文|千不樊

编辑|千不樊

介绍

被动Q开关(QS)是一种自脉动机制，通常在激光发射阈值附近发现，由腔损耗的自调制引起，半导体激光器的重复率为100MHz至GHz，以及数十皮秒到纳秒级的宽脉冲宽度。

在设计用于被动锁模(ML)操作的双节激光二极管中，QS机制可以作为纯QS或QSML出现，其中后者实际上是振幅周期性调制的ML脉冲串。这种QS制度的存在和范围在物理上与损耗/增益饱和能量的比率以及腔中的衰减因子有关。

由于QS机制通常是不可控的，并且可能会减少稳定ML运行的区域，因此它们通常被视为需要避免的不稳定机制—因此已经为QS抑制开发了大量工作。

由于QD材料中特有的快速载流子动力学，这些激光器的QSML范围通常较小（与量子阱激光器相比），它抑制了腔的损耗调制并强烈抑制弛豫振荡。

当自由运行的QD激光器的结构确实具有允许纯QS发生的条件时，例如当吸收器与增益部分的长度之比相对较低时，该机制可能仍然具有非常短的操作区域，在固定的反向偏压下，它仅存在于窄区域增益电流（几毫安）中。

在连续波(CW)光注入下的被动锁模QD激光器中存在QSML，可是到现在还没有在这种条件下进行QS机制的实验演示。

通过在双截面激光器的CW光学注入时得出从ML切换到纯QS状态的可能性，在这种情况下，还通过可调CW注入证明了波长可调性，QS下的脉冲重复率显示也是可调的，随注入功率和吸收器反向偏置而变化。

对这些结果的研究，使人们能够对光学注入下的QD激光动力学有更多的了解，例如自由运行ML状态和注入锁定纯QS状态之间转变的物理解释，考虑到弛豫振荡背后的机制和MLQD激光器的吸收和增益动力学。

这种新制度允许在ML、QS和CW操作之间按需切换（可能在高速下），可用于需要多模式激光操作的应用。另一方面，重复率和波长的可调性可提供更大的灵活性，从而更好地匹配目标应用。

方法

正在研究的器件是一种两段式QD激光器，其活性区由10层InAs/GaAS QD组成，由Innolume（GmbH）生产和制造。

激光器总长度为8毫米，可饱和吸收体占总长度的比例约为11%。激光器的背面/正面分别涂有高反射率/低反射率涂层。

QD激光器的激光阈值为110mA，反向偏压为0V，反向偏压为6.8V时约为170mA，推荐的最大工作偏压为300mA和8V，当被动锁模时，在一定范围的增益电流(Igain)和反向偏置(Vabs)值下，QD激光器输出1260nm的光脉冲，持续时间为几皮秒，重复频率约为5GHz。

QD激光器通过反馈控制的珀耳帖冷却器保持在20°C，并在固定偏压条件下工作（Igain=190 mA，Vabs=6.8V），位于强锁模区域。在这些条件下，脉冲以5.06GHz的重复率发射，半峰全宽(FWHM)持续时间为2ps（通过自相关获得并假设为sech2形脉冲），而光谱的中心位置约为1255nm，FWHM带宽为7nm。

为执行光注入，可调谐窄线宽商用CW主激光器的输出被注入激光器的增益部分，所选设置依赖于偏振，因此诊断部分的唯一输入是QD激光器的输出，有或没有CW注入。

这种光束配置基于单向光门系统，以前应用于双通放大器设置。

图1 CW光学注入设置的示意图（OSA：光谱分析仪）

注入锁定是通过以皮米波长步长调整CW激光器，以匹配自由运行QD激光器的一种光学模式来执行的，考虑到5.06GHz的重复率，它们在大约27pm处等距。

根据以下标准，QD激光器被认为锁定到CW激光器——首先，在RF光谱中没有可见的拍频（在CW激光器和相邻的QD激光器光学模式之间）；

其次，存在重复率偏移，随后完全抑制RF频谱中的原始重复率峰值；

存在显著的光谱变窄和光谱向注入波长区域的偏移，这些标准先前已经应用于量子破折号ML激光器中CW和双音光学注入的研究。

QD激光器的输出，在自由运行或注入锁定时，使用光谱分析仪和电谱分析仪进行表征，使用商用自相关器(A.P.E.Pulse Check NX)表征自由运行和锁模时激光器的脉冲持续时间。

Q开关机制：结果和讨论

光注入时锁定Q开关

当自由运行时，正在研究的QD激光器具有广泛的锁模区域，并且据我们所知，在通常报告的阈值附近区域没有给出QS机制的指示。

自由运行锁模QD激光器（Igain=190mA，Vabs=6.8V）以1255.5nm的注入波长(λinj)注入，在这些偏置下的自由运行光谱的限制内条件和1.7mW的注入功率(Pinj)，对应于0.9的注入比（注入功率/自由运行QD激光器的平均功率）。

当CW激光器锁定到QD激光器的一种光学模式时，QS操作开始，自由运行时QD激光器的光纤耦合平均功率为1.863mW，在注入锁定QS下为0.533mW。

图2比较了自由运行与注入锁定时激光器的射频光谱，揭示了低频(1.07GHz)峰值的出现、QS的特征以及5GHz锁模重复率的抑制。

在自由运行的情况下，在基本重复频率周围观察到的边带被认为与来自外部源的电磁干扰有关，该外部源以~27MHz的频率发射，该信号被装置接收（该频带大量用于对讲机-对讲机和设备的远程控制）。

当QD激光器的偏置条件发生变化时，这些边带的频率不会发生变化。对26GHz跨度内的注入锁定激光器的RF频谱的评估显示没有其他重要的RF峰值，这表明纯QS行为。

图2 自由运行（黑色）和锁定QSQD激光器（λinj=1255.0nm，Pinj≈1.7mW）（红色）的射频频谱。

图3显示了注入锁定QS下激光器的光谱，与其自由运行的ML操作形成对比，揭示了显着的光谱变窄，正如从ML到纯QS机制的过渡所预期的那样[5]。

随着注入波长(λinj)的调谐，也可以将从激光器的波长调谐到7nm以上，在不同的注入功率和波长下，在QD激光器的电流阈值区域附近发现了一个宽阔的锁定QS区域。

对于1V范围内的反向偏置值，在阈值附近，已观察到增益电流为120至190mA的锁定QS状态。

图3 自由运行（黑色）和锁定QSQD激光器在多个注入波长（彩色）下的光谱。

为了解释从ML状态到纯Q开关的这种明显转变，首先注意在ML激光二极管中，在接近阈值的区域已经存在QS不稳定性的潜在趋势。

在这里给出的结果中，发生这种转变的操作条件也对应于更接近阈值的区域（具有相对较高的反向偏置值）。

在使用窄线宽主激光器进行光学注入时，注入的光子播种激光发射的建立，有利于与注入波长对齐或更接近的模式。

实际上，在窄得多的带宽下运行的机制仅利用了QD群体的一小部分。

由于可饱和吸收体的存在，被动QS类似于一种无阻尼弛豫振荡的形式，因此考虑QD激光器中弛豫振荡的物理学是有帮助的。

事实上，当QD激光器打开时，如果不均匀展宽占主导地位，这会导致不同尺寸的QD独立振荡。整体（光谱集成）输出显示低对比度弛豫振荡。

在光注入后，参与激光发射的QD的光谱选择子集将因此具有更窄的尺寸分布—因此与广泛的不均匀展宽相关的影响将显著降低

除了上述影响外，CW光注入可能还具有降低可饱和吸收体中吸收饱和强度的作用—如果它变得足够小，就会导致QS。

由于光谱带宽在发射时变窄，这也将吸收限制在可饱和吸收器中较窄的QD子集中，随着要饱和的QD数量减少，使吸收体饱和所需的强度也会降低。

但因为CW光学注入始终存在，吸收器将经历（已经很少）光谱对齐QD的部分漂白。这将进一步减少可以充当吸收中心的量子点的数量，从而进一步降低吸收饱和强度。

注射功率对重复率的影响

为了评估注入功率对QS状态的影响，QS重复率的特征在于注入功率(Pinj)值从0.99mW到2.09mW。

注入波长(λinj)在扫描注入功率时保持恒定，获得数据的注入功率范围限于图4所示的值，以避免损坏激光器并避免从CW激光器中解锁QD激光器。

图4 锁定QSQD激光器的QS重复率(λinj≈1255.0nm)作为注入功率(Pinj)的函数。

如图4所示，QS重复率随注入功率呈线性趋势增加，斜率约为159MHz/mW。

为了理解这一趋势，重新审视QS的物理学很有用，其中脉冲生成过程依赖于增益和吸收动力学以及饱和度的相互作用，并且脉冲每次都从腔中可用的光子中建立起来在满足阈值条件之前。

通过光注入，并且随着注入功率的增加，可用的种子光子数量增加有助于减少光脉冲的建立时间，并导致更快的增益恢复时间。

随着CW注入功率的增加，吸收的相应（背景）CW分量变得更加漂白，因此更容易在脉冲生成开始时使吸收器饱和。

反向偏置条件对重复率的影响

光学注入过程是一个复杂的多变量系统，不仅取决于注入波长和注入功率，还取决于注入激光的偏置条件。

在大约1.7mW的注入功率(Pinj)下，针对锁定QSQD激光器的变化反向偏压(Vabs)获得QS重复率，获得数据的反向偏压值范围限于图5所示的值，以避免从CW激光器中解锁QD激光器。

图5 [Pinj≈1.7mW]锁定QSQD激光器的QS重复率作为QD激光器反向偏压(Vabs)的函数[Igain=190mA]。

如图5所示，QS重复率随反向偏压呈线性增加，斜率约为72MHz/V。

随着反向偏压的增加，吸收的超快成分的最大可实现漂白会减少，也导致更高的总损耗（这通常表现为阈值电流随着两段式激光器中反向偏压的增加而增加）。

当考虑在QS状态下形成脉冲时，如果这个峰值点在更高的阈值下得到满足，那么对于相同水平的粒子数反转，这将等同于吸收器反向偏压值越高，脉冲的峰值越早发射–从而增加脉动的频率。

结论与展望

这些发现表明光注入增加了QD激光器的多功能性和可用性，并且可能对理解QD激光器光注入过程的复杂动力学产生影响，特别是注入锁定时从ML到QS的明显转变。

通过控制注入功率和波长，可以光学控制QD激光器在CW操作和上面所示的自脉冲状态之间切换，从而形成一种“按需脉冲”'单激光系统。

这些系统有很多应用，特别是在生物光子学领域，可以使用双切换机制，例如，作为在CW机制中光学捕获细胞并在脉冲机制中解剖它们的一种方式，能够在单个激光器中在CW、ML或QS操作之间可控地切换提供了巨大的多功能性，可以在可能受益于多模式激光器的应用中进一步扩展和探索。

参考文献：

U.Bandelow，M.Radziunas，A.Vladimirov，B.Hüttl和R.Kaiser，“40GHz锁模半导体激光器：理论模拟和实验”，Opt。数量。电子第38卷，第4期，第495-512页，2006年3月。

C.Hönninger，R.Paschotta，F.Morier Genoud，M.Moser和U.Keller，“连续波无源锁模的Q开关稳定性极限”，J.Opt。美国证券交易所。B、 第16卷，第1期，第46-56页，1999年1月。

M.J.Heck等人，“1.55μM左右两段InAs/InP（100）量子点激光器的Q开关和锁模观察”，Opt。Exp.，第15卷，第25号，第16292-16301页，2007年11月。

M.B.Flynn，L.O’Faolain和T.F.Krauss，“单片半导体二极管激光器Q开关锁模的实验和数值研究”，IEEE量子电子杂志。，第40卷，第8期，第1008-1013页，2004年8月。

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