光頻梳由一系列相位相干、頻率間隔均勻的譜線構成，在時間域中對應周期性的強度脈動，已廣泛應用于精密計量、光通信和光學傳感等領域。根據相位演化特性，光頻梳可分為幅度調制（AM）梳和頻率調制（FM）梳，前者具有固定的相鄰梳線相位差，后者則表現為周期性的頻率調制。相較于Kerr梳、電光梳和二階非線性梳等集成方案，半導體被動鎖模激光器因結構緊湊、可電泵浦等優勢，成為實現片上光頻梳的重要方案。

相較于傳統量子阱激光器，量子點激光器在抗反饋性能和相位穩定性方面具有顯著優勢，其諧振反饋窗口更寬、相位噪聲和時間抖動更低，因而更適合實現長期穩定運行。該研究提出了一種穩定的片上光源系統，該系統采用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，不僅實現了對光頻梳工作狀態的動態調控，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采用相同材料體系，并通過片狀電阻實現電隔離，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，系統地比較了量子點碰撞脈沖鎖模激光器在自由運行狀態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、脈沖寬度以及時間帶寬積（TBP）隨偏置條件變化的分布特性。在自由運行狀態下，光頻梳的工作狀態可清晰劃分為四個具有顯著特征的區域。其中，灰色區域表示未能形成穩定光頻梳，其余部分構成激光器的有效工作區，并由黑色虛線進一步劃分為區域Ⅰ和區域Ⅱ，分別對應FM光頻梳主導與AM光頻梳主導的運行狀態。在區域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定運行，從而為利用光反饋有效調控光頻梳的動態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，FM光頻梳的形成區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范圍內；而AM工作狀態占據主導地位，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定鎖模的區域Ⅲ起到了顯著的穩頻作用，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光頻梳的穩定工作區域，還在保證系統穩定運行的前提下實現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

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