相較于傳統(tǒng)量子阱激光器，量子點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，其諧振反饋窗口更寬、相位噪聲和時間抖動更低，因而更適合實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行。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四階量子點碰撞脈沖鎖模激光器，在單個器件中同時實現(xiàn)AM與FM光頻梳的產生，通過引入一種低成本的光纖外腔結構，不僅實現(xiàn)了對光頻梳工作狀態(tài)的動態(tài)調控，還顯著壓縮了輸出脈沖寬度，獲得的最短脈寬可達0.61 ps，從而為多樣化應用提供了更高的靈活性。圖1(a)為量子點碰撞脈沖鎖模激光器的結構示意圖。器件腔長為1580 μm，對應基模諧振頻率為25 GHz。通過在腔內均勻引入三個可飽和吸收體，實現(xiàn)四階諧波鎖模，使模間距拓展至100 GHz。可飽和吸收體與增益區(qū)采用相同材料體系，并通過片狀電阻實現(xiàn)電隔離，從而在高重復率運行下仍保持足夠的有效增益長度，有利于光頻梳的高效形成。圖1(c)給出了對應的光頻梳光譜，其中3 dB帶寬達到1.8 THz。

圖1 (a)外腔鎖定條件下量子點碰撞脈沖鎖模激光器的結構示意圖。(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、驅動電流 215 mA 條件下，量子點碰撞脈沖鎖模激光器處于頻率調制主導狀態(tài)時的光譜

為研究外腔光學反饋對量子點激光器中光頻梳特性的影響，實驗中將光反饋強度設定為?18 dB，外腔長度固定為7 m。在該配置下，系統(tǒng)地比較了量子點碰撞脈沖鎖模激光器在自由運行狀態(tài)與施加光學反饋條件下產生光頻梳的性能差異。圖2左列和右列分別給出了自由運行與在?18 dB光反饋條件下，3-dB梳線個數(shù)、脈沖寬度以及時間帶寬積（TBP）隨偏置條件變化的分布特性。在自由運行狀態(tài)下，光頻梳的工作狀態(tài)可清晰劃分為四個具有顯著特征的區(qū)域。其中，灰色區(qū)域表示未能形成穩(wěn)定光頻梳，其余部分構成激光器的有效工作區(qū)，并由黑色虛線進一步劃分為區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ，分別對應FM光頻梳主導與AM光頻梳主導的運行狀態(tài)。在區(qū)域Ⅰ中，光頻梳以FM成分為主，對時域脈沖進行雙曲正割函數(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，量子點中快速的亞能級載流子俘獲與弛豫過程有利于FM光頻梳的建立；同時，空間燒孔效應增強了多模振蕩，而增益飽和效應則抑制了AM光頻梳的形成。相比之下，區(qū)域Ⅱ以AM光頻梳為主導，其脈沖寬度明顯減小，分布在1–2.5 ps范圍內。

圖2 (a)、(b)分別為自由運行和 ?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間帶寬積隨偏置條件的變化

隨后，通過向激光器引入長外腔光反饋實現(xiàn)外腔鎖定。由于量子點激光器對光反饋具有不敏感特性，即使在引入反饋后仍能保持穩(wěn)定運行，從而為利用光反饋有效調控光頻梳的動態(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；而AM工作狀態(tài)占據(jù)主導地位，并覆蓋了整個偏置電流范圍。圖3(c)中顯示了外腔鎖定對原本難以形成穩(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到0.61 ps。上述由外腔鎖定引起的動態(tài)特性改善，主要歸因于諧振反饋有效降低了激光器的相位噪聲和時間抖動，這些因素共同促進了激光器整體相位穩(wěn)定性的提升。

圖3 量子點碰撞脈沖鎖模激光器在自由運行狀態(tài)和-18 dB外部光反饋下的光頻梳自相關時間域強度和對應的光譜

綜上所述，該研究工作展示了一種量子點碰撞脈沖鎖模激光器，可在單一器件中同時實現(xiàn)FM與AM光頻梳的產生。通過引入外部光反饋形成外腔鎖定機制，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)定運行的前提下實現(xiàn)了脈沖寬度的有效壓縮。實驗結果表明，量子點碰撞脈沖鎖模激光器在未來光通信、光譜學及精密測量等集成光子系統(tǒng)中，具有作為高性能光頻梳光源的廣闊應用前景。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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