基于長波長自旋VCSEL的極化輸出轉換裝置的制作方法

本實用新型“一種基于長波長自旋VCSEL的極化輸出轉換裝置”屬于信息技術領域，具體涉及一種基于長波長自旋VCSEL的極化輸出轉換裝置。

背景技術：

自旋電子學是將磁學和微電子學相結合，利用電子的自旋和磁矩來操控電子自旋自由度的一門學科，它主要研究電子自旋極化、自旋輸運等特性，從而為設計、研制新的自旋電子器件提供理論和實驗支持。自1990年Datta和Das首次提出自旋晶體管以來，自旋電子學便受到了廣泛的關注。隨后，一些更具實際應用前景的自旋光電子器件被相繼提出。其中，自旋極化光源通過注入自旋極化的電子(或空穴)到有源區，并與非極化的空穴(或電子)輻射復合產生左旋或右旋圓極化光。這種電子自旋與光學極化直接聯系，使自旋極化光源在自旋探測、編碼、可重構的光互連、先進的光轉換器件等方面展現出巨大的應用前景，從而成為自旋電子學的研究熱點之一。

目前研究的自旋極化光源主要包括自旋發光二極管(LED)和自旋垂直腔面發射激光器(VCSEL)，人們一直試圖通過優化器件設計方案，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力學可控的自旋極化光源。相比于自旋LED，自旋垂直腔面發射激光器具有更快的調制動力學、更低的閾值工作電流及更強的極化控制能力。自旋垂直腔面發射激光器具有的較強的極化輸出可控性為其在寬帶光通信、量子編碼、可重構的光互聯等方面的應用提供了可能。更為重要的是，自旋垂直腔面發射激光器不僅符合自旋電子學對法拉第結構的要求，且其側向各向同性、具有近乎完美的圓對稱結構，從而使得自旋VCSEL成為了自旋激光器的首選。

2005年，美國密歇根大學的Holub等首次成功制備了電泵浦自旋VCSEL，隨后，電泵浦自旋VCSEL的研發取得了一系列突破性進展，然而，與電泵浦自旋VCSEL相比，自旋VCSEL也可以采用光泵浦來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的極化非線性動力學也受到了關注，如Gahl等理論研究了光泵浦VCSEL輸出的極化動力學行為，討論了橫向磁場對光泵浦下自旋VCSEL輸出極化特性的影響；和Gerhardt等先后利用脈沖光和連續光泵浦研究了室溫下自旋VCSEL的極化特性，證實了利用自旋極化光泵浦可實現對激光器極化輸出特性的控制。2009年，Ikeda等實驗證實了基于(110)GaAs的光泵浦自旋VCSELs在77K時可獲得速率達GHz的超快圓極化光輸出。上述研究已經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，且現有的研究主要聚焦于短波長自旋VCSEL。最近，Schires等在室溫和連續光泵浦條件下首次實驗研究了1300nm稀氮化物自旋VCSEL的極化輸出特性，這為長波長自旋VCSEL在信息處理領域的實際應用開拓了一條新的有效途徑。顯然，研究長波長自旋VCSEL的極化動力學及其應用具有重要的現實意義。

此外，光注入方式可以使激光器處于穩定的鎖定態，且易于調節和控制，它已經被證明是一種控制激光器非線性動態輸出的有效手段。因此，利用圓偏振光光注入有利于提高長波長自旋VCSEL輸出的極化度并實現對極化輸出轉換的精確控制，這無疑將對長波長自旋VCSEL在極化相關的轉換、光信息和數據存儲、編碼通信等領域的應用起到極大的推動作用。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本實用新型的目的是提供一種能夠利用光注入精確控制長波長自旋VCSEL輸出的極化度并實現極化輸出轉換的基于長波長自旋VCSEL的極化輸出轉換裝置。

本實用新型基于長波長自旋VCSEL的極化輸出轉換裝置，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生的980nm泵浦光經過第一隔離器、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整泵浦光的偏振態；

所述圓偏振光注入模塊電路包括：分別產生1300nm左旋圓偏振光的半導體激光器SL1和產生1300nm右旋圓偏振光的半導體激光器SL2，所述半導體激光器SL1和所述半導體激光器SL2分別依次串聯第一放大器、第二偏振控制器和第二放大器、第三偏振控制器后同時依次串接第二耦合器、第二隔離器；半導體激光器SL1產生的左旋圓偏振光依次經過第一放大器、第二偏振控制器處理后輸出至第二耦合器并經第二隔離器輸出，半導體激光器SL2產生的右旋圓偏振光依次經過第二放大器、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：自旋垂直腔面發射激光器，與所述自旋垂直腔面發射激光器連接的準直鏡、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準直鏡后注入到自旋垂直腔面發射激光器使自旋垂直腔面發射激光器產生1300nm的偏振光，可控制激光器輸出光的偏振態；

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第一耦合器，波分復用(WDM)耦合器，準直鏡后注入到自旋垂直腔面發射激光器，進一步精確控制自旋垂直腔面發射激光器輸出光的極化度，使自旋垂直腔面發射激光器輸出高極化度的偏振光。

進一步地，所述分析控制模塊電路包括：測試模塊、數據分析電路單元、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節電路單元，其中所述測試模塊包括：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、分析輸出光的時域特性的示波器、分析輸出光的極化特性的偏光計、監控輸出光的輸出功率的光功率計。

進一步地，所述自旋垂直腔面發射激光器工作波長為1300nm。

借由上述方案，本實用新型基于長波長自旋VCSEL的極化輸出轉換裝置至少具有以下優點：

1、本極化輸出轉化裝置采用1300nm自旋VCSEL，可實現激光器的室溫工作，從而有利于該裝置的實際應用。

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能提高激光器輸出的極化度并易于實現對激光器輸出的極化控制。

上述說明僅是本實用新型技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本實用新型的較佳實施例并配合附圖詳細說明。

附圖說明

圖1本實用新型基于長波長自旋VCSEL的極化輸出轉換裝置的結構圖；

圖2本實用新型基于長波長自旋VCSEL的極化輸出轉換裝置的結構框圖；

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：波分復用(WDM)耦合器；7：準直鏡；8：自旋垂直腔面發射激光器(VCSEL)；9：第二溫度控制器；10:第一耦合器；11:1300nm半導體激光器SL1；12:1300nm半導體激光器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。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。

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的溫度也通過高精度源(精度±0.01k)控制，通過調節偏振控制器控制泵浦光偏振態，泵浦光經波分復用(WDM)和準直鏡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，通過調節兩個1300nm半導體激光器的工作電流、溫度、放大器以及偏振控制器，使兩個半導體激光器分別輸出左旋圓偏振光和右旋圓偏振光；然后，將半導體激光器的輸出光經隔離器、耦合器及準直鏡后注入到自旋VCSEL以保證激光器能輸出高極化度的左旋或右旋圓偏振光；通過對注入光信號的選擇，從而實現對自旋VCSEL極化輸出的轉換控制。其中，濾波器19主要用來濾掉激光器端面反射回來的泵浦光信號，經過濾波器的光束進入第三隔離器20。在整個實驗系統中，所有儀器通過GPIB和高速數據采集卡與計算機連接，可以實現對實驗數據的采集、實時分析評估及實驗系統的調控。通過對獲取的自旋VCSEL輸出信號進行極化度分析后可適當的調控系統參量，從而獲取高極化度的輸出信號，并實現極化輸出轉換。

參見圖1和圖2，本實用新型一較佳實施例所述的一種基于長波長自旋VCSEL的極化輸出轉換裝置，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分析控制模塊電路輸出的控制指令調整泵浦光激光器的工作電流，所述第一溫度控制器根據分析控制模塊電路輸出的控制指令調整泵浦光激光器的工作溫度；所述泵浦光激光器產生的980nm泵浦光經過第一隔離器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整泵浦光的偏振態；

所述圓偏振光注入模塊電路包括：分別產生1300nm左旋圓偏振光的半導體激光器SL1和產生1300nm右旋圓偏振光的半導體激光器SL2，所述半導體激光器SL1和所述半導體激光器SL2分別依次串聯第一放大器13、第二偏振控制器14和第二放大器15、第三偏振控制器16后同時依次串接第二耦合器17、第二隔離器18；半導體激光器SL1產生的左旋圓偏振光依次經過第一放大器、第二偏振控制器處理后輸出至第二耦合器并經第二隔離器輸出，半導體激光器SL2產生的右旋圓偏振光依次經過第二放大器、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：自旋垂直腔面發射激光器8，與所述自旋垂直腔面發射激光器電連接的準直鏡、第二溫度控制器9，所述第二溫度控制器根據分析控制模塊電路輸出的控制指令控制自旋垂直腔面發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準直鏡后注入到自旋垂直腔面發射激光器控制激光器輸出光的偏振態，使自旋垂直腔面發射激光器產生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第一耦合器10，波分復用(WDM)耦合器6，準直鏡后注入到自旋垂直腔面發射激光器，進一步精確控制自旋垂直腔面發射激光器輸出光的極化度，使自旋垂直腔面發射激光器輸出高極化度的偏振光。

本實施例中，所述分析控制模塊電路包括：測試模塊、對測試模塊獲取的數據進行分析處理的數據分析電路單元、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節電路單元，其中所述測試模塊包括：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、分析輸出光的時域特性的示波器、分析輸出光的極化特性的偏光計、監控輸出光的輸出功率的光功率計。

本實施例中，圓偏振光通過第一耦合器10，波分復用(WDM)耦合器6和準直器7后注入到自旋垂直腔面發射激光器中。圓偏振光注入模塊是將產生的左旋(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Labview軟件使計算機能與其他模塊連接并實現控制；如控制泵浦光注入模塊中泵浦激光器的工作電流及溫度，進而控制激光器輸出光狀態；控制圓偏振光注入模塊SL1和SL2的工作電流及溫度進而控制注入光的狀態，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射激光器的工作溫度等；同時，通過這種方式，分析控制模塊還能對上述模塊的輸出信號進行采集并實時分析，從而保證各模塊能實現預期的輸出。

分析控制模塊電路通過Labview軟件使計算機能與其他各模塊相連接并實現控制；同時，計算機也通過數據采集卡與該模塊中的各分析儀器相連接，因而可以實現對自旋輸出光信號的采集與分析，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域特性；偏光計分析輸出光的極化特性；光功率計監控輸出光的輸出功率。

本實用新型的工作原理如下：首先，980nm泵浦光經隔離器4，偏振控制器5，波分復用(WDM)耦合器6，準直鏡7后注入到自旋垂直腔面發射激光器8使激光器產生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。隔離器4使泵浦光單向注入；偏振控制器5可以調整泵浦光的偏振態；波分復用(WDM)耦合器6實現980nm和1300nm光束的分光或合成；準直鏡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SL1和SL2分別產生左旋和右旋圓偏振光，然后，左旋或右旋圓偏振光通過第二耦合器17，第二隔離器18，第一耦合器10，波分復用(WDM)耦合器6，準直鏡7后注入到自旋VCSEL，進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的輸出光經第一放大器13放大，然后經第二偏振控制器14后可獲得左旋圓偏振光輸出；1300nmSL2的輸出光經第二放大器15放大，然后經第三偏振控制器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控制兩個激光器SL1或SL2來實現；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，以便保證足夠強的光能注入到自旋垂直腔面發射激光器；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；第二耦合器17是使兩路圓偏振光都能注入到極化光產生模塊；第二隔離器18是為了保證單向光注入。

最后，對于極化光輸出模塊；溫度控制器9主要是實現對自旋垂直腔面發射激光器8工作溫度的控制，準直鏡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射激光器，同時也能保證自旋垂直腔面發射激光器的輸出能耦合到光纖中。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，并不用于限制本實用新型，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本實用新型的保護范圍。