相較于傳統(tǒng)量子阱激光器，量子點(diǎn)激光器在抗反饋性能和相位穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，其諧振反饋窗口更寬、相位噪聲和時(shí)間抖動(dòng)更低，因而更適合實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。該研究提出了一種穩(wěn)定的片上光源系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用100 GHz四階量子點(diǎn)碰撞脈沖鎖模激光器，在單個(gè)器件中同時(shí)實(shí)現(xiàn)AM與FM光頻梳的產(chǎn)生，通過(guò)引入一種低成本的光纖外腔結(jié)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)光頻梳工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)控，還顯著壓縮了輸出脈沖寬度，獲得的最短脈寬可達(dá)0.61 ps，從而為多樣化應(yīng)用提供了更高的靈活性。圖1(a)為量子點(diǎn)碰撞脈沖鎖模激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。器件腔長(zhǎng)為1580 μm，對(duì)應(yīng)基模諧振頻率為25 GHz。通過(guò)在腔內(nèi)均勻引入三個(gè)可飽和吸收體，實(shí)現(xiàn)四階諧波鎖模，使模間距拓展至100 GHz?？娠柡臀阵w與增益區(qū)采用相同材料體系，并通過(guò)片狀電阻實(shí)現(xiàn)電隔離，從而在高重復(fù)率運(yùn)行下仍保持足夠的有效增益長(zhǎng)度，有利于光頻梳的高效形成。圖1(c)給出了對(duì)應(yīng)的光頻梳光譜，其中3 dB帶寬達(dá)到1.8 THz。

圖1 (a)外腔鎖定條件下量子點(diǎn)碰撞脈沖鎖模激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。(b)不同反向偏置電壓下的光-電流特性曲線。(c)在反向偏置 2.5 V、驅(qū)動(dòng)電流 215 mA 條件下，量子點(diǎn)碰撞脈沖鎖模激光器處于頻率調(diào)制主導(dǎo)狀態(tài)時(shí)的光譜

為研究外腔光學(xué)反饋對(duì)量子點(diǎn)激光器中光頻梳特性的影響，實(shí)驗(yàn)中將光反饋強(qiáng)度設(shè)定為?18 dB，外腔長(zhǎng)度固定為7 m。在該配置下，系統(tǒng)地比較了量子點(diǎn)碰撞脈沖鎖模激光器在自由運(yùn)行狀態(tài)與施加光學(xué)反饋條件下產(chǎn)生光頻梳的性能差異。圖2左列和右列分別給出了自由運(yùn)行與在?18 dB光反饋條件下，3-dB梳線個(gè)數(shù)、脈沖寬度以及時(shí)間帶寬積（TBP）隨偏置條件變化的分布特性。在自由運(yùn)行狀態(tài)下，光頻梳的工作狀態(tài)可清晰劃分為四個(gè)具有顯著特征的區(qū)域。其中，灰色區(qū)域表示未能形成穩(wěn)定光頻梳，其余部分構(gòu)成激光器的有效工作區(qū)，并由黑色虛線進(jìn)一步劃分為區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ，分別對(duì)應(yīng)FM光頻梳主導(dǎo)與AM光頻梳主導(dǎo)的運(yùn)行狀態(tài)。在區(qū)域Ⅰ中，光頻梳以FM成分為主，對(duì)時(shí)域脈沖進(jìn)行雙曲正割函數(shù)擬合，得到的脈沖寬度分布在2.5–3.3 ps之間。在較高偏置電流條件下，量子點(diǎn)中快速的亞能級(jí)載流子俘獲與弛豫過(guò)程有利于FM光頻梳的建立；同時(shí)，空間燒孔效應(yīng)增強(qiáng)了多模振蕩，而增益飽和效應(yīng)則抑制了AM光頻梳的形成。相比之下，區(qū)域Ⅱ以AM光頻梳為主導(dǎo)，其脈沖寬度明顯減小，分布在1–2.5 ps范圍內(nèi)。

圖2 (a)、(b)分別為自由運(yùn)行和 ?18 dB 光反饋外腔鎖定條件下，激光器3 dB 光頻梳梳線數(shù)隨增益電流和可飽和吸收體偏置的變化；(c)、(d)分別為兩種工況下脈沖寬度隨偏置條件的變化；(e)、(f)分別為兩種工況下時(shí)間帶寬積隨偏置條件的變化

隨后，通過(guò)向激光器引入長(zhǎng)外腔光反饋實(shí)現(xiàn)外腔鎖定。由于量子點(diǎn)激光器對(duì)光反饋具有不敏感特性，即使在引入反饋后仍能保持穩(wěn)定運(yùn)行，從而為利用光反饋有效調(diào)控光頻梳的動(dòng)態(tài)特性提供了有利條件。如圖2(b)所示，引入光反饋后，激光器進(jìn)入外腔鎖定的諧振反饋狀態(tài)，F(xiàn)M光頻梳的形成區(qū)域被限制在反向偏置電壓大于2 V且偏置電流較高的參數(shù)范圍內(nèi)；而AM工作狀態(tài)占據(jù)主導(dǎo)地位，并覆蓋了整個(gè)偏置電流范圍。圖3(c)中顯示了外腔鎖定對(duì)原本難以形成穩(wěn)定鎖模的區(qū)域Ⅲ起到了顯著的穩(wěn)頻作用，使得AM光頻梳有效工作范圍得到大幅拓展。此外，在所有偏置條件下，引入外部光反饋均能夠顯著壓縮脈沖寬度，獲得的最短脈沖寬度達(dá)到0.61 ps。上述由外腔鎖定引起的動(dòng)態(tài)特性改善，主要?dú)w因于諧振反饋有效降低了激光器的相位噪聲和時(shí)間抖動(dòng)，這些因素共同促進(jìn)了激光器整體相位穩(wěn)定性的提升。

圖3 量子點(diǎn)碰撞脈沖鎖模激光器在自由運(yùn)行狀態(tài)和-18 dB外部光反饋下的光頻梳自相關(guān)時(shí)間域強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的光譜

綜上所述，該研究工作展示了一種量子點(diǎn)碰撞脈沖鎖模激光器，可在單一器件中同時(shí)實(shí)現(xiàn)FM與AM光頻梳的產(chǎn)生。通過(guò)引入外部光反饋形成外腔鎖定機(jī)制，不僅顯著拓展了AM光頻梳的穩(wěn)定工作區(qū)域，還在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度的有效壓縮。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，量子點(diǎn)碰撞脈沖鎖模激光器在未來(lái)光通信、光譜學(xué)及精密測(cè)量等集成光子系統(tǒng)中，具有作為高性能光頻梳光源的廣闊應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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