本發(fā)明涉及相干光通信，具體涉及一種壓縮硅基量子點(diǎn)激光器譜線寬度的方法，還涉及采用所述壓縮硅基量子點(diǎn)激光器譜線寬度的方法的本地振蕩器及相干檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)流量需求迅猛增長，傳統(tǒng)的通信技術(shù)開始面臨傳輸容量和速度的局限。相干光通信在這種背景下顯得尤為重要，它通過使用相干檢測技術(shù)來有效應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。相干光通信能夠處理高速和大容量的數(shù)據(jù)傳輸，支持更高的調(diào)制復(fù)雜度和頻譜利用率，使其成為滿足現(xiàn)代通信需求的理想選擇。此外，相干光通信通過精確地控制光信號的相位和幅度，能夠提高系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。這使得它可以在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能，例如在多路徑干擾和信號衰減顯著的長距離傳輸中。同時(shí)，相干光通信還具有出色的誤碼率性能，這對于保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性至關(guān)重要。

2、在相干通信系統(tǒng)中，本地振蕩器(lo)的性能和質(zhì)量對整個(gè)系統(tǒng)的效率和性能至關(guān)重要。lo需要生成極為穩(wěn)定和純凈的光波，以確保可以與接收到的信號光有效混合，這是實(shí)現(xiàn)精確相干檢測的核心。因此，lo必須具有非常穩(wěn)定的頻率，低相位噪聲，以及高光譜純度和低于200khz的頻譜線寬，并提供適當(dāng)?shù)妮敵龉β蕘砥ヅ湎到y(tǒng)需求。

3、制備高質(zhì)量的lo涉及復(fù)雜的技術(shù)過程，包括精密的光學(xué)設(shè)計(jì)、高級的電子控制系統(tǒng)，以及嚴(yán)格的制造環(huán)境控制。這些要求使得lo的制備成為一個(gè)高難度任務(wù)，需要集成先進(jìn)的光學(xué)和電子工程技術(shù)，同時(shí)還要在塵埃少、溫度和濕度控制良好的環(huán)境中進(jìn)行，以保證lo的性能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，制造出符合所有這些性能要求的lo并不容易，但這對于確保相干通信系統(tǒng)的高效運(yùn)行和高質(zhì)量通信至關(guān)重要。

4、量子點(diǎn)(qd)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的三維量子限制效應(yīng)，這使得qd激光器在相干檢測中作為lo非常理想。這種三維限制不僅量子化了電子和空穴的能級，還顯著提高了激光器的發(fā)射波長穩(wěn)定性和光譜純度。qd激光器發(fā)出的光具有非常窄的線寬，這對于提高系統(tǒng)的相干性至關(guān)重要，因?yàn)檎€寬可以減少相位波動，提升信號的解調(diào)質(zhì)量。同時(shí)，qd激光器還能在較低的能耗下提供高輸出功率和快速的調(diào)制響應(yīng)，適應(yīng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。這些特性綜合起來，使得qd激光器在高精度和高效率的相干通信系統(tǒng)中，能夠確保信號的穩(wěn)定傳輸和高質(zhì)量解調(diào)。

5、硅基光電子集成技術(shù)通過傳統(tǒng)微電子cmos工藝實(shí)現(xiàn)光電子器件和微電子器件的單片集成，是研究和開發(fā)以光子和電子為信息載體的硅基大規(guī)模集成技術(shù)。近十年來，硅基光電子集成的關(guān)鍵材料、器件和芯片研究引起了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。硅基片上窄線寬激光器，旨在將傳統(tǒng)體積龐大的激光系統(tǒng)小型化、集成化，降低系統(tǒng)的能耗、體積和制造成本，同時(shí)提高穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。研制高性能窄線寬硅基光源，對集成半導(dǎo)體材料、低損耗的微納光學(xué)制造，乃至整個(gè)基礎(chǔ)物理光學(xué)都提出了新的挑戰(zhàn)。由于制作半導(dǎo)體激光器的ⅲ-ⅴ族材料與硅材料之間存在晶格失配、極性不同等問題，導(dǎo)致硅基激光器在制作過程中產(chǎn)生較高的位錯(cuò)密度，這不可避免地降低了器件的發(fā)光效率和出光質(zhì)量，導(dǎo)致更大的光譜線寬。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子阱激光器線寬在mhz級別。相比于量子阱材料，量子點(diǎn)(qd)材料離散分布的特點(diǎn)使其對于外延生長缺陷有更好的容忍度，可以有效偏轉(zhuǎn)或鉗制住缺陷防止形成環(huán)路，同時(shí)對載流子進(jìn)行定位，防止橫向擴(kuò)散或非輻射復(fù)合，從而大幅降低了位錯(cuò)缺陷對于激光器光學(xué)特性的影響，因此qd激光器的線寬可以達(dá)到khz的量級，因此，硅基qd激光器可以作為相干通信lo的最佳選擇。

6、為了進(jìn)一步降低硅基qd激光器的線寬以滿足相干通信的要求，可以通過改變激光器諧振腔的形狀、增加選頻光柵等方法來降低激光器線寬。將激光器的腔設(shè)計(jì)成環(huán)形，旨在通過增加腔長和光子在激光腔內(nèi)的循環(huán)時(shí)間來減小線寬。環(huán)形腔窄線寬激光器結(jié)構(gòu)多變，與線性腔結(jié)構(gòu)相比，可以消除空間燒孔效應(yīng)，但由于環(huán)形腔激光器為全光纖結(jié)構(gòu)，易受環(huán)境影響。為了提高激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性，研究人員還提出了一種將布拉格光柵與有源區(qū)相結(jié)合的激光腔結(jié)構(gòu)，并在布拉格光柵的中間位置引入相移區(qū)，將多縱模輸出變?yōu)閱慰v模輸出，從而減小激光器線寬。這種結(jié)構(gòu)集成化程度更高、一體性更強(qiáng)、穩(wěn)定性更好，但制造工藝復(fù)雜，需要高精度的光刻和刻蝕技術(shù)，制造成本較高。除了上述對激光器自身進(jìn)行改進(jìn)的方法外，也可以采用外部光反饋、光注入和光電反饋等外部控制的方法，但這些外部控制的方法要求精準(zhǔn)調(diào)控，對調(diào)控元件的要求較高。

7、外部光學(xué)反饋是指激光器出射的部分光被反射回激光腔。在這一過程中，外腔往返時(shí)間和光反饋強(qiáng)度兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)起著決定性作用。激光器與反射鏡之間的距離被定義為外腔長，外腔往返時(shí)間與外腔長成正比。在激光器的有源區(qū)內(nèi)，重新注入的光引起光子密度的擾動，導(dǎo)致載流子密度和光增益出現(xiàn)波動，進(jìn)而使qd激光器的輸出相位產(chǎn)生波動。因此，光反饋的存在使得激光器展現(xiàn)出復(fù)雜的非線性動力學(xué)行為，導(dǎo)致輸出光線寬發(fā)生顯著變化。在由外腔長和光反饋強(qiáng)度構(gòu)成的反饋空間中，僅有極小部分區(qū)域能夠降低激光的頻譜線寬。雖然光反饋有望用于降低qd激光器的頻譜線寬，但其調(diào)節(jié)過程異常艱難，需要精確控制光反饋參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)理想效果。

8、外部光注入鎖定技術(shù)是將一個(gè)可調(diào)諧激光器的輸出光注入到qd激光器中，通過增加激光器中的光子壽命，進(jìn)而減小頻率噪聲和穩(wěn)定光源輸出。通過調(diào)節(jié)注入強(qiáng)度和頻率失諧，可以有效控制qd激光器的輸出特性，并顯著改善輸出頻譜線寬。相較于光反饋方法，外部光注入更易于調(diào)節(jié)，但對可調(diào)諧激光器的要求極高：只有當(dāng)其輸出光具有較高的穩(wěn)定性時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)降低qd激光器頻譜線寬的目標(biāo)。

9、為了進(jìn)一步迎合大規(guī)模和高集成度光電子芯片的發(fā)展趨勢，相干檢測lo亟需易集成、低成本、窄線寬的光源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供一種壓縮硅基量子點(diǎn)激光器譜線寬度的方法，還提供一種采用所述壓縮硅基量子點(diǎn)激光器譜線寬度的方法的本地振蕩器及相干檢測系統(tǒng)。

2、本發(fā)明壓縮硅基量子點(diǎn)激光器譜線寬度的方法，通過降低泵浦源的外部載流子噪聲實(shí)現(xiàn)，降低泵浦源的外部載流子噪聲的方法為：

3、調(diào)節(jié)泵浦電流源輸出的注入電流，使泵浦電流電子分布呈現(xiàn)亞泊松或類亞泊松分布；

4、注入電流作用于所述硅基量子點(diǎn)激光器。

5、進(jìn)一步地，通過降低泵浦源的外部載流子噪聲實(shí)現(xiàn)的具體處理方法包括如下步驟：

6、s1：搭建量子點(diǎn)激光器模型，所述量子點(diǎn)激光器模型由二維載流子庫rs、激發(fā)態(tài)es和基態(tài)gs三個(gè)能態(tài)組成；

7、s2：搭建所述量子點(diǎn)激光器模型載流子數(shù)nrs、nes、ngs，光子數(shù)sgs和光場相位φgs的動力學(xué)速率方程，每個(gè)動力學(xué)速率方程中包含對應(yīng)的電流源相關(guān)的噪聲源；

8、s3：基于步驟s2中的五個(gè)動力學(xué)速率方程確定時(shí)間段內(nèi)電流源噪聲的自相關(guān)關(guān)系；

9、s4：建立量子點(diǎn)激光器的頻率噪聲函數(shù)，獲得頻率噪聲譜，并通過所述頻率噪聲譜中獲取硅基量子點(diǎn)激光器譜線寬度；

10、s5：基于所述自相關(guān)關(guān)系及量子點(diǎn)激光器的頻率噪聲函數(shù)，確定量子點(diǎn)激光器的頻率噪聲及硅基量子點(diǎn)激光器譜線寬度與泵浦源的外部載流子噪聲的關(guān)系；

11、s6：通過降低泵浦源的外部載流子噪聲，壓縮硅基量子點(diǎn)激光器譜線寬度。

12、進(jìn)一步地，步驟s2中，載流子數(shù)nrs、nes、ngs，光子數(shù)sgs和光場相位φgs的動力學(xué)速率方程表示為：

13、

14、其中，i是泵浦電流，q是電子電荷，γp是光學(xué)限制因子，vg是群速度，τp是光子壽命，βsp是自發(fā)輻射因子，分別為外載流子的捕獲時(shí)間、弛豫時(shí)間和逃逸時(shí)間，分別為外載流子在每種狀態(tài)下自發(fā)輻射復(fù)合的時(shí)間，τsrh為硅基量子點(diǎn)激光器的非輻射復(fù)合壽命，grs,ges,ggs分別是每一個(gè)能態(tài)的材料增益，計(jì)算公式為：

15、

16、其中，ars,aes,ags是微分增益，ε是光學(xué)限制因子，nb是量子點(diǎn)的總數(shù)，vb是有源區(qū)體積，drs是rs狀態(tài)數(shù)，vrs是rs的體積，ρrs、ρes、ρgs分別是rs、es、gs的載流子占據(jù)率，frs,fes,fgs,fs,fφ是分別是載流子、光子、相位的動力學(xué)速率方程噪聲源。

17、進(jìn)一步地，步驟s3中，兩個(gè)時(shí)刻的噪聲源的相關(guān)強(qiáng)度關(guān)系為：<fi(t)fj(t')>＝ui,jδ(t-t')，其中，i，j指的是rs,es,gs,s,φ中兩個(gè)時(shí)刻t,t'動力學(xué)速率方程噪聲源噪聲源的相關(guān)強(qiáng)度ui,j是δ相關(guān)的，相關(guān)強(qiáng)度具體表示為：

18、

19、urs,gs＝urs,s＝urs,φ＝ues,s＝ues,φ＝ugs,φ＝us,φ＝0

20、是rs、es、gs分別對αh因子的貢獻(xiàn)。

21、進(jìn)一步地，通過小信號分析，將動力學(xué)速率方程線性化后為：

22、

23、其中，

24、

25、步驟s4和步驟s5中，建立所述硅基量子點(diǎn)激光器頻率噪聲fn計(jì)算公式：

26、

27、其中，δφ(ω)是頻域中的相位波動，j為虛數(shù)單位，ω為角頻率，

28、硅基qd激光器的譜線寬度δυol從頻率f為1mhz處的fn譜提取，提取公式為：

29、δυol＝2πfn|f＝1mhz

30、通過硅基量子點(diǎn)激光器頻率噪聲fn的計(jì)算公式及硅基量子點(diǎn)激光器譜線寬度提取公式可知，相關(guān)強(qiáng)度urs,rs是關(guān)聯(lián)rin和外部載流子噪聲的關(guān)鍵參數(shù)，通過降低或消除泵浦源的外部載流子噪聲，能夠降低硅基量子點(diǎn)激光器譜線寬度。

31、本發(fā)明還提供一種本地振蕩器，所述本地振蕩器采用硅基量子點(diǎn)激光器提供本振光，所述硅基量子點(diǎn)激光器采用所述壓縮硅基量子點(diǎn)激光器譜線寬度的方法生成本振光。

32、進(jìn)一步地，所述本地振蕩器的泵浦電流的電子分布呈現(xiàn)亞泊松或類亞泊松分布。

33、本發(fā)明還提供一種相干檢測系統(tǒng)，包括本地振蕩器、光混頻器、光放大器、光探測器及電信號處理模塊，其中，所述本地振蕩器用于輸出本振光作為參考光，所述光混頻器用于接收信號光及本地振蕩器的本振光并進(jìn)行混頻，所述光放大器用于放大光混頻器輸出的信號，所述光探測器用于將光放大器輸出的光信號轉(zhuǎn)換回電信號，并基于參考光來識別和重建信號的原始信息，所述電信號處理模塊與用于接收光探測器的信號并進(jìn)行相干檢測處理。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過調(diào)節(jié)泵浦電流源輸出的注入電流，有效降低泵浦源的外部載流子噪聲，顯著降低了硅基qd激光器的頻譜線寬，同時(shí)還抑制了頻譜線寬隨著泵浦電流增大而出現(xiàn)再展寬的現(xiàn)象，在滿足相干檢測對lo頻譜線寬要求的同時(shí)，提供了足夠大的輸出功率來匹配系統(tǒng)的需求。相較于光學(xué)反饋和外部光注入等方法來說，本發(fā)明不需要精確地調(diào)控，簡單而可靠。