封装式高功率窄线宽片状耦合光波导外腔激光器（SCOWECL）

----翻译自William Loh, Frederick J. O’Donnell等人的文章

摘要

我们展示了一种工作于1550 nm的高功率、低噪声、封装型半导体外腔激光器（ECL），其基于InGaAlAs/InP量子阱技术。该激光器由一个双通道弯曲片状耦合光波导放大器（SCOWA）和一个窄带宽（2.5 GHz）的光纤布拉格光栅（FBG）被动腔体通过带透镜的光纤耦合而成。在4 A偏置电流下，该ECL产生370 mW的光纤耦合输出功率，其谱线形状为Voigt分布，分别具有35 Hz和1 kHz的高斯和洛伦兹线宽，以及从200 kHz到10 GHz范围内小于−160 dB/Hz的相对强度噪声。

关键词：光波导、功率激光器、量子阱激光器、半导体激光器

I. 引言

高功率、低噪声、单频激光器在包括相干光通信、微波光子学和光学计量等应用中具有重要意义。例如，在高性能相位调制模拟光子系统中，高光功率和窄线宽对于实现高信噪比传输至关重要。对于使用平衡光电探测器的系统，相对强度噪声（RIN）进一步限制了噪声指标[1]。

在1550 nm波长下，掺铒光纤激光器和半导体激光器可用来满足光学系统的功率、噪声和线宽要求。光纤激光器以前已被证明可以实现相对高的功率（> 200 mW）和窄线宽（< 2 kHz）[2]，或者非常高的功率（> 100 W）和宽线宽（> 1 nm）[3]。然而，由于其相对较小的增益，光纤激光器通常较大且笨重[4]，这导致更高的成本、较低的效率以及更大的体积、重量和功耗（SWaP）。此外，光纤激光器在低频范围（0.1–1 MHz）内表现出较大的弛豫振荡谐振，这会显著降低系统性能，特别是在工作于MHz频率范围的天线阵列应用中。

最近，半导体激光器已经展示了高功率（> 400 mW）和宽线宽（~1 MHz）[5]，或者低功率（< 10 mW）和窄线宽（< 10 kHz）[6]。在本文中，我们基于光纤布拉格光栅外腔激光器的先前设计[7],[8]，结合一种新型片状耦合光波导（SCOW）有源区[9],[10]。SCOW增益介质具有低光学约束因子（Гxy≈0.25%）和大模场尺寸（5×7 µm2），从而实现了高耦合效率（~90%）和瓦级输出功率。SCOW增益介质的其他显著优势包括低光学损耗（~0.5 cm-1）和低噪声系数（~5.5 dB）[11]。

半导体激光器的线宽可以通过修正的Schawlow-Townes方程表示，如文献[12]所示。

其中，υa是有源区域的群速度，Гxy是横截面约束因子，gth是阈值增益，Np是腔内光子密度，Vp是光子腔体体积，nsp是布居反转因子，αH是线宽增强因子，nu(np)是有源（无源）区域的群折射率，La(Lp)是有源（无源）区域的长度。

由于光学增益和损耗可以直接与Np和gth相关联，公式(1)表明SCOW增益介质的高光功率和低损耗特性有助于实现窄激光线宽。此外，外腔反馈增加了腔体品质因数，从而进一步减小了Δf。最后，频率选择性反馈用于在增益光谱蓝边操作，此时αH显著降低。

在本文中，我们展示了一种封装式SCOW外腔激光器（SCOWECL），其输出功率为370 mW，洛伦兹线宽为1 kHz，相对强度噪声（RIN）小于-160 dB/Hz。

II. 器件和封装描述

SCOWECL腔体（图1(a)）由一个1 cm长的双通道弯曲片状耦合光波导放大器（SCOWA）、一个带抗反射涂层的透镜光纤、一个光纤布拉格光栅（FBG）（λc=1550 nm，Δλ=20 pm，R=20%）以及一个带光纤尾纤的60 dB光学隔离器组成。透镜光纤、FBG和隔离器通过熔接方式相连。为了避免多模激光的产生，尽量缩短透镜光纤的长度（3 cm）。尽管SCOWECL封装的面积为16×6cm2（与光纤激光器相当），通过高效利用空间可以实现超过两倍的尺寸缩减。通过设计小于1 cm的腔体长度，可以进一步减小器件尺寸。

SCOWA的材料设计由一个4.6-μm厚的轻掺杂InGaAsP波导组成，该波导与InGaAlAs量子阱（QW）有源区弱耦合（Гxy≈0.25%）。有源区由四个7-nm厚的压应变（1%）InGaAlAs量子阱、三个8-nm厚的张应变（-0.3%，λg=1240 nm）InGaAlAs势垒层、一个12-nm厚的上包层和一个6-nm厚的下包层，以及一个15-nm厚的InP电子阻挡层组成。量子阱的光致发光峰值波长为λ=1565 nm。

SCOWA通过使用一个弯曲通道（10-cm半径）波导几何结构实现，提供了一个高反射率（R>95%）的平面端面和一个抗反射涂层的5˚倾斜端面（R<10-5）。通道结构通过蚀刻InP-ML包层和量子阱（QWs）形成，然后对波导上片刻蚀0.46 μm并沉积SiO2钝化层。SCOWA安装在一个铜钼热沉（AuSn焊接合金80:20）上，通过热电冷却器（TEC）实现温度控制。

透镜光纤通过激光焊接与倾斜SCOWECL腔体相连接。FBG安装在压电换能器（PZT）上以实现波长调谐功能。施加1000 V的电压使布拉格波长红移1.1 nm。在实验中，为保持稳定的输出，PZT电压维持在0 V。其他设计和制造细节可参见文献[9],[13]。

III. 封装式SCOWECL的结果与分析

图2显示了SCOWECL的输出功率和电-光（EO）转换效率（不包括TEC部分）随电流的变化情况。激光器的阈值为0.9 A，在4 A时达到连续波（CW）峰值功率0.37 W。峰值效率在0.25 W时为10%，在0.37 W时下降到7%。使用相同的SCOWA和FBG进行台式测试，在4 A时实现了0.41 W的最大功率。我们将封装器件功率的下降归因于次优的耦合。对II特性的建模表明，高电流时的功率下降部分归因于双光子吸收（TPA）[14]。热效应也可能是斜率效率下降的原因之一。II特性中的锯齿峰值被归因于模式跳变。

图3显示了封装SCOWECL的谱线，采用延迟自外差技术（50 km光纤延迟）和驱动频率为35 MHz的声光调制器进行测量。通过使用泡沫块隔离的基座和有机玻璃外壳，减少了机械振动和热干扰。测得的谱线呈现Voigt分布，其中洛伦兹线宽ΔfL~1KHz，高斯线宽ΔfG~35KHz。高斯线宽主要由低频偏移的噪声引起[15]，通过进一步抑制外部噪声（如电源振动、热波动等）可以进一步减小。

测得的低频（10 kHz–1 MHz）和高频（15 MHz–10 GHz）相对强度噪声（RIN）光谱如图4所示。RIN测量通过RIN传递标准方法校准[16]。测得的低频RIN在接近2 MHz处为−164 dB/Hz，且接近散粒噪声（-170 dB/Hz）。

200 kHz以下的峰值来自系统噪声，因为即使没有施加光学输入，它们也会存在。高频测量结果表明，激光器的RIN低于散粒噪声限制的底部（−162 dB/Hz）。这表明边模抑制比超过80 dB。在图4(b)中，边模峰值的缺失（工作腔频率）表明子腔反射可以忽略。此外，在测试的偏置电流范围（1.5 A至4.5 A）内，没有观察到弛豫振荡共振峰。我们将其归因于SCOWA中较低光学损耗导致的长光子寿命。这与我们的计算结果一致，即弛豫振荡共振处的RIN阻尼峰值小于-170 dB/Hz（fR=5.4GHz）。在我们的测试中，我们发现接近模式跳变操作会降低低频RIN，但对高频RIN没有影响。对于低频RIN重要的应用，需要控制偏置以避免模式跳变。

IV. 结论

我们展示了一种基于片状耦合光波导概念的封装式高功率、低噪声、窄线宽外腔激光器（SCOWECL）。该SCOWECL在1550 nm波长、4 A偏置电流下，表现出0.37 W的输出功率、1 kHz的洛伦兹线宽，以及小于-160 dB/Hz的相对强度噪声（RIN）。目前，双光子吸收（TPA）是限制SCOWECL输出功率的因素之一。可以通过增加波导模场面积或提高波导层带隙能量来减小TPA的影响。SCOWECL有望在自由空间相干光通信和微波光子链路中找到应用，这些场景对高功率低噪声传输至关重要。

参考文献

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