基于半导体环形激光器的光外差/光混频方法产生毫米波/太赫兹波的关键技术基础研究

毫米波（MMW）和太赫兹波（THz）源技术一直是该领域研究的热点，光外差/光混频方法具有简单直接、灵活高效的优点，但需实现高相干性、低相位噪声的拍频信号源这一关键技术。为了避免两个独立光源所需的复杂锁相系统，同时降低单个激光器双模工作导致的相位噪声，拟利用外部光注入集成半导体环形激光器（SRL），通过谐振腔增强型四波混频效应实现多个模式的相位锁定，完成低功耗与小尺寸的新型高质量拍频信号源的解决方案。本项目拟建立包含外部光注入的SRL多模动力学理论和数值模型；揭示不抑制主模时外部光注入锁定腔内边模的机制；明确通过谐振腔增强型的四波混频过程实现模式相位锁定的机理；深入理解通过光注入选择锁定腔内不同边模，产生非连续可调谐MMW/THz拍频信号的特性，从理论、模拟与实验多方面研究高质量拍频信号产生技术。将SRL引入MMW/THz领域是一个新兴的学术前沿，本项目将为之提供定量化的分析方法和科学依据。

本项目面向光外差/光混频方法产生MMW/THz 信号的关键技术问题，将新型SRL器件引入MMW/THz 领域，通过谐振腔增强型四波混频效应实现多个模式的相位锁定，完成新型高质量MMW/THz拍频信号源的解决方案。.建立了SRL单模动力学模型与多模非线性动力学模型。以研究两个相邻模式L和M为出发点，提出了利用空间相位平面的方法研究了两个模式间的耦合和竞争关系，发现对于两个模式之间不同的激射、非激射组合，器件可分别工作在多稳态、单模、双模三种状态，模式激射取决于其线性和非线性增益是否占优势，进一步建立了器件材料与尺寸参数与上述三种状态特性的关系。.在SRL多模非线性器件模型中引入外部光注入项并考虑其对腔内各模式的影响，仍然利用相位平面的方法研究了将外部光信号注入到器件同方向/不同方向模式L和M上的情况，结果表明可以通过选择正确的外部注入光信号使两个模式同时输出，实现双波长激射。之后研究了两个方向共10个不同模式的稳定注入锁定区域和注入光信号的功率与失谐频率的关系，并通过外部光序列注入锁定多模SRL的不同边模，观察器件的注入锁定特性。着重分析了三种非线性效应（即载流子脉动CDP、载流子加热CH和空间烧孔 SHB）对谐振腔增强型四波混频特性的影响，并得出各自对支持多稳态的模式数目的影响。.在以上两个关键技术实现突破后，进行了非连续可调谐MMW/THz拍频信号产生研究。首先通过将外部连续光注入到SRL的非多稳态边模，调节外部连续光的参数实现注入锁定，利用单个或多个可调谐滤波器与注入光波长的不同组合可以实现不同频率的拍频信号，最终产生的非连续可调谐MMW/THz拍频信号的最高频率受限于器件的增益谱宽度，可以进一步通过改变器件尺寸与非线性特性等器件参数产生更高频率与质量的MMW/THz拍频信号。.基于对环形腔结构的研究工作，项目组将研究范围进一步扩展到光学混沌和无源环形谐振腔上，也取得了大量的研究成果，为未来进一步研究SRL特性奠定了坚实的基础。.基于本项目的研究工作，共发表学术论文17篇，其中SCI/EI 9篇，EI 3篇，获得国家发明专利6项。