本實(shí)用新型“一種基于長(zhǎng)波長(zhǎng)自旋VCSEL的極化輸出轉(zhuǎn)換裝置”屬于信息技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于長(zhǎng)波長(zhǎng)自旋VCSEL的極化輸出轉(zhuǎn)換裝置。

背景技術(shù)：

自旋電子學(xué)是將磁學(xué)和微電子學(xué)相結(jié)合，利用電子的自旋和磁矩來(lái)操控電子自旋自由度的一門(mén)學(xué)科，它主要研究電子自旋極化、自旋輸運(yùn)等特性，從而為設(shè)計(jì)、研制新的自旋電子器件提供理論和實(shí)驗(yàn)支持。自1990年Datta和Das首次提出自旋晶體管以來(lái)，自旋電子學(xué)便受到了廣泛的關(guān)注。隨后，一些更具實(shí)際應(yīng)用前景的自旋光電子器件被相繼提出。其中，自旋極化光源通過(guò)注入自旋極化的電子(或空穴)到有源區(qū)，并與非極化的空穴(或電子)輻射復(fù)合產(chǎn)生左旋或右旋圓極化光。這種電子自旋與光學(xué)極化直接聯(lián)系，使自旋極化光源在自旋探測(cè)、編碼、可重構(gòu)的光互連、先進(jìn)的光轉(zhuǎn)換器件等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，從而成為自旋電子學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。

目前研究的自旋極化光源主要包括自旋發(fā)光二極管(LED)和自旋垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)，人們一直試圖通過(guò)優(yōu)化器件設(shè)計(jì)方案，提高自旋極化光源的性能，以期獲得室溫條件工作下極化動(dòng)力學(xué)可控的自旋極化光源。相比于自旋LED，自旋垂直腔面發(fā)射激光器具有更快的調(diào)制動(dòng)力學(xué)、更低的閾值工作電流及更強(qiáng)的極化控制能力。自旋垂直腔面發(fā)射激光器具有的較強(qiáng)的極化輸出可控性為其在寬帶光通信、量子編碼、可重構(gòu)的光互聯(lián)等方面的應(yīng)用提供了可能。更為重要的是，自旋垂直腔面發(fā)射激光器不僅符合自旋電子學(xué)對(duì)法拉第結(jié)構(gòu)的要求，且其側(cè)向各向同性、具有近乎完美的圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)，從而使得自旋VCSEL成為了自旋激光器的首選。

2005年，美國(guó)密歇根大學(xué)的Holub等首次成功制備了電泵浦自旋VCSEL，隨后，電泵浦自旋VCSEL的研發(fā)取得了一系列突破性進(jìn)展，然而，與電泵浦自旋VCSEL相比，自旋VCSEL也可以采用光泵浦來(lái)獲取自旋取向的載流子，這為自旋VCSEL激射光極化特性的控制提供了一種新穎的方式，并為研究自旋VCSEL基本的物理機(jī)理提供了一條路徑。目前，基于光泵浦自旋VCSEL的研究主要聚焦于提高激光器工作溫度和降低激光器的工作閾值。特別的是，光泵浦自旋VCSEL的極化非線性動(dòng)力學(xué)也受到了關(guān)注，如Gahl等理論研究了光泵浦VCSEL輸出的極化動(dòng)力學(xué)行為，討論了橫向磁場(chǎng)對(duì)光泵浦下自旋VCSEL輸出極化特性的影響；和Gerhardt等先后利用脈沖光和連續(xù)光泵浦研究了室溫下自旋VCSEL的極化特性，證實(shí)了利用自旋極化光泵浦可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器極化輸出特性的控制。2009年，Ikeda等實(shí)驗(yàn)證實(shí)了基于(110)GaAs的光泵浦自旋VCSELs在77K時(shí)可獲得速率達(dá)GHz的超快圓極化光輸出。上述研究已經(jīng)證明泵浦光的極化度能有效控制自旋VCSEL輸出光的極化度，然而，僅僅通過(guò)泵浦控制激光器極化輸出的方式還不能使激光器獲得高極化度輸出，且現(xiàn)有的研究主要聚焦于短波長(zhǎng)自旋VCSEL。最近，Schires等在室溫和連續(xù)光泵浦條件下首次實(shí)驗(yàn)研究了1300nm稀氮化物自旋VCSEL的極化輸出特性，這為長(zhǎng)波長(zhǎng)自旋VCSEL在信息處理領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用開(kāi)拓了一條新的有效途徑。顯然，研究長(zhǎng)波長(zhǎng)自旋VCSEL的極化動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

此外，光注入方式可以使激光器處于穩(wěn)定的鎖定態(tài)，且易于調(diào)節(jié)和控制，它已經(jīng)被證明是一種控制激光器非線性動(dòng)態(tài)輸出的有效手段。因此，利用圓偏振光光注入有利于提高長(zhǎng)波長(zhǎng)自旋VCSEL輸出的極化度并實(shí)現(xiàn)對(duì)極化輸出轉(zhuǎn)換的精確控制，這無(wú)疑將對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)自旋VCSEL在極化相關(guān)的轉(zhuǎn)換、光信息和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、編碼通信等領(lǐng)域的應(yīng)用起到極大的推動(dòng)作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠利用光注入精確控制長(zhǎng)波長(zhǎng)自旋VCSEL輸出的極化度并實(shí)現(xiàn)極化輸出轉(zhuǎn)換的基于長(zhǎng)波長(zhǎng)自旋VCSEL的極化輸出轉(zhuǎn)換裝置。

本實(shí)用新型基于長(zhǎng)波長(zhǎng)自旋VCSEL的極化輸出轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，包括分析控制模塊電路，分別與所述的分析控制模塊電路連接的泵浦光注入模塊電路、圓偏振光注入模塊電路、極化光輸出模塊電路，其中，

所述泵浦光注入模塊電路包括：產(chǎn)生980nm泵浦光的泵浦光激光器，與所述泵浦光激光器依次串聯(lián)的第一隔離器、第一偏振控制器，還包括與所述泵浦光激光器連接的電流控制器、第一溫度控制器，所述泵浦光激光器產(chǎn)生的980nm泵浦光經(jīng)過(guò)第一隔離器、第一偏振控制器輸出，所述的第一隔離器使泵浦光單向注入，所述的第一偏振控制器調(diào)整泵浦光的偏振態(tài)；

所述圓偏振光注入模塊電路包括：分別產(chǎn)生1300nm左旋圓偏振光的半導(dǎo)體激光器SL1和產(chǎn)生1300nm右旋圓偏振光的半導(dǎo)體激光器SL2，所述半導(dǎo)體激光器SL1和所述半導(dǎo)體激光器SL2分別依次串聯(lián)第一放大器、第二偏振控制器和第二放大器、第三偏振控制器后同時(shí)依次串接第二耦合器、第二隔離器；半導(dǎo)體激光器SL1產(chǎn)生的左旋圓偏振光依次經(jīng)過(guò)第一放大器、第二偏振控制器處理后輸出至第二耦合器并經(jīng)第二隔離器輸出，半導(dǎo)體激光器SL2產(chǎn)生的右旋圓偏振光依次經(jīng)過(guò)第二放大器、第三偏振控制器處理后輸出至第二耦合器并經(jīng)第二隔離器輸出；

所述極化光輸出模塊電路包括：自旋垂直腔面發(fā)射激光器，與所述自旋垂直腔面發(fā)射激光器連接的準(zhǔn)直鏡、第二溫度控制器；

所述泵浦光注入模塊電路輸出的泵浦光經(jīng)準(zhǔn)直鏡后注入到自旋垂直腔面發(fā)射激光器使自旋垂直腔面發(fā)射激光器產(chǎn)生1300nm的偏振光，可控制激光器輸出光的偏振態(tài)；

所述圓偏振光注入模塊電路輸出的1300nm左旋圓偏振光或1300nm右旋圓偏振光依次經(jīng)第一耦合器，波分復(fù)用(WDM)耦合器，準(zhǔn)直鏡后注入到自旋垂直腔面發(fā)射激光器，進(jìn)一步精確控制自旋垂直腔面發(fā)射激光器輸出光的極化度，使自旋垂直腔面發(fā)射激光器輸出高極化度的偏振光。

進(jìn)一步地，所述分析控制模塊電路包括：測(cè)試模塊、數(shù)據(jù)分析電路單元、泵浦光注入模塊電路、圓偏振光注入模塊電路、極化光輸出模塊電路的控制調(diào)節(jié)電路單元，其中所述測(cè)試模塊包括：分析輸出光的光譜特性的光譜儀、分析輸出光的頻域特性的頻譜分析儀、分析輸出光的時(shí)域特性的示波器、分析輸出光的極化特性的偏光計(jì)、監(jiān)控輸出光的輸出功率的光功率計(jì)。

進(jìn)一步地，所述自旋垂直腔面發(fā)射激光器工作波長(zhǎng)為1300nm。

借由上述方案，本實(shí)用新型基于長(zhǎng)波長(zhǎng)自旋VCSEL的極化輸出轉(zhuǎn)換裝置至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本極化輸出轉(zhuǎn)化裝置采用1300nm自旋VCSEL，可實(shí)現(xiàn)激光器的室溫工作，從而有利于該裝置的實(shí)際應(yīng)用。

2、相比通常的自旋極化光源，因采用自旋VCSEL作為核心器件，可獲得高極化度的輸出。

3、利用圓偏振光注入技術(shù)能提高激光器輸出的極化度并易于實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出的極化控制。

上述說(shuō)明僅是本實(shí)用新型技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本實(shí)用新型的技術(shù)手段，并可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1本實(shí)用新型基于長(zhǎng)波長(zhǎng)自旋VCSEL的極化輸出轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖2本實(shí)用新型基于長(zhǎng)波長(zhǎng)自旋VCSEL的極化輸出轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖中：1：泵浦激光器；2：第一溫度控制器；3：電流控制器；4：第一隔離器；5：第一偏振控制器；6：波分復(fù)用(WDM)耦合器；7：準(zhǔn)直鏡；8：自旋垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)；9：第二溫度控制器；10:第一耦合器；11:1300nm半導(dǎo)體激光器SL1；12:1300nm半導(dǎo)體激光器SL2；13：第一放大器；14：第二偏振控制器；15：第二放大器；16：第三偏振控制器；17：第二耦合器；18：第二隔離器；19：濾波器；20：第三隔離器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本實(shí)用新型，但不用來(lái)限制本實(shí)用新型的范圍。

泵浦光源的溫度和電流分別由高精度溫控源(精度±0.01k)和超低噪聲電流源控制，自旋VCSEL的溫度也通過(guò)高精度源(精度±0.01k)控制，通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器控制泵浦光偏振態(tài)，泵浦光經(jīng)波分復(fù)用(WDM)和準(zhǔn)直鏡7后注入到自旋VCSEL中，使激光器在室溫下輸出1300nm的激射光；然后，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)1300nm半導(dǎo)體激光器的工作電流、溫度、放大器以及偏振控制器，使兩個(gè)半導(dǎo)體激光器分別輸出左旋圓偏振光和右旋圓偏振光；然后，將半導(dǎo)體激光器的輸出光經(jīng)隔離器、耦合器及準(zhǔn)直鏡后注入到自旋VCSEL以保證激光器能輸出高極化度的左旋或右旋圓偏振光；通過(guò)對(duì)注入光信號(hào)的選擇，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋VCSEL極化輸出的轉(zhuǎn)換控制。其中，濾波器19主要用來(lái)濾掉激光器端面反射回來(lái)的泵浦光信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波器的光束進(jìn)入第三隔離器20。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，所有儀器通過(guò)GPIB和高速數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、實(shí)時(shí)分析評(píng)估及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)控。通過(guò)對(duì)獲取的自旋VCSEL輸出信號(hào)進(jìn)行極化度分析后可適當(dāng)?shù)恼{(diào)控系統(tǒng)參量，從而獲取高極化度的輸出信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)極化輸出轉(zhuǎn)換。

參見(jiàn)圖1和圖2，本實(shí)用新型一較佳實(shí)施例所述的一種基于長(zhǎng)波長(zhǎng)自旋VCSEL的極化輸出轉(zhuǎn)換裝置，包括分析控制模塊電路，分別與所述的分析控制模塊電路連接的泵浦光注入模塊電路、圓偏振光注入模塊電路、極化光輸出模塊電路，其中，

所述泵浦光注入模塊電路包括：產(chǎn)生980nm泵浦光的泵浦光激光器1，與所述泵浦光激光器依次串聯(lián)的第一隔離器4、第一偏振控制器5，還包括與所述泵浦光激光器連接的電流控制器3、第一溫度控制器2，所述電流控制器根據(jù)分析控制模塊電路輸出的控制指令調(diào)整泵浦光激光器的工作電流，所述第一溫度控制器根據(jù)分析控制模塊電路輸出的控制指令調(diào)整泵浦光激光器的工作溫度；所述泵浦光激光器產(chǎn)生的980nm泵浦光經(jīng)過(guò)第一隔離器4、第一偏振控制器輸出，所述的第一隔離器使泵浦光單向注入，所述的第一偏振控制器調(diào)整泵浦光的偏振態(tài)；

所述圓偏振光注入模塊電路包括：分別產(chǎn)生1300nm左旋圓偏振光的半導(dǎo)體激光器SL1和產(chǎn)生1300nm右旋圓偏振光的半導(dǎo)體激光器SL2，所述半導(dǎo)體激光器SL1和所述半導(dǎo)體激光器SL2分別依次串聯(lián)第一放大器13、第二偏振控制器14和第二放大器15、第三偏振控制器16后同時(shí)依次串接第二耦合器17、第二隔離器18；半導(dǎo)體激光器SL1產(chǎn)生的左旋圓偏振光依次經(jīng)過(guò)第一放大器、第二偏振控制器處理后輸出至第二耦合器并經(jīng)第二隔離器輸出，半導(dǎo)體激光器SL2產(chǎn)生的右旋圓偏振光依次經(jīng)過(guò)第二放大器、第三偏振控制器處理后輸出至第二耦合器并經(jīng)第二隔離器輸出；

所述極化光輸出模塊電路包括：自旋垂直腔面發(fā)射激光器8，與所述自旋垂直腔面發(fā)射激光器電連接的準(zhǔn)直鏡、第二溫度控制器9，所述第二溫度控制器根據(jù)分析控制模塊電路輸出的控制指令控制自旋垂直腔面發(fā)射激光器的工作溫度；

所述泵浦光注入模塊電路輸出的泵浦光經(jīng)準(zhǔn)直鏡后注入到自旋垂直腔面發(fā)射激光器控制激光器輸出光的偏振態(tài)，使自旋垂直腔面發(fā)射激光器產(chǎn)生1300nm的偏振光；

所述圓偏振光注入模塊電路輸出的1300nm左旋圓偏振光或1300nm右旋圓偏振光依次經(jīng)第一耦合器10，波分復(fù)用(WDM)耦合器6，準(zhǔn)直鏡后注入到自旋垂直腔面發(fā)射激光器，進(jìn)一步精確控制自旋垂直腔面發(fā)射激光器輸出光的極化度，使自旋垂直腔面發(fā)射激光器輸出高極化度的偏振光。

本實(shí)施例中，所述分析控制模塊電路包括：測(cè)試模塊、對(duì)測(cè)試模塊獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的數(shù)據(jù)分析電路單元、輸出控制指令至所述的泵浦光注入模塊電路、圓偏振光注入模塊電路、極化光輸出模塊電路的控制調(diào)節(jié)電路單元，其中所述測(cè)試模塊包括：分析輸出光的光譜特性的光譜儀、分析輸出光的頻域特性的頻譜分析儀、分析輸出光的時(shí)域特性的示波器、分析輸出光的極化特性的偏光計(jì)、監(jiān)控輸出光的輸出功率的光功率計(jì)。

本實(shí)施例中，圓偏振光通過(guò)第一耦合器10，波分復(fù)用(WDM)耦合器6和準(zhǔn)直器7后注入到自旋垂直腔面發(fā)射激光器中。圓偏振光注入模塊是將產(chǎn)生的左旋(右旋)圓偏振光注入到極化光輸出模塊的激光器中。極化光輸出模塊是用于產(chǎn)生高極化度的極化光輸出，其輸出光的極化度受到圓偏振光注入模塊控制。

分析控制模塊電路，通過(guò)Labview軟件使計(jì)算機(jī)能與其他模塊連接并實(shí)現(xiàn)控制；如控制泵浦光注入模塊中泵浦激光器的工作電流及溫度，進(jìn)而控制激光器輸出光狀態(tài)；控制圓偏振光注入模塊SL1和SL2的工作電流及溫度進(jìn)而控制注入光的狀態(tài)，控制放大器的放大倍率；控制極化光輸出模塊中自旋垂直腔面發(fā)射激光器的工作溫度等；同時(shí)，通過(guò)這種方式，分析控制模塊還能對(duì)上述模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)分析，從而保證各模塊能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的輸出。

分析控制模塊電路通過(guò)Labview軟件使計(jì)算機(jī)能與其他各模塊相連接并實(shí)現(xiàn)控制；同時(shí)，計(jì)算機(jī)也通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與該模塊中的各分析儀器相連接，因而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋輸出光信號(hào)的采集與分析，其中，光譜儀分析輸出光的光譜特性；頻譜分析儀分析輸出光的頻域特性；示波器分析輸出光的時(shí)域特性；偏光計(jì)分析輸出光的極化特性；光功率計(jì)監(jiān)控輸出光的輸出功率。

本實(shí)用新型的工作原理如下：首先，980nm泵浦光經(jīng)隔離器4，偏振控制器5，波分復(fù)用(WDM)耦合器6，準(zhǔn)直鏡7后注入到自旋垂直腔面發(fā)射激光器8使激光器產(chǎn)生1300nm的偏振光。一方面，泵浦光可以使激光器輸出1300nm波段的激光；另一方面，泵浦光可以一定程度上控制激光器輸出光的偏振態(tài)。隔離器4使泵浦光單向注入；偏振控制器5可以調(diào)整泵浦光的偏振態(tài)；波分復(fù)用(WDM)耦合器6實(shí)現(xiàn)980nm和1300nm光束的分光或合成；準(zhǔn)直鏡7是為了將泵浦光注入到激光器。

其次，圓偏振光注入模塊是通過(guò)SL1和SL2分別產(chǎn)生左旋和右旋圓偏振光，然后，左旋或右旋圓偏振光通過(guò)第二耦合器17，第二隔離器18，第一耦合器10，波分復(fù)用(WDM)耦合器6，準(zhǔn)直鏡7后注入到自旋VCSEL，進(jìn)一步精確控制激光器輸出光的極化度，使激光器能輸出高極化度的偏振光；1300nmSL1的輸出光經(jīng)第一放大器13放大，然后經(jīng)第二偏振控制器14后可獲得左旋圓偏振光輸出；1300nmSL2的輸出光經(jīng)第二放大器15放大，然后經(jīng)第三偏振控制器16后可獲得右旋圓偏振光輸出；圓偏振光注入模塊輸出左旋圓偏振光或右旋圓偏振光可通過(guò)控制兩個(gè)激光器SL1或SL2來(lái)實(shí)現(xiàn)；第一放大器13和第二放大器15用于放大激光器輸出的光功率，以便保證足夠強(qiáng)的光能注入到自旋垂直腔面發(fā)射激光器；第二偏振控制器14和第三偏振控制器16是用于控制SL1和SL2輸出光的偏振態(tài)；第二耦合器17是使兩路圓偏振光都能注入到極化光產(chǎn)生模塊；第二隔離器18是為了保證單向光注入。

最后，對(duì)于極化光輸出模塊；溫度控制器9主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋垂直腔面發(fā)射激光器8工作溫度的控制，準(zhǔn)直鏡7一方面保證外部泵浦光和注入光能注入到自旋垂直腔面發(fā)射激光器，同時(shí)也能保證自旋垂直腔面發(fā)射激光器的輸出能耦合到光纖中。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本實(shí)用新型，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。