---翻譯自Huibin Chen，Zhenyu You等人的文章

摘要

我們提出并制備了一種基于光學(xué)放大反饋的單片集成雙模半導(dǎo)體激光器（DML）。該器件利用可調(diào)節(jié)的光學(xué)自注入反饋實(shí)現(xiàn)雙波長激射，并且其亞毫米級(jí)總腔長使其具備作為微波源的潛力。在保持半導(dǎo)體光放大器（SOA）注入電流恒定的情況下，通過向分布反饋激光器（DFB）段注入不同電流，我們實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧微波信號(hào)，其頻率范圍分別為10 GHz和18 GHz。這一方案大幅簡化了系統(tǒng)配置，降低了占用空間、功耗和成本。此外，通過特殊的電流注入方案，該雙節(jié)半導(dǎo)體激光器可實(shí)現(xiàn)固定波長間隔的整體波長調(diào)諧。該器件提供了一種便捷且低成本的光子解決方案，適用于靈活可調(diào)的微波信號(hào)源。

關(guān)鍵詞：雙模激光器，微波光子學(xué)，光學(xué)放大反饋

1 引言

微波光子學(xué)是一個(gè)新興領(lǐng)域，它融合了微波技術(shù)與光子技術(shù)，為衛(wèi)星通信、傳感、成像等應(yīng)用提供創(chuàng)新性解決方案[1]，并在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2-4]。與傳統(tǒng)的微波信號(hào)產(chǎn)生方法相比（即利用高速電子電路并通過同軸電纜進(jìn)行昂貴的信號(hào)傳輸），基于光子的微波信號(hào)產(chǎn)生方法提供了一種更加直接且低成本的方案。該技術(shù)通過產(chǎn)生光載波信號(hào)，并利用成本低、衰減小的光纖進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸。多種光子微波技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法已被廣泛研究。一種方法是利用集成鎖模激光器（MLLs）來產(chǎn)生光子微波[5-7]。然而，該方法通常受限于激光器的固定腔長，從而限制了微波頻率的調(diào)節(jié)范圍[8]。另一種方法是使用光學(xué)鎖相環(huán)（PLL）來生成高保真、可調(diào)諧的微波信號(hào)。然而，該技術(shù)需要微波參考源來進(jìn)行相位穩(wěn)定控制，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本[9]。另一種可選方案是光電振蕩器（OEO），它能夠產(chǎn)生具有優(yōu)異頻率穩(wěn)定性的光子微波信號(hào)，并且信號(hào)質(zhì)量較高[10,11]。然而，該方法需要額外的高頻組件，如微波濾波器、放大器和光學(xué)調(diào)制器等，而這些電子器件的帶寬可能會(huì)限制微波信號(hào)的頻率可調(diào)范圍[12]。

近年來，雙模激光器（DMLs）在可調(diào)光子微波信號(hào)的產(chǎn)生方面展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景[13-18]。該方法利用兩束失諧的光波產(chǎn)生特定的頻率間隔，并通過光電探測(cè)器（PDs）直接檢測(cè)后轉(zhuǎn)換為微波信號(hào)。典型的DML由兩個(gè)獨(dú)立的單模激光器（SMLs）組成，其波長間隔的調(diào)整是通過微調(diào)SMLs的注入電流來實(shí)現(xiàn)的。然而，該方法受到兩個(gè)獨(dú)立SMLs之間嚴(yán)重的熱串?dāng)_影響。此外，為了確保兩個(gè)SMLs的激射波長精確匹配，還需要對(duì)布拉格光柵的光刻精度提出更高的要求[19,20]。

在本文中，我們提出并制備了一種基于光學(xué)放大反饋的集成雙模激光器（DML）。該器件的可調(diào)光反饋可誘導(dǎo)雙波長激射，而亞毫米級(jí)的總腔長和可調(diào)反饋機(jī)制使其能夠作為可調(diào)微波信號(hào)源，同時(shí)占用空間極小且功耗較低。在該方案中，雙模激發(fā)由光學(xué)放大反饋引起，而非依賴于兩個(gè)獨(dú)立激光器，其波長間隔僅取決于腔長和反饋強(qiáng)度。因此，即使存在熱串?dāng)_，兩個(gè)波長仍會(huì)同步紅移或藍(lán)移，不會(huì)改變兩個(gè)模式之間的相對(duì)間隔。此外，基于該雙模放大反饋激光器，還可通過邊帶調(diào)制實(shí)現(xiàn)雙電光梳及更豐富的微波信號(hào)。

2 放大反饋激光器的設(shè)計(jì)

圖1(a)顯示了基于可控光反饋的單片集成雙模激光器（DML）的結(jié)構(gòu)示意圖，該器件由分布反饋（DFB）段和半導(dǎo)體光放大器（SOA）段組成。該器件結(jié)構(gòu)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)在n-InP襯底上制備，如圖1(c)所示。外延片的結(jié)構(gòu)包括n-InP襯底、緩沖層、兩個(gè)獨(dú)立的限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)（SCH）層、帶有張應(yīng)變量子勢(shì)壘的應(yīng)變多量子阱（MQWs）、InGaAsP光柵層以及p-InP覆層。隨后，光柵通過電子束光刻（E-beam lithography）刻蝕至DFB段的覆層中。通過精確調(diào)整刻蝕深度，實(shí)現(xiàn)了130 cm-1的耦合系數(shù)。最終，p型摻雜頂部覆層的生長同樣采用MOCVD工藝完成。

最終，該芯片由500 μm相移DFB段和400 μm放大器段組成，分別涂覆有高反射（HR）和抗反射（AR）涂層。如圖1(b)所示，光反饋來自波導(dǎo)與空氣的界面，由于AR涂層的作用，光學(xué)反射率僅約0.1%。若無AR涂層，反射率約為27%。本研究利用這種弱光學(xué)反饋，因?yàn)檫^強(qiáng)的光反饋可能會(huì)導(dǎo)致共振模式變得混沌且難以控制。該弱光反饋可通過電注入SOA進(jìn)行放大，從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)光反饋強(qiáng)度，并控制共振模式狀態(tài)（單模/混沌/雙模）。此外，兩個(gè)電極之間采用電隔離設(shè)計(jì)，其隔離電阻約為1200 Ω。

首先，對(duì)于單獨(dú)的DFB段，均勻布拉格光柵配合λ/4相移可引入禁帶內(nèi)的離散共振模式，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單模激光發(fā)射[21]。之后，該器件因可調(diào)光反饋的存在，使其整體表現(xiàn)出復(fù)合腔特性。在特定操作條件下，可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)不同的共振模式。當(dāng)足夠強(qiáng)的光反饋被注入DFB段時(shí)，復(fù)合腔的兩個(gè)模式都具備相近的閾值增益。其主要機(jī)制源于不同電流注入導(dǎo)致兩個(gè)區(qū)域的有效折射率發(fā)生微小差異，從而影響模式間距的變化。關(guān)于該現(xiàn)象的理論分析已在先前研究中詳細(xì)探討[22]。

正如圖1(b)所示，在DML工作過程中，放大器段充當(dāng)集成光反饋源，可通過調(diào)節(jié)注入電流來調(diào)控反饋強(qiáng)度。因此，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)拍頻頻率的連續(xù)可調(diào)。盡管DFB段單獨(dú)工作在單模狀態(tài)，但來自SOA到DFB段的光反饋可使兩個(gè)復(fù)合腔模式獲得相近的閾值增益。這些模式之間的相互作用在光電探測(cè)器中產(chǎn)生微波輸出。

為了比較雙模工作狀態(tài)的演化，我們首先展示了DFB激光器的單模工作狀態(tài)。當(dāng)DFB段注入120 mA電流，并在SOA段注入透明電流時(shí)，單模工作狀態(tài)下的光譜如圖2所示，其邊模抑制比（SMSR）達(dá)到50 dB。從SOA端面發(fā)射的激光通過透鏡光纖耦合，并使用光譜分析儀（OSA）進(jìn)行測(cè)量和分析。

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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 雙模激光器的波長調(diào)諧

在放大器段偏置不同電流的情況下，可以獲得不同的雙模狀態(tài)。圖3展示了兩種雙模輸出情況，其中SOA的電流分別固定在110 mA和120 mA。在這兩種情況下，該DML可實(shí)現(xiàn)波長間隔調(diào)諧，范圍分別為10 GHz和18 GHz。在圖3(a)所示的第一種情況下，當(dāng)DFB段的電流為40 mA 時(shí)，模式間隔（Δλ）為0.92 nm，對(duì)應(yīng)的拍頻約為115 GHz。當(dāng)DFB電流增加到60 mA時(shí)，模式間隔增至1.0 nm，對(duì)應(yīng)的拍頻約為125 GHz。此外，在該調(diào)諧范圍內(nèi)，兩個(gè)模式均保持較為一致的功率水平，并且邊模抑制比（SMSR）超過30 dB。在圖3(b)所示的第二種情況下，模式間隔可在112 GHz至130 GHz之間調(diào)節(jié)。圖4展示了DFB段注入電流對(duì)波長間隔變化的影響過程。

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圖5展示了DML在ISOA=110 mA條件下，隨著IDFB(DFB電流)增加時(shí)，光譜的演化過程。當(dāng)IDFB=24 mA時(shí)，DFB激光器的閾值尚未達(dá)到。然而，由于SOA處于高固定電流狀態(tài)，即光反饋較強(qiáng)，導(dǎo)致Fabry–Pérot（FP）效應(yīng)出現(xiàn)（見圖4(a)）。當(dāng)IDFB=25 mA時(shí)，該電流仍低于DFB激光器的閾值，但此時(shí)激發(fā)出一個(gè)不同于DFB激光器的波長，形成了由第一個(gè)模式主導(dǎo)的單模激射狀態(tài)。這是由于來自SOA的高光學(xué)放大反饋導(dǎo)致簡并模式的激發(fā)，而這些模式通常受到布拉格光柵中的λ/4相移器抑制。隨著泵浦電流進(jìn)一步增加，DFB段逐漸達(dá)到閾值并開始激射。隨著電流繼續(xù)增加，兩個(gè)模式的功率逐漸趨于一致，并在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。直到IDFB=85 mA時(shí)，光學(xué)自注入反饋的影響逐漸減弱。此時(shí)，第一個(gè)模式的功率開始下降，而第二個(gè)模式逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，最終形成由第二個(gè)模式主導(dǎo)的單模工作狀態(tài)。與圖2相比，在圖5(h)中，只有邊模的小分叉現(xiàn)象仍顯示出光反饋的殘余影響。

此外，在穩(wěn)定的雙模狀態(tài)下，波長間隔可在0.92 nm至1.0 nm之間調(diào)諧，展現(xiàn)出良好的調(diào)諧穩(wěn)定性。然而，該波長間隔已超出射頻頻譜分析儀的測(cè)量范圍，限制了進(jìn)一步的頻譜分析能力。另外，圖6展示了在不同注入電流條件下，兩種模式的功率變化情況。整體輸出功率較低，主要原因之一是端面反饋的存在抑制了SOA的放大作用，導(dǎo)致其增益未能充分發(fā)揮。

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電流注入方案對(duì)雙模激光器波長調(diào)諧的影響，研究表明，通過調(diào)整電流注入方案（同步增加IDFB (DFB) 和ISOA，但速率不同），可以在保持固定波長間隔的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)DML的整體波長調(diào)諧。如圖7(a)所示，在ISOA = 90-100 mA和IDFB = 40-130 mA的范圍內(nèi)，SOA和DFB段的電流同時(shí)調(diào)節(jié)，以維持調(diào)諧過程中的恒定波長間隔。然而，兩者的電流調(diào)節(jié)速率不同：在每個(gè)調(diào)諧步進(jìn)中，DFB段電流增加0.4 mA；同時(shí)，SOA段電流的增量較小，僅為0.1 mA。這一方案能夠確保在精確控制激光器輸出的同時(shí)，波長間隔保持穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在雙模狀態(tài)下，波長間隔始終維持在1.04 nm（對(duì)應(yīng)130 GHz），且?guī)缀鯚o明顯變化，盡管整體光譜存在整體紅移。我們對(duì)1-25個(gè)調(diào)諧步長中的波長間隔進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明，波長間隔始終保持在1.04 nm，如圖7(b)所示。

如圖8所示，來自不同階段的兩種雙模狀態(tài)分別顯示。這些邊模（ω112和ω221）與主模式等間隔分布，它們?cè)从谒牟ɑ祛l（FWM）現(xiàn)象，即兩個(gè)共存的主模式之間的非線性相互作用[23]。FWM是一種三階光學(xué)非線性效應(yīng)，當(dāng)至少兩個(gè)不同的光頻率分量在非線性介質(zhì)（如SOA）中共同傳播時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生該效應(yīng)。FWM代表了一種光學(xué)模式拍頻現(xiàn)象，具有高功率、偏振特性、相位噪聲等特征[24]。此外，F(xiàn)WM信號(hào)的功率比自發(fā)輻射水平高出25 dB以上。強(qiáng)混頻產(chǎn)物的存在表明，器件內(nèi)部的兩種主模式之間發(fā)生了高關(guān)聯(lián)性且高效的拍頻現(xiàn)象[18]。公式（1）進(jìn)一步描述了這些頻率之間的關(guān)系，其中不同符號(hào) 代表不同的頻率分量。由三個(gè)頻率i、j、k組合產(chǎn)生的新頻率被表示為ωijk，如圖8所示。進(jìn)一步而言，如果放大反饋半導(dǎo)體激光器中的FWM效應(yīng)更加顯著，則可通過特定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)腔增強(qiáng)FWM。這種增強(qiáng)的FWM效應(yīng)可以進(jìn)一步應(yīng)用于全光多播系統(tǒng)，提高系統(tǒng)性能，并為光通信技術(shù) 的發(fā)展提供新的可能性[25-27]。

然而，由FWM效應(yīng)引起的邊模 可能會(huì)對(duì)微波信號(hào)的純度和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致信號(hào)失真、噪聲增加以及頻率漂移，從而降低系統(tǒng)性能。為減輕這些影響，可以采取以下策略：1.優(yōu)化SOA的工作條件：調(diào)整SOA的輸入功率、增益飽和值和工作電流，可有效降低FWM效應(yīng)的強(qiáng)度。2.使用光學(xué)濾波器：在SOA輸出端插入窄帶濾波器，可濾除不需要的邊模，從而保持主信號(hào)的完整性。

4 結(jié)論

總而言之，我們提出并制備了一種單片集成雙模半導(dǎo)體激光器，其基于光學(xué)放大反饋，可調(diào)節(jié)的光學(xué)自注入反饋能夠誘導(dǎo)雙波長激射，而亞毫米級(jí)總腔長使其具備作為微波信號(hào)源 的潛力。在SOA的注入電流保持恒定的情況下，通過調(diào)節(jié)DFB段的注入電流，我們實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧微波信號(hào)，其頻率范圍分別為10 GHz和19GHz。該方案顯著簡化了系統(tǒng)配置，同時(shí)降低了占用空間、功耗和成本。此外，通過針對(duì)雙節(jié)半導(dǎo)體激光器的特殊電流注入方案，可實(shí)現(xiàn)固定波長間隔的整體波長調(diào)諧。此外，基于穩(wěn)定的雙模激光器，通過邊帶調(diào)制還可獲得更豐富的微波信號(hào)。

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審核編輯 黃宇