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SOA增益恢復(fù)波長依賴性:使用單色泵浦探針技術(shù)進(jìn)行模擬和測量(一)

天津見合八方 ? 來源:天津見合八方 ? 2025-01-09 11:08 ? 次閱讀

摘要:迄今為止,對半導(dǎo)體光放大器(SOA)中增益恢復(fù)時間的波長依賴性的測量大多采用泵浦-探頭技術(shù),泵浦和探頭在不同的波長上工作。泵浦波長的選擇及其與探頭波長的相對接近可能會影響測量結(jié)果,并妨礙對恢復(fù)動態(tài)波長依賴性的明確觀察。我們使用單色泵浦-探針測量技術(shù),直接獲取了塊狀 InGaAsP SOAs 中增益恢復(fù)時間的波長依賴性。使用來自單模鎖定激光器的超短脈沖,明確測量了 SOAs 的光譜依賴性和時間行為。我們使用單模鎖定激光器發(fā)出的超短脈沖,明確測量了 SOA 的光譜依賴性和時間行為。使用考慮到帶內(nèi)和帶間對 SOA 飽和度貢獻(xiàn)的模型得出的仿真結(jié)果以及所測試 SOA 的實驗結(jié)果表明,恢復(fù)率依賴性與增益光譜相似。

1. 引言

半導(dǎo)體光放大器(SOA)是接入網(wǎng)中很有前途的元件,人們在開發(fā)高效的數(shù)值模擬工具方面做了大量工作[1]。這些算法通過求解微分方程來獲得載流子密度隨時間的變化。它們依賴于對載波恢復(fù)時間的經(jīng)驗描述,并假定載波恢復(fù)時間僅取決于載波密度。我們使用一種泵浦探針技術(shù),這種技術(shù)以前在自由空間 [2-10] 和光纖 [11-16] 中都有文獻(xiàn)報道過。通常情況下,泵浦和探針使用不同的波長,但也有例外。我們首先回顧一下以前的載流子恢復(fù)時間表征方法,以突出它們與我們提出的方法的不同之處。

表征增益恢復(fù)的自由空間實驗通常比較復(fù)雜,需要使用透鏡耦合泵浦光束和探針光束進(jìn)行靈敏對準(zhǔn)。在 [2, 3] 中,作者使用了單波長、亞皮秒激光器。他們通過交叉偏振分離了泵浦和探針光束。雖然泵浦光束和探針光束的波長相同,但增益恢復(fù)將取決于探針的偏振,如文獻(xiàn)[7]所示。請注意,由于波導(dǎo)上的應(yīng)變,可能會發(fā)生一些偏振轉(zhuǎn)換。

在文獻(xiàn)[4]中,一種自由空間雙色泵浦探針技術(shù)使用了超連續(xù)光源的光譜切片。對于這種設(shè)置,載流子恢復(fù)取決于泵浦和探針的波長間隔[5]。這有助于了解波長轉(zhuǎn)換實驗中的載流子動態(tài),但無法測量泵浦波長的載流子恢復(fù)。在 [2] 中,利用外差技術(shù)展示了一種更復(fù)雜的共偏振泵-探針方法。但沒有研究透明度以上的增益恢復(fù)與波長的關(guān)系,而且實驗裝置也很復(fù)雜。Philippe 等人[7]的一項有趣工作研究了自由空間中恢復(fù)時間的偏振相關(guān)性。他們展示了一種共偏振泵-探針技術(shù),通過在被測設(shè)備上反向傳播來分離光束。他們發(fā)現(xiàn),TM 模式的恢復(fù)速度比 TE 模式快,這可能是光洞動力學(xué)和應(yīng)變造成的。反向傳播配置用于在同一偏振下分離泵浦和探針。沒有研究波長相關(guān)性。在 [8, 10] 中,泵浦和探針是正交偏振的。文中介紹了高于和低于透明度的不同波長的結(jié)果,但作者只分別關(guān)注了 InGaAsP 和 AlGaAs 波導(dǎo)零延遲附近的快速動態(tài)。在此后的工作中,我們將重點關(guān)注增益長期變化(高于透明度)的波長依賴性。

第二組實驗使用全光纖裝置,這種裝置更簡單、更靈活,而且可以利用常見的光纖元件,如波分復(fù)用耦合器濾波器。然而,我們會發(fā)現(xiàn)這些實驗通常是 1)復(fù)雜;2)只對不同波長的泵浦和探針感興趣。

文獻(xiàn)[11, 12]測試了連續(xù)波探頭信號的動態(tài)特性,結(jié)果表明,連續(xù)波探頭信號由于刺激壽命較短,因此增益恢復(fù)時間較短。連續(xù)波探頭會在一定程度上使 SOA 飽和[11]。為了避免飽和,探針功率必須較低。探頭恢復(fù)可能會被電子噪聲干擾,特別是在使用寬帶光接收器時。脈沖探針信號還可以測量自發(fā)輻射、奧格效應(yīng)和放大自發(fā)輻射(ASE)引起的恢復(fù)時間 [12]。因此,我們的方法采用了脈沖探針。

文獻(xiàn)[13]報道了使用兩個不同波長的模式鎖定激光器(MLL)對脈沖探頭信號進(jìn)行測量的情況。這需要可調(diào)諧的短持續(xù)時間的泵浦和探頭光脈沖。分頻器同樣也需要。此外,泵浦脈沖和探測脈沖之間的定時抖動和同步也很微妙 [4]。文獻(xiàn)[6]中使用了一種光譜圖技術(shù),泵浦使用鎖模激光器,探頭使用連續(xù)波激光器和電吸收調(diào)制器。請注意,在這種情況下,測得的增益恢復(fù)時間是兩個激光器之間光譜間隔的函數(shù)[14]。這可以為波長轉(zhuǎn)換實驗中的增益恢復(fù)提供啟示。此外,還能確定泵浦波長的恢復(fù)特性。我們的方法使用單模鎖定激光器,大大降低了復(fù)雜性,并能給出任意泵浦波長下的恢復(fù)時間。

在 [13、15、16] 中,泵浦-探針技術(shù)用于測量探針脈沖的增益,它是泵浦脈沖和探針脈沖之間波長差和時間延遲的函數(shù)。泵浦脈沖和探測脈沖的波長必須是不同的,因此可以通過適當(dāng)?shù)臑V波將它們分開。由于不同波長具有不同的增益和飽和度,這將導(dǎo)致恢復(fù)時間取決于波長分離。

有關(guān) SOA 增益恢復(fù)與波長相關(guān)性的研究結(jié)果一直相互矛盾。文獻(xiàn)[17]雖然使用了脈沖信號,但在改變探針波長和保持泵浦波長固定的情況下,沒有觀察到恢復(fù)率有任何變化。與此相反,[16、14、15、5] 觀察到了波長依賴性;不過,使用的可調(diào)連續(xù)波探頭信號的波長與泵的波長不同,而泵的波長比增益峰值波長短。在這種配置中,探頭向增益峰值移動會增加飽和度。這可能就是他們觀察到恢復(fù)時間縮短的原因,與我們在此介紹的結(jié)果相矛盾。顯然,不同波長的泵浦-探針技術(shù)在 SOA 增益恢復(fù)與波長的關(guān)系方面給出的結(jié)果并不明確,這可能是由于相對于探針波長的泵浦波長選擇所致。為了研究波長依賴性,我們選擇了與文獻(xiàn)[7]類似的實驗方法。由于我們使用的是全光纖實驗裝置,因此即使泵浦信號和探頭信號的偏振和波長相同,我們也可以使用循環(huán)器將反向傳播的泵浦信號和探頭信號分開。這種方法有三個優(yōu)點:

它采用常見的泵浦-探頭策略,先用強(qiáng)脈沖泵浦信號耗盡放大器,再用低功率脈沖信號探測增益從飽和值恢復(fù)到小信號值。單飛秒 MLL 可產(chǎn)生兩個反向傳播脈沖,它們分別是 1) 消耗載流子,從而消耗 SOA 的增益(泵浦信號);2) 經(jīng)過一定時間延遲后探測增益(探測信號)。需要注意的是,此前曾有報道稱使用單個激光器通過自由空間傳輸產(chǎn)生泵浦脈沖和探測脈沖,但并未探討波長相關(guān)性[7]。

由于只有一個波長進(jìn)入 SOA,因此這種方法可以獲得明確的波長相關(guān)性結(jié)果。

這是一種簡單、高效、穩(wěn)健的測量技術(shù),只需較少的測試設(shè)備。我們的設(shè)置只需要一個低重復(fù)率 MLL,無需任何外部調(diào)制器。

為了解釋觀察到的實驗結(jié)果,并研究比實驗所允許的更寬波長范圍內(nèi)的恢復(fù)率相關(guān)性,我們進(jìn)行了數(shù)值模擬。由于研究的是使用短脈沖的增益動態(tài)與波長的關(guān)系,因此模型必須包括帶內(nèi)現(xiàn)象(譜孔燃燒(SBH)和載流子加熱(CH)),因為它們會對增益動態(tài)以及影響受激載流子恢復(fù)的飽和效應(yīng)產(chǎn)生影響 [18]。文獻(xiàn)[14、15、16]中使用的模型忽略了這些貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[8]使用的模型考慮了超快現(xiàn)象,但沒有包括飽和效應(yīng)。最后,在 [17] 中,作者假設(shè)脈沖響應(yīng)函數(shù)由指數(shù)衰減之和組成。他們選擇的衰減率與實驗數(shù)據(jù)相吻合。雖然這種經(jīng)驗?zāi)P秃苓m合擬合單一波長的結(jié)果,但并不適合探索波長依賴性。我們使用的是文獻(xiàn)[18]中開發(fā)的模型,該模型與文獻(xiàn)[3]中的實驗結(jié)果吻合良好。

本文的其余部分安排如下。首先,詳細(xì)介紹實驗裝置。然后在第 3 部分介紹并討論實驗結(jié)果。受限于鎖模激光器的可調(diào)諧性,我們模擬了更大范圍內(nèi)的增益動態(tài),并在第 4 部分給出了模擬結(jié)果。最后,我們總結(jié)了這項工作的主要發(fā)現(xiàn)并得出結(jié)論。

2. 單色泵探頭設(shè)置

飛秒脈沖由重復(fù)頻率為 20 MHz 的單個可調(diào)諧鎖模激光器 (Pritel) 產(chǎn)生,用于探測體 SOA 的增益恢復(fù)。激光器的可調(diào)范圍從 1530 納米到 1560 納米。因此,實驗結(jié)果僅限于這一波長范圍。為確保探頭和泵浦之間的完美定時和精確波長匹配,MLL 發(fā)出的脈沖由一個 3 dB 耦合器分割。在圖 1 中,泵浦脈沖按逆時針方向移動,通過光學(xué)循環(huán)器,然后通過偏振控制器 (PC),進(jìn)入被測 SOA。順時針移動的探測脈沖從 3 dB 耦合器出來,經(jīng)過光延遲線 (ODL)、可變光衰減器 (VOA) 和 PC。然后,順時針方向的探測脈沖進(jìn)入被測設(shè)備--Optospeed SOA 1550 MRI X1500 型,這是一個體InP/InGaAsP放大器,當(dāng)偏壓為 500 mA 時,峰值增益波長為 1560 nm。探測脈沖通過 SOA 后,從端口 2 進(jìn)入環(huán)行器,從端口 3 流出,然后進(jìn)入光學(xué)可調(diào)諧帶通濾波器 (BPF);BPF 以最大激光波長為中心,以減少 SOA 產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射 (ASE)。使用分辨率為 0.01 nm 的 ANDO 光學(xué)光譜分析儀測量了環(huán)路內(nèi)部的激光光譜。根據(jù)測量到的光譜,估計泵浦和探針脈沖寬度為 2 ps(由于光纖中的色散)。ODL 的時間分辨率為 3.3 ps。

3. 實驗結(jié)果

雖然脈沖激光的光譜大于 BPF 的 3 dB 帶寬(1.25 nm),但接收信號的頻率內(nèi)容最終受限于光電探測器(PD)的電帶寬,而不是光學(xué) BPF。使用的光電探測器是安捷倫 86116A,3 dB 帶寬為 50 GHz。利用 ODL,我們可以改變探測脈沖和泵浦脈沖之間的相對延遲。在每個時間步長上,BPF 都會重新居中,以最大限度地提高電輸出脈沖的峰值電壓。然后,針對每個泵浦-探頭延遲值,逐點建立恢復(fù)曲線。因此,實驗結(jié)果并不取決于電子電路的脈沖響應(yīng)。時間分辨率由最小泵浦-探針時間延遲決定。請注意,由于 BPF 在每個點都會重新調(diào)整,因此 SOA 引起的啁啾不會影響測量的恢復(fù)。探頭極化的設(shè)置是為了在放大器中沒有泵時(脈沖之間的延遲較大)最大化探頭脈沖增益。當(dāng)兩個信號都出現(xiàn)在 SOA 中時,泵極化的調(diào)整是為了最小化探頭信號的增益。因此,探頭和泵浦信號都對準(zhǔn)最大 SOA 增益極化。我們將平均探測功率設(shè)為 -32 dBm,平均泵浦功率設(shè)為 -13 dBm。

我們實驗的時域解釋如下:泵浦脈沖的能量約為 1.7 pJ(假設(shè)為高斯脈沖形狀),通過 SOA 時完全飽和,觀察不到任何顯著增益。反向傳播的探測脈沖能量比泵脈沖小得多,約為 20.5 fJ,在通過 SOA 時被放大。探針觀測到的增益取決于其通過時間(相對于泵浦脈沖)和功率。由于脈沖的 FWHM(全寬半最大值)約為 2 ps,因此可以在時域中以高分辨率對增益恢復(fù)進(jìn)行采樣,但受限于所用延遲線的精度(3.3 ps)。

在 MLL 可調(diào)范圍內(nèi)的五個波長上對 SOA 的增益恢復(fù)行為進(jìn)行了采樣;提供了 1530、1542 和 1555 nm 波長的詳細(xì)結(jié)果。放大器注入電流設(shè)定為 500 mA。我們掃描了泵浦和探頭信號到達(dá) SOA 的時間延遲,負(fù)相對延遲表示探頭先于泵浦到達(dá)。在接收器上,測量給定相對時延下探頭信號的增益。由于增益通常因波長而異,我們繪制了每個波長的檢查歸一化增益,定義如下:

在每個波長上,GSAT 是飽和增益,GSS 是小信號增益。這些增益值是根據(jù)測量到的光電檢測電壓推斷出來的,如 (1) 所示,下文將對此進(jìn)行解釋。每個相對延遲都會記錄探測脈沖的峰值電壓。最小峰值電壓(Vmin)和最大峰值電壓(Vmax)分別決定了該波長的飽和增益和小信號增益。

圖 2(a) 顯示了 1530、1542 和 1555 nm 波長下探針歸一化增益與泵浦-探針相對延遲的關(guān)系。請注意,這種實驗技術(shù)不僅能獲得時間常數(shù) τ,還能獲得完整的增益恢復(fù)動態(tài)。這些曲線展示了半導(dǎo)體放大器增益的典型時間演化過程:快速耗盡(由泵到達(dá)時探針已在 SOA 上造成),隨后是快速(最初幾個 ps)和較慢的恢復(fù)(由探針在泵耗盡載流子后到達(dá)造成)[7]。從圖中可以看出,在我們測量的 3.3 ps 分辨率范圍內(nèi),我們沒有在快速恢復(fù)中檢測到任何明顯的波長依賴性,這也是其他人的報告 [4]。不過,在 [8] 等人的研究中,我們觀測到了快速恢復(fù)隨波長的變化。我們在這里的研究重點是透明度以上波長的慢恢復(fù)部分。與最初的快速恢復(fù)不同,注入、輻射和非輻射重組導(dǎo)致的慢速恢復(fù)明顯與波長有關(guān)。在圖 2(b)中,實線表示增益恢復(fù)時間 τ 與波長的函數(shù)關(guān)系。請注意,實線是對同圖所示實驗點的樣條擬合。圖 2(b) 中的虛線是我們 SOA 的光纖間增益譜,比例尺在右側(cè)。我們可以看到,增益恢復(fù)時間與波長的函數(shù)關(guān)系與增益譜的形狀相似。結(jié)果顯示增益恢復(fù)常數(shù)的變化范圍為 193 至 230 ps。這是因為從飽和值(隨波長略有不同[19])恢復(fù)到較低的穩(wěn)態(tài)值比恢復(fù)到較高的穩(wěn)態(tài)值要快。這表明增益恢復(fù)與波長的關(guān)系是由不同波長的飽和度和增益共同決定的。雖然載流子在帶隙附近補(bǔ)充得更快,但穩(wěn)態(tài)增益也更高[19, 4],從而導(dǎo)致增益恢復(fù)的凈增加。為了評估所使用技術(shù)的有效性,我們還測量了不同偏置電流和飽和度下的恢復(fù)。

圖 3(a)顯示,正如幾項研究(前[3, 11])所報告的那樣,較高的偏置和較深的飽和會導(dǎo)致更快的恢復(fù)。此外,圖 3(b) 顯示,使用由兩個指數(shù)衰減組成的脈沖響應(yīng)函數(shù) [17],可以很好地擬合 410 毫安時的實驗傳輸。

--未完待續(xù)--

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原文標(biāo)題:SOA 增益恢復(fù)波長依賴性:使用單色泵浦探針技術(shù)進(jìn)行模擬和測量(一)

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    OPSL 優(yōu)勢1:波長靈活性

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    OPSL 優(yōu)勢1:<b class='flag-5'>波長</b>靈活性