调制光栅Y分支型激光器高效调谐特性研究

一、背景介绍

随着二维材料的快速发展，具有高功率、脉冲、窄线宽、可调谐等多种特性的半导体激光器已经问世。其中，可调谐半导体激光器凭借体积小、寿命长、波长切换灵活等优势，被广泛应用于光纤通信、光纤传感、激光雷达等领域。此外，光频域反射、法布里-珀罗干涉、光栅传感等具体应用场景对激光器的调谐性能提出了更严苛的要求。

调制光栅Y分支型（MG-Y）激光器是分布式布拉格反射激光器的分支，具有波长调谐范围宽、波长切换速度短、边摸比（SMSR）高等优势，基于MG-Y激光器构建的应用系统成为了重要的研究方向。然而在实际应用中，构建波长-电流查找表（LUT）是应用该激光器的前提。目前，通常采用遍历电流扫描法来确定波长调谐路径，该方法效率较低，LUT中无效数据量庞大，不利于定期校准，难以保证波长的准确度。此外，波长调谐时功率飘移量较大，易引入解调误差。因此，需要对MG-Y激光器的波长调谐方法进行研究并优化。

二、创新研究

围绕如何提升LUT构建效率以及波长调谐时的功率稳定性，上海大学特种光纤与光接入网点实验室研究团队对MG-Y激光器的调谐特性进行深入研究，设计了一种具有普适性的电流扫描框架，以此高效且准确地确定平滑的波长调谐路径，然后通过调节相位区电流（Iphase），实现了波长细调谐功能。同时提出了一种自适应功率校准算法，保证激光器在波长调谐时功率也能保持相对稳定。

根据左、右反射器电流（Ileft、Iright）与波长的关系，如图1（a）所示，可以确定每一颜色块的中心线，即平滑的波长调谐路径。但电流与波长的全部映射关系需要扫描庞大的电流数据来得到，若以如图1（b）的测试框架进行电流扫描，波长调谐路径可以通过线性拟合来得到。图1（c）是沿着测试框架的网格线3扫描的结果，波长呈现“阶梯状”变化，每一个“阶梯”均对应一个颜色块，而每一个“阶梯”中点的波长数据则对应着颜色块中心线的波长数据。在得到调谐路径之后，对其进行扫描，可以得到覆盖大于等于40 nm范围的LUT粗表，后通过相位区的精细调谐段，构建出调谐范围为1528~1568 nm，SMSR均大于40 dB，调谐步长为5 pm的LUT精细查找表，波长数据为8001个，其C波段调谐曲线可见图1（d）。

图1 MG-Y激光器调谐特性

由于温度和驱动电流的影响，激光器在进行波长调谐时会产生功率波动。为了稳定光功率，利用激光器内部的光电探测器（PD），将光功率信息以电的形式输送至外部电路进行实时的内环电流反馈补偿。首先规定功率反馈电压UPD.ref*，并采集整个C波段共8001个采样点的功率反馈电压UPD.refk（k=1,2,…,8001），计算电压差值并调节光放大区电流（ISOA），直至功率稳定。然而，调整ISOA时也会改变激光器的输出波长，规定功率控制后输出波长与标准波长的偏差值大为5 pm，否则需进一步调节Iphase校准波长。至此，完成自适应功率校准算法设计。

为了验证调谐方法的有效性，在进行全光谱扫描时，对MG-Y激光器进行性能测量，如图2所示。结果表明，实际波长与设定波长的偏差量均小于±2.9 pm；功率校准后，功率漂移量由2.382 mW下降至0.408 mW。

图2 MG-Y激光器调谐性能测试

三、工作展望

在后续的工作中，团队将进一步挖掘MG-Y激光器电流与波长、功率的内在关系，深入研究其输出特性，以寻求更高效率的调谐方法。同时，进一步提升激光器的波长与功率稳定性，保证激光器高精度、高稳定的输出特性，以促进MG-Y激光器在光纤传感、光通信等领域的应用。对于MG-Y激光器的其他领域研究，如线宽压缩、内调制等，团队也一直高度关注，希望能给读者呈现更多创新性的成果。

参考文献： 中国光学期刊网

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