CN110137797B - 一种产生超高频脉冲的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种产生超高频脉冲的方法，将量子点激光器与法布里‑布拉格光栅相结合，量子点激光器作为增益介质提供增益和基本的纵模，法布里‑布拉格光栅放置在外腔中进行模式选择。被光栅选中的纵模获得增益得到放大，未被选中的纵模受到抑制。通过控制外腔中光栅的个数和间距，获得不同的重复频率。这种方法不受量子点激光器本身腔长的限制，通过灵活的外腔结构，获得高重复频率脉冲。

Description

一种产生超高频脉冲的方法
技术领域
本发明涉及一种光通信技术，特别涉及一种量子点激光器结合法布里-布拉格光栅产生超高频脉冲的方法。
背景技术
超高频光脉冲在高速率光通信和高速数字信号处理中有着很重要的应用。半导体激光器因其体积小、易操作和高效率的特点，在产生高频光脉冲方面有一定的优势。特别是量子点半导体激光器，因其增益谱宽和载流子动力学快的性能特点，使得它在产生超高频脉冲方面吸引了越来越多的关注。
在量子点激光器中，产生的脉冲的频率与激光器的腔长成反比，腔长越短，频率越高。但是因为光腔增益的限制，一般情况下产生的脉冲频率在100GHz以下。为了产生更高频率的脉冲，增加增益并缩短腔长是最直接的方法。这种方法在量子线结构得到了实现，获得了最高重复频率为346GHz的脉冲。但是在量子线结构中，进一步的提高脉冲频率仍然会受到增益的限制。谐波锁模是一种有效增加脉冲频率却不受短腔增益限制的方法。这种方法在设计时使用了多区结构并通过将饱和吸收体放在腔中不同的位置获得不同的锁模频率，得到了最高重复频率为238GHz的脉冲。但是这种方法在结构设计上比较复杂，需要较高的成本。
发明内容
本发明是针对现在量子线结构中，进一步的提高脉冲频率受限的问题，提出了一种产生超高频脉冲的方法，将量子点激光器与法布里-布拉格光栅相结合，用法布里-布拉格光栅作为外腔可以获得更高重复频率的脉冲。外腔的使用既可以克服激光腔内增益的限制，又不会增加激光器设计上的复杂度。而且还可以通过控制外腔中的光栅，获得不同的高重复频率的脉冲。
本发明的技术方案为：一种产生超高频脉冲的方法，具体包括如下步骤：
1)确定所选量子点激光器的中心波长和模式间距：量子点激光器的中心波长选择在通信波段，量子点激光器模式间距为Δv＝c/2nL，其中n是量子点激光器腔体的折射率；L为量子点激光器的腔长；c为真空中的光速；
2)法布里-布拉格光栅的个数和反射频率的确定：光栅的反射频率间距与最终获得的脉冲频率一致，并为激光器模式间距的整数倍；光栅的个数与频率间距的乘积小于量子点的增益谱宽，并接近量子点的增益谱宽；
3)搭建获取超高频脉冲的光通路：法布里-布拉格光栅放置在外腔，将所选量子点激光器和法布里-布拉格光栅外腔通过光纤耦合器连接起来；法布里-布拉格光栅放置在外腔，量子点激光器输出的光通过耦合器的一个出口入射在法布里-布拉格光栅上后，在光栅反射谱带宽内的激光器的纵模被反射回来，并通过耦合器回到激光器，得到了进一步放大，循环往复，最终从耦合器的另一个出口得到高重复频率的脉冲；
所述所选K个法布里-布拉格光栅的反射波长均不同，但均在所选通信波段；K个法布里-布拉格光栅采用并列的方式，分别写在每个单模光纤上，通过双向1×K的波分复用器与耦合器的出口相连，并控制K个法布里-布拉格光栅外腔长度相等，偏振控制器放置在每个光栅的前面。
将所选布里-布拉格光栅光栅固定在铝板上，用温控装置进行控温，以控制外腔反射波长的稳定性，防止波长漂移。
本发明的有益效果在于：本发明一种产生超高频脉冲的方法，将量子点激光器与法布里-布拉格光栅相结合，在量子线结构产生的重复高频率的基础上，进一步提高产生的脉冲频率，并克服了激光腔内增益的限制，又具有一定的灵活性，降低了高频率脉冲对激光器设计上的要求。
附图说明
图1为本发明用外腔结合量子点激光器产生超高频脉冲的原理图；
图2为本发明用外腔结合量子点激光器产生超高频脉冲的实验图。
具体实施方式
如图1所示用外腔结合量子点激光器产生超高频脉冲的原理图，法布里-布拉格光栅放置在外腔，量子点激光器输出的光通过耦合器的一个出口入射在法布里-布拉格光栅上后，在光栅反射谱带宽内的激光器的纵模被反射回来，并通过耦合器回到激光器，得到了进一步放大，循环往复，最终从耦合器的另一个出口可以观测到高重复频率的脉冲。
在这种外腔方法里，量子点激光器作为增益介质提供增益和基本的纵模，法布里-布拉格光栅放置在外腔中进行模式选择。被光栅选中的纵模获得增益得到放大，未被选中的纵模受到抑制。通过控制外腔中光栅的个数和间距，获得不同的重复频率。这种方法不受量子点激光器本身腔长的限制，通过灵活的外腔结构，获得高重复频率脉冲。
本发明产生超高频脉冲的方法包括以下步骤：
首先，确定所选量子点激光器的中心波长和模式间距。量子点激光器作为增益介质，提供基本的增益和模式间距。量子点激光器的中心波长一般在通信C波段(1530-1565nm)。出射光频段和增益宽度由量子点增益介质决定，纵模波长λm由量子点激光器的腔长L决定，满足
λm＝2mL (1)
其中，L是光腔的长度，m是整数，代表光腔中半波的个数。这里的λm是指激光腔中的波长，它与真空中波长λ0的关系是
λm＝λ0/n， (2)
n是量子点激光器腔体的折射率。
由以上两个式子可以推导出量子点激光器模式间距为
Δv＝c/2nL (3)
其中c为真空中的光速。
其次，如公式(3)所示，模式间距Δν由量子点激光器的腔长L决定。一旦量子点激光器的腔长确定了，出射光的模式间距(波长)就确定了。外腔中光栅需要选择放大的波长，所以光栅的个数和反射频率间距需要根据激光器的模式间距来设计。光栅的反射频率间距应与最终想获得的脉冲频率一致，并为激光器模式间距的整数倍。例如如果量子点激光器的模式间距为50GHz，那么光栅的反射频率间距可以为50GHz的整数倍，即100GHz，150GHz，200GHz，等等。光栅的个数与频率间距的乘积应该略小于量子点的增益谱宽，以便放大足够多的波长，获得较窄的脉冲宽度。频率间距越大，光栅个数越少。由于量子点腔中的很强的非线性效应，即使增益边缘的模式没有对应光栅，也会由于四波混频的作用而被放大。
最后，将量子点腔和光栅外腔通过光纤耦合器连接起来。耦合器的一个出口用于观测功率、光谱和时域脉冲，另一个出口和光栅连接形成外腔。在光栅的前面应放置光纤偏振控制器，以获得最大光功率。通过调节量子点激光器的电流使得激光器的纵模与光栅的反射波长基本一致，获得超高频脉冲。
图2中的量子点激光器选用InAs/InP材料，中心波长在1542nm，阈值电流约为36mA。腔长为1mm，模式间距为43GHz。实验中的激光器温度控制在18℃，偏置电流在100mA。激光器的两个端面一端镀膜，反射率为90％以上，另一端大约为33％，以增强与光栅外腔的耦合。耦合器的2个出口比例为80％与20％，其中80％的出口与外腔相连，20％的出口与观测仪器相连。
根据量子点激光器的模式间距，外腔光栅的个数选用6个，反射波长分别为1534.354、1538.414、1542.5、1546.6、1550.72和1554.952nm。反射的频率间距为516GHz，为激光器模式间距的整数倍。光栅的反射率约为95％，反射半宽为0.15nm。这6根光纤光栅采用并列的方式，分别写在6根不同的单模光纤上，通过双向1×6的波分复用器与耦合器的80％的出口相连。并联排列外腔光栅可以减小外腔长度，并控制6个外腔长度相等，减少色散对纵模相位带来的影响。偏振控制器放置在每个光栅的前面，起到优化功率的作用。
将实验装置连接好后，调节激光器的偏置电流，使得激光器的6个纵模落在光栅的反射波长范围内，然后调节偏振控制器，观察光谱分析仪上的光谱。可以观察到被光栅选中的6个纵模波长获得了增益，其他纵模波长受到了抑制。光谱上除了6个高峰(高峰之间的频率间隔为516GHz)，在其两侧还会出现功率较低的小峰。这几个小峰所在的波长没有反射光栅存在，所以它们不是由光栅产生的。这几个小峰之间的频率间隔也是516GHz，所以它们是由腔中的四波混频效应产生的。因为量子点腔的存在，这些高峰和小峰之间的相位锁定，在时域上用自相关仪可以观测到重复频率为516GHz的高重复频率脉冲。
为了防止波长漂移，可以将光纤光栅固定在铝板上，用温控装置进行控温，以控制外腔反射波长的稳定性。

Claims (2)

1.一种产生超高频脉冲的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)确定所选量子点激光器的中心波长和模式间距：量子点激光器的中心波长选择在通信波段，量子点激光器模式间距为Δv＝c/2nL，其中n是量子点激光器腔体的折射率；L为量子点激光器的腔长；c为真空中的光速；
2)法布里-布拉格光栅的个数和反射频率的确定：光栅的反射频率间距与最终获得的脉冲频率一致，并为激光器模式间距的整数倍；光栅的个数与频率间距的乘积小于量子点的增益谱宽，并接近量子点的增益谱宽；
3)搭建获取超高频脉冲的光通路：法布里-布拉格光栅放置在外腔，将所选量子点激光器和法布里-布拉格光栅外腔通过光纤耦合器连接起来；法布里-布拉格光栅放置在外腔，量子点激光器输出的光通过耦合器的一个出口入射在法布里-布拉格光栅上后，在光栅反射谱带宽内的激光器的纵模被反射回来，并通过耦合器回到激光器，得到了进一步放大，循环往复，最终从耦合器的另一个出口得到高重复频率的脉冲；
所选放置在外腔的法布里-布拉格光栅个数为K，K个法布里-布拉格光栅的反射波长均不同，但均在所选通信波段；K个法布里-布拉格光栅采用并列的方式，分别写在每个单模光纤上，通过双向1×K的波分复用器与耦合器的出口相连，并控制K个法布里-布拉格光栅外腔长度相等，偏振控制器放置在每个光栅的前面。
2.根据权利要求1所述产生超高频脉冲的方法，其特征在于，将所选法布里-布拉格光栅固定在铝板上，用温控装置进行控温，以控制外腔反射波长的稳定性，防止波长漂移。
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