----翻譯自Anoma Dayawansa McCoy 2005年的博士論文《Intensity Noise Suppression Using A Semiconductor Optical Amplifier: Characterizations and Applications》

概述：

本章記錄了我們在光纖分布式反饋DFB激光器中使用飽和SOA來降低RIN的工作，以用于低頻傳感器應用。結果表明，放大器的增益動力學允許光纖激光器的弛豫振蕩RO噪聲分量減少30dB。

6.1 背景

到目前為止，我研究了將飽和半導體光放大器（SOA）作為降低類熱非相干光源過量強度噪聲的一種手段，應用于電信系統中。然而，應該認識到，飽和SOA是一種強大且用途廣泛的工具，其應用可以擴展到各種不同的領域。在本章中，我將介紹一項初步研究，該研究旨在利用放大器的非線性特性來降低高相干光纖分布反饋（DFB）激光器的相對強度噪聲（RIN）峰值。

光纖DFB激光器由于其與光纖的兼容性、窄線寬以及低強度噪聲等特性，成為半導體二極管激光器的一種有吸引力的替代方案。然而，激光器噪聲光譜中特有的弛豫振蕩（RO）峰值，是由增益介質中粒子數反轉與光子密度之間的耦合引起的 ，這會限制其在諸如傳感和計量等低頻應用中的靈敏度。

此前，一種光電子反饋方法已被用于在光纖激光器中實現RIN峰值降低30dB，該方法通過與激光強度波動反相調制泵浦驅動電流來實現 。然而，這種方法需要仔細表征激光器對泵浦電流波動的響應。一種更簡單的全光方法是利用飽和SOA的增益動態來降低RO噪聲峰值。類似的技術已被用于通過在環形激光器的腔中引入SOA來抑制拍頻 。在本章中，我們首次報道了使用外部SOA降低光纖DFB激光器RO峰值的特性研究 。

6.2 SOA用于降低RIN峰值

本章所呈現的工作是與Libin Fu博士合作完成的。C波段光纖激光器的工作波長為1552.1nm，由Morten Ibsen博士制造。

基本實驗裝置如圖6.1所示。該激光器是一種單偏振鉺鐿共摻光纖DFB激光器，腔長為5cm，采用980nm反向泵浦配置。有關激光器設計的更多詳細信息，請參考文獻[76]，將激光器的輸出功率設置為10dBm，此時RO頻率約為930kHz。然后將激光器的輸出衰減至約5dBm，再注入到SOA中，同時將放大器的驅動電流設置為200mA。根據放大器的增益特性（見圖6.2），這樣的驅動電流和光輸入功率組合確保了SOA（阿爾卡特1901型）工作在增益飽和區域。還調整了信號的偏振態，以實現最大程度的噪聲抑制。

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與前面的章節一樣，我們使用安捷倫光波分析儀測量了SOA前后的噪聲功率譜密度PSD（圖6.3a）。需要注意的是，在頻率低于約600kHz處觀察到的RIN明顯增加是由光波分析儀的底噪引起的。因此，為了更好地研究低頻響應，我們使用電頻譜分析儀和一個帶寬為125MHz的高靈敏度光電探測器，在30-700kHz的頻率范圍內進一步表征噪聲PSD（圖6.3(b)）。

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通過使用SOA，我們能夠將RIN峰值從-110dB/Hz降低到低于-140dB/Hz，從而實現30dB的RIN改善。盡管圖6.3（b）顯示在低30kHz的頻率下也有強度噪聲抑制，但由于光電探測器的熱底噪，噪聲抑制的真實程度被掩蓋了。然而，根據第3章中的理論分析，預計噪聲抑制可以延伸到直流。在頻率高于SOA的噪聲抑制帶寬（約4GHz）時，RIN光譜中觀察到緩慢增加，這歸因于放大器ASE引入的未被抑制的拍頻噪聲。在10GHz時，僅DFB激光器的RIN值為-163dB/Hz，而飽和SOA將其增加到-150dB/Hz。

圖6.4a展示了激光器在通過SOA前后的光譜。盡管SOA產生的放大自發輻射降低了光信噪比（OSNR），但SOA輸出信號的OSNR仍大于55dB。與前面章節中討論的非相干光譜切片不同，該激光器光譜沒有明顯的紅移或失真。使用延遲自外差技術（分辨率為3.5kHz）進行的激光線寬測量進一步證實了這一點 。測量得到的3dB線寬約為14kHz，并且在噪聲抑制前后，激光線寬沒有明顯差異（圖6.4（b））。第3章中討論的光譜失真效應源于SOA內部的幅度-相位耦合，并且是注入到器件中的強度噪聲水平的函數；因此，此處沒有觀察到這些效應，這歸因于光纖DFB激光器的高強度穩定性。

對于高輸入功率，即使在相對較低的SOA驅動電流水平下，也能實現顯著的RIN抑制。從圖6.5中可以明顯看出這一點，該圖展示了在輸入功率約為5dBm恒定的情況下，RIN峰值抑制與放大器驅動電流的關系。觀察到的抑制效果歸因于在這些電流水平下放大器仍然顯著的增益壓縮。

如第3章詳細討論的，SOA實現的噪聲抑制是飽和放大器中光強度與增益之間的反比關系的結果。因此，任何疊加在高強度連續波載波上的小信號調制在通過SOA時都將被抑制。如3.3.1節所示，這種抑制發生的頻率范圍由器件的載流子壽命決定，大約在幾GHz的量級。這些特性使得該技術非常適合在低頻下需要窄線寬、高靈敏度和強度穩定性的應用，并且該技術還有一個額外的優點，即SOA還可以在諸如基于時間選通的傳感器多路復用等技術中用作調制器 。

6.3 總結與討論

綜上所述，增益飽和的SOA為降低光纖DFB激光器的RO峰值和低頻強度噪聲提供了一種簡單有效的方法。使用該技術，RIN峰值被降低到低于-140dB/Hz，實現了約30dB的噪聲降低。在0-4GHz的頻率范圍內實現了顯著的抑制。

本文所呈現的初步研究僅限于單個RO頻率。然而，由于RO峰值的幅度和頻率取決于激光器的泵浦功率，在SOA的整個噪聲抑制帶寬內表征RIN降低，以確定可實現的最小RIN是很有價值的。然而，這些實驗需要一個極低噪聲的探測器，以便充分評估飽和SOA的優勢。根據先前的分析 [27]，在較低的RO頻率下，預計RIN降低幅度將大于30dB。

與半導體DFB激光器相比，光纖DFB激光器通常在很寬的頻率范圍內具有更優越的噪聲特性。然而，就其在傳感和計量中的應用而言，光纖激光器的缺點是RO峰值出現在非常低的頻率（即低于幾兆赫茲），而激光二極管的RO頻率在吉赫茲量級 。因此，RO抑制為光纖激光器提供了相對于半導體激光器的明顯優勢，從而增強了光纖DFB技術在低頻傳感器和計量應用中的潛力。

注：本文由天津見合八方光電科技有限公司挑選并翻譯，旨在推廣和分享相關半導體光放大器SOA基礎知識，助力SOA技術的發展和應用。特此告知，本文系經過人工翻譯而成，雖本公司盡最大努力保證翻譯準確性，但不排除存在誤差、遺漏或語義解讀導致的不完全準確性，建議讀者閱讀原文或對照閱讀，也歡迎指出錯誤，共同進步。

審核編輯 黃宇