----翻譯自Min Luo, Wei Cao等人的文章

本文提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于InP/InGaAsP多量子阱半導(dǎo)體光放大器的光纖環(huán)形腔激光器。該激光器以InP/InGaAsP多量子阱作為增益介質(zhì)，以光纖布拉格光柵作為波長(zhǎng)選擇器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)InGaAsP多量子阱的注入電流增大時(shí)，其輸出放大自發(fā)輻射光譜的中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生藍(lán)移；在注入電流為220 mA、光纖布拉格光柵工作溫度為23℃的條件下，可獲得中心波長(zhǎng)1549.66 nm、最大輸出功率1.524 mW的激光，電光轉(zhuǎn)換效率為1.1%；該激光器的閾值電流為78 mA。當(dāng)光纖布拉格光柵的工作溫度從8℃升至28℃時(shí)，輸出激光的中心波長(zhǎng)從1549.27 nm變?yōu)?549.59 nm，這表明該激光器具備良好的溫度穩(wěn)定性。

1.引言

工作波長(zhǎng)為1.55 μm的光纖激光器被廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感、微波與毫米波光子學(xué)、光信息處理及激光加工等領(lǐng)域1-4。1.55 μm波段的光纖激光器主要分為鉺摻雜光纖激光器5、基于半導(dǎo)體光放大器的光纖激光器6,7以及拉曼光纖激光器。其中，鉺摻雜光纖激光器與拉曼光纖激光器屬于全光纖結(jié)構(gòu)；而基于鉺摻雜光纖放大器與半導(dǎo)體光放大器的光纖激光器，則是在激光諧振腔中插入獨(dú)立工作元件（光放大器，由電注入驅(qū)動(dòng)）作為增益介質(zhì)的激光器。據(jù)我們所知，目前關(guān)于基于半導(dǎo)體光放大器的光纖激光器的文獻(xiàn)報(bào)道相對(duì)較少。

近年來(lái)，關(guān)于InP/InGaAsP多量子阱半導(dǎo)體材料的放大自發(fā)輻射已有大量報(bào)道：2012年，Yeh等人利用超結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光放大器與鉺摻雜光纖放大器，獲得了超寬譜自發(fā)輻射光源，可在1464.0~1578.0 nm波段實(shí)現(xiàn)帶寬增益放大8；2015年，Lin等人模擬并探討了InGaAs多量子阱結(jié)構(gòu)對(duì)其自發(fā)輻射特性的影響9；2016年，Xia與Ghaffouri-Shiraz利用量子阱傳輸線模型，研究了應(yīng)變對(duì)量子阱自發(fā)輻射的作用，結(jié)果表明：在特定條件下，應(yīng)變對(duì)量子阱自發(fā)輻射強(qiáng)度的影響可忽略不計(jì)10；在前期工作中，我們研究了InP/InGaAsP多量子阱結(jié)構(gòu)的自發(fā)輻射線形函數(shù)，發(fā)現(xiàn)其自發(fā)輻射線形符合高斯函數(shù)分布11。

在本文中，提出了一種基于InP/InGaAsP多量子阱半導(dǎo)體光放大器的光纖環(huán)形腔激光器，其中光纖布拉格光柵被用作波長(zhǎng)選擇器。本文探討了光纖布拉格光柵的工作溫度以及半導(dǎo)體光放大器的注入電流對(duì)激光器輸出特性的影響。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

圖1展示了基于半導(dǎo)體光放大器的光纖環(huán)形腔激光器的schematic示意圖。該環(huán)形腔激光器由以下部件組成：半導(dǎo)體光放大器（THORLABS，S9FC）、偏振控制器、光纖環(huán)形器、光纖布拉格光柵、溫度控制器，以及分光比為9:1的光纖耦合器。環(huán)形腔長(zhǎng)度約為6米。

光纖環(huán)形器的作用是將光纖布拉格光柵引入激光腔中；光纖布拉格光柵用作波長(zhǎng)選擇器，溫度控制器則用于調(diào)控光纖布拉格光柵的工作溫度；偏振控制器用于調(diào)整腔內(nèi)光場(chǎng)的偏振方向。實(shí)驗(yàn)中采用光譜分析儀（安立，MS9710C）對(duì)激光器的輸出光譜進(jìn)行測(cè)量。

3.基本原理

忽略非輻射復(fù)合的情況下，多量子阱半導(dǎo)體的光增益g與載流子濃度N之間的對(duì)數(shù)關(guān)系可表示為12

式中，g0是量子阱結(jié)構(gòu)的增益系數(shù)，N0是透明載流子濃度。式（1）表明，隨著載流子濃度的增加，多量子阱半導(dǎo)體的光增益會(huì)趨于飽和。

在平均場(chǎng)近似下，基于多量子阱半導(dǎo)體光放大器的激光器的載波速率方程可表示為13

式中，S表示光子數(shù)密度，η為電流注入因子，q為電子電荷，τph為光子壽命（與腔內(nèi)損耗相關(guān)），τsp為載流子壽命，β為自發(fā)輻射因子，г0為單量子阱的限制因子，V為有源區(qū)體積，M為量子阱的數(shù)量。

式（2）所示的動(dòng)態(tài)速率方程可通過(guò)四階龍格-庫(kù)塔法求解，求解過(guò)程中可觀察到載流子與光子數(shù)密度之間的弛豫振蕩，最終系統(tǒng)可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)14。

當(dāng)電流I注入激光器后，經(jīng)過(guò)一個(gè)暫態(tài)過(guò)程，電子濃度與光子濃度會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)有

閾值電流定義在β的特殊條件下，此時(shí)閾值電流Ith可表示為

閾值電流由激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及光子壽命共同決定，而光子壽命則由腔損耗決定。

4.結(jié)果與討論

圖2展示了不同注入電流下InP/InGaAsP多量子阱的放大自發(fā)輻射特性。在特定注入電流與工作溫度下，InP/InGaAsP多量子阱的放大自發(fā)輻射譜線形狀可通過(guò)高斯函數(shù)描述11。當(dāng)注入電流逐漸增大時(shí)，放大自發(fā)輻射的峰值功率會(huì)逐漸趨于飽和（如圖3所示），這一現(xiàn)象由式（1）所述的增益飽和效應(yīng)導(dǎo)致，與理論推導(dǎo)一致。隨著注入電流的增加，InP/InGaAsP多量子阱的放大自發(fā)輻射中心波長(zhǎng)會(huì)向短波方向偏移，且放大自發(fā)輻射光譜的帶寬會(huì)增大。

在20℃的工作溫度下，光纖布拉格光柵的透射光譜如圖4所示：中心波長(zhǎng)為1549.38 nm，3dB帶寬為0.49 nm。

當(dāng)光纖布拉格光柵在23℃下工作、且半導(dǎo)體光放大器的注入電流為100 mA時(shí)，光纖激光器的輸出光譜如圖5所示：中心波長(zhǎng)為1549.66 nm（處于激射狀態(tài)），平均輸出功率為- 5 dBm，信噪比為45 dB，激光器的線寬約為2.3 MHz。

將光纖布拉格光柵的工作溫度保持在23℃時(shí)，激光器輸出功率與半導(dǎo)體光放大器注入電流的關(guān)系如圖6所示。數(shù)據(jù)顯示：閾值注入電流為78 mA；當(dāng)注入電流為220 mA時(shí)，可獲得1.524 mW的最大輸出功率，電光轉(zhuǎn)換效率為1.1%；效率較低的原因是實(shí)驗(yàn)中所用的連接器存在較高的連接損耗，且電光轉(zhuǎn)換效率本身偏低。

激光器輸出中心波長(zhǎng)與光纖布拉格光柵工作溫度的關(guān)系如圖7所示：當(dāng)光纖布拉格光柵的工作溫度從8℃升至28℃時(shí)，激光器輸出中心波長(zhǎng)從1549.27 nm變化到1549.59 nm，僅偏移了0.32 nm。這表明該激光器具備良好的溫度穩(wěn)定性。

將光纖布拉格光柵的工作溫度保持在23℃時(shí)，激光器輸出功率與半導(dǎo)體光放大器注入電流的關(guān)系如圖6所示。數(shù)據(jù)顯示：閾值注入電流為78 mA；當(dāng)注入電流為220 mA時(shí)，可獲得1.524 mW的最大輸出功率，電光轉(zhuǎn)換效率為1.1%；效率較低的原因是實(shí)驗(yàn)中所用的連接器存在較高的連接損耗，且電光轉(zhuǎn)換效率本身偏低。

激光器輸出中心波長(zhǎng)與光纖布拉格光柵工作溫度的關(guān)系如圖7所示：當(dāng)光纖布拉格光柵的工作溫度從8℃升至28℃時(shí)，激光器輸出中心波長(zhǎng)從1549.27 nm變化到1549.59 nm，僅偏移了0.32 nm。這表明該激光器具備良好的溫度穩(wěn)定性。

5.結(jié)論

InP/InGaAsP多量子阱的放大自發(fā)輻射中心波長(zhǎng)會(huì)隨注入電流的增大向短波方向偏移，且放大自發(fā)輻射光譜的帶寬會(huì)隨之增加。研究獲得了以下激光器性能參數(shù)：激射中心波長(zhǎng)為1549.66 nm，閾值注入電流為78 mA；當(dāng)注入電流為220 mA時(shí)，最大輸出功率達(dá)1.524 mW，信噪比為45 dB，電光轉(zhuǎn)換效率為1.1%；所提出的激光器具備良好的溫度穩(wěn)定性。

天津見合八方光電科技有限公司（http://tj.jhbf.cc），是一家專注國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體光放大器SOA研發(fā)和生產(chǎn)的高科技企業(yè)，目前已推出多款半導(dǎo)體光放大器SOA產(chǎn)品(850nm,1060nm,1270nm,1310nm, 1550nm,1625nm)以及增益芯片RSOA產(chǎn)品(850nm,1310nm,1550nm)，公司已建立了萬(wàn)級(jí)超凈間實(shí)驗(yàn)室，擁有較為全面的光芯片的生產(chǎn)加工、測(cè)試和封裝設(shè)備，并具有光芯片的混合集成微封裝能力。目前公司正在進(jìn)行NLL/ECL+SOA的混合集成器件、大功率SOA器件的研發(fā)工作，并可對(duì)外承接各種光電器件測(cè)試、封裝和加工服務(wù)。

審核編輯 黃宇