----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(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(shí)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(qiáng)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(shí)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(shí)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(qiáng)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(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(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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(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(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(jī)玻璃外殼，減少了機(jī)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(qiáng)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?yàn)榧词箾]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(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。

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審核編輯 黃宇