----翻譯自William Loh, Frederick J. O’Donnell等人的文章

摘要

我們展示了一種工作于1550 nm的高功率、低噪聲、封裝型半導(dǎo)體外腔激光器（ECL），其基于InGaAlAs/InP量子阱技術(shù)。該激光器由一個(gè)雙通道彎曲片狀耦合光波導(dǎo)放大器（SCOWA）和一個(gè)窄帶寬（2.5 GHz）的光纖布拉格光柵（FBG）被動(dòng)腔體通過(guò)帶透鏡的光纖耦合而成。在4 A偏置電流下，該ECL產(chǎn)生370 mW的光纖耦合輸出功率，其譜線形狀為Voigt分布，分別具有35 Hz和1 kHz的高斯和洛倫茲線寬，以及從200 kHz到10 GHz范圍內(nèi)小于?160 dB/Hz的相對(duì)強(qiáng)度噪聲。

關(guān)鍵詞：光波導(dǎo)、功率激光器、量子阱激光器、半導(dǎo)體激光器

I. 引言

高功率、低噪聲、單頻激光器在包括相干光通信、微波光子學(xué)和光學(xué)計(jì)量等應(yīng)用中具有重要意義。例如，在高性能相位調(diào)制模擬光子系統(tǒng)中，高光功率和窄線寬對(duì)于實(shí)現(xiàn)高信噪比傳輸至關(guān)重要。對(duì)于使用平衡光電探測(cè)器的系統(tǒng)，相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）進(jìn)一步限制了噪聲指標(biāo)[1]。

在1550 nm波長(zhǎng)下，摻鉺光纖激光器和半導(dǎo)體激光器可用來(lái)滿足光學(xué)系統(tǒng)的功率、噪聲和線寬要求。光纖激光器以前已被證明可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)高的功率（> 200 mW）和窄線寬（< 2 kHz）[2]，或者非常高的功率（> 100 W）和寬線寬（> 1 nm）[3]。然而，由于其相對(duì)較小的增益，光纖激光器通常較大且笨重[4]，這導(dǎo)致更高的成本、較低的效率以及更大的體積、重量和功耗（SWaP）。此外，光纖激光器在低頻范圍（0.1–1 MHz）內(nèi)表現(xiàn)出較大的弛豫振蕩諧振，這會(huì)顯著降低系統(tǒng)性能，特別是在工作于MHz頻率范圍的天線陣列應(yīng)用中。

最近，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)展示了高功率（> 400 mW）和寬線寬（~1 MHz）[5]，或者低功率（< 10 mW）和窄線寬（< 10 kHz）[6]。在本文中，我們基于光纖布拉格光柵外腔激光器的先前設(shè)計(jì)[7],[8]，結(jié)合一種新型片狀耦合光波導(dǎo)（SCOW）有源區(qū)[9],[10]。SCOW增益介質(zhì)具有低光學(xué)約束因子（Гxy≈0.25%）和大模場(chǎng)尺寸（5×7 μm2），從而實(shí)現(xiàn)了高耦合效率（~90%）和瓦級(jí)輸出功率。SCOW增益介質(zhì)的其他顯著優(yōu)勢(shì)包括低光學(xué)損耗（~0.5 cm-1）和低噪聲系數(shù)（~5.5 dB）[11]。

半導(dǎo)體激光器的線寬可以通過(guò)修正的Schawlow-Townes方程表示，如文獻(xiàn)[12]所示。

其中，υa是有源區(qū)域的群速度，Гxy是橫截面約束因子，gth是閾值增益，Np是腔內(nèi)光子密度，Vp是光子腔體體積，nsp是布居反轉(zhuǎn)因子，αH是線寬增強(qiáng)因子，nu(np)是有源（無(wú)源）區(qū)域的群折射率，La(Lp)是有源（無(wú)源）區(qū)域的長(zhǎng)度。

由于光學(xué)增益和損耗可以直接與Np和gth相關(guān)聯(lián)，公式(1)表明SCOW增益介質(zhì)的高光功率和低損耗特性有助于實(shí)現(xiàn)窄激光線寬。此外，外腔反饋增加了腔體品質(zhì)因數(shù)，從而進(jìn)一步減小了Δf。最后，頻率選擇性反饋用于在增益光譜藍(lán)邊操作，此時(shí)αH顯著降低。

在本文中，我們展示了一種封裝式SCOW外腔激光器（SCOWECL），其輸出功率為370 mW，洛倫茲線寬為1 kHz，相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）小于-160 dB/Hz。

II. 器件和封裝描述

SCOWECL腔體（圖1(a)）由一個(gè)1 cm長(zhǎng)的雙通道彎曲片狀耦合光波導(dǎo)放大器（SCOWA）、一個(gè)帶抗反射涂層的透鏡光纖、一個(gè)光纖布拉格光柵（FBG）（λc=1550 nm，Δλ=20 pm，R=20%）以及一個(gè)帶光纖尾纖的60 dB光學(xué)隔離器組成。透鏡光纖、FBG和隔離器通過(guò)熔接方式相連。為了避免多模激光的產(chǎn)生，盡量縮短透鏡光纖的長(zhǎng)度（3 cm）。盡管SCOWECL封裝的面積為16×6cm2（與光纖激光器相當(dāng)），通過(guò)高效利用空間可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)兩倍的尺寸縮減。通過(guò)設(shè)計(jì)小于1 cm的腔體長(zhǎng)度，可以進(jìn)一步減小器件尺寸。

SCOWA的材料設(shè)計(jì)由一個(gè)4.6-μm厚的輕摻雜InGaAsP波導(dǎo)組成，該波導(dǎo)與InGaAlAs量子阱（QW）有源區(qū)弱耦合（Гxy≈0.25%）。有源區(qū)由四個(gè)7-nm厚的壓應(yīng)變（1%）InGaAlAs量子阱、三個(gè)8-nm厚的張應(yīng)變（-0.3%，λg=1240 nm）InGaAlAs勢(shì)壘層、一個(gè)12-nm厚的上包層和一個(gè)6-nm厚的下包層，以及一個(gè)15-nm厚的InP電子阻擋層組成。量子阱的光致發(fā)光峰值波長(zhǎng)為λ=1565 nm。

SCOWA通過(guò)使用一個(gè)彎曲通道（10-cm半徑）波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，提供了一個(gè)高反射率（R>95%）的平面端面和一個(gè)抗反射涂層的5?傾斜端面（R<10-5）。通道結(jié)構(gòu)通過(guò)蝕刻InP-ML包層和量子阱（QWs）形成，然后對(duì)波導(dǎo)上片刻蝕0.46 μm并沉積SiO2鈍化層。SCOWA安裝在一個(gè)銅鉬熱沉（AuSn焊接合金80:20）上，通過(guò)熱電冷卻器（TEC）實(shí)現(xiàn)溫度控制。

透鏡光纖通過(guò)激光焊接與傾斜SCOWECL腔體相連接。FBG安裝在壓電換能器（PZT）上以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧功能。施加1000 V的電壓使布拉格波長(zhǎng)紅移1.1 nm。在實(shí)驗(yàn)中，為保持穩(wěn)定的輸出，PZT電壓維持在0 V。其他設(shè)計(jì)和制造細(xì)節(jié)可參見(jiàn)文獻(xiàn)[9],[13]。

III. 封裝式SCOWECL的結(jié)果與分析

圖2顯示了SCOWECL的輸出功率和電-光（EO）轉(zhuǎn)換效率（不包括TEC部分）隨電流的變化情況。激光器的閾值為0.9 A，在4 A時(shí)達(dá)到連續(xù)波（CW）峰值功率0.37 W。峰值效率在0.25 W時(shí)為10%，在0.37 W時(shí)下降到7%。使用相同的SCOWA和FBG進(jìn)行臺(tái)式測(cè)試，在4 A時(shí)實(shí)現(xiàn)了0.41 W的最大功率。我們將封裝器件功率的下降歸因于次優(yōu)的耦合。對(duì)II特性的建模表明，高電流時(shí)的功率下降部分歸因于雙光子吸收（TPA）[14]。熱效應(yīng)也可能是斜率效率下降的原因之一。II特性中的鋸齒峰值被歸因于模式跳變。

圖3顯示了封裝SCOWECL的譜線，采用延遲自外差技術(shù)（50 km光纖延遲）和驅(qū)動(dòng)頻率為35 MHz的聲光調(diào)制器進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)使用泡沫塊隔離的基座和有機(jī)玻璃外殼，減少了機(jī)械振動(dòng)和熱干擾。測(cè)得的譜線呈現(xiàn)Voigt分布，其中洛倫茲線寬ΔfL~1KHz，高斯線寬ΔfG~35KHz。高斯線寬主要由低頻偏移的噪聲引起[15]，通過(guò)進(jìn)一步抑制外部噪聲（如電源振動(dòng)、熱波動(dòng)等）可以進(jìn)一步減小。

測(cè)得的低頻（10 kHz–1 MHz）和高頻（15 MHz–10 GHz）相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）光譜如圖4所示。RIN測(cè)量通過(guò)RIN傳遞標(biāo)準(zhǔn)方法校準(zhǔn)[16]。測(cè)得的低頻RIN在接近2 MHz處為?164 dB/Hz，且接近散粒噪聲（-170 dB/Hz）。

200 kHz以下的峰值來(lái)自系統(tǒng)噪聲，因?yàn)榧词箾](méi)有施加光學(xué)輸入，它們也會(huì)存在。高頻測(cè)量結(jié)果表明，激光器的RIN低于散粒噪聲限制的底部（?162 dB/Hz）。這表明邊模抑制比超過(guò)80 dB。在圖4(b)中，邊模峰值的缺失（工作腔頻率）表明子腔反射可以忽略。此外，在測(cè)試的偏置電流范圍（1.5 A至4.5 A）內(nèi)，沒(méi)有觀察到弛豫振蕩共振峰。我們將其歸因于SCOWA中較低光學(xué)損耗導(dǎo)致的長(zhǎng)光子壽命。這與我們的計(jì)算結(jié)果一致，即弛豫振蕩共振處的RIN阻尼峰值小于-170 dB/Hz（fR=5.4GHz）。在我們的測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)接近模式跳變操作會(huì)降低低頻RIN，但對(duì)高頻RIN沒(méi)有影響。對(duì)于低頻RIN重要的應(yīng)用，需要控制偏置以避免模式跳變。

IV. 結(jié)論

我們展示了一種基于片狀耦合光波導(dǎo)概念的封裝式高功率、低噪聲、窄線寬外腔激光器（SCOWECL）。該SCOWECL在1550 nm波長(zhǎng)、4 A偏置電流下，表現(xiàn)出0.37 W的輸出功率、1 kHz的洛倫茲線寬，以及小于-160 dB/Hz的相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）。目前，雙光子吸收（TPA）是限制SCOWECL輸出功率的因素之一。可以通過(guò)增加波導(dǎo)模場(chǎng)面積或提高波導(dǎo)層帶隙能量來(lái)減小TPA的影響。SCOWECL有望在自由空間相干光通信和微波光子鏈路中找到應(yīng)用，這些場(chǎng)景對(duì)高功率低噪聲傳輸至關(guān)重要。

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審核編輯 黃宇