---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放大反饋的單片集成雙模半導體激光器（DML）。該器件利用可調(diào)節(jié)的光學自注入反饋實現(xiàn)雙波長激射，并且其亞毫米級總腔長使其具備作為微波源的潛力。在保持半導體光放大器（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，我們實現(xiàn)了可調(diào)諧微波信號，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)半導體激光器可實現(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)的微波信號源。

關(guān)鍵詞：雙模激光器，微波光子學，光學放大反饋

1 引言

微波光子學是一個新興領(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)的微波信號產(chǎn)生方法相比（即利用高速電子電路并通過同軸電纜進行昂貴的信號傳輸），基于光子的微波信號產(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，并利用成本低、衰減小的光纖進行傳輸，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的遠距離信號傳輸。多種光子微波技術(shù)的實現(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鎖相環(huán)（PLL）來生成高保真、可調(diào)諧的微波信號。然而，該技術(shù)需要微波參考源來進行相位穩(wěn)定控制，這增加了系統(tǒng)的復雜性和成本[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，并且信號質(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、放大器和光學調(diào)制器等，而這些電子器件的帶寬可能會限制微波信號的頻率可調(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，并通過光電探測器（PDs）直接檢測后轉(zhuǎn)換為微波信號。典型的DML由兩個獨立的單模激光器（SMLs）組成，其波長間隔的調(diào)整是通過微調(diào)SMLs的注入電流來實現(xiàn)的。然而，該方法受到兩個獨立SMLs之間嚴重的熱串擾影響。此外，為了確保兩個SMLs的激射波長精確匹配，還需要對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)光反饋可誘導雙波長激射，而亞毫米級的總腔長和可調(diào)反饋機制使其能夠作為可調(diào)微波信號源，同時占用空間極小且功耗較低。在該方案中，雙模激發(fā)由光學放大反饋引起，而非依賴于兩個獨立激光器，其波長間隔僅取決于腔長和反饋強度。因此，即使存在熱串擾，兩個波長仍會同步紅移或藍移，不會改變兩個模式之間的相對間隔。此外，基于該雙模放大反饋激光器，還可通過邊帶調(diào)制實現(xiàn)雙電光梳及更豐富的微波信號。

2 放大反饋激光器的設(shè)計

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）段和半導體光放大器（SOA）段組成。該器件結(jié)構(gòu)采用金屬有機化學氣相沉積（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、兩個獨立的限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)（SCH）層、帶有張應(yīng)變量子勢壘的應(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，光反饋來自波導與空氣的界面，由于AR涂層的作用，光學反射率僅約0.1%。若無AR涂層，反射率約為27%。本研究利用這種弱光學反饋，因為過強的光反饋可能會導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進行放大，從而動態(tài)調(diào)節(jié)光反饋強度，并控制共振模式狀態(tài)（單模/混沌/雙模）。此外，兩個電極之間采用電隔離設(shè)計，其隔離電阻約為1200 Ω。

首先，對于單獨的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)出復合腔特性。在特定操作條件下，可能會出現(xiàn)兩個不同的共振模式。當足夠強的光反饋被注入DFB段時，復合腔的兩個模式都具備相近的閾值增益。其主要機制源于不同電流注入導致兩個區(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探討[22]。

正如圖1(b)所示，在DML工作過程中，放大器段充當集成光反饋源，可通過調(diào)節(jié)注入電流來調(diào)控反饋強度。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段單獨工作在單模狀態(tài)，但來自SOA到DFB段的光反饋可使兩個復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DFB段注入120 mA電流，并在SOA段注入透明電流時，單模工作狀態(tài)下的光譜如圖2所示，其邊模抑制比（SMSR）達到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）進行測量和分析。

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3 實驗結(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DFB段的電流為40 mA 時，模式間隔（Δλ）為0.92 nm，對應(yīng)的拍頻約為115 GHz。當DFB電流增加到60 mA時，模式間隔增至1.0 nm，對應(yīng)的拍頻約為125 GHz。此外，在該調(diào)諧范圍內(nèi)，兩個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，光譜的演化過程。當IDFB=24 mA時，DFB激光器的閾值尚未達到。然而，由于SOA處于高固定電流狀態(tài)，即光反饋較強，導致Fabry–Pérot（FP）效應(yīng)出現(xiàn)（見圖4(a)）。當IDFB=25 mA時，該電流仍低于DFB激光器的閾值，但此時激發(fā)出一個不同于DFB激光器的波長，形成了由第一個模式主導的單模激射狀態(tài)。這是由于來自SOA的高光學放大反饋導致簡并模式的激發(fā)，而這些模式通常受到布拉格光柵中的λ/4相移器抑制。隨著泵浦電流進一步增加，DFB段逐漸達到閾值并開始激射。隨著電流繼續(xù)增加，兩個模式的功率逐漸趨于一致，并在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定。直到IDFB=85 mA時，光學自注入反饋的影響逐漸減弱。此時，第一個模式的功率開始下降，而第二個模式逐漸占據(jù)主導地位，最終形成由第二個模式主導的單模工作狀態(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量范圍，限制了進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，導致其增益未能充分發(fā)揮。

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電流注入方案對雙模激光器波長調(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，實現(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：在每個調(diào)諧步進中，DFB段電流增加0.4 mA；同時，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，波長間隔保持穩(wěn)定。實驗結(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1-25個調(diào)諧步長中的波長間隔進行了測量，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，它們源于四波混頻（FWM）現(xiàn)象，即兩個共存的主模式之間的非線性相互作用[23]。FWM是一種三階光學非線性效應(yīng)，當至少兩個不同的光頻率分量在非線性介質(zhì)（如SOA）中共同傳播時，可能會產(chǎn)生該效應(yīng)。FWM代表了一種光學模式拍頻現(xiàn)象，具有高功率、偏振特性、相位噪聲等特征[24]。此外，F(xiàn)WM信號的功率比自發(fā)輻射水平高出25 dB以上。強混頻產(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）進一步描述了這些頻率之間的關(guān)系，其中不同符號 代表不同的頻率分量。由三個頻率i、j、k組合產(chǎn)生的新頻率被表示為ωijk，如圖8所示。進一步而言，如果放大反饋半導體激光器中的FWM效應(yīng)更加顯著，則可通過特定結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)腔增強FWM。這種增強的FWM效應(yīng)可以進一步應(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 可能會對微波信號的純度和穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響，導致信號失真、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)的強度。2.使用光學濾波器：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體激光器，其基于光學放大反饋，可調(diào)節(jié)的光學自注入反饋能夠誘導雙波長激射，而亞毫米級總腔長使其具備作為微波信號源 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，我們實現(xiàn)了可調(diào)諧微波信號，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，同時降低了占用空間、功耗和成本。此外，通過針對雙節(jié)半導體激光器的特殊電流注入方案，可實現(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。

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審核編輯 黃宇