----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)。該激光器由一個雙通道彎曲片狀耦合光波導(dǎo)放大器（SCOWA）和一個窄帶寬（2.5 GHz）的光纖布拉格光柵（FBG）被動腔體通過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的相對強度噪聲。

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于實現(xiàn)高信噪比傳輸至關(guān)重要。對于使用平衡光電探測器的系統(tǒng)，相對強度噪聲（RIN）進(jìn)一步限制了噪聲指標(biāo)[1]。

在1550 nm波長下，摻鉺光纖激光器和半導(dǎo)體激光器可用來滿足光學(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現(xiàn)相對高的功率（> 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[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%）和大模場尺寸（5×7 μm2），從而實現(xiàn)了高耦合效率（~90%）和瓦級輸出功率。SCOW增益介質(zhì)的其他顯著優(yōu)勢包括低光學(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是線寬增強因子，nu(np)是有源（無源）區(qū)域的群折射率，La(Lp)是有源（無源）區(qū)域的長度。

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，相對強度噪聲（RIN）小于-160 dB/Hz。

II. 器件和封裝描述

SCOWECL腔體（圖1(a)）由一個1 cm長的雙通道彎曲片狀耦合光波導(dǎo)放大器（SCOWA）、一個帶抗反射涂層的透鏡光纖、一個光纖布拉格光柵（FBG）（λc=1550 nm，Δλ=20 pm，R=20%）以及一個帶光纖尾纖的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)），通過高效利用空間可以實現(xiàn)超過兩倍的尺寸縮減。通過設(shè)計小于1 cm的腔體長度，可以進(jìn)一步減小器件尺寸。

SCOWA的材料設(shè)計由一個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7-nm厚的壓應(yīng)變（1%）InGaAlAs量子阱、三個8-nm厚的張應(yīng)變（-0.3%，λg=1240 nm）InGaAlAs勢壘層、一個12-nm厚的上包層和一個6-nm厚的下包層，以及一個15-nm厚的InP電子阻擋層組成。量子阱的光致發(fā)光峰值波長為λ=1565 nm。

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

透鏡光纖通過激光焊接與傾斜SCOWECL腔體相連接。FBG安裝在壓電換能器（PZT）上以實現(xiàn)波長調(diào)諧功能。施加1000 V的電壓使布拉格波長紅移1.1 nm。在實驗中，為保持穩(wěn)定的輸出，PZT電壓維持在0 V。其他設(shè)計和制造細(xì)節(jié)可參見文獻(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時達(dá)到連續(xù)波（CW）峰值功率0.37 W。峰值效率在0.25 W時為10%，在0.37 W時下降到7%。使用相同的SCOWA和FBG進(jìn)行臺式測試，在4 A時實現(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II特性的建模表明，高電流時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)動頻率為35 MHz的聲光調(diào)制器進(jìn)行測量。通過使用泡沫塊隔離的基座和有機玻璃外殼，減少了機械振動和熱干擾。測得的譜線呈現(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]，通過進(jìn)一步抑制外部噪聲（如電源振動、熱波動等）可以進(jìn)一步減小。

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

200 kHz以下的峰值來自系統(tǒng)噪聲，因為即使沒有施加光學(xué)輸入，它們也會存在。高頻測量結(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，在測試的偏置電流范圍（1.5 A至4.5 A）內(nèi)，沒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)致的長光子壽命。這與我們的計算結(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）。在我們的測試中，我們發(fā)現(xiàn)接近模式跳變操作會降低低頻RIN，但對高頻RIN沒有影響。對于低頻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、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的相對強度噪聲（RIN）。目前，雙光子吸收（TPA）是限制SCOWECL輸出功率的因素之一?？梢酝ㄟ^增加波導(dǎo)模場面積或提高波導(dǎo)層帶隙能量來減小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，這些場景對高功率低噪聲傳輸至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)

[1] Y. Li and P. Herczfeld, “Coherent PM optical link employing ACPPPLL,” J. Lightw. Technol., vol. 27, no. 9, pp. 1086–1094, May 1, 2009.

[2] C. Spiegelberg, G. Jihong, H. Yongdan, Y. Kaneda, J. Shibin, and N. Peyghambarian, “Low-noise narrow-linewidth fiber laser at 1550 nm (June 2003),” J. Lightw. Technol., vol. 22, no. 1, pp. 57–62, Jan. 2004.

[3] D. Y. Shen, J. K. Sahu, and W. A. Clarkson, “Highly efficient Er,Ybdoped fiber laser with 188 W free-running and W tunable output power,” Opt. Express, vol. 13, pp. 4916–4921, 2005.

[4] B. Wu, Y. Liu, Q. Zhang, H. Yue, and Z. Dai, “High efficient and narrow linewidth fiber laser based on fiber grating Fabry–Perot cavity,” Frontiers Optoelectron. China, vol. 1, pp. 215–218, 2008.

[5] R. Menna, A. Komissarov, M. Maiorov, V. Khalfin, L. DiMarco, J. Connolly, and D. Garbuzov, “High power 1550 nm distributed feedback lasers with 440 mW CW output power for telecommunication applications,” in Proc. IEEE Lasers and Electro-Optics Society (LEOS) Annual Meeting, 2001, pp. CPD12-CP1–2.

[6] RIO Orion Redfern Integrated Optics.

[7] D. M. Bird, J. R. Armitage, R. Kashyap, R. M. A. Fatah, and K. H. Cameron, “Narrow line semiconductor laser using fibre grating,” Electron. Lett., vol. 27, pp. 1115–1116, 1991.

[8] P. A. Morton, V. Mizrahi, T. Tanbunek, R. A. Logan, P. J. Lemaire, H.M. Presby, T. Erdogan, S. L. Woodward, J. E. Sipe, M. R. Phillips, A. M. Sergent, and K. W. Wecht, “Stable single-mode hybrid laser with high-power and narrow-linewidth,” Appl. Phys. Lett., vol. 64, pp.2634–2636, 1994.

[9] P. W. Juodawlkis, J. J. Plant, R. K. Huang, L. J. Missaggia, and J.P. Donnelly, “High-power 1.5- m InGaAsP–InP slab-coupled optical waveguide amplifier,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, no. 2, pp.279–281, Feb. 2005.

[10] P. W. Juodawlkis, W. Loh, F. J. O’Donnell, M. A. Brattain, and J. J. Plant, “Ultralow-noise packaged 1.55- m semiconductor external-cavity laser with 0.37-W output power,” in Proc. Conf. Lasers and Electro-Optics (CLEO 2009), Baltimore, MD, 2009, Postdeadline paper CPDA3.

[11] P. W. Juodawlkis, J. J. Plant, W. Loh, L. J. Missaggia, K. E. Jensen, and F. J. O’Donnell, “Packaged 1.5- m quantum-well SOA with 0.8-W output power and 5.5-dB noise figure,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 21, no. 17, pp. 1208–1210, Sep. 1, 2009.

[12] L. A. Coldren and S. W. Corzine, Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits. Hoboken, NJ: Wiley, 1995, pp. 241–257.

[13] P. W. Juodawlkis, J. J. Plant, F. J. O’Donnell, L. J. Missaggia, R. K.Huang, and J. P. Donnelly, “Narrow-linewidth, high-power 1556-nm slab-coupled optical waveguide external-cavity laser,” in Proc. Conf.Lasers and Electro-Optics (CLEO), 2005, pp. 411–413.

[14] P. W. Juodawlkis, J. J. Plant, J. P. Donnelly, A. Motamedi, and E. P. Ippen, “Continuous-wave two-photon absorption in a Watt-class semiconductor optical amplifier,” Opt. Express, vol. 16, pp. 12387–12396,2008.

[15] L. B. Mercer, “ frequency noise effects on self-heterodyne linewidth measurements,” J. Lightw. Technol., vol. 9, no. 4, pp.485–493, Apr. 1991.

[16] G. E. Obarski and J. D. Splett, “Transfer standard for the spectral density of relative intensity noise of optical fiber sources near 1550 nm,”J. Opt. Soc. Amer. B, vol. 18, pp. 750–761, 2001.

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審核編輯 黃宇