孟 潔，喬麗君，張明江，張建忠，王 濤

1)太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西太原 030024；2)太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，光電工程研究所，山西太原 030024

微波因具有似光性、穿透性及非電離性等特點，主要應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星傳輸及移動通信等領(lǐng)域.在光域中產(chǎn)生的微波信號具有操作帶寬大、高頻、功耗低及抗電磁干擾等優(yōu)勢[1-6]，受到廣泛研究關(guān)注.產(chǎn)生微波信號的光學(xué)方法包括光學(xué)外差法[7]、光注入鎖相法[8]、光學(xué)倍頻法[9]、光學(xué)非線性法[10]及外調(diào)制法[11]等.沈穎等[12]利用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多級布里淵散射信號，并利用馬赫-曾德爾調(diào)制器產(chǎn)生4階邊帶信號，通過將多級布里淵散射信號對4階邊帶信號進(jìn)行放大后與載波信號拍頻，得到高頻微波信號，該方法倍頻效率高，但微波信號生成系統(tǒng)較復(fù)雜；熊錦添等[13]利用分布反饋(distributed feedback, DFB)激光器放大探測光2級邊帶，產(chǎn)生基于二倍頻本地振蕩信號的微波信號；RASHIDINEJAD等[14]基于光電振蕩器與相位調(diào)制器構(gòu)成的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微波信號，但該方法的可調(diào)頻帶僅為500 MHz；張鵬等[15]提出一種8字型結(jié)構(gòu)光纖激光器，利用布里淵多波長光纖激光器產(chǎn)生高頻微波信號，但該結(jié)構(gòu)中光纖長度較長，容易增加微波信號線寬；李玲等[16]基于雙波長激光器件，利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生光學(xué)微波信號；JAIN等[17]利用外調(diào)制法改變強(qiáng)度調(diào)制器的調(diào)制深度產(chǎn)生微波信號，但該方法插入損耗較大、系統(tǒng)較復(fù)雜；梁卿等[18]基于垂直腔面發(fā)射激光器，在平行偏振光注入條件下引入光電負(fù)反饋，得到微波信號；龐海越等[19]基于光注入半導(dǎo)體激光器，引入光電環(huán)路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化微波信號的性能，得到可調(diào)諧微波信號；尚海燕等[20]則基于光學(xué)外差法利用摻鉺光纖激光器，使3束波長不同的光信號拍頻得到微波信號，該方法易出現(xiàn)信號功率被抑制的現(xiàn)象.上述方法皆基于分立式器件搭建而成，易受環(huán)境影響，性能不穩(wěn)定，限制了微波信號的應(yīng)用范圍.

本研究基于光注入方法，利用麥克斯韋方程，結(jié)合DFB激光器載流子變化規(guī)律，建立3段式單片集成DFB激光器的行波速率方程模型并搭建仿真結(jié)構(gòu)，成功生成微波信號，通過研究集成激光器中各段結(jié)構(gòu)偏置電流及光波導(dǎo)失諧量對微波信號的影響，對微波信號時序、光譜和頻譜等特性進(jìn)行模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)信號頻譜隨著右側(cè)DFB激光器偏置電流的增加進(jìn)入強(qiáng)注入鎖定狀態(tài)，最終不再存在拍頻分量；由于右側(cè)DFB激光器的注入鎖定現(xiàn)象，波導(dǎo)偏置電流對微波生成影響較?。粚Σ▽?dǎo)失諧量進(jìn)行調(diào)節(jié)，可對微波信號實現(xiàn)14.29 GHz的調(diào)諧范圍.

1 器件仿真結(jié)構(gòu)

單片集成半導(dǎo)體激光器芯片具有尺寸小、成本低及穩(wěn)定性好等特點，適用于大批量生產(chǎn).DFB激光器內(nèi)置了布拉格光柵，其單色性好、線寬窄、邊模抑制比高.因此，本研究從單片集成層面設(shè)計3段式DFB激光器芯片結(jié)構(gòu)，仿真分析微波信號的產(chǎn)生及特性.

圖1為基于單片集成的3段式DFB激光器芯片結(jié)構(gòu)，沿光軸方向由左至右依次為半導(dǎo)體激光器DFB1、無源光波導(dǎo)WG(waveguide)、半導(dǎo)體激光器DFB2，3段結(jié)構(gòu)之間電學(xué)隔離理想.仿真中DFB激光器利用布拉格光柵進(jìn)行模式選擇，由于單片集成結(jié)構(gòu)兩端面(DFB1左端面與DFB2右端面)采用理想無損耗端面，且激光器與波導(dǎo)耦合端面(DFB1右端面、WG兩端端面與DFB2左端面)無損耗傳輸光，則6個端面的反射率均為0.設(shè)定單片集成3段式DFB激光器總長為 1 050 μm，其中，兩段DFB半導(dǎo)體激光器長度與WG長度均為350 μm.

圖1 3段式單片集成DFB激光器器件結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真原理及模型

單片集成DFB激光器的腔長較短，俄歇效應(yīng)不可忽略，同時考慮DFB激光器腔內(nèi)載流子密度等參數(shù)的影響，本研究基于行波速率方程對多段式單片集成DFB激光器進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其相關(guān)動態(tài)特性.

行波速率方程的基本數(shù)學(xué)模型是麥克斯韋-布洛赫方程，從光場、載流子密度和極化函數(shù)方面進(jìn)行數(shù)值分析.由于仿真模擬的量變化相對緩慢，因此，忽略快速振動因素所產(chǎn)生的影響，添加外部泵浦激光項和阻尼振蕩因素項，從而得到緩變包絡(luò)近似下的麥克斯韋-布洛赫方程為

(1)

(2)

(3)

依據(jù)上述麥克斯韋-布洛赫方程，結(jié)合DFB激光器中載流子的變化規(guī)律，推導(dǎo)出緩變包絡(luò)近似條件下的行波速率方程組為

(4)

(5)

Un=An+Bn2+Cn3

(6)

其中，A為非輻射復(fù)合系數(shù)，表示由非輻射俘獲(反射和吸收)所引起的內(nèi)部光損耗；B為雙原子輻射復(fù)合系數(shù)；C為俄歇復(fù)合系數(shù).

3 實驗結(jié)果分析

利用行波速率方程對上述3段式單片集成DFB激光器輸出信號的時序、光譜及頻譜特性進(jìn)行數(shù)值模擬.模擬中DFB激光器的參數(shù)值如表1.

表1 仿真模擬的DFB激光器參數(shù)值

3.1 DFB2激光器偏置電流對微波信號產(chǎn)生的影響

3段式單片集成器件中DFB1和DFB2激光器區(qū)布拉格光柵參數(shù)相同，當(dāng)DFB2和DFB1之間的失諧量為5 GHz時，DFB1激光器偏置電流設(shè)為1.5Ith(Ith為閾值電流)，將DFB2激光器的偏置電流分別設(shè)置為2Ith、4Ith及6Ith，同時波導(dǎo)區(qū)偏置電流值設(shè)為0，分析集成激光器的時序、光譜及頻譜特性，結(jié)果如圖2.

由圖2可見，當(dāng)DFB2激光器的偏置電流為2Ith時，互耦合激光器出現(xiàn)頻率鎖定，光譜中有2個主要模式激射，頻率分別為458 GHz和462 GHz，頻譜中能量最高的頻率分量為2個模式的差頻(4.105 GHz).時序為周期0.24 ns的脈沖輸出，與差頻頻率對應(yīng)；當(dāng)DFB2激光器偏置電流為4Ith時，由拍頻導(dǎo)致的頻率分量減少；當(dāng)DFB2激光器偏置電流為6Ith時，形成強(qiáng)注入鎖定狀態(tài)，其頻譜中不再存在拍頻分量.

圖2 不同DFB2激光器偏置電流下的集成激光器時序、光譜及頻譜特性

3.2 波導(dǎo)區(qū)偏置電流對微波信號產(chǎn)生的影響

將3段式單片集成DFB激光器中的兩段激光器內(nèi)部布拉格光柵設(shè)置為周期相同的光柵，DFB2和DFB1激光器之間的帶隙失諧量設(shè)為800 GHz，DFB1激光器偏置電流設(shè)為1.5Ith，DFB2激光器偏置電流設(shè)為5Ith.WG段的失諧量為0，將WG段偏置電流分別設(shè)置為2Ith、3Ith、4Ith及5Ith時，集成激光器的時序、光譜及頻譜特性如圖3.

由圖3可見，當(dāng)波導(dǎo)區(qū)偏置電流為2Ith時，得到頻率為11.76 GHz的微波信號，與光譜中主模式之間差頻相吻合.DFB2和DFB1激光器間的失諧量與所得到的差頻不同，認(rèn)為是集成激光器腔模式與光柵共同作用的結(jié)果.逐漸增大波導(dǎo)的偏置電流，集成激光器輸出微波的頻率基本保持不變，表明在波導(dǎo)區(qū)無失諧時，其偏置電流對微波產(chǎn)生的影響很小，由DFB2激光器的注入鎖定所引起.

圖3 不同WG偏置電流下的集成激光器時序、光譜及頻譜特性

3.3 WG帶隙失諧量對微波信號產(chǎn)生的影響

將3段式單片集成DFB激光器中的兩段激光器內(nèi)部布拉格光柵設(shè)置為周期相同的光柵，DFB1和DFB2激光器的帶隙失諧量分別為0和800 GHz，DFB1激光器偏置電流設(shè)為1.5Ith，DFB2激光器偏置電流設(shè)為5Ith，WG段偏置電流設(shè)為4Ith.當(dāng)WG段帶隙失諧量分別設(shè)為0、5及24 THz時，集成激光器的時序、光譜及頻譜特性如圖4.

圖4 WG段不同帶隙失諧量下的集成激光器時序、光譜及頻譜特性

由圖4可見，當(dāng)波導(dǎo)區(qū)失諧量為0時，類似于之前的分析，研究得到11.60 GHz的微波信號；當(dāng)波導(dǎo)區(qū)的失諧量為5 THz時，其對集成激光器的光場有較強(qiáng)的調(diào)制作用，DFB1激光器的主模式被抑制，相應(yīng)得到25.02 GHz的微波信號；當(dāng)波導(dǎo)區(qū)的失諧量增大到24 THz時，波導(dǎo)區(qū)對光場基本沒有調(diào)制作用，頻譜中除了2個主模式差頻25.89 GHz的頻率分量，還可以看到激光器的弛豫振蕩頻率為4.5 GHz.因此，不同失諧量的波導(dǎo)區(qū)對該集成激光器的光場具有不同的調(diào)諧，通過調(diào)節(jié)失諧量，可以實現(xiàn)14.29 GHz的調(diào)諧范圍，這一結(jié)果為實驗研究提供必要的理論指導(dǎo).

結(jié) 語

設(shè)計面向微波信號生成的3段式單片集成DFB半導(dǎo)體激光器，并對生成的微波信號特性進(jìn)行研究分析.基于光注入法，設(shè)計由激光器DFB1、WG及DFB2依次排布的3段式單片集成激光器仿真結(jié)構(gòu)，以此結(jié)構(gòu)結(jié)合DFB激光器中載流子變化規(guī)律，在麥克斯韋-布洛赫方程的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，確定集成激光器的行波速率方程組.利用該方程組仿真3段式單片集成DFB激光器，對其生成微波信號的時序、光譜及頻譜進(jìn)行數(shù)值分析.結(jié)果表明，微波信號的時序周期與頻譜差頻頻率對應(yīng)，當(dāng)DFB2的偏置電流增大到6Ith時，集成激光器形成強(qiáng)注入鎖定狀態(tài)，頻譜中不再存在拍頻分量；在激光器形成注入鎖定后，微波頻率隨WG偏置電流的增大基本保持不變；通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)失諧量最終可實現(xiàn)對微波信號14.29 GHz的調(diào)諧范圍.所取得結(jié)論為集成器件生成可調(diào)諧微波信號提供了理論支持.