基于半导体光放大器的光纤环形腔激光器

----翻译自Min Luo, Wei Cao等人的文章

本文提出并实验验证了一种基于InP/InGaAsP多量子阱半导体光放大器的光纤环形腔激光器。该激光器以InP/InGaAsP多量子阱作为增益介质，以光纤布拉格光栅作为波长选择器。实验结果表明：当InGaAsP多量子阱的注入电流增大时，其输出放大自发辐射光谱的中心波长会发生蓝移；在注入电流为220 mA、光纤布拉格光栅工作温度为23℃的条件下，可获得中心波长1549.66 nm、最大输出功率1.524 mW的激光，电光转换效率为1.1%；该激光器的阈值电流为78 mA。当光纤布拉格光栅的工作温度从8℃升至28℃时，输出激光的中心波长从1549.27 nm变为1549.59 nm，这表明该激光器具备良好的温度稳定性。

1.引言

工作波长为1.55 μm的光纤激光器被广泛应用于光纤通信、光纤传感、微波与毫米波光子学、光信息处理及激光加工等领域1-4。1.55 μm波段的光纤激光器主要分为铒掺杂光纤激光器5、基于半导体光放大器的光纤激光器6,7以及拉曼光纤激光器。其中，铒掺杂光纤激光器与拉曼光纤激光器属于全光纤结构；而基于铒掺杂光纤放大器与半导体光放大器的光纤激光器，则是在激光谐振腔中插入独立工作元件（光放大器，由电注入驱动）作为增益介质的激光器。据我们所知，目前关于基于半导体光放大器的光纤激光器的文献报道相对较少。

近年来，关于InP/InGaAsP多量子阱半导体材料的放大自发辐射已有大量报道：2012年，Yeh等人利用超结构半导体光放大器与铒掺杂光纤放大器，获得了超宽谱自发辐射光源，可在1464.0~1578.0 nm波段实现带宽增益放大8；2015年，Lin等人模拟并探讨了InGaAs多量子阱结构对其自发辐射特性的影响9；2016年，Xia与Ghaffouri-Shiraz利用量子阱传输线模型，研究了应变对量子阱自发辐射的作用，结果表明：在特定条件下，应变对量子阱自发辐射强度的影响可忽略不计10；在前期工作中，我们研究了InP/InGaAsP多量子阱结构的自发辐射线形函数，发现其自发辐射线形符合高斯函数分布11。

在本文中，提出了一种基于InP/InGaAsP多量子阱半导体光放大器的光纤环形腔激光器，其中光纤布拉格光栅被用作波长选择器。本文探讨了光纤布拉格光栅的工作温度以及半导体光放大器的注入电流对激光器输出特性的影响。

2.实验装置

图1展示了基于半导体光放大器的光纤环形腔激光器的schematic示意图。该环形腔激光器由以下部件组成：半导体光放大器（THORLABS，S9FC）、偏振控制器、光纤环形器、光纤布拉格光栅、温度控制器，以及分光比为9:1的光纤耦合器。环形腔长度约为6米。

光纤环形器的作用是将光纤布拉格光栅引入激光腔中；光纤布拉格光栅用作波长选择器，温度控制器则用于调控光纤布拉格光栅的工作温度；偏振控制器用于调整腔内光场的偏振方向。实验中采用光谱分析仪（安立，MS9710C）对激光器的输出光谱进行测量。

3.基本原理

忽略非辐射复合的情况下，多量子阱半导体的光增益g与载流子浓度N之间的对数关系可表示为12

式中，g0是量子阱结构的增益系数，N0是透明载流子浓度。式（1）表明，随着载流子浓度的增加，多量子阱半导体的光增益会趋于饱和。

在平均场近似下，基于多量子阱半导体光放大器的激光器的载波速率方程可表示为13

式中，S表示光子数密度，η为电流注入因子，q为电子电荷，τph为光子寿命（与腔内损耗相关），τsp为载流子寿命，β为自发辐射因子，г0为单量子阱的限制因子，V为有源区体积，M为量子阱的数量。

式（2）所示的动态速率方程可通过四阶龙格-库塔法求解，求解过程中可观察到载流子与光子数密度之间的弛豫振荡，最终系统可达到稳定状态14。

当电流I注入激光器后，经过一个暂态过程，电子浓度与光子浓度会达到稳态，此时有

阈值电流定义在β的特殊条件下，此时阈值电流Ith可表示为

阈值电流由激光器的结构参数以及光子寿命共同决定，而光子寿命则由腔损耗决定。

4.结果与讨论

图2展示了不同注入电流下InP/InGaAsP多量子阱的放大自发辐射特性。在特定注入电流与工作温度下，InP/InGaAsP多量子阱的放大自发辐射谱线形状可通过高斯函数描述11。当注入电流逐渐增大时，放大自发辐射的峰值功率会逐渐趋于饱和（如图3所示），这一现象由式（1）所述的增益饱和效应导致，与理论推导一致。随着注入电流的增加，InP/InGaAsP多量子阱的放大自发辐射中心波长会向短波方向偏移，且放大自发辐射光谱的带宽会增大。

在20℃的工作温度下，光纤布拉格光栅的透射光谱如图4所示：中心波长为1549.38 nm，3dB带宽为0.49 nm。

当光纤布拉格光栅在23℃下工作、且半导体光放大器的注入电流为100 mA时，光纤激光器的输出光谱如图5所示：中心波长为1549.66 nm（处于激射状态），平均输出功率为- 5 dBm，信噪比为45 dB，激光器的线宽约为2.3 MHz。

将光纤布拉格光栅的工作温度保持在23℃时，激光器输出功率与半导体光放大器注入电流的关系如图6所示。数据显示：阈值注入电流为78 mA；当注入电流为220 mA时，可获得1.524 mW的最大输出功率，电光转换效率为1.1%；效率较低的原因是实验中所用的连接器存在较高的连接损耗，且电光转换效率本身偏低。

激光器输出中心波长与光纤布拉格光栅工作温度的关系如图7所示：当光纤布拉格光栅的工作温度从8℃升至28℃时，激光器输出中心波长从1549.27 nm变化到1549.59 nm，仅偏移了0.32 nm。这表明该激光器具备良好的温度稳定性。

将光纤布拉格光栅的工作温度保持在23℃时，激光器输出功率与半导体光放大器注入电流的关系如图6所示。数据显示：阈值注入电流为78 mA；当注入电流为220 mA时，可获得1.524 mW的最大输出功率，电光转换效率为1.1%；效率较低的原因是实验中所用的连接器存在较高的连接损耗，且电光转换效率本身偏低。

激光器输出中心波长与光纤布拉格光栅工作温度的关系如图7所示：当光纤布拉格光栅的工作温度从8℃升至28℃时，激光器输出中心波长从1549.27 nm变化到1549.59 nm，仅偏移了0.32 nm。这表明该激光器具备良好的温度稳定性。

5.结论

InP/InGaAsP多量子阱的放大自发辐射中心波长会随注入电流的增大向短波方向偏移，且放大自发辐射光谱的带宽会随之增加。研究获得了以下激光器性能参数：激射中心波长为1549.66 nm，阈值注入电流为78 mA；当注入电流为220 mA时，最大输出功率达1.524 mW，信噪比为45 dB，电光转换效率为1.1%；所提出的激光器具备良好的温度稳定性。

天津见合八方光电科技有限公司（http://tj.jhbf.cc），是一家专注国产半导体光放大器SOA研发和生产的高科技企业，目前已推出多款半导体光放大器SOA产品(850nm,1060nm,1270nm,1310nm, 1550nm,1625nm)以及增益芯片RSOA产品(850nm,1310nm,1550nm)，公司已建立了万级超净间实验室，拥有较为全面的光芯片的生产加工、测试和封装设备，并具有光芯片的混合集成微封装能力。目前公司正在进行NLL/ECL+SOA的混合集成器件、大功率SOA器件的研发工作，并可对外承接各种光电器件测试、封装和加工服务。

审核编辑 黄宇