三國科學家將通信用半導體激光器調製帶寬提升至85 GHz

Photon. Res.封麵故事

巴黎薩克萊大學 (Université Paris-Saclay)的J. M. Sarraute等人利用光注入鎖定增益杠杆激光的非線性結構實現了在對其他方麵不造成負麵影響的情況下將電光3 dB調製帶寬推進至接近100 GHz。

研發工作頻率超過100 GHz的超快芯片，對於提升光纖網絡的傳輸容量至關重要。這一技術突破會對5G無線網絡、互聯網、局域網、城域網以及長途骨幹網帶來直接衝擊，使人們離“網絡社會”越來越近。然而，作為實現超高調製帶寬首選方案的複雜調製格式+數字信號後處理技術，往往會由於電子處理所致的延遲時間長而造成嚴重的通信瓶頸。

要實現低成本、高效率的光纖通信，必須設計一個簡單而緊湊的能夠實現超高帶寬調製的方案。由直接調製的半導體激光器構建的直接檢測係統提供了這樣一種解決思路。在這些係統中，直接調製激光器的電光3 dB調製帶寬（GHz量級）是最為重要的品質因子，其決定了可實現的最大數據率（Gbps量級）。

因而為了保持數據率的進一步提高，在對其他方麵不造成負麵影響的情況下增大電光3 dB調製帶寬是十分必要的。這一改進通常是通過開發新型平麵半導體材料或者通過利用諸如光注入鎖定增益杠杆激光之類的非線性結構來實現的。後者正是J. M. Sarraute等人在本項研究中提出的解決思路。這一工作發表在Photonics Research 2017年第5卷第4期上(J. M. Sarraute, et al., Effects of gain nonlinearities in an optically injected gain lever semiconductor laser )。

圖：光注入增益杠杆半導體激光器的調製帶寬表現。上圖：激光器結構示意圖。包含一個短的調製部分和一個長的增益部分的增益杠杆激光器與外部主激光器耦合在一起。下圖：處於光注入增益杠杆激光器的穩定鎖定區域的3 dB調製帶寬，增益杠杆激光器兩個部分的損耗率比g=10，增益壓縮因子ε = 10−16 cm3。

如圖所示，增益杠杆激光由一個短的調製部分和一個長的由連續波偏置的增益部分構成。為了使得增益杠杆效應最大化，增益部分偏置於高增益水平，而調製部分偏置於低增益水平。在這種情況下，係統會產生強的射頻光學增益，從而導致電光3 dB調製帶寬的增加。為了進一步增強調製動力學，增益杠杆激光器與外部主激光器耦合在一起。特別是，當注入光的強度和兩個激光器的頻率失諧處於特定範圍時，注入鎖定機製就會發生，從而將電光3 dB調製帶寬推進至接近100 GHz。

在該工作中，研究人員發現，與直接調製半導體激光器不同，由非線性增益所致的壓縮因子並不影響動力學表現。例如，計算表明，當考慮通常的注入強度時，高增益杠杆效應和相對大的壓縮值可以使調製帶寬達到約85 GHz，這比沒有增益杠杆的自由運轉激光器高四倍。

概括起來，這些結果為開發可同時實現光的直接調製和高速運轉的新型寬帶光源提供了切實可行的理論指南。未來工作將致力於挖掘能實現大壓縮因子的量子點激光器的潛力。

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