3上切换端口31的连接状态，即当切换端口31为正偏电压状态或空载状态时，饱和吸收体3不发生饱和透明振荡，在腔体内提供线性增益或其损耗为一个常数值，所述半导体锁模激光器100从所述初始状态|0>切换至所述第一工作状态|1>，即所述半导体锁模激光器100输出CW光信号。
进一步的，通过配置所述饱和吸收体3上切换端口31的连接状态，即当切换端口31为反偏电压状态或接地状态时，饱和吸收体3出现饱和透明振荡，其与半导体增益介质4的增益饱和相互作用，实现半导体锁模激光器100时序脉冲序列的输出，即PW光信号输出。
下面对上述描述的原理进一步进行详细阐述：
当不设置任何电压和电流在饱和吸收体3以及半导体增益介质4上时，半导体锁模激光器100处于初始状态，此时，半导体锁模激光器100不产生任何的光信号。
当所述外部驱动信号(0)中的电流驱动信号被设置在半导体增益介质4上，且电流大小超过半导体锁模激光器100腔体的阈值电流之后，半导体锁模激光器100输出光信号。
当饱和吸收体3的切换端口被配置为正偏电压状态或空载状态时，半导体锁模激光器100在CW状态下稳定工作，输出的信号为CW光信号。
当饱和吸收体3的切换端口被配置为反偏电压状态或接地状态时，半导体锁模激光器100在PW状态下稳定工作，输出的信号为PW光信号。
具体的，通过配置所述饱和吸收体3上切换端口31的连接状态，即当切换端口31为空载状态时，其两端电势差为零，不存在电子的迁移。此时，饱和吸收体3不发生受激辐射或受激吸收，其损耗为一个不随时间变化的常数值，为普通的无源损耗介质，此时，半导体锁模激光器100输出CW光信号，且半导体锁模激光器100稳定工作在CW态(即第一工作状态|1>)。
具体的，通过配置所述饱和吸收体3上切换端口31的连接状态，即当切换端口31为正偏电压状态时，饱和吸收体3由于受激辐射效应，注入电子将转换为一定数量光子，其工作为一个半导体光放大器，为激光器内部光振荡提供增益，此时，半导体锁模激光器100输出CW光信号，且半导体锁模激光器100稳定工作在CW态(即第一工作状态|1>)。
具体的，通过配置所述饱和吸收体3上切换端口31的连接状态，即当切换端口31为接地状态时，使饱和吸收体3的PN结形成对地回路。半导体增益介质4上注入电流产生的光子，在饱和吸收体3中由于受激吸收，光子能量转化为电子势能，两端存在电势差，PN结内发生电子迁移；此时，饱和吸收体3具有饱和透明振荡的特性，即在较大光强下损耗较小，反之，较小光强下损耗较大。
当半导体增益介质4持续产生光子，达到饱和吸收体3的饱和功率时，饱和吸收体3出现透明状态，损耗下降。在此状态下，腔内光功率急剧变大，达到半导体增益介质4饱和功率，其增益持续下降，半导体锁模激光器100整体的净增益也持续下降，并且很快会低于半导体锁模激光器100腔体内的损耗；由于损耗大于增益，光强下降，饱和吸收体3和半导体增益介质4恢复正常。
在上述过程中，饱和吸收体3和半导体增益介质4慢饱和吸收的过程形成了净增益窗，在净增益的时间窗口内产生功率较高的光脉冲，脉冲的重复频率由半导体锁模激光器100腔体的长度决定。
此时，半导体锁模激光器100输出PW光信号，且半导体锁模激光器100稳定工作在PW态(即第二工作状态|2>)。
具体的，通过配置所述饱和吸收体3上切换端口31的连接状态，即当切换端口31为反偏电压状态时，在反偏电压驱动下，饱和吸收体3的PN结形成对地回路，饱和吸收体3中由于受激吸收，具有周期性饱和透明的性质，此时，半导体锁模激光器100输出PW光信号，且半导体锁模激光器100稳定工作在PW态(即第二工作状态|2>)。
可选的，在本发明另一实施例中，当所述半导体锁模激光器100处于所述第一工作状态|1>，且在接收到所述第一外部微扰信号之后，基于所述第一外部微扰信号，所述切换端口31的连接状态从所述正偏电压状态或空载状态切换至所述反偏电压状态或接地状态，以将所述半导体锁模激光器100从所述第一工作状态|1>切换为所述第二工作状态|2>。
在该实施例中，当所述半导体锁模激光器100稳定工作在第一工作状态|1>(CW态)时，通过能量极低的微扰驱动一个灵敏的开关；此时，微扰并未直接参与调制过程，仅仅只是驱动灵敏开关，将切换端口31由所述正偏电压状态或空载状态切换至所述反偏电压状态或接地状态，此时饱和吸收体3由于内生的受激吸收效应，PN结内开始发生电子迁移并周期性吸收和释放经过的全部光子，体现出饱和透明振荡特性。
此时，半导体锁模激光器100的工作状态将由第一工作状态|1>切换为第二工作状态|2>，即由CW态切换为PW态。
并且，半导体锁模激光器100切换后的状态经过一段时间累积后，半导体锁模激光器100稳定工作在切换后的工作状态上。
需要说明的是，利用微扰驱动的半导体锁模激光器100工作状态的切换，可实现一种内生的数字调制，即本发明上述实施例所提出的状态调制方法。
其调制速率由半导体锁模激光器100状态切换后，状态累积达到稳定的速度来决定。
可选的，在本发明另一实施例中，当所述半导体锁模激光器100处于所述第二工作状态|2>，且在接收到所述第二外部微扰信号之后，基于所述第二外部微扰信号，所述切换端口31的连接状态从所述反偏电压状态或接地状态切换至所述正偏电压状态或空载状态，以将所述半导体锁模激光器100从所述第二工作状态|2>切换为所述第一工作状态|1>。
在该实施例中，当所述半导体锁模激光器100稳定工作在第二工作状态|2>(PW态)时，通过能量极低的微扰驱动一个灵敏的开关；此时，微扰并未直接参与调制过程，仅仅只是驱动灵敏开关，将切换端口31由所述反偏电压状态或接地状态切换至所述正偏电压状态或空载状态。当切换端口31为正偏电压时，饱和吸收体3由于受激辐射效应，注入电子将转换为一定数量光子，其工作为一个半导体光放大器；当切换端口31为空载状态，此时饱和吸收体3两端电势差为零，不存在受激吸收效应，PN结内的电子总数保持恒定，体现出线性损耗介质的特性。
此时，半导体锁模激光器100的工作状态将由第二工作状态|2>切换为第一工作状态|1>，即由PW态切换为CW态。
并且，半导体锁模激光器100切换后的状态经过一段时间累积后，半导体锁模激光器100稳定工作在切换后的工作状态上。
需要说明的是，利用微扰驱动的半导体锁模激光器100工作状态的切换，可实现一种内生的数字调制，即本发明上述实施例所提出的状态调制方法。
其调制速率由半导体锁模激光器100状态切换后，状态累积达到稳定的速度来决定。
可选的，在本发明另一实施例中，参考图6，图6为本发明实施例提供的另一种半导体锁模激光器的原理结构示意图。
所述第一反射器1为全反射镜，可选的，所述全反射镜为多模干涉反射器10。
所述第二反射器2为半反射镜，可选的，所述半反射镜为有源分布式布拉格光栅20。
所述饱和吸收体3和所述半导体增益介质4为长度不同的半导体光放大器。
具体的，如图6所示，该半导体锁模激光器200采用线性腔体布局，腔体总长度L＝1800μm，采用磷化铟材料制作。
所述第一反射器1和所述第二反射器2构成该半导体锁模激光器200的激光器腔体。
可选的，所述第一反射器为多模干涉反射器10，反射率为100％。
可选的，所述第二反射器为有源分布式布拉格光栅20(Distribution BraggGrating，简称DBR)，耦合强度为κ＝50cm-1；长度为LDBR＝200μm；反射率为50％-60％，可通过外部设置不同的电流值选择不同的滤波中心波长，实现半导体锁模激光器200输出光信号波长的可调控。
所述第一反射器和所述第二反射器构成的腔体内部，设置一个长度较短的半导体光放大器30(Semiconductor Optical Amplifier，简称SOA)作为饱和吸收体3，其长度为100μm；饱和吸收体3的PN结一端为空载，另一端连接工作模式切换端口。
在饱和吸收体3远离多模干涉反射器10的一侧，设置一个长度较长的半导体光放大器40作为半导体增益介质4，其长度为1000μm，通过外部注入电流，为半导体锁模激光器200提供足够的振荡增益。
需要说明的是，在半导体增益介质4远离所述饱和吸收体3的一侧，设置一个长度为130μm的有源波导作为移相器50(Phase Shif，简称PS)，通过注入不同的电流值配合可调控的半导体增益介质4，可实现半导体锁模激光器200输出波长的大范围精细调整。
基于图6所示的半导体锁模激光器200，该半导体锁模激光器200为一种反碰撞的锁模类型，在半导体锁模激光器200每个振荡腔周期中，只存在一个光脉冲。
因此，可以采用时滞微分方程组来描述该半导体锁模激光器200的瞬时工作情况。
如图6所示，首先利用弱光栅的频率响应对DBR-20进行拟合，通过傅里叶反变化后得到DBR-20拟合的时域函数，采用集总单元方法，将DBR-20的时域函数带入到半导体锁模激光器200的时滞微分方程组中，可以得到半导体锁模激光器200的时域表达式：
其中，ε、G、Q分别表示半导体锁模激光器200的场强、增益介质的载流子密度和损耗介质的载流子密度。
Jg和Jq是较长SOA-40和较短SOA-30的注入电流密度，分别可通过改变注入电流和工作模式切换端口实现改变。
γg、γq、γs分别为较长SOA-40的载流子衰减速率、较短SOA-30载流子恢复速率和较短SOA-30饱和能量速率。
R(t)表示半导体锁模激光器200单个周期内增益和损耗的累积，其与半导体锁模激光器200的线性增强因子αg和αq以及线性损耗k有关，可表述为：
上述公式(3)中，f(t)为弱光栅的时域冲击响应，通过其频率响应傅里叶逆变化可得到：
其中，κ和L为耦合系数和光栅长度。
本发明实施例中DBR-20的耦合强度为κ＝50cm-1；长度为LDBR＝200μm。
公式(5)中，
为DBR-20的吸收损耗复系数。
其中，f为频率，c为光在真空中的传播速度，neff为光栅介质的有效折射率，在本发明实施例中约为3.38。
在本发明实施例中，半导体锁模激光器稳定工作时，腔体振荡周期TR约为40ps。
在较长SOA-40注入电流，电流大小约为其阈值电流的2-3倍，其Jg和γg设置为0.12ps-1和1ns-1；较短SOA-30饱和能量速率γs设置为25，与半导体锁模激光器200单个振荡周期内增益和损耗累积有关的αg、αq和k分别设置为3，3和0.12。
在本发明实施例中，以较短SOA-30上切换端口31在接地状态和空载状态为例，描述半导体锁模激光器200稳定工作情况和动态切换过程，详细阐述以半导体锁模激光器实现所提出状态调制的过程。
当较短SOA-30上的切换端口31为空载状态时，则较短SOA-30的PN结两端不存在电势差，非饱和吸收载流子密度为0。
如上述公式(3)中所述，存在
即损耗介质的载流子密度变化率小于0。
经过一段时间之后，损耗介质的载流子密度变为0，半导体锁模激光器200的动态描述模型可表述为：
其中，
较短SOA-30表现为一个常数损耗介质，其线性损耗系数为kSA。
通过Rung-Kutta算法计算半导体锁模激光器描述模型可知，半导体锁模激光器200稳定工作后，较短SOA-30的动态损耗为一个不随时间变化的常数值，在DBR-20远离半导体锁模激光器200腔体一侧输出CW态的光信号，参考图7，图7为本发明实施例提供的一种半导体锁模激光器在CW态下输出光信号的时域波形图。
配置切换端口的连接状态为接地状态，较短SOA-30的PN结形成导通可发生电子迁移，描述模型中定义较短SOA-30的注入电流密度为Jq(t)＝γq(t)Lqq0(t)。
其中，γq(t)和q0(t)为较短SOA-30载流子衰减速率和非饱和吸收载流子密度。
在所采用的的描述模型中，采用InP基的半导体光放大器材料参数拟合，γq(t)和q0(t)均由半导体光放大材料上的偏置电压决定，可表述为：
q0(t)＝95.71tanh[0.84(Vbias(t)-2.44)]+182.12 (9)
配置切换端口的连接状态为接地状态，即外接的偏置电压Vbias(t)＝0，较短SOA-30的PN结形成导通可发生电子迁移，当光子经过由较短SOA-30充当的饱和吸收体时，存在内生的受激吸收效应。
此时，较短SOA-30载流子衰减速率和非饱和吸收载流子密度分别为89.58cm-1和25ns-1，对应的在较短SOA-30上由于内生的注入载流子密度为23ns-1，为一个非零系数，则半导体锁模激光器200的动态描述模型可采用公式(1)-(3)直接表述，饱和吸收体3周期性的吸收和释放全部光子。
通过Rung-Kutta算法计算半导体锁模激光器200描述模型可知，半导体锁模激光器200稳定工作后，较短SOA-30的损耗随时间出现周期性动态变化，在DBR-20远离半导体锁模激光器200腔体一侧输出PW态的光信号，参考图8，图8为本发明实施例提供的一种半导体锁模激光器在PW态下输出光信号的时域波形图。
根据两种状态的稳定时间，动态切换工作模式切换端口的连接状态，切换频率为200MHz，本发明实施例中半导体锁模激光器工作模式以相同的频率发生动态切换，参考图9，图9为本发明实施例提供的一种半导体锁模激光器在CW态和PW态间动态切换的光信号时域波形图。
整个切换过程中，通过一个灵敏开关实现，如三极管开关MOSFET ALD110900A，其阈值电压为10mV，漏极电流为10mA。
调制过程中，驱动的信号本身并未直接调制较短SOA-30介质中的参量，而是驱动切换端口31在接地状态和空载状态间切换，使得较短SOA-30由于内生受激吸收的注入载流子密度在0和非0之间切换，实现CW态或PW态的累积，从而使得半导体锁模激光器200在CW态和PW态之间进行切换，整个过程不存在其他额外的能量消耗。
需要说明的是，在本发明的实施例中，半导体锁模激光器采用的是F-P线性腔体结构，也可以采用不同的半导体锁模激光器机制进行替代，例如采用基于光子晶体锁模机制或环形谐振腔的锁模机制，在不同的锁模激光器结构中，只需要饱和吸收体为可配置，并能满足在CW或PW两种状态下稳定工作，均可作为状态调制的具体实施例。
需要说明的是，在本发明的实施例中，饱和吸收体选用较短的半导体光放大器作为饱和吸收体，通过设置饱和吸收体为正偏电压、反偏电压、空载和接地，实现CW和PW两种状态的切换。
饱和吸收体作为本发明的核心结构，也可以可被替换为二维材料或基于表面等离子体的半导体结构，以增强吸收的效率。
选用不同的材料，只需保证其工作方式为可配置，并最终能够稳定工作在CW和PW状态下，均可作为状态调制的具体实施例。
通过上述描述可知，本发明实施例提出了一种新的电光调制方式，不再依赖于传统一个参量改变传输光信号某个参量的模拟调制方式，而是构建了一种内生的数字调制方式，在某个微扰驱动下，实现在两个状态间相互切换，并且能在任一状态下稳定工作。
具体的，在本发明实施例中提出了采用半导体锁模激光器在CW态和PW态进行切换的实现方式，通过配置饱和吸收体为不同状态，实现半导体锁模激光器的工作模式动态、低损耗切换，主要针对低速数据承载和激光雷达方面的具体运用，典型运用方案如：锁模激光器工作模式动态切换携带低速信号传输、功能可快速重构的激光器雷达。
进一步的，本发明实施例提出的状态调制方式，利用两个已存在的态之间相互切换，完成信号调制，其本质为一种内生性数字调制的技术手段。
整个调制过程，突破本质为模拟调制的传统方式中晶体或半导体结构的线性或非线性电光效应的限制。并且通过微扰驱动内生状态的累积，只需要耗费极小的能量即可完成调制过程。在远端接收部分，通过探测发送端***的输出信号形式，即可实现信号的承载和传输。相较于传统调制从传输***，避免了传输过程中色散、外部干扰等缺点，在低功率信号的驱动下，实现稳定高效的调制方式。
以上对本发明所提供的一种半导体锁模激光器及状态调制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种状态调制方法，其特征在于，所述状态调制方法包括：
获取待调制***的工作状态；
判断所述工作状态是否在初始状态；
若是，则判断是否接收到外部驱动信号；
若是，依据所述外部驱动信号，所述待调制***从所述初始状态切换至第一工作状态或第二工作状态。
2.根据权利要求1所述的状态调制方法，其特征在于，所述状态调制方法还包括：
判断所述工作状态是否处于所述第一工作状态；
若是，则判断是否接收到第一外部微扰信号；
若是，则所述待调制***从所述第一工作状态切换为所述第二工作状态。
3.根据权利要求1所述的状态调制方法，其特征在于，所述状态调制方法还包括：
判断所述工作状态是否处于所述第二工作状态；
若是，则判断是否接收到第二外部微扰信号；
若是，则所述待调制***从所述第二工作状态切换为所述第一工作状态。
4.一种半导体锁模激光器，其特征在于，所述半导体锁模激光器用于实现权利要求1-3任一项所述的状态调制方法；
所述半导体锁模激光器包括：
相对设置的第一反射器和第二反射器；
在第一方向上依次设置在所述第一反射器和所述第二反射器之间的饱和吸收体以及半导体增益介质；
所述第一方向由所述第一反射器指向所述第二反射器；
所述饱和吸收体具有切换端口；
其中，所述外部驱动信号用于控制施加在所述半导体增益介质上的电流值，以及配置所述切换端口的连接状态，以在预设条件下所述半导体锁模激光器从所述初始状态切换至所述第一工作状态或所述第二工作状态。
5.根据权利要求4所述的半导体锁模激光器，其特征在于，所述切换端口的连接状态包括：正偏电压状态、空载状态、反偏电压状态和接地状态。
6.根据权利要求5所述的半导体锁模激光器，其特征在于，
当所述半导体增益介质上的电流大小超过设定电流阈值时，且所述切换端口的连接状态被配置为正偏电压状态或空载状态时，所述半导体锁模激光器从所述初始状态切换至所述第一工作状态。
7.根据权利要求5所述的半导体锁模激光器，其特征在于，
当所述半导体增益介质上的电流大小超过设定电流阈值时，且所述切换端口的连接状态被配置为反偏电压状态或接地状态时，所述半导体锁模激光器从所述初始状态切换至所述第二工作状态。
8.根据权利要求5所述的半导体锁模激光器，其特征在于，当所述半导体锁模激光器处于所述第一工作状态，且在接收到所述第一外部微扰信号之后，基于所述第一外部微扰信号，所述切换端口的连接状态从所述正偏电压状态或空载状态切换至所述反偏电压状态或接地状态，以将所述半导体锁模激光器从所述第一工作状态切换为所述第二工作状态。
9.根据权利要求5所述的半导体锁模激光器，其特征在于，当所述半导体锁模激光器处于所述第二工作状态，且在接收到所述第二外部微扰信号之后，基于所述第二外部微扰信号，所述切换端口的连接状态从所述反偏电压状态或接地状态切换至所述正偏电压状态或空载状态，以将所述半导体锁模激光器从所述第二工作状态切换为所述第一工作状态。
10.根据权利要求4所述的半导体锁模激光器，其特征在于，所述第一工作状态为连续波工作状态；
所述第二工作状态为脉冲波工作状态。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210813 |
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