CN112582878A - 一种提高vcsel微波调制效率的装置及方法 - Google Patents

一种提高vcsel微波调制效率的装置及方法 Download PDF

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徐四六
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Abstract

本发明公开了一种提高VCSEL微波调制效率的装置及方法，可以使用较小的微波功率驱动VCSEL获得正负一级边带功率。该装置使用衍射光栅作为VCSEL的外部反馈元件，VCSEL射出的激光经过衍射光栅时发生衍射，其中衍射光栅的一级衍射光作为反馈光沿原光路返回VCSEL，与VCSEL内部底面镜子组成光学FP腔，FP腔对从光栅返回的光具有选频和加强共振的作用，从而可以提高VCSEL微波调制效率。本发明所提的装置只在常规方案基础上增加一个光栅，结构简单，体积小，易于实施，提升微波调制效率明显，适合于微波调制VCSEL光源场合。

Description

一种提高VCSEL微波调制效率的装置及方法
技术领域
本发明属于微波调制垂直腔面发射激光器(VerticalCavity SurfaceEmittingLaser，简称VCSEL)技术领域，涉及一种应用于激光测量领域、光通信领域、被动型相干布居囚禁(CPT，Coherent Population Trapping)原子钟等领域的提高VCSEL微波调制效率的装置及方法。具体涉及一种通过光栅外腔反馈提高VCSEL微波调制效率的装置及方法，利用该装置可以实现以更小的微波功率得到正负一阶边带功率。
背景技术
VCSEL具有光束发散角小、发光电流低、体积小、成本低、易于集成、易于与光纤耦合、功耗低等优点，已经成为激光测量领域、光通信领域、CPT原子钟等领域的重要光源。特别是在便携式设备或者长时间工作的低功耗设备中，选择VCSEL作为激光光源具有很大优势。
实际应用中常对VCSEL施加微波调制，将输出多色光中的正负一级边带作为有用信号进行处理或传输。即对VCSEL的驱动电流进行直接调制，用微波信号(频率为GHz)和直流电流叠加后，驱动VCSEL从而获得相干多色光，利用其中正负一级边带作为相干双色光，或者作为传输信号使用。
VCSEL在直流电流驱动下，输出频率为f0的激光，激光频谱示意图如图1(a)所示。对VCSEL的驱动电流加载频率为fm的微波信号调制后，VCSEL输出调频多色光光谱如图1(b)所示，相邻边带的频率差均为fm，f0表示调频多色光中的基频成分，f0±fm表示正负一级边带成分。当VCSEL受到微波调制后，激光总功率保持不变，激光能量从基频向各阶边带转移，各阶边带的光强正比于贝塞尔系数的平方
Figure BDA0002856002990000011
其中I0为VCSEL输出激光的总光强，mf为VCSEL微波调制指数，Jn(mf)为第一类贝塞尔函数。
由
Figure BDA0002856002990000012
可知，调制指数mf越大，高阶边带功率在激光总功率占有的比例越大，即无用光功率增大。实际应用中，常采用调制指数mf小于2的浅调制，使激光能量主要集中在正负一阶边带。在浅调制条件下，正负一级边带的功率近似正比于输入的微波信号功率。本发明基于此问题，提出一种提高VCSEL微波调制效率的装置及方法，实现以更小的微波功率得到正负一阶边带功率。
发明内容：
本发明的目的在于提出一种提高VCSEL微波调制效率的装置及方法，以实现以较小的微波功率得到较大的正负一阶边带功率。
本发明的装置采用的技术方案是：一种提高VCSEL微波调制效率的装置，其特征在于：包括直流发生器、微波发生器、偏置器、VCSEL、透镜、衍射光栅、压电陶瓷；
所述直流发生器、微波发生器分别与所述偏置器连接，所述偏置器与所述VCSEL连接；所述压电陶瓷轴向一端固定粘贴在所述衍射光栅上，所述透镜和衍射光栅均设置在所述VCSEL发射的光路中；
所述直流发生器产生的直流和所述微波发生器产生的微波通过所述偏置器叠加后驱动所述VCSEL产生发散光，所述发散光经所述透镜变成平行光束后经过所述衍射光栅衍射，其一级衍射光沿原路返回到所述VCSEL以实现外腔反馈，其零级衍射光则作为输出光束。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种提高VCSEL微波调制效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将频率为fm的微波通过所述偏置器和直流发生器产生的直流叠加后驱动所述VCSEL，所述VCSEL产生发散光，通过调整所述透镜的位置，使所述VCSEL产生发散光经所述透镜后变成平行光束输出；
步骤2：通过调整所述衍射光栅的角度，使所述透镜输出的平行光束经过所述衍射光栅衍射后形成Littrow结构，即所述衍射光栅的一级衍射光沿原路返回到所述VCSEL以实现外腔反馈，其零级衍射光则作为输出光束；
步骤3：断开微波，将所述VCSEL的直流电流由零逐渐增大使所述VCSEL正常发光，调整所述衍射光栅的位置，同时检测所述衍射光栅的输出光束，当输出光束的正负一阶边带的频率等于微波频率fm时，保持所述衍射光栅位置不变；
步骤4：对所述VCSEL施加频率为fm的微波调制，所述VCSEL在直流电流和微波共同驱动下输出调频多色光，即实现以较小的微波功率获得正负一阶边带功率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明利用衍射光栅的一级衍射光作为反馈光，零级衍射光作为输出光，反馈光和输出光方向不同，因此光路中不需要使用光学隔离器，装置结构相对更为简单。
(2)装置相比现有方案，只需在光路中增加一个衍射光栅，其它部分保持不变，因此体积、功耗基本不变，但借助衍射光栅的反馈作用，VCSEL微波调制效率得到提高。
(3)本发明所提装置组成的法布里-珀罗腔(Fabry Perot,FP腔)的精细度为10左右，反馈强度更大，抑制载波及提高微波调制效率效果更明显。
附图说明
图1为本发明背景技术中VCSEL输出光谱示意图。其中(a)图为VCSEL在直流驱动下输出光谱示意图，(b)图为VCSEL在直流和微波驱动下输出光谱示意图；图2为本发明实施例的装置原理图；
图3为使用本发明装置与常规方案所获正负一阶边带功率对比图(使用FP干涉仪测量)。其中(a)为使用本发明装置在微波功率为0.3dbm时所获正负一阶边带幅度，(b)为在相同条件下使用常规方案所获正负一阶边带幅度。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例采用频率为3.4GHz微波，中心波长为795nm的VCSEL，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
如图2所示，本发明提供的一种提高VCSEL微波调制效率的装置，包括直流发生器1、微波发生器2、偏置器3、VCSEL4、透镜5、衍射光栅6、压电陶瓷7；
直流发生器1、微波发生器2分别与偏置器3连接，偏置器3与VCSEL4连接；压电陶瓷7轴向一端固定粘贴在衍射光栅6上，透镜5和衍射光栅6均设置在VCSEL4发射的光路中；
直流发生器1产生的直流和微波发生器2产生的微波通过偏置器3叠加后驱动VCSEL4产生发散光，发散光经透镜5变成平行光束后经过衍射光栅6衍射，其一级衍射光沿原路返回到VCSEL4以实现外腔反馈，其零级衍射光则作为输出光束。
本实施例中反射式衍射光栅6粘贴在压电陶瓷(PZT)7上，VCSEL4输出光和衍射光栅组成力特罗(Littrow)配置，即VCSEL4出射的发散光经透镜5变成平行光束经过衍射光栅6，其一级衍射光沿原路返回到VCSEL4以实现外腔反馈，其零级衍射光则作为输出光束。
本发明提供的一种提高VCSEL微波调制效率的方法，包括以下步骤：
(1)将频率为fm＝3.4GHz的微波通过一个偏置器和直流电流(1.2mA)叠加后驱动VCSEL(本实施例VCSEL型号：ULM795-01-TN-S46)，在VCSEL后插入透镜，调整透镜在Z轴方向上的位置，使VCSEL射出的发散光经透镜后变成平行光束输出。
(2)将反射式衍射光栅(本实施例光栅型号：THORLABS GR13-1208)插入到透镜后面，调整衍射光栅在XZ平面的角度，使衍射光栅组成Littrow结构，即衍射光栅的一级衍射光沿原光路返回到VCSEL以实现外腔反馈，零级衍射光则作为输出光束。调整完成后，保持衍射光栅在XZ平面的角度不变，此时，插入的衍射光栅与VCSEL底部端面组成FP光学腔。
(3)将微波断开，VCSEL直流电流由零逐渐增大至1.2mA使VCSEL正常发光。旋转PZT的光具座旋钮对PZT在Z轴方向的位移进行粗调，调节PZT的驱动电压对PZT位移进行细调，光栅输出光束通过扫描FP干涉仪(THORLABS SA210)来进行观察，当光栅输出光束的正负一阶边带的频率差等于6.8GHz时，保持衍射光栅在Z轴方向上的位置不变。
(4)在上述步骤基础上，对VCSEL施加频率为3.4GHz的微波调制，VCSEL在直流电流和微波共同驱动下输出调频多色光，即可实现本发明所提的以较小的微波功率获得正负一阶边带功率。
图3为使用本发明装置与常规方案在相同微波功率条件下所获正负一阶边带幅度对比图(微波功率为0.3dbm)，本实施例使用FP干涉仪测量VCSEL输出光束光谱。其中(a)为使用本发明装置所获正负一阶边带幅度，(b)为使用常规方案所获正负一阶边带幅度。由图3对比可知，在相同微波功率下，本发明装置获得的正负一阶边带幅度(功率)更大，结果表明，本发明所提装置可提高VCSEL微波调制效率。
本发明提出一种提高VCSEL微波调制效率的装置，以实现以较小的微波功率得到较大的正负一级边带功率。本发明使用衍射光栅作为VCSEL的外部反馈元件，VCSEL射出的激光经过衍射光栅时发生衍射，其中衍射光栅的一级衍射光作为反馈光沿原光路反方向返回VCSEL，与VCSEL内部底面镜子(反射率约为99％)一起组成光学FP腔，本发明涉及的FP腔的精细度较高(约为10)，FP腔对反馈回的光具有选频和加强共振的作用，从而可以提高VCSEL微波调制效率。衍射光栅的零级衍射光束则作为本装置输出光输出。另外，本发明中衍射光栅的一级衍射光作为反馈光、零级光束则作为输出光，反馈光和输出光方向不同，因此光路中不需要使用光学隔离器，结构相对更为简单。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种提高VCSEL微波调制效率的装置，其特征在于：包括直流发生器(1)、微波发生器(2)、偏置器(3)、VCSEL(4)、透镜(5)、衍射光栅(6)、压电陶瓷(7)；
所述直流发生器(1)、微波发生器(2)分别与所述偏置器(3)连接，所述偏置器(3)与所述VCSEL(4)连接；所述压电陶瓷(7)轴向一端固定设置在所述衍射光栅(6)上，所述透镜(5)和衍射光栅(6)均设置在所述VCSEL(4)发射的光路中；
所述直流发生器(1)产生的直流和所述微波发生器(2)产生的微波通过所述偏置器(3)叠加后驱动所述VCSEL(4)产生发散光，所述发散光经所述透镜(5)变成平行光束后经过所述衍射光栅(6)衍射，其一级衍射光沿原路返回到所述VCSEL(4)以实现外腔反馈，其零级衍射光则作为输出光束。
2.一种提高VCSEL微波调制效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将频率为fm的微波通过所述偏置器(3)和直流发生器(1)产生的直流叠加后驱动所述VCSEL(4)，所述VCSEL(4)产生发散光，通过调整所述透镜(5)的位置，使所述VCSEL(4)产生发散光经所述透镜(5)后变成平行光束输出；
步骤2：通过调整所述衍射光栅(6)的角度，使所述透镜(5)输出的平行光束经过所述衍射光栅(6)衍射后形成Littrow结构，即所述衍射光栅(6)的一级衍射光沿原路返回到所述VCSEL(4)以实现外腔反馈，其零级衍射光则作为输出光束；
步骤3：断开微波，将所述VCSEL(4)的直流电流由零逐渐增大使所述VCSEL(4)正常发光，调整所述衍射光栅(6)的位置，同时检测所述衍射光栅(6)的输出光束，当输出光束的正负一阶边带的频率等于微波频率fm时，保持所述衍射光栅(6)位置不变；
步骤4：对所述VCSEL(4)施加频率为fm的微波调制，所述VCSEL(4)在直流电流和微波共同驱动下输出调频多色光，即实现以较小的微波功率获得正负一阶边带功率。
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