量子点碰撞脉冲锁模激光器，实现可调光频梳输出新突破

光频梳由一系列相位相干、频率间隔均匀的谱线构成，在时间域中对应周期性的强度脉动，已广泛应用于精密计量、光通信和光学传感等领域。根据相位演化特性，光频梳可分为幅度调制（AM）梳和频率调制（FM）梳，前者具有固定的相邻梳线相位差，后者则表现为周期性的频率调制。相较于Kerr梳、电光梳和二阶非线性梳等集成方案，半导体被动锁模激光器因结构紧凑、可电泵浦等优势，成为实现片上光频梳的重要方案。

研究内容

相较于传统量子阱激光器，量子点激光器在抗反馈性能和相位稳定性方面具有显著优势，其谐振反馈窗口更宽、相位噪声和时间抖动更低，因而更适合实现长期稳定运行。该研究提出了一种稳定的片上光源系统，该系统采用100 GHz四阶量子点碰撞脉冲锁模激光器，在单个器件中同时实现AM与FM光频梳的产生，通过引入一种低成本的光纤外腔结构，不仅实现了对光频梳工作状态的动态调控，还显著压缩了输出脉冲宽度，获得的最短脉宽可达0.61 ps，从而为多样化应用提供了更高的灵活性。图1(a)为量子点碰撞脉冲锁模激光器的结构示意图。器件腔长为1580 μm，对应基模谐振频率为25 GHz。通过在腔内均匀引入三个可饱和吸收体，实现四阶谐波锁模，使模间距拓展至100 GHz。可饱和吸收体与增益区采用相同材料体系，并通过片状电阻实现电隔离，从而在高重复率运行下仍保持足够的有效增益长度，有利于光频梳的高效形成。图1(c)给出了对应的光频梳光谱，其中3 dB带宽达到1.8 THz。

图1 (a)外腔锁定条件下量子点碰撞脉冲锁模激光器的结构示意图。(b)不同反向偏置电压下的光-电流特性曲线。(c)在反向偏置 2.5 V、驱动电流 215 mA 条件下，量子点碰撞脉冲锁模激光器处于频率调制主导状态时的光谱

为研究外腔光学反馈对量子点激光器​中光频梳特性的影响，实验中将光反馈强度设定为−18 dB，外腔长度固定为7 m。在该配置下，系统地比较了量子点碰撞脉冲锁模激光器在自由运行状态与施加光学反馈条件下产生光频梳的性能差异。图2左列和右列分别给出了自由运行与在−18 dB光反馈条件下，3-dB梳线个数、脉冲宽度以及时间带宽积（TBP）随偏置条件变化的分布特性。在自由运行状态下，光频梳的工作状态可清晰划分为四个具有显著特征的区域。其中，灰色区域表示未能形成稳定光频梳，其余部分构成激光器的有效工作区，并由黑色虚线进一步划分为区域Ⅰ和区域Ⅱ，分别对应FM光频梳主导与AM光频梳主导的运行状态。在区域Ⅰ中，光频梳以FM成分为主，对时域脉冲进行双曲正割函数拟合，得到的脉冲宽度分布在2.5–3.3 ps之间。在较高偏置电流条件下，量子点中快速的亚能级载流子俘获与弛豫过程有利于FM光频梳的建立；同时，空间烧孔效应增强了多模振荡，而增益饱和效应则了AM光频梳的形成。相比之下，区域Ⅱ以AM光频梳为主导，其脉冲宽度明显减小，分布在1–2.5 ps范围内。

图2 (a)、(b)分别为自由运行和 −18 dB 光反馈外腔锁定条件下，激光器3 dB 光频梳梳线数随增益电流和可饱和吸收体偏置的变化；(c)、(d)分别为两种工况下脉冲宽度随偏置条件的变化；(e)、(f)分别为两种工况下时间带宽积随偏置条件的变化

随后，通过向激光器引入长外腔光反馈实现外腔锁定。由于量子点激光器对光反馈具有不敏感特性，即使在引入反馈后仍能保持稳定运行，从而为利用光反馈有效调控光频梳的动态特性提供了有利条件。如图2(b)所示，引入光反馈后，激光器进入外腔锁定的谐振反馈状态，FM光频梳的形成区域被限制在反向偏置电压大于2 V且偏置电流较高的参数范围内；而AM工作状态占据主导地位，并覆盖了整个偏置电流范围。图3(c)中显示了外腔锁定对原本难以形成稳定锁模的区域Ⅲ起到了显著的稳频作用，使得AM光频梳有效工作范围得到大幅拓展。此外，在所有偏置条件下，引入外部光反馈均能够显著压缩脉冲宽度，获得的最短脉冲宽度达到0.61 ps。上述由外腔锁定引起的动态特性改善，主要归因于谐振反馈有效降低了激光器的相位噪声和时间抖动，这些因素共同促进了激光器整体相位稳定性的提升。

图3 量子点碰撞脉冲锁模激光器在自由运行状态和-18 dB外部光反馈下的光频梳自相关时间域强度和对应的光谱

综上所述，该研究工作展示了一种量子点碰撞脉冲锁模激光器，可在单一器件中同时实现FM与AM光频梳的产生。通过引入外部光反馈形成外腔锁定机制，不仅显著拓展了AM光频梳的稳定工作区域，还在保证系统稳定运行的前提下实现了脉冲宽度的有效压缩。实验结果表明，量子点碰撞脉冲锁模激光器在未来光通信、光谱学及精密测量等集成光子系统中，具有作为高性能光频梳光源的广阔应用前景。

参考文献： 中国光学期刊网

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