基于双光束干涉和注入锁定原理的全光比较器

摘要

基于双光束干涉和注入锁定原理的全光比较器，属于光电子技术领域。由两个全反射镜M1和M2、四个为分束镜BS1～BS4、一个参考激光器RL、一个从激光器SL和两个光隔离器ISO1和ISO2组成；利用参考激光器RL产生从激光器SL的输入参考光P

说明书

技术领域

基于双光束干涉和注入锁定原理的全光比较器，属于光电子技术领域。

背景技术

现有的电子比较器速度发展缓慢，不能满足日益增长的通讯，宽带雷达及实时监控等对比较器速度的要求。尽管已有报道采用光学方法扩展电子比较器和模数转换器的性能，但电子比较器判别的不确定性仍是一个很难克服的难题。在光电子比较器方面，将传统的光电二极管、微分放大器和电子比较器结合起来，制成PNPN闸流管结构，利用其中一个PN结形成光电探测器，再由外电路实现类似二极管与门的功能，由PNPN特殊的伏安特性，与负载配合实现放大的光强比较，输出光束或电压。这一原理运用普遍，但都是集中于实现光电子集成(OEIC)，不可避免地要进行光电转换，系统复杂，生产成本较高。

发明内容

本发明利用相位相差π或π的奇数倍的双光束干涉和激光器注入锁定原理，提供一种基于双光束干涉和注入锁定原理的全光比较器，能够克服电子比较器判别的不确定性问题，无需光电转换，器件结构简单，生产成本较低。

在介绍本发明的技术方案之前，先介绍一下半导体激光器注入锁定原理和相位相差π或π的奇数倍的双光束干涉原理。

A.半导体激光器注入锁定原理。在半经典理论框架下，半导体激光器谐振腔内有外部单色相干光注入时纵模光电场动态特性，依据行波放大模型，应满足速率方程

$>>>dE>dt>>=>\{>j>[>\omega >>(>n>)>>->>\omega >os>>->>\Delta \omega >o>>]>+>>(>G>->1>)>>/>>(>2>>\tau >ph>>)>>\}>E>+>>E>sp>>+>>k>c>>>E>i>>->->->>(>1>)>>>s>$

其中，E＝|E|exp(jφ)为谐振腔内光电场缓变振幅，归一化为|E|²＝S，S为腔内光子数；ω(n)为谐振腔角频率，是载流子密度n的函数；ω_os为自由运转角频率，Δω_o为注入光与自由运转时光角频率之差。G(n，S)＝G_n(n-n_o)(1-k_sS)， $>>>G>n>>=>>>\partial >g>>>\partial >n>>>>v>g>>>\tau >ph>>,>>>\partial >g>>>\partial >n>>>>s>为增益系数，\tau$_ph为腔内光子寿命，v_g为群速度，n_o为透明载流子密度，k_s为非线性增益系数，α_r为谐振腔端面损耗系数。E_sp为自发辐射光电场，k_c＝γf_d为注入耦合系数， $>>\gamma >=>>>1>->R>>>R>>>,>>s>R为谐振腔端面功率反射系数，f$_d为纵模间隔。E_i＝|E_i|exp(jφ_i)为注入光电场缓变振幅，|E_i|²＝S_i。

由于

$>>>dS>dt>>=>>>d>>(>E>>>·>E>>*>>)>>>dt>>=>E>·>>>dE>*>>dt>>+>>E>*>>·>>dE>dt>>=>2>Re>[>>E>*>>·>>dE>dt>>]>->->->>(>2>)>>>s>$

将(1)式两侧同乘E^*并取实部，由(2)式得到

$>>>dS>dt>>=>>(>G>->1>)>>/>>\tau >ph>>·>>>|>E>|>>2>>+>2>Re>[>>E>*>>>>·>E>>sp>>]>+>2>>k>c>>Re>[>>E>*>>>>·>E>>i>>]>->->->>(>3>)>>>s>$

由于|E|²＝S，<E^*·E_sp>＝Rs/2，E^*·E_i＝|E||E_i|exp[j(φ_i-φ)]

$>>>dS>dt>>=>>(>G>->1>)>>/>>\tau >ph>>·>S>+>Rs>+>2>>k>c>>|>E>|>|>>E>i>>|>cos>>(>>\phi >i>>->\phi >)>>->->->->>(>4>)>>>s>$

将(1)式两侧取虚部，由ω(n)≈ω_os+αG_nΔn/(2τ_ph)，<E^*·E_sp>＝Rs/2为实数， $>>Im>[>>>E>sp>>>|>E>|>>>exp>>(>->j\phi >)>>]>=>Im>[>>>>E>sp>>>>·>E>>*>>>>>|>E>|>>2>>>]>=>0>,>>s>得到$

$>>>d\phi >dt>>=>[>>1>>2>>\tau >ph>>>>\alpha >>G>n>>\Delta n>->\Delta >>\omega >o>>]>+>>k>c>>>>|>>E>i>>|>>>|>E>|>>>sin>>(>>\phi >i>>->\phi >)>>->->->>(>5>)>>>s>$

又由于

$>>G>>(>n>,>S>)>>=>G>>(>>n>os>>,>>S>os>>)>>+>>>\partial >G>>>\partial >n>>>>|>>>n>os>>,>>S>os>>>>>(>n>->>n>os>>)>>+>>>\partial >G>>>\partial >S>>>>|>>>n>os>>,>>S>os>>>>>(>S>->>S>os>>)>>->->->>(>6>)>>>s>$

$>>=>1>+>>G>n>>>(>1>->>k>s>>>S>os>>)>>\Delta n>->>k>s>>>G>n>>>(>>n>os>>->>n>o>>)>>\Delta S>>s>$

$>>Rs>=>>K>tot>>>R>sp>>=>>KK>z>>>R>sp>>=>>KK>z>>>>>n>sp>>G>>>\tau >ph>>>->->->>(>7>)>>>s>$

及载流子密度速率方程，将(6)式代入得

$>>>dn>dt>>=>J>->>n>>\tau >s>>>->>G>>>\tau >ph>>V>>>S>=>J>->>\Delta n>>\tau >s>>>->>>n>os>>>\tau >s>>>->>>1>+>>G>n>>>(>1>->>k>s>>>S>os>>)>>\Delta n>->>k>s>>>G>n>>>(>>n>os>>->>n>o>>)>>\Delta S>>>>\tau >ph>>V>>>S>->->->>(>8>)>>>s>$

方程(4)、(5)、(8)组成了描述激光器动态特性的理论基础。稳定锁定特性可由 $>>>d>dt>>=>0>>s>得到。由(8)式$

$>>\Delta n>=>[>J>->>>n>os>>>\tau >s>>>->>S>>>\tau >ph>>V>>>+>>>>k>s>>>G>n>>>(>>n>os>>->>n>o>>)>>\Delta S>>>>\tau >ph>>V>>>S>]>>>[>>1>>\tau >s>>>+>>>>G>n>>>(>1>->>k>s>>>S>os>>)>>S>>>>\tau >ph>>V>>>]>>>->1>>>->->->>(>9>)>>>s>$

由(5)式

$>>sin>>(>>\phi >i>>->\phi >)>>=>[>->>1>>>2>\tau >>ph>>>\alpha >>G>n>>\Delta n>+>\Delta >>\omega >o>>]>[>>k>c>>>>|>>E>i>>|>>>|>E>|>>>>]>>->1>>>->->->>(>10>)>>>s>$

由(8)式和G＝1可解得稳态无注入时自由运转腔内光子数S_os和载流子密度n_os。为方便计算，将ΔS＝S-S_os代入(4)～(10)式，最终得到稳定注入锁定时腔内光子数增量ΔS与注入光子数S₁和泵浦速率J的关系。按照和P/P_os＝S/S_os，借助于计算机，使用表1中的激光器参数，可得到附图1。由附图1可见，在不发生注入光诱导脉动(ILIP，InjectedLight-Induced Pulsation)现象的小光强条件下，输出光功率从自由运转光功率到增加1％时，对于较弱的泵浦J/J_th＝1.3，注入光功率仅能达到0.004mW

                    表1、InGaAsP激光器参数

(-23.98dBm)的水平；而对于较强的泵浦J/J_th＝4.5，注入光功率最高达0.1mW(-10dBm)。这里，P₁是注入到激光器有源介质内的光功率，若计入光约束因子Γ，则注入光功率应为P₁/Γ，因而附图1中的横坐标刻度应当更大。注入光强在较大的范围内变化，输出光强变化很小，由泵浦决定。这与文献报道的理论和实验的比较一致。这一现象就是注入锁定光限幅放大和相位调制光放大器的物理基础。

注入锁定后，谐振腔内光电场和注入光电场的相对相位关系为

$>>>>\phi >->\phi >>i>>=>>>->sin>>>->1>>>>(>>\Delta \omega >>\Delta >>\omega >L>>>>)>>->>tan>>->1>>>\alpha >->->->>(>11>)>>>s>$

其中，Δω＝ω_i-ω为注入光与腔内光频率之差， $>>>\Delta \omega >L>>=>>f>d>>>>|>>E>i>>|>>>|ver>>E>‾>>|>>>>1>+>>\alpha >2>>>,>>s>E为稳定时谐振腔内光电场振幅。由(11)式，当\Delta \omega ＝0即0失谐时，\phi -\phi$_i＝-tan^-1α，与注入光电场和输出光电场振幅无关，由α决定。而对于特定的激光器，α几乎为一常数。这就表明，在Δω＝0的条件下，输出光电场再现了输入光电场的相位。

Hui指出，由于激光器不稳定性和锁定失谐范围的非对称性由α决定，使得负失谐频率(ω_i＜ω)发生锁定所需的模增益下降，而正失谐发生锁定所需的模增益上升，即α造成的输出光功率相对于失谐量的非对称性，在使用端面反射F-P腔半导体激光器时，较大的正失谐将远比未锁定的边纵模不稳定，因而锁定相位差被限制在≤π/2。幸运的是，对于0失谐的情况，这一效应并不影响锁定模的稳定。

采用DFB结构激光器，由于对边模较强的抑制，在低注入情况下，发生稳定锁定的失谐范围成为以自由运转频率(0失谐)为中心的对称区域，正失谐的很大一部分锁定输出功率小于自由运转时的输出功率，衰减振荡边模峰或伪真的自由运转模则完全不出现。这为相移键控(PSK)调制的实现提供了可能，也为本发明提出的应用提供了更可靠的特性。采用DFB(分布反馈布拉格光栅)结构激光器更利于实现稳定的单模和快速的暂态抑制。

发生稳定的注入锁定的注入光强应当在一定的范围内。一方面，注入相干光受激放大后的输出光强应大于激光器自发辐射受激放大输出光强，即注入光在与自发辐射光争夺反转载流子的过程中占优，因而注入光强有最小限制。另一方面，在较强的一个光强范围内，注入光将导致激光器产生注入光诱导脉动现象，输出光具有一定的拍频，因而注入光强不应落入这一范围。

发生稳定的注入锁定最小注入光子数应满足

S_i≥Rs²/(4k_c²S_os)            (12)

在泵浦速率远大于阈值时(通常J/J_th≥1.5)，(12)式条件可以忽略。由于Δω＝0时，注入锁定失谐范围 $>>>\Delta \omega >L>>=>>f>d>>>>|>>E>i>>|>>>|ver>>E>‾>>|>>>>1>+>>\alpha >2>>>>s>要求P$_i＞0，所以在这种情况下，只要有光子注入，激光器就可以被锁定。

发生稳定的注入锁定最大注入光子数应满足

$>>>>S>i>>>S>os>>>\le >>>>[>>1>>\tau >s>>>+ver>>S>‾>>>(>>G>N>>+>>G>s>>)>>]>>2>>>>>k>c>>2>>>(>1>+>>\alpha >2>>)>>>>->->->>(>13>)>>>s>$

其中，S为稳定时谐振腔内光子数。

由于在高速运转时，激光器的特性主要由谐振腔内的衰减振荡特性决定。当外部相干光注入谐振腔后，有源介质内的动态物理过程与阶跃电流注入激光器，有源介质内建立的光电场由0增加到第一次到达稳态光子数(即开启延迟)后的光子-载流子相互作用过程完全相同，因而两者具有相同的时域响应(除去电流注入的开启延时)，主要由激光器自身的特性决定，即所谓的激光器的本征带宽，而与驱动电路无关。衰减振荡频率为

$>>>\omega >r>>=>[ver>>S>‾>>>(>>G>N>>/>>\tau >ph>>+>>G>s>>/>>\tau >s>>)>>+>>>k>c>>2>>>>S>i>ver>>S>‾>>>+>>(>>G>s>>\Delta ver>>S>‾>>->>G>N>>\Delta n>)>>>>>(>>1>>\tau >s>>>+>>G>s>ver>>S>‾>>/>2>)>>]>>>1>2>>>->->->>(>14>)>>>s>$

衰减系数为

$>>>1>>\tau >r>>>=ver>>S>‾>>>(>>G>N>>+>>G>s>>)>>+>>1>>\tau >s>>>+>>(>>G>s>>\Delta ver>>S>‾>>->>G>N>>\Delta n>)>>->->->>(>15>)>>>s>$

其中，ΔS为稳定时比自由运转时谐振腔内光子数增量。由(14)式和(15)式可见，为了达到快速响应，应尽可能降低载流子寿命。通过有源层高掺杂可以大大降低载流子寿命，Wood-Hi Cheng等报道了连续波3dB带宽达22GHz，1.2Gbit/s归零信号(RZ)较好的眼图和BER特性。但由于俄歇(Auger)复合随掺杂增加而快速增加，使得辐射量子效率降低，阈值电流增加。采用量子阱结构可以大大降低载流子寿命，并且量子阱大大增加了载流子密度，从而使得到增强。当忽略注入锁定对调制带宽的增强作用，的增加仍使调制带宽达2～8GHz。由(14)式，ω_r近似地正比于通过采用窗口激光器结构和缩短腔长的办法可以增强对衰减振荡的抑制。Jacob等采用量子阱结构单势垒遂道注入电流，使3dB带宽达到30GHz。Bhattacharya等采用In_0.4Ga_0.6As/GaAs量子点结构遂道注入电流，室温调制带宽达15GHz，Ghosh等则达到了22GHz。在计入注入锁定的增强后，调制带宽可达到35GHz以上。DFB结构40Gbit/s直接电注入调制激光器也见报道。

B.相位相差π或π的奇数倍的双光束干涉。当两相干光束在空间某点发生交叠时，将发生干涉现象，干涉结果取决于两光束的强度(光电场振幅)、相位、频率、偏振方向及传输方向。为简便起见，这里考虑同频率、同偏振方向、同传输方向、强度不同、相位差恒定的两束光。设

E₁＝|E₁|exp[j(ωt-βx+φ₁)]+c.c.    (16)

E₂＝|E₂|exp[j(ωt-βx+φ₂)]+c.c.    (17)则相干涉后

E₁+E₂＝|E₁|exp[j(ωt-βx+φ₁)]+|E₂|exp[j(ωt-βx+φ₂)]+c.c.

＝[|E₁|exp(jφ₁)+|E₂|exp(jφ₂)]exp[j(ωt-βx)]+c.c.         (18)

＝{|E₁|+|E₂|exp[j(φ₂-φ₁)]}exp[j(ωt-βx+φ₁)]+c.c.

当两光束相位相差π或π的奇数倍，即反相时，

φ₂-φ₁＝±(2p+1)π    (p＝0，1，2…)             (19)

(18)式成为

E₁+E₂＝(|E₁|-|E₂|)exp[j(ωt-βx+φ₁)]+c.c.        (20)

由于光电场振幅不为负值，式(18)到(20)已经暗含了|E₁|≥|E₂|这一条件。式(20)表明，两束同频率、同偏振方向、同传输方向、相位相差π或π的奇数倍的相干光叠加后，成为以振幅差为振幅，相位与振幅较大的光束相同的沿原方向传输的光。

若将满足上述条件的光束E₁+E₂注入激光器谐振腔，由A节的讨论，当E₁+E₂满足A节的条件，即E₁+E₂的频率等于激光器有源腔最高增益中心频率，大小在(12)式和(13)式决定的范围内，激光器泵浦速率远大于阈值，那么，只要||E₁|-|E₂||＞0，即|E₁|≠|E₂|，就可以使激光器被锁定，输出光强不随E₁+E₂变化，而相位则完全再现了E₁+E₂的相位。由(18)到(20)式知，E₁+E₂的相位与E₁和E₂中的较大者相同，则由于E₁和E₂的大小关系不同，相位得到了π的突变，而输出光强不变。

基于上述半导体激光器注入锁定原理和相位相差π或π的奇数倍的双光束干涉原理，本发明提供的基于双光束干涉和注入锁定原理的全光比较器的技术方案如下：

基于双光束干涉和注入锁定原理的全光比较器，如图2所示，由两个全反射镜M1和M2、四个为分束镜BS1～BS4、一个参考激光器RL、一个从激光器SL和两个光隔离器ISO1和ISO2组成。强度调制(IM)模拟信号输入光经分束镜BS1分为两路：比较信号光光P_s经全反射镜M1反射后通过光隔离器ISO1、分束镜BS2后进入从激光器SL；另一路光注入参考激光器RL。参考激光器RL的输出参考光经分束镜BS3分为从激光器SL的输入参考光P_IR和从激光器SL的输出参考光P_OR；输入参考光P_IR经分束镜BS2反射后进入从激光器SL，输出参考光P_OR经全反射镜M2反射后到达分束镜BS4。从激光器SL的输出光P_L和从激光器SL的输出参考光P_OR经分束镜BS4后输出整个全光比较器的比较输出光P_D。分束镜BS2处(即B点)，比较信号光P_S与分束镜BS1处(即A点)的模拟信号输入光同相位，从激光器SL的输入参考光P_IR与分束镜BS1处(即A点)的模拟信号输入光反相位；分束镜BS4处(即D点)，从激光器SL的输出参考光P_OR与分束镜BS1处(即A点)的模拟信号输入光同相位；比较信号光P_s的功率与从激光器SL的输入参考光P_IR的功率相比：当P_s＞P_IR+δ_I时，其中δ_I为SL发生注入锁定的最小注入光强，从激光器SL的输出光P_L与分束镜BS1处(即A点)的模拟信号输入光同相位；当P_s＜P_IR-δ_I时，从激光器SL的输出光P_L与分束镜BS1处(即A点)的模拟信号输入光反相位。

上述方案中，从激光器SL宜采用DFB结构激光器。

如图2所示，强度调制(IM)模拟信号光经分束镜BS1分为两路：一路光P_s经全反射镜M1反射后通过光隔离器ISO1、分束镜BS2后进入从激光器SL；另一路注入参考激光器RL。参考激光器RL具有较窄的调制带宽，响应速度较低，但大于其输入信号光的相位变化速度。当信号光注入参考激光器RL后，参考激光器RL的输出为限幅的相位调制光，光强由RL驱动电流决定，相位与输入信号光同步。参

表2、比较器的逻辑真值表

     和对应的信号光强

  输出光强P_D  逻辑1/0  P_s＞P_IR  4P_OR  1  P_s＜P_IR  0  0  P_s＝P_IR  ×  ×考激光器RL输出光经分束镜BS3分为从激光器SL的输入参考光和输出参考光P_IR和P_OR。若以分束镜BS1处信号光相位为参考0相位，控制各支路光程使得相位与分束镜BS1处信号光相差π的奇数倍则记为π相位，相差π的偶数倍则记为0相位，那么通过设计各个支路光程，可以使得在分束镜BS2处，P_s为0相位，P_IR为π相位，分束镜BS4处从激光器SL输出光束P_L相位与分束镜BS2处相干结果P_I相同，P_OR为0相位。P_s光的功率与P_IR光的功率相比：当P_s＞P_IR+δ_I时，其中δ_I为从激光器SL发生注入锁定的最小注入光强，在0失谐和泵浦速率远大于阈值的条件下，δ_I→0，从激光器SL输出光P_L在分束镜BS4处与BS2处P_s同相位，P_L的大小由泵浦决定。由于分束镜BS4处P_OR与分束镜BS2处P_s同相位，因而分束镜BS4处P_L与P_OR相位相差π的偶数倍而相干相长。当P_s＜P_IR-δ_I，分束镜BS4处P_L相位与分束镜BS2处P_IR相同，从而与分束镜BS4处P_OR相位相差π的奇数倍而相干相消。所以由分束镜BS2处P_s与P_IR的大小关系，可得到在分束镜BS4处的干涉合束是相长还是相消。若设定系统，使在分束镜BS4处P_L＝P_OR，则当P_s＞P_IR+δ_I时，干涉输出P_D＝4P_OR；当P_s＜P_IR-δ_I时，干涉输出P_D＝0。实现的比较功能如表2。其中已略去在泵浦速率远大于阈值的条件下可忽略量δ_I。“×”号表示不确定的输出。由于当泵浦速率远大于阈值时，δ_I→0，注入光强存在量子起伏，从激光器SL来不及跟上P_s在[P_IR-δ_I，P_IR+δ_I]区间内的快速掠过过程，因而“×”号的情形极难在信号变化的特征时间内稳定实现。通过集成光电子技术，可以将附图2的结构单片集成，得到高可靠性和性能的全光光强比较器。在光路中应当考虑回射的影响，因为当回射较强时，会影响激光器锁定可靠性和锁定的灵敏度。另外，在单片集成中，为保证光程精度，要求增加额外的相位调制环节，否则，对制作工艺精度的要求较高。

由附图2的光路分析可知，干涉输出光束注入从激光器谐振腔，当1)激光器的泵浦远大于阈值，2)各支路满足图中标示的相位关系，3)相干输出光强不为零，并且不大于使激光器产生脉动现象的注入光强，4)相干光束频率接近于激光器自由运转频率，5)各激光器的泵浦使从激光器锁定输出光强等于输出比较光强时，就可以将激光器锁定，系统的输出为取决于信号光与输入比较光强大小关系的阶跃信号。系统经优化后，光路部分工作于高速，而各驱动电路则可以工作于接近直流的频率。因而系统的速度仅受从激光器衰减振荡特性和光束在系统内传输时间的限制。

本发明提出一种基于相位相差π的奇数倍的双光束干涉和激光器注入锁定原理的全光光强比较器。该比较器的主要特点在于：1)比较器光路主体工作在高速，驱动电路则可以工作在较低的速度甚至直流。当调整系统满足一定要求时，比较器的响应速度主要决定于由注入锁定激光器的结构产生的衰减振荡特性，几乎与泵浦无关。这就避开了外部泵浦，特别是半导体激光器条件下驱动电路的速度瓶颈，从而降低了电路成本。2)在注入锁定激光器的注入端和输出端进行了两次干涉，实现了光强和相位的互换，最终得到与输入光强无关的稳定光强输出，输出光强大小由泵浦决定，与无源比较器比较而言占有优势。3)由于该系统采用强度(幅度)调制的相干光源作为信号光源，系统的正常工作对各个光路的光程精度要求较高，在全光集成的条件下，调整较困难，需要加入相应的调整环节，如相位调制器，否则对于工艺的要求就相应提高。

由于现代高速激光器，特别是在信息光电子领域运用广泛的半导体激光器，对于光束的放大带宽已可达到数十GHz，按照本发明提出的全光比较器结构，比较器的响应速度将达到同一数量级。本发明可用于高速数字光通信系统中的时钟同步和比特判别、高速模数转换器中的比较量化、全光逻辑及控制系统等。

附图说明

图1：不同强度泵浦时注入锁定输出光功率与注入光功率的关系。(a)6种不同强度泵浦条件下注入光功率和锁定输出光功率关系曲线；(b)泵浦较强时，在较大的范围内，注入光功率和锁定输出光功率关系曲线。

图2：基于双光束干涉和注入锁定原理的全光光强比较器结构示意图。M1、M2为全反射镜，BS1～BS4为分束镜，RL为参考激光器，SL为从激光器，ISO1、ISO2为光隔离器。以BS1处信号光相位为参考0相位，各支路光程使得相位与BS1处信号光相差π的奇数倍则记为π相位，相差π的偶数倍则记为0相位，如各支路“/”下所示。P_s为比较信号光，P_IR为从激光器的输入参考光，P_L为从激光器的注入锁定输出，P_OR为从激光器的输出参考光，P_D为比较器输出。