----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?cè)诠饫w分布式反饋DFB激光器中使用飽和SOA來(lái)降低RIN的工作，以用于低頻傳感器應(yīng)用。結(jié)果表明，放大器的增益動(dòng)力學(xué)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(dǎo)體光放大器（SOA）作為降低類熱非相干光源過(guò)量強(qiáng)度噪聲的一種手段，應(yīng)用于電信系統(tǒng)中。然而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，飽和SOA是一種強(qiáng)大且用途廣泛的工具，其應(yīng)用可以擴(kuò)展到各種不同的領(lǐng)域。在本章中，我將介紹一項(xiàng)初步研究，該研究旨在利用放大器的非線性特性來(lái)降低高相干光纖分布反饋（DFB）激光器的相對(duì)強(qiáng)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(qiáng)度噪聲等特性，成為半導(dǎo)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(zhì)中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光子密度之間的耦合引起的 ，這會(huì)限制其在諸如傳感和計(jì)量等低頻應(yīng)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(shí)現(xiàn)RIN峰值降低30dB，該方法通過(guò)與激光強(qiáng)度波動(dòng)反相調(diào)制泵浦驅(qū)動(dòng)電流來(lái)實(shí)現(xiàn) 。然而，這種方法需要仔細(xì)表征激光器對(duì)泵浦電流波動(dòng)的響應(yīng)。一種更簡(jiǎn)單的全光方法是利用飽和SOA的增益動(dòng)態(tài)來(lái)降低RO噪聲峰值。類似的技術(shù)已被用于通過(guò)在環(huán)形激光器的腔中引入SOA來(lái)抑制拍頻 。在本章中，我們首次報(bào)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(xiàn)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(zhǎng)為1552.1nm，由Morten Ibsen博士制造。

基本實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)為5cm，采用980nm反向泵浦配置。有關(guān)激光器設(shè)計(jì)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參考文獻(xiàn)[76]，將激光器的輸出功率設(shè)置為10dBm，此時(shí)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(shí)將放大器的驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置為200mA。根據(jù)放大器的增益特性（見(jiàn)圖6.2），這樣的驅(qū)動(dòng)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(qū)域。還調(diào)整了信號(hào)的偏振態(tài)，以實(shí)現(xiàn)最大程度的噪聲抑制。

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與前面的章節(jié)一樣，我們使用安捷倫光波分析儀測(cè)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(yīng)，我們使用電頻譜分析儀和一個(gè)帶寬為125MHz的高靈敏度光電探測(cè)器，在30-700kHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)一步表征噪聲PSD（圖6.3(b)）。

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通過(guò)使用SOA，我們能夠?qū)IN峰值從-110dB/Hz降低到低于-140dB/Hz，從而實(shí)現(xiàn)30dB的RIN改善。盡管圖6.3（b）顯示在低30kHz的頻率下也有強(qiáng)度噪聲抑制，但由于光電探測(cè)器的熱底噪，噪聲抑制的真實(shí)程度被掩蓋了。然而，根據(jù)第3章中的理論分析，預(yù)計(jì)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(shí)，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(shí)，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(guò)SOA前后的光譜。盡管SOA產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射降低了光信噪比（OSNR），但SOA輸出信號(hào)的OSNR仍大于55dB。與前面章節(jié)中討論的非相干光譜切片不同，該激光器光譜沒(méi)有明顯的紅移或失真。使用延遲自外差技術(shù)（分辨率為3.5kHz）進(jìn)行的激光線寬測(cè)量進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn) 。測(cè)量得到的3dB線寬約為14kHz，并且在噪聲抑制前后，激光線寬沒(méi)有明顯差異（圖6.4（b））。第3章中討論的光譜失真效應(yīng)源于SOA內(nèi)部的幅度-相位耦合，并且是注入到器件中的強(qiáng)度噪聲水平的函數(shù)；因此，此處沒(méi)有觀察到這些效應(yīng)，這歸因于光纖DFB激光器的高強(qiáng)度穩(wěn)定性。

對(duì)于高輸入功率，即使在相對(duì)較低的SOA驅(qū)動(dòng)電流水平下，也能實(shí)現(xiàn)顯著的RIN抑制。從圖6.5中可以明顯看出這一點(diǎn)，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(qū)動(dòng)電流的關(guān)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(xì)討論的，SOA實(shí)現(xiàn)的噪聲抑制是飽和放大器中光強(qiáng)度與增益之間的反比關(guān)系的結(jié)果。因此，任何疊加在高強(qiáng)度連續(xù)波載波上的小信號(hào)調(diào)制在通過(guò)SOA時(shí)都將被抑制。如3.3.1節(jié)所示，這種抑制發(fā)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(jí)。這些特性使得該技術(shù)非常適合在低頻下需要窄線寬、高靈敏度和強(qiáng)度穩(wěn)定性的應(yīng)用，并且該技術(shù)還有一個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)，即SOA還可以在諸如基于時(shí)間選通的傳感器多路復(fù)用等技術(shù)中用作調(diào)制器 。

6.3 總結(jié)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(qiáng)度噪聲提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法。使用該技術(shù)，RIN峰值被降低到低于-140dB/Hz，實(shí)現(xiàn)了約30dB的噪聲降低。在0-4GHz的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了顯著的抑制。

本文所呈現(xiàn)的初步研究?jī)H限于單個(gè)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(gè)噪聲抑制帶寬內(nèi)表征RIN降低，以確定可實(shí)現(xiàn)的最小RIN是很有價(jià)值的。然而，這些實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)極低噪聲的探測(cè)器，以便充分評(píng)估飽和SOA的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)先前的分析 [27]，在較低的RO頻率下，預(yù)計(jì)RIN降低幅度將大于30dB。

與半導(dǎo)體DFB激光器相比，光纖DFB激光器通常在很寬的頻率范圍內(nèi)具有更優(yōu)越的噪聲特性。然而，就其在傳感和計(jì)量中的應(yīng)用而言，光纖激光器的缺點(diǎn)是RO峰值出現(xiàn)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(jí) 。因此，RO抑制為光纖激光器提供了相對(duì)于半導(dǎo)體激光器的明顯優(yōu)勢(shì)，從而增強(qiáng)了光纖DFB技術(shù)在低頻傳感器和計(jì)量應(yīng)用中的潛力。

注：本文由天津見(jiàn)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(guān)半導(dǎo)體光放大器SOA基礎(chǔ)知識(shí)，助力SOA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。特此告知，本文系經(jīng)過(guò)人工翻譯而成，雖本公司盡最大努力保證翻譯準(zhǔn)確性，但不排除存在誤差、遺漏或語(yǔ)義解讀導(dǎo)致的不完全準(zhǔn)確性，建議讀者閱讀原文或?qū)φ臻喿x，也歡迎指出錯(cuò)誤，共同進(jìn)步。

審核編輯 黃宇