基于半导体光放大器的光纤环形腔激光器

本文提出并实验验证了一种基于 InP/InGaAsP 多量子阱半导体光放大器的光纤环形腔激光器。该激光器以 InP/InGaAsP 多量子阱作为增益介质以光纤布拉格光栅作为波长选择器。实验结果表明当 InGaAsP 多量子阱的注入电流增大时其输出放大自发辐射光谱的中心波长会发生蓝移在注入电流为 220 mA、光纤布拉格光栅工作温度为 23℃的条件下可获得中心波长 1549.66 nm、最大输出功率 1.524 mW 的激光电光转换效率为 1.1%该激光器的阈值电流为 78 mA。当光纤布拉格光栅的工作温度从 8℃升至 28℃时输出激光的中心波长从 1549.27 nm 变为 1549.59 nm这表明该激光器具备良好的温度稳定性。1. 引言工作波长为 1.55 μm 的光纤激光器被广泛应用于光纤通信、光纤传感、微波与毫米波光子学、光信息处理及激光加工等领域1-4。1.55 μm 波段的光纤激光器主要分为铒掺杂光纤激光器5、基于半导体光放大器的光纤激光器6,7以及拉曼光纤激光器。其中铒掺杂光纤激光器与拉曼光纤激光器属于全光纤结构而基于铒掺杂光纤放大器与半导体光放大器的光纤激光器则是在激光谐振腔中插入独立工作元件光放大器由电注入驱动作为增益介质的激光器。据我们所知目前关于基于半导体光放大器的光纤激光器的文献报道相对较少。近年来关于InP/InGaAsP 多量子阱半导体材料的放大自发辐射已有大量报道2012 年Yeh 等人利用超结构半导体光放大器与铒掺杂光纤放大器获得了超宽谱自发辐射光源可在 1464.0~1578.0 nm 波段实现带宽增益放大82015 年Lin 等人模拟并探讨了 InGaAs 多量子阱结构对其自发辐射特性的影响92016 年Xia 与 Ghaffouri-Shiraz 利用量子阱传输线模型研究了应变对量子阱自发辐射的作用结果表明在特定条件下应变对量子阱自发辐射强度的影响可忽略不计10在前期工作中我们研究了InP/InGaAsP 多量子阱结构的自发辐射线形函数发现其自发辐射线形符合高斯函数分布11。在本文中提出了一种基于InP/InGaAsP 多量子阱半导体光放大器的光纤环形腔激光器其中光纤布拉格光栅被用作波长选择器。本文探讨了光纤布拉格光栅的工作温度以及半导体光放大器的注入电流对激光器输出特性的影响。2. 实验装置图1展示了基于半导体光放大器的光纤环形腔激光器的schematic示意图。该环形腔激光器由以下部件组成半导体光放大器THORLABSS9FC、偏振控制器、光纤环形器、光纤布拉格光栅、温度控制器以及分光比为9:1的光纤耦合器。环形腔长度约为6米。光纤环形器的作用是将光纤布拉格光栅引入激光腔中光纤布拉格光栅用作波长选择器温度控制器则用于调控光纤布拉格光栅的工作温度偏振控制器用于调整腔内光场的偏振方向。实验中采用光谱分析仪安立MS9710C对激光器的输出光谱进行测量。3. 基本原理忽略非辐射复合的情况下多量子阱半导体的光增益g与载流子浓度N之间的对数关系可表示为12式中g0是量子阱结构的增益系数N0是透明载流子浓度。式1表明随着载流子浓度的增加多量子阱半导体的光增益会趋于饱和。在平均场近似下基于多量子阱半导体光放大器的激光器的载波速率方程可表示为13式中S表示光子数密度η为电流注入因子q为电子电荷τph为光子寿命与腔内损耗相关τsp为载流子寿命β为自发辐射因子г0为单量子阱的限制因子V为有源区体积M为量子阱的数量。式2所示的动态速率方程可通过四阶龙格-库塔法求解求解过程中可观察到载流子与光子数密度之间的弛豫振荡最终系统可达到稳定状态14。当电流I注入激光器后经过一个暂态过程电子浓度与光子浓度会达到稳态此时有阈值电流定义在β的特殊条件下此时阈值电流Ith可表示为阈值电流由激光器的结构参数以及光子寿命共同决定而光子寿命则由腔损耗决定。4. 结果与讨论图2展示了不同注入电流下 InP/InGaAsP 多量子阱的放大自发辐射特性。在特定注入电流与工作温度下InP/InGaAsP 多量子阱的放大自发辐射谱线形状可通过高斯函数描述11。当注入电流逐渐增大时放大自发辐射的峰值功率会逐渐趋于饱和如图3 所示这一现象由式1所述的增益饱和效应导致与理论推导一致。随着注入电流的增加InP/InGaAsP 多量子阱的放大自发辐射中心波长会向短波方向偏移且放大自发辐射光谱的带宽会增大。在20℃的工作温度下光纤布拉格光栅的透射光谱如图 4 所示中心波长为1549.38 nm3dB 带宽为 0.49 nm。当光纤布拉格光栅在23℃下工作、且半导体光放大器的注入电流为 100 mA 时光纤激光器的输出光谱如图 5 所示中心波长为 1549.66 nm处于激射状态平均输出功率为 - 5 dBm信噪比为 45 dB激光器的线宽约为 2.3 MHz。将光纤布拉格光栅的工作温度保持在23℃时激光器输出功率与半导体光放大器注入电流的关系如图 6 所示。数据显示阈值注入电流为 78 mA当注入电流为 220 mA 时可获得 1.524 mW 的最大输出功率电光转换效率为 1.1%效率较低的原因是实验中所用的连接器存在较高的连接损耗且电光转换效率本身偏低。激光器输出中心波长与光纤布拉格光栅工作温度的关系如图7 所示当光纤布拉格光栅的工作温度从 8℃升至 28℃时激光器输出中心波长从 1549.27 nm 变化到 1549.59 nm仅偏移了 0.32 nm。这表明该激光器具备良好的温度稳定性。将光纤布拉格光栅的工作温度保持在23℃时激光器输出功率与半导体光放大器注入电流的关系如图 6 所示。数据显示阈值注入电流为 78 mA当注入电流为 220 mA 时可获得 1.524 mW 的最大输出功率电光转换效率为 1.1%效率较低的原因是实验中所用的连接器存在较高的连接损耗且电光转换效率本身偏低。激光器输出中心波长与光纤布拉格光栅工作温度的关系如图7 所示当光纤布拉格光栅的工作温度从 8℃升至 28℃时激光器输出中心波长从 1549.27 nm 变化到 1549.59 nm仅偏移了 0.32 nm。这表明该激光器具备良好的温度稳定性。5. 结论InP/InGaAsP 多量子阱的放大自发辐射中心波长会随注入电流的增大向短波方向偏移且放大自发辐射光谱的带宽会随之增加。研究获得了以下激光器性能参数激射中心波长为 1549.66 nm阈值注入电流为 78 mA当注入电流为 220 mA 时最大输出功率达 1.524 mW信噪比为 45 dB电光转换效率为 1.1%所提出的激光器具备良好的温度稳定性。天津见合八方光电科技有限公司http://tj.jhbf.cc是一家专注国产半导体光放大器SOA研发和生产的高科技企业目前已推出多款半导体光放大器SOA产品(850nm,1060nm,1270nm,1310nm, 1550nm,1625nm)以及增益芯片RSOA产品(850nm,1310nm,1550nm)公司已建立了万级超净间实验室拥有较为全面的光芯片的生产加工、测试和封装设备并具有光芯片的混合集成微封装能力。目前公司正在进行NLL/ECLSOA的混合集成器件、大功率SOA器件的研发工作并可对外承接各种光电器件测试、封装和加工服务。