摘要：迄今為止，對(duì)半導(dǎo)體光放大器（SOA）中增益恢復(fù)時(shí)間的波長(zhǎng)依賴性的測(cè)量大多采用泵浦-探頭技術(shù)，泵浦和探頭在不同的波長(zhǎng)上工作。泵浦波長(zhǎng)的選擇及其與探頭波長(zhǎng)的相對(duì)接近可能會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，并妨礙對(duì)恢復(fù)動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)依賴性的明確觀察。我們使用單色泵浦-探針測(cè)量技術(shù)，直接獲取了塊狀 InGaAsP SOAs 中增益恢復(fù)時(shí)間的波長(zhǎng)依賴性。使用來(lái)自單模鎖定激光器的超短脈沖，明確測(cè)量了 SOAs 的光譜依賴性和時(shí)間行為。我們使用單模鎖定激光器發(fā)出的超短脈沖，明確測(cè)量了 SOA 的光譜依賴性和時(shí)間行為。使用考慮到帶內(nèi)和帶間對(duì) SOA 飽和度貢獻(xiàn)的模型得出的仿真結(jié)果以及所測(cè)試 SOA 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，恢復(fù)率依賴性與增益光譜相似。

1. 引言

半導(dǎo)體光放大器（SOA）是接入網(wǎng)中很有前途的元件，人們?cè)陂_(kāi)發(fā)高效的數(shù)值模擬工具方面做了大量工作［1］。這些算法通過(guò)求解微分方程來(lái)獲得載流子密度隨時(shí)間的變化。它們依賴于對(duì)載波恢復(fù)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)描述，并假定載波恢復(fù)時(shí)間僅取決于載波密度。我們使用一種泵浦探針技術(shù)，這種技術(shù)以前在自由空間 ［2-10］ 和光纖 ［11-16］ 中都有文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)。通常情況下，泵浦和探針使用不同的波長(zhǎng)，但也有例外。我們首先回顧一下以前的載流子恢復(fù)時(shí)間表征方法，以突出它們與我們提出的方法的不同之處。

表征增益恢復(fù)的自由空間實(shí)驗(yàn)通常比較復(fù)雜，需要使用透鏡耦合泵浦光束和探針光束進(jìn)行靈敏對(duì)準(zhǔn)。在 ［2， 3］ 中，作者使用了單波長(zhǎng)、亞皮秒激光器。他們通過(guò)交叉偏振分離了泵浦和探針光束。雖然泵浦光束和探針光束的波長(zhǎng)相同，但增益恢復(fù)將取決于探針的偏振，如文獻(xiàn)［7］所示。請(qǐng)注意，由于波導(dǎo)上的應(yīng)變，可能會(huì)發(fā)生一些偏振轉(zhuǎn)換。

在文獻(xiàn)［4］中，一種自由空間雙色泵浦探針技術(shù)使用了超連續(xù)光源的光譜切片。對(duì)于這種設(shè)置，載流子恢復(fù)取決于泵浦和探針的波長(zhǎng)間隔［5］。這有助于了解波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)中的載流子動(dòng)態(tài)，但無(wú)法測(cè)量泵浦波長(zhǎng)的載流子恢復(fù)。在 ［2］ 中，利用外差技術(shù)展示了一種更復(fù)雜的共偏振泵-探針?lè)椒?。但沒(méi)有研究透明度以上的增益恢復(fù)與波長(zhǎng)的關(guān)系，而且實(shí)驗(yàn)裝置也很復(fù)雜。Philippe 等人［7］的一項(xiàng)有趣工作研究了自由空間中恢復(fù)時(shí)間的偏振相關(guān)性。他們展示了一種共偏振泵-探針技術(shù)，通過(guò)在被測(cè)設(shè)備上反向傳播來(lái)分離光束。他們發(fā)現(xiàn)，TM 模式的恢復(fù)速度比 TE 模式快，這可能是光洞動(dòng)力學(xué)和應(yīng)變?cè)斐傻摹７聪騻鞑ヅ渲糜糜谠谕黄裣路蛛x泵浦和探針。沒(méi)有研究波長(zhǎng)相關(guān)性。在 ［8， 10］ 中，泵浦和探針是正交偏振的。文中介紹了高于和低于透明度的不同波長(zhǎng)的結(jié)果，但作者只分別關(guān)注了 InGaAsP 和 AlGaAs 波導(dǎo)零延遲附近的快速動(dòng)態(tài)。在此后的工作中，我們將重點(diǎn)關(guān)注增益長(zhǎng)期變化（高于透明度）的波長(zhǎng)依賴性。

第二組實(shí)驗(yàn)使用全光纖裝置，這種裝置更簡(jiǎn)單、更靈活，而且可以利用常見(jiàn)的光纖元件，如波分復(fù)用耦合器和濾波器。然而，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這些實(shí)驗(yàn)通常是 1）復(fù)雜；2）只對(duì)不同波長(zhǎng)的泵浦和探針感興趣。

文獻(xiàn)［11， 12］測(cè)試了連續(xù)波探頭信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果表明，連續(xù)波探頭信號(hào)由于刺激壽命較短，因此增益恢復(fù)時(shí)間較短。連續(xù)波探頭會(huì)在一定程度上使 SOA 飽和［11］。為了避免飽和，探針功率必須較低。探頭恢復(fù)可能會(huì)被電子噪聲干擾，特別是在使用寬帶光接收器時(shí)。脈沖探針信號(hào)還可以測(cè)量自發(fā)輻射、奧格效應(yīng)和放大自發(fā)輻射（ASE）引起的恢復(fù)時(shí)間 ［12］。因此，我們的方法采用了脈沖探針。

文獻(xiàn)［13］報(bào)道了使用兩個(gè)不同波長(zhǎng)的模式鎖定激光器（MLL）對(duì)脈沖探頭信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的情況。這需要可調(diào)諧的短持續(xù)時(shí)間的泵浦和探頭光脈沖。分頻器同樣也需要。此外，泵浦脈沖和探測(cè)脈沖之間的定時(shí)抖動(dòng)和同步也很微妙 ［4］。文獻(xiàn)［6］中使用了一種光譜圖技術(shù)，泵浦使用鎖模激光器，探頭使用連續(xù)波激光器和電吸收調(diào)制器。請(qǐng)注意，在這種情況下，測(cè)得的增益恢復(fù)時(shí)間是兩個(gè)激光器之間光譜間隔的函數(shù)［14］。這可以為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)中的增益恢復(fù)提供啟示。此外，還能確定泵浦波長(zhǎng)的恢復(fù)特性。我們的方法使用單模鎖定激光器，大大降低了復(fù)雜性，并能給出任意泵浦波長(zhǎng)下的恢復(fù)時(shí)間。

在 ［13、15、16］ 中，泵浦-探針技術(shù)用于測(cè)量探針脈沖的增益，它是泵浦脈沖和探針脈沖之間波長(zhǎng)差和時(shí)間延遲的函數(shù)。泵浦脈沖和探測(cè)脈沖的波長(zhǎng)必須是不同的，因此可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波將它們分開(kāi)。由于不同波長(zhǎng)具有不同的增益和飽和度，這將導(dǎo)致恢復(fù)時(shí)間取決于波長(zhǎng)分離。

有關(guān) SOA 增益恢復(fù)與波長(zhǎng)相關(guān)性的研究結(jié)果一直相互矛盾。文獻(xiàn)［17］雖然使用了脈沖信號(hào)，但在改變探針波長(zhǎng)和保持泵浦波長(zhǎng)固定的情況下，沒(méi)有觀察到恢復(fù)率有任何變化。與此相反，［16、14、15、5］ 觀察到了波長(zhǎng)依賴性；不過(guò)，使用的可調(diào)連續(xù)波探頭信號(hào)的波長(zhǎng)與泵的波長(zhǎng)不同，而泵的波長(zhǎng)比增益峰值波長(zhǎng)短。在這種配置中，探頭向增益峰值移動(dòng)會(huì)增加飽和度。這可能就是他們觀察到恢復(fù)時(shí)間縮短的原因，與我們?cè)诖私榻B的結(jié)果相矛盾。顯然，不同波長(zhǎng)的泵浦-探針技術(shù)在 SOA 增益恢復(fù)與波長(zhǎng)的關(guān)系方面給出的結(jié)果并不明確，這可能是由于相對(duì)于探針波長(zhǎng)的泵浦波長(zhǎng)選擇所致。為了研究波長(zhǎng)依賴性，我們選擇了與文獻(xiàn)［7］類似的實(shí)驗(yàn)方法。由于我們使用的是全光纖實(shí)驗(yàn)裝置，因此即使泵浦信號(hào)和探頭信號(hào)的偏振和波長(zhǎng)相同，我們也可以使用循環(huán)器將反向傳播的泵浦信號(hào)和探頭信號(hào)分開(kāi)。這種方法有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

它采用常見(jiàn)的泵浦-探頭策略，先用強(qiáng)脈沖泵浦信號(hào)耗盡放大器，再用低功率脈沖信號(hào)探測(cè)增益從飽和值恢復(fù)到小信號(hào)值。單飛秒 MLL 可產(chǎn)生兩個(gè)反向傳播脈沖，它們分別是 1） 消耗載流子，從而消耗 SOA 的增益（泵浦信號(hào)）；2） 經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延遲后探測(cè)增益（探測(cè)信號(hào)）。需要注意的是，此前曾有報(bào)道稱使用單個(gè)激光器通過(guò)自由空間傳輸產(chǎn)生泵浦脈沖和探測(cè)脈沖，但并未探討波長(zhǎng)相關(guān)性［7］。

由于只有一個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)入 SOA，因此這種方法可以獲得明確的波長(zhǎng)相關(guān)性結(jié)果。

這是一種簡(jiǎn)單、高效、穩(wěn)健的測(cè)量技術(shù)，只需較少的測(cè)試設(shè)備。我們的設(shè)置只需要一個(gè)低重復(fù)率 MLL，無(wú)需任何外部調(diào)制器。

為了解釋觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并研究比實(shí)驗(yàn)所允許的更寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的恢復(fù)率相關(guān)性，我們進(jìn)行了數(shù)值模擬。由于研究的是使用短脈沖的增益動(dòng)態(tài)與波長(zhǎng)的關(guān)系，因此模型必須包括帶內(nèi)現(xiàn)象（譜孔燃燒（SBH）和載流子加熱（CH）），因?yàn)樗鼈儠?huì)對(duì)增益動(dòng)態(tài)以及影響受激載流子恢復(fù)的飽和效應(yīng)產(chǎn)生影響 ［18］。文獻(xiàn)［14、15、16］中使用的模型忽略了這些貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)［8］使用的模型考慮了超快現(xiàn)象，但沒(méi)有包括飽和效應(yīng)。最后，在 ［17］ 中，作者假設(shè)脈沖響應(yīng)函數(shù)由指數(shù)衰減之和組成。他們選擇的衰減率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。雖然這種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃苓m合擬合單一波長(zhǎng)的結(jié)果，但并不適合探索波長(zhǎng)依賴性。我們使用的是文獻(xiàn)［18］中開(kāi)發(fā)的模型，該模型與文獻(xiàn)［3］中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

本文的其余部分安排如下。首先，詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)裝置。然后在第 3 部分介紹并討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果。受限于鎖模激光器的可調(diào)諧性，我們模擬了更大范圍內(nèi)的增益動(dòng)態(tài)，并在第 4 部分給出了模擬結(jié)果。最后，我們總結(jié)了這項(xiàng)工作的主要發(fā)現(xiàn)并得出結(jié)論。

2. 單色泵探頭設(shè)置

飛秒脈沖由重復(fù)頻率為 20 MHz 的單個(gè)可調(diào)諧鎖模激光器 （Pritel） 產(chǎn)生，用于探測(cè)體 SOA 的增益恢復(fù)。激光器的可調(diào)范圍從 1530 納米到 1560 納米。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅限于這一波長(zhǎng)范圍。為確保探頭和泵浦之間的完美定時(shí)和精確波長(zhǎng)匹配，MLL 發(fā)出的脈沖由一個(gè) 3 dB 耦合器分割。在圖 1 中，泵浦脈沖按逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，通過(guò)光學(xué)循環(huán)器，然后通過(guò)偏振控制器 （PC），進(jìn)入被測(cè) SOA。順時(shí)針移動(dòng)的探測(cè)脈沖從 3 dB 耦合器出來(lái)，經(jīng)過(guò)光延遲線 （ODL）、可變光衰減器 （VOA） 和 PC。然后，順時(shí)針?lè)较虻奶綔y(cè)脈沖進(jìn)入被測(cè)設(shè)備--Optospeed SOA 1550 MRI X1500 型，這是一個(gè)體InP/InGaAsP放大器，當(dāng)偏壓為 500 mA 時(shí)，峰值增益波長(zhǎng)為 1560 nm。探測(cè)脈沖通過(guò) SOA 后，從端口 2 進(jìn)入環(huán)行器，從端口 3 流出，然后進(jìn)入光學(xué)可調(diào)諧帶通濾波器 （BPF）；BPF 以最大激光波長(zhǎng)為中心，以減少 SOA 產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射 （ASE）。使用分辨率為 0.01 nm 的 ANDO 光學(xué)光譜分析儀測(cè)量了環(huán)路內(nèi)部的激光光譜。根據(jù)測(cè)量到的光譜，估計(jì)泵浦和探針脈沖寬度為 2 ps（由于光纖中的色散）。ODL 的時(shí)間分辨率為 3.3 ps。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

雖然脈沖激光的光譜大于 BPF 的 3 dB 帶寬（1.25 nm），但接收信號(hào)的頻率內(nèi)容最終受限于光電探測(cè)器（PD）的電帶寬，而不是光學(xué) BPF。使用的光電探測(cè)器是安捷倫 86116A，3 dB 帶寬為 50 GHz。利用 ODL，我們可以改變探測(cè)脈沖和泵浦脈沖之間的相對(duì)延遲。在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)上，BPF 都會(huì)重新居中，以最大限度地提高電輸出脈沖的峰值電壓。然后，針對(duì)每個(gè)泵浦-探頭延遲值，逐點(diǎn)建立恢復(fù)曲線。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不取決于電子電路的脈沖響應(yīng)。時(shí)間分辨率由最小泵浦-探針時(shí)間延遲決定。請(qǐng)注意，由于 BPF 在每個(gè)點(diǎn)都會(huì)重新調(diào)整，因此 SOA 引起的啁啾不會(huì)影響測(cè)量的恢復(fù)。探頭極化的設(shè)置是為了在放大器中沒(méi)有泵時(shí)（脈沖之間的延遲較大）最大化探頭脈沖增益。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)都出現(xiàn)在 SOA 中時(shí)，泵極化的調(diào)整是為了最小化探頭信號(hào)的增益。因此，探頭和泵浦信號(hào)都對(duì)準(zhǔn)最大 SOA 增益極化。我們將平均探測(cè)功率設(shè)為 -32 dBm，平均泵浦功率設(shè)為 -13 dBm。

我們實(shí)驗(yàn)的時(shí)域解釋如下：泵浦脈沖的能量約為 1.7 pJ（假設(shè)為高斯脈沖形狀），通過(guò) SOA 時(shí)完全飽和，觀察不到任何顯著增益。反向傳播的探測(cè)脈沖能量比泵脈沖小得多，約為 20.5 fJ，在通過(guò) SOA 時(shí)被放大。探針觀測(cè)到的增益取決于其通過(guò)時(shí)間（相對(duì)于泵浦脈沖）和功率。由于脈沖的 FWHM（全寬半最大值）約為 2 ps，因此可以在時(shí)域中以高分辨率對(duì)增益恢復(fù)進(jìn)行采樣，但受限于所用延遲線的精度（3.3 ps）。

在 MLL 可調(diào)范圍內(nèi)的五個(gè)波長(zhǎng)上對(duì) SOA 的增益恢復(fù)行為進(jìn)行了采樣；提供了 1530、1542 和 1555 nm 波長(zhǎng)的詳細(xì)結(jié)果。放大器注入電流設(shè)定為 500 mA。我們掃描了泵浦和探頭信號(hào)到達(dá) SOA 的時(shí)間延遲，負(fù)相對(duì)延遲表示探頭先于泵浦到達(dá)。在接收器上，測(cè)量給定相對(duì)時(shí)延下探頭信號(hào)的增益。由于增益通常因波長(zhǎng)而異，我們繪制了每個(gè)波長(zhǎng)的檢查歸一化增益，定義如下：

在每個(gè)波長(zhǎng)上，GSAT 是飽和增益，GSS 是小信號(hào)增益。這些增益值是根據(jù)測(cè)量到的光電檢測(cè)電壓推斷出來(lái)的，如 （1） 所示，下文將對(duì)此進(jìn)行解釋。每個(gè)相對(duì)延遲都會(huì)記錄探測(cè)脈沖的峰值電壓。最小峰值電壓（Vmin）和最大峰值電壓（Vmax）分別決定了該波長(zhǎng)的飽和增益和小信號(hào)增益。

圖 2（a） 顯示了 1530、1542 和 1555 nm 波長(zhǎng)下探針歸一化增益與泵浦-探針相對(duì)延遲的關(guān)系。請(qǐng)注意，這種實(shí)驗(yàn)技術(shù)不僅能獲得時(shí)間常數(shù) τ，還能獲得完整的增益恢復(fù)動(dòng)態(tài)。這些曲線展示了半導(dǎo)體放大器增益的典型時(shí)間演化過(guò)程：快速耗盡（由泵到達(dá)時(shí)探針已在 SOA 上造成），隨后是快速（最初幾個(gè) ps）和較慢的恢復(fù)（由探針在泵耗盡載流子后到達(dá)造成）［7］。從圖中可以看出，在我們測(cè)量的 3.3 ps 分辨率范圍內(nèi)，我們沒(méi)有在快速恢復(fù)中檢測(cè)到任何明顯的波長(zhǎng)依賴性，這也是其他人的報(bào)告 ［4］。不過(guò)，在 ［8］ 等人的研究中，我們觀測(cè)到了快速恢復(fù)隨波長(zhǎng)的變化。我們?cè)谶@里的研究重點(diǎn)是透明度以上波長(zhǎng)的慢恢復(fù)部分。與最初的快速恢復(fù)不同，注入、輻射和非輻射重組導(dǎo)致的慢速恢復(fù)明顯與波長(zhǎng)有關(guān)。在圖 2（b）中，實(shí)線表示增益恢復(fù)時(shí)間 τ 與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系。請(qǐng)注意，實(shí)線是對(duì)同圖所示實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的樣條擬合。圖 2（b） 中的虛線是我們 SOA 的光纖間增益譜，比例尺在右側(cè)。我們可以看到，增益恢復(fù)時(shí)間與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系與增益譜的形狀相似。結(jié)果顯示增益恢復(fù)常數(shù)的變化范圍為 193 至 230 ps。這是因?yàn)閺娘柡椭担S波長(zhǎng)略有不同［19］）恢復(fù)到較低的穩(wěn)態(tài)值比恢復(fù)到較高的穩(wěn)態(tài)值要快。這表明增益恢復(fù)與波長(zhǎng)的關(guān)系是由不同波長(zhǎng)的飽和度和增益共同決定的。雖然載流子在帶隙附近補(bǔ)充得更快，但穩(wěn)態(tài)增益也更高［19， 4］，從而導(dǎo)致增益恢復(fù)的凈增加。為了評(píng)估所使用技術(shù)的有效性，我們還測(cè)量了不同偏置電流和飽和度下的恢復(fù)。

圖 3（a）顯示，正如幾項(xiàng)研究（前［3， 11］）所報(bào)告的那樣，較高的偏置和較深的飽和會(huì)導(dǎo)致更快的恢復(fù)。此外，圖 3（b） 顯示，使用由兩個(gè)指數(shù)衰減組成的脈沖響應(yīng)函數(shù) ［17］，可以很好地?cái)M合 410 毫安時(shí)的實(shí)驗(yàn)傳輸。

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