專利名稱：基于耦合腔垂直腔面發(fā)射激光器寬帶信號慢光可調延時器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及全光分組交換網絡中的光緩存、光學傳感、圖像處理等技術領域領域， 具體涉及光纖通信系統(tǒng)中寬帶信號慢光可調延時器領域。
背景技術：
當今，人類的生產生活不斷向著數字化、信息化的方向邁進，亟待實現(xiàn)準確、高速、 大容量的信息存儲和傳輸。傳統(tǒng)的通信技術越來越無法滿足人們的這一需求，信息的全光存儲和傳輸逐漸成為了現(xiàn)今關注的熱點。目前，在光存儲領域控制光脈沖的緩存長度和群速度都可以實現(xiàn)信息的存儲。根據這兩種方式，人們逐漸探索實現(xiàn)全光存儲的方案。1991年，I. Chlamtac等人提出了基于光纖延遲線+光開關的存儲方案，它利用光纖的延遲特性配合光開關來調節(jié)延遲時間，就構成了 “交換延遲線”。這種結構的光纖緩存器，是以光信號經歷不同長度的光纖路徑來調節(jié)光信號的延遲時間的，它結構復雜并且不具備讀寫的功能，因此理論上不是真正意義的緩存器。同年，斯坦福大學利用提出的電磁誘導透明(EIT)技術，首次在Sr原子中觀察到慢光延時現(xiàn)象。隨后HaU，Harris等人于1999年利用利用接近絕對零度的鈉原子蒸汽作為介質，將光速減慢到17m/s。這些成果雖然都曾一度引起轟動，但是離實際應用相去甚遠，因為將Na原子等氣體原子冷卻到納開量級的溫度非常困難，而且耗資巨大如果能在室溫固體中實現(xiàn)超慢光速，其應用才顯得更加現(xiàn)實。隨后Chang-Hasnain等人首次觀測到不同頻率的正弦信號能夠在VCSELs中獨立產生延遲；隨后P. C. Peng等人又研究了信號的調制頻率對延遲時間的影響。在對此方法的研究和時間過程中，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當信號與VCSEL的中心頻率產生諧振時延遲時間最大，隨著信號頻率與諧振頻率差值的增大，信號延遲量迅速下降。這一現(xiàn)象反映出 VCSEL的延時譜線具有較尖銳的峰值和較窄的帶寬，造成這一現(xiàn)象的原因是由于高反射率 DBR構成的諧振腔導致了延時帶寬受限于F-P腔的線寬，這種頻譜特性非常容易導致傳輸信號的失真，從而大大的限制了帶寬信號在VCSEL中的慢光延時，進而影響VCSEL作為光存儲器的發(fā)展。因此，如何優(yōu)化器件的延時帶寬成為目前亟待需要解決的問題。

發(fā)明內容
鑒于以上陳述的已有技術的不足，本發(fā)明旨在提供一種的耦合腔結構VCSEL慢光可調時延器，能夠擴展延時帶寬，為寬帶信號慢光延時提供條件。本發(fā)明采用的技術方案是一種基于耦合腔垂直腔面發(fā)射激光器寬帶信號慢光可調時延器，包括偽隨機二進制序列發(fā)生器(PRBS源)，可調諧激光器，馬赫增德爾調制器，偏振控制器，可調光衰減器，光耦合器，光功率計，光環(huán)路器，耦合腔垂直腔面激光器 (CC-VCSEL)和直流電源。其特征在于，通過改變垂直腔面發(fā)射激光器一側DBR的結構，構造無緣腔與有緣腔相耦合的耦合腔，利用該耦合腔擴展器件的延遲帶寬，從而使器件適于寬帶信號的慢光延時。處理步驟包括進入CC-VCSEL的激光束首先從可調諧激光器中發(fā)射， 經過馬赫增德爾(Mach-Zehnder)調制器后，調制生成PRBS信號，隨后信號經過偏振控制器和光衰減器后被分為兩路，一路進入CC-VCSEL，另一路進入光功率計進行功率監(jiān)測。上 述技術方案可以看出，由于本發(fā)明實施采用耦合腔垂直腔面發(fā)射激光器實現(xiàn)寬帶信號的慢光延時，因此通過改變VCSEL頂部DBR的結構構造無源腔，由于頂部無源腔的存在，反射率在信號頻譜范圍內不再是一個常數，而是隨著頻率變化的量，并且在諧振頻率處出現(xiàn)明顯的凹谷。這是因為頂部膜層結構改變，其微腔的選頻特性也發(fā)生變化，該結構對諧振頻率處信號的反射率迅速減小，這一變化降低了諧振頻率處信號的延遲時間，同時由于反射谷譜陡峭邊緣的存在進一步提高了諧振頻率附近信號的延時量，因此相應的延時曲線與單腔VCSEL延時譜線相對比，延時帶寬在更廣的頻譜范圍內出現(xiàn)了擴展，并且頂部趨于平坦，這一變化使CC-VCSEL更合適于寬帶信號的傳輸?；贑C-VCSEL的寬帶信號慢光可調延時器具有處理高速率高帶寬信號的能力，并且延時量可以通過改變CC-VCSEL的偏置電流、信號光的功率和波長進行調節(jié)，且易于與其他半導體光電器件芯片集成，工作在室溫條件，因此在全光緩存領域具有巨大的應用前景。


如下為了更清楚的說明本發(fā)明的技術方案，下面將對發(fā)明描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見，下面中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明裝置中CC-VCSEL的結構示意圖。圖2是CC-VCSOA中信號延時過程示意圖。圖3是本發(fā)明裝置的結構示意圖。圖4虛框內是本發(fā)明的光可調延時器；其余為延時測量的裝置結構示意圖。圖5 (a) CC-VCSOA頂部反射率隨信號波長的變化曲線(b)單位失偕相位引起的延時譜線(c)頂部反射率的變化引起的延時譜線(e) 1550nm CC-VCSEL的延時譜線。圖6不同頻率超高斯信號的慢光延時時域圖。圖7不同頻率超高斯信號的慢光延時眼圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的實施作進一步的描述。顯然，所描述的實例僅僅是本發(fā)明的一些實施例，而非全部。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明實施例提供一種基于耦合腔垂直腔面發(fā)射激光器寬帶信號慢光可調器，能夠通過擴展VCSEL的延時帶寬而應用于寬帶信號的慢光延時領域。本發(fā)明實施例還提供相應的慢光延時系統(tǒng)。一下分別進行詳細說明。延時1550nm的CC-VCSEL的結構如圖1所示，整個腔體由有源腔、間隔層、基底和分布布拉格反射鏡(DBR)組成，其中DBR是由λ光學厚度的高低折射率不同的介質層交替生成，頂部膜層的周期數分別為Ic1和k2，DBR膜堆與所夾λ 0/2長度的間隔層構成了一個無源腔，并與有源腔相耦合而形成耦合腔。當CC-VCSEL工作在反射模式下，信號從頂層 DBR耦合進入腔體并且輸出。
信號在CC-VCSOA中產生慢光延時的過程如圖2所示，圖中延時信號譜與輸入
信號譜之間的關系表示為If (ω) = Em( )g(fij)exp(/>( ))，其中g (ω) exp (i Ψ (ω))是
CC-VCSOA的傳遞函數，其相位正色散的取值決定了信號的延遲時間，S卩τ = - ψ(ω)/ dco。目前計算傳遞函數的方法主要是利用微腔理論，將CC-VCSEL腔體看成由高反射率反射鏡夾一個有源腔構成，頂部、底部鏡面反射率分別為Rt和Rb，有源腔腔長為L。，信號場^1由頂部反射鏡入射，沿有源腔軸向ζ傳輸，經過兩側DBR多次反射后形成駐波，最終從頂部反射鏡輸出，其中信號場在VCSEL兩端面滿足邊界條件E+ (0) = Em φ-R1 +(0)( 1)E'(LC) = ^exp(-m)E+(Lc)(2)Eref =+ ^Il-RlE-(0)(3)式中E±(0)和護(L。)分別對應z = 0和z = L。時正負ζ方向信號場。信號場 Ei(Z)在腔內傳輸過程滿足
土^ifl = 土宏汝孟穴 ζ)(4)
dz2式中k是介質中的傳播常數，k = 2 π η。/ λ，n。為介質有效折射率，λ是真空中信號波長，模式增益為g。= lTgm_a。，其中ξ是增益增強因子，它反映了 F-P腔駐波波峰與有源區(qū)量子阱的對準程度，縱向限制因子Γ =La/L。，其中1^是量子阱厚度，a。是腔內平均吸收系數，材料增益gm是與載流子密度N有關的量，即
JV +JVgm (N) = g0 ln( s )(5)
Ntr+Ns式中，Ntr是透明載流子濃度，g0和Ns分別對應增益擬合參量和載流子擬合參量。 根據(4)式，結合邊界條件，可以得到反射模式下CC-VCSEL的傳遞函數表達式=明(6)式中Gs = exp (g。L。)，為單程增益，單程失諧相位θ = 2 π ncLc (1/ λ -1/ λ Q)，它反映了信號波長與諧振腔波長λ ^的失諧程度。根據(6)式不難推導相位和延時表達式_ = _n(1/2嚴__(7)= =(8)
ω ω ω式中de/dco =ncLc/c，由于Ψ和Rt都是與頻率相關的量，則式中AA = _d ψ/d θ 和BB = -dv/dRt分別反映了單程失諧相位和頂部反射率對信號延時的影響，其算數表達式為
暴_RbG^l-R12)-柯(ι + R戲)Gs(l - IQCOS20_ ⑴
~ Rt + 及A2(l +《+ RtRbG2s)-2^Rb{\ + RbG2s )GS(1 +Rt)ooslO+ARtRbG2s cos2 2Θ
權利要求
1.一種基于耦合腔垂直腔面發(fā)射激光器(CC-VCSEL)寬帶信號慢光可調時延器，其特征在于，通過改變垂直腔面發(fā)射激光器一側DBR的結構，構造無緣腔與有緣腔相耦合的耦合腔，利用該耦合腔擴展器件的延遲帶寬，從而使器件適于寬帶信號的慢光延時。 處理步驟包括進入CC-VCSEL的激光束首先從可調諧激光器中發(fā)射，經過馬赫增德爾 (Mach-Zehnder)調制器后，調制生成二進制位隨機序列(PRBS)信號，隨后信號經過偏振控制器和光衰減器后被分為兩路，一路進入CC-VCSEL，另一路進入光功率計進行功率監(jiān)測。
2.實現(xiàn)權利要求1所述之寬帶信號慢光可調時延器，其特征在于=CC-VCSEL的耦合腔結構，是通過在VCSEL有緣腔一側DBR膜堆之間構造一個λ 0/2長度的間隔層，該間隔層與所夾DBR膜堆構成了一個無源腔，并與原有源腔相耦合而形成耦合腔。
3.根據權利要求1所述的寬帶信號慢光可調時延器，其特征在于該結構改變了器件頂部反射率，導致反射譜在諧振頻率處出現(xiàn)反射谷，這一變化降低了諧振頻率處信號的延遲時間，提高了諧振頻率附近信號的延時量，從而擴展了器件的延遲帶寬，并優(yōu)化了延遲譜線。
4.根據權利要求1所述的寬帶信號慢光可調時延器，其特征在于改變可調諧激光器的信號功率和波長，或者CC-VCSEL的偏置電流，可以產生不同的延時效果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于耦合腔垂直腔面發(fā)射激光器寬帶信號慢光可調時延器。本發(fā)明的方法包括通過改變VCSEL一側DBR的結構，構造無緣腔和和有緣腔相耦合的耦合腔，可以有效地擴展器件的延時帶寬。本發(fā)明技術方案能夠通過調節(jié)CC-VCSEL的偏置電流、輸入信號光功率或波長，有效調節(jié)寬帶信號的慢光延時。本發(fā)明裝置具有室溫條件下工作、操作簡單、易于集成等優(yōu)點。
文檔編號H04B10/155GK102354073SQ20111029060
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權日2011年9月29日
發(fā)明者葉佳, 易安林, 羅斌, 馬雅男 申請人:西南交通大學