使用SOA对激光器实现噪声抑制

研究历史

2002年，比利时根特大学的Zhao 等人利用增益饱和的半导体光放大器SOA对光谱切片波分复用系统开展RIN 抑制研究，并指出驱动电流和输入功率会对RIN 抑制幅度和带宽产生影响，最大抑制幅度接近18dB，抑制带宽可达6 GHz[1]。2004 年，英国南安普顿大学的McCoy 等人采用增益饱和的SOA 结合偏振控制，对1.5μm的DFB光纤激光器的弛豫振荡峰实现30dB的抑制幅度，RIN 峰值降低至-140 dB/Hz 的水平[2]。2013 年，中科院上海光机所的潘政清等人构建了双向工作的光纤放大器结构连接在单频光纤激光器后端，通过优化光纤放大器数，实现了最大抑制幅度为20 dB 的RIN 控制效果，其有效工作频段为1Hz~1kHz[3]。2014 年，法国雷恩第一大学的Danion 等人通过级联掺铒光纤放大器EDFA和半导体光放大器SOA，通过优化EDFA 的输出功率匹配SOA 的最佳RIN 抑制条件，在3 GHz 带宽下可以同时提供17 dB 光学增益和20 dB 的RIN 抑制幅度[4]。2015 年，华南理工大学通过级联两个SOA，使得单频光纤激光器的弛豫振荡峰下降30 dB，抑制带宽达到50 MHz[5]。2016 年，华南理工大学通过优化SOA 的驱动电流以及进入SOA 激光的功率和偏振态，同时结合光电反馈技术抑制SOA 难以处理的低频段RIN，在0.8 kHz~50MHz 的宽频段内达到-150 dB/Hz 的水平，最大RIN 抑制幅度超过55 dB[6]。2017 年，马来西亚-日本国际理工学院的Putra 等人对EDFA 的噪声特性进行了理论分析，引入了用于自发发射的离散纵向模和用于定义光子的小段区域概念，指出在较高输入光功率下，RIN 的幅度会降低，而且受上能级粒子寿命影响仅能作用于几 kHz 以下频段[7]。2020 年，华南理工大学针对1950 nm 高功率单频光纤激光器，采用低增益分布的双向光纤放大器开展了强度噪声抑制研究，在200 kHz 的有效工作带宽内实现了最大24 dB 的RIN抑制幅度。

基本原理

对于SOA的强度噪声抑制其工作原理如下图所示。当SOA的驱动电流达到一定值时，SOA工作在深度饱和区时，其放大过程将呈现非线性工作状态。此时，小功率输入信号具有较大的增益，大功率输入信号有较小的增益，从而降低输出光的功率波动，实现强度噪声的有效抑制。

抑制效果

1.对单频激光器的噪声抑制

参考文献[8]采用SOA及光纤光栅滤波器对1550nm单频激光器实现了较好的噪声抑制效果。图2为实验装置，图3和图4为抑制效果。

2. SOA与EDFA 的相位噪声比较

分别使用SOA和EDFA分别对某激光器的相位噪声进行对比，如下图所示，可以看到SOA与EDFA在相位噪声上具有几乎相同的效果，在某些对体积尺寸功耗要求较高的情况下，已可使用SOA进行替代，以便于与其它光子芯片进行集成，同时SOA还可以支持700-1700nm全部波段。

3.某单频激光器低频噪声抑制测试

测试拓扑如下，采用低噪声驱动以及窄带滤波器，实现单频光纤激光器的低频噪声抑制。

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审核编辑 黄宇