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)用耦合器和濾波器。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。

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