基于放大反馈的可灵活调谐双模半导体激光器

---翻译自Huibin Chen，Zhenyu You等人的文章

摘要

我们提出并制备了一种基于光学放大反馈的单片集成双模半导体激光器（DML）。该器件利用可调节的光学自注入反馈实现双波长激射，并且其亚毫米级总腔长使其具备作为微波源的潜力。在保持半导体光放大器（SOA）注入电流恒定的情况下，通过向分布反馈激光器（DFB）段注入不同电流，我们实现了可调谐微波信号，其频率范围分别为10 GHz和18 GHz。这一方案大幅简化了系统配置，降低了占用空间、功耗和成本。此外，通过特殊的电流注入方案，该双节半导体激光器可实现固定波长间隔的整体波长调谐。该器件提供了一种便捷且低成本的光子解决方案，适用于灵活可调的微波信号源。

关键词：双模激光器，微波光子学，光学放大反馈

1 引言

微波光子学是一个新兴领域，它融合了微波技术与光子技术，为卫星通信、传感、成像等应用提供创新性解决方案[1]，并在科学研究和工程应用中发挥着至关重要的作用[2-4]。与传统的微波信号产生方法相比（即利用高速电子电路并通过同轴电缆进行昂贵的信号传输），基于光子的微波信号产生方法提供了一种更加直接且低成本的方案。该技术通过产生光载波信号，并利用成本低、衰减小的光纤进行传输，从而实现高质量的远距离信号传输。多种光子微波技术的实现方法已被广泛研究。一种方法是利用集成锁模激光器（MLLs）来产生光子微波[5-7]。然而，该方法通常受限于激光器的固定腔长，从而限制了微波频率的调节范围[8]。另一种方法是使用光学锁相环（PLL）来生成高保真、可调谐的微波信号。然而，该技术需要微波参考源来进行相位稳定控制，这增加了系统的复杂性和成本[9]。另一种可选方案是光电振荡器（OEO），它能够产生具有优异频率稳定性的光子微波信号，并且信号质量较高[10,11]。然而，该方法需要额外的高频组件，如微波滤波器、放大器和光学调制器等，而这些电子器件的带宽可能会限制微波信号的频率可调范围[12]。

近年来，双模激光器（DMLs）在可调光子微波信号的产生方面展现出了良好的应用前景[13-18]。该方法利用两束失谐的光波产生特定的频率间隔，并通过光电探测器（PDs）直接检测后转换为微波信号。典型的DML由两个独立的单模激光器（SMLs）组成，其波长间隔的调整是通过微调SMLs的注入电流来实现的。然而，该方法受到两个独立SMLs之间严重的热串扰影响。此外，为了确保两个SMLs的激射波长精确匹配，还需要对布拉格光栅的光刻精度提出更高的要求[19,20]。

在本文中，我们提出并制备了一种基于光学放大反馈的集成双模激光器（DML）。该器件的可调光反馈可诱导双波长激射，而亚毫米级的总腔长和可调反馈机制使其能够作为可调微波信号源，同时占用空间极小且功耗较低。在该方案中，双模激发由光学放大反馈引起，而非依赖于两个独立激光器，其波长间隔仅取决于腔长和反馈强度。因此，即使存在热串扰，两个波长仍会同步红移或蓝移，不会改变两个模式之间的相对间隔。此外，基于该双模放大反馈激光器，还可通过边带调制实现双电光梳及更丰富的微波信号。

2 放大反馈激光器的设计

图1(a)显示了基于可控光反馈的单片集成双模激光器（DML）的结构示意图，该器件由分布反馈（DFB）段和半导体光放大器（SOA）段组成。该器件结构采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在n-InP衬底上制备，如图1(c)所示。外延片的结构包括n-InP衬底、缓冲层、两个独立的限制异质结构（SCH）层、带有张应变量子势垒的应变多量子阱（MQWs）、InGaAsP光栅层以及p-InP覆层。随后，光栅通过电子束光刻（E-beam lithography）刻蚀至DFB段的覆层中。通过精确调整刻蚀深度，实现了130 cm-1的耦合系数。最终，p型掺杂顶部覆层的生长同样采用MOCVD工艺完成。

最终，该芯片由500 μm相移DFB段和400 μm放大器段组成，分别涂覆有高反射（HR）和抗反射（AR）涂层。如图1(b)所示，光反馈来自波导与空气的界面，由于AR涂层的作用，光学反射率仅约0.1%。若无AR涂层，反射率约为27%。本研究利用这种弱光学反馈，因为过强的光反馈可能会导致共振模式变得混沌且难以控制。该弱光反馈可通过电注入SOA进行放大，从而动态调节光反馈强度，并控制共振模式状态（单模/混沌/双模）。此外，两个电极之间采用电隔离设计，其隔离电阻约为1200 Ω。

首先，对于单独的DFB段，均匀布拉格光栅配合λ/4相移可引入禁带内的离散共振模式，从而实现稳定的单模激光发射[21]。之后，该器件因可调光反馈的存在，使其整体表现出复合腔特性。在特定操作条件下，可能会出现两个不同的共振模式。当足够强的光反馈被注入DFB段时，复合腔的两个模式都具备相近的阈值增益。其主要机制源于不同电流注入导致两个区域的有效折射率发生微小差异，从而影响模式间距的变化。关于该现象的理论分析已在先前研究中详细探讨[22]。

正如图1(b)所示，在DML工作过程中，放大器段充当集成光反馈源，可通过调节注入电流来调控反馈强度。因此，该结构能够实现拍频频率的连续可调。尽管DFB段单独工作在单模状态，但来自SOA到DFB段的光反馈可使两个复合腔模式获得相近的阈值增益。这些模式之间的相互作用在光电探测器中产生微波输出。

为了比较双模工作状态的演化，我们首先展示了DFB激光器的单模工作状态。当DFB段注入120 mA电流，并在SOA段注入透明电流时，单模工作状态下的光谱如图2所示，其边模抑制比（SMSR）达到50 dB。从SOA端面发射的激光通过透镜光纤耦合，并使用光谱分析仪（OSA）进行测量和分析。

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3 实验结果

3.1 双模激光器的波长调谐

在放大器段偏置不同电流的情况下，可以获得不同的双模状态。图3展示了两种双模输出情况，其中SOA的电流分别固定在110 mA和120 mA。在这两种情况下，该DML可实现波长间隔调谐，范围分别为10 GHz和18 GHz。在图3(a)所示的第一种情况下，当DFB段的电流为40 mA 时，模式间隔（Δλ）为0.92 nm，对应的拍频约为115 GHz。当DFB电流增加到60 mA时，模式间隔增至1.0 nm，对应的拍频约为125 GHz。此外，在该调谐范围内，两个模式均保持较为一致的功率水平，并且边模抑制比（SMSR）超过30 dB。在图3(b)所示的第二种情况下，模式间隔可在112 GHz至130 GHz之间调节。图4展示了DFB段注入电流对波长间隔变化的影响过程。

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图5展示了DML在ISOA=110 mA条件下，随着IDFB(DFB电流)增加时，光谱的演化过程。当IDFB=24 mA时，DFB激光器的阈值尚未达到。然而，由于SOA处于高固定电流状态，即光反馈较强，导致Fabry–Pérot（FP）效应出现（见图4(a)）。当IDFB=25 mA时，该电流仍低于DFB激光器的阈值，但此时激发出一个不同于DFB激光器的波长，形成了由第一个模式主导的单模激射状态。这是由于来自SOA的高光学放大反馈导致简并模式的激发，而这些模式通常受到布拉格光栅中的λ/4相移器抑制。随着泵浦电流进一步增加，DFB段逐渐达到阈值并开始激射。随着电流继续增加，两个模式的功率逐渐趋于一致，并在一定时间内保持稳定。直到IDFB=85 mA时，光学自注入反馈的影响逐渐减弱。此时，第一个模式的功率开始下降，而第二个模式逐渐占据主导地位，最终形成由第二个模式主导的单模工作状态。与图2相比，在图5(h)中，只有边模的小分叉现象仍显示出光反馈的残余影响。

此外，在稳定的双模状态下，波长间隔可在0.92 nm至1.0 nm之间调谐，展现出良好的调谐稳定性。然而，该波长间隔已超出射频频谱分析仪的测量范围，限制了进一步的频谱分析能力。另外，图6展示了在不同注入电流条件下，两种模式的功率变化情况。整体输出功率较低，主要原因之一是端面反馈的存在抑制了SOA的放大作用，导致其增益未能充分发挥。

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电流注入方案对双模激光器波长调谐的影响，研究表明，通过调整电流注入方案（同步增加IDFB (DFB) 和ISOA，但速率不同），可以在保持固定波长间隔的同时，实现DML的整体波长调谐。如图7(a)所示，在ISOA = 90-100 mA和IDFB = 40-130 mA的范围内，SOA和DFB段的电流同时调节，以维持调谐过程中的恒定波长间隔。然而，两者的电流调节速率不同：在每个调谐步进中，DFB段电流增加0.4 mA；同时，SOA段电流的增量较小，仅为0.1 mA。这一方案能够确保在精确控制激光器输出的同时，波长间隔保持稳定。实验结果表明，在双模状态下，波长间隔始终维持在1.04 nm（对应130 GHz），且几乎无明显变化，尽管整体光谱存在整体红移。我们对1-25个调谐步长中的波长间隔进行了测量，结果表明，波长间隔始终保持在1.04 nm，如图7(b)所示。

如图8所示，来自不同阶段的两种双模状态分别显示。这些边模（ω112和ω221）与主模式等间隔分布，它们源于四波混频（FWM）现象，即两个共存的主模式之间的非线性相互作用[23]。FWM是一种三阶光学非线性效应，当至少两个不同的光频率分量在非线性介质（如SOA）中共同传播时，可能会产生该效应。FWM代表了一种光学模式拍频现象，具有高功率、偏振特性、相位噪声等特征[24]。此外，FWM信号的功率比自发辐射水平高出25 dB以上。强混频产物的存在表明，器件内部的两种主模式之间发生了高关联性且高效的拍频现象[18]。公式（1）进一步描述了这些频率之间的关系，其中不同符号 代表不同的频率分量。由三个频率i、j、k组合产生的新频率被表示为ωijk，如图8所示。进一步而言，如果放大反馈半导体激光器中的FWM效应更加显著，则可通过特定结构设计实现腔增强FWM。这种增强的FWM效应可以进一步应用于全光多播系统，提高系统性能，并为光通信技术 的发展提供新的可能性[25-27]。

然而，由FWM效应引起的边模 可能会对微波信号的纯度和稳定性产生负面影响，导致信号失真、噪声增加以及频率漂移，从而降低系统性能。为减轻这些影响，可以采取以下策略：1.优化SOA的工作条件：调整SOA的输入功率、增益饱和值和工作电流，可有效降低FWM效应的强度。2.使用光学滤波器：在SOA输出端插入窄带滤波器，可滤除不需要的边模，从而保持主信号的完整性。

4 结论

总而言之，我们提出并制备了一种单片集成双模半导体激光器，其基于光学放大反馈，可调节的光学自注入反馈能够诱导双波长激射，而亚毫米级总腔长使其具备作为微波信号源 的潜力。在SOA的注入电流保持恒定的情况下，通过调节DFB段的注入电流，我们实现了可调谐微波信号，其频率范围分别为10 GHz和19GHz。该方案显著简化了系统配置，同时降低了占用空间、功耗和成本。此外，通过针对双节半导体激光器的特殊电流注入方案，可实现固定波长间隔的整体波长调谐。此外，基于稳定的双模激光器，通过边带调制还可获得更丰富的微波信号。

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审核编辑 黄宇