锁模二极管激光器 Mode-locked diode lasers

2022-11-08 15:39:00 浏览:243

定义

用于产生超短脉冲的主动、被动或混合锁模二极管激光器。

二极管激光器可用于产生超短脉冲 - 可以使用本文中讨论的各种模式锁定技术,也可以使用增益开关。 通常,持续时间在 0.5 到 5 ps 之间、脉冲重复频率在 1 GHz 和数百 GHz 之间的脉冲是通过模式锁定生成的。 在极端情况下,重复率甚至可以超过1 THz [8]。 超快二极管激光器的主要应用是光纤通信系统,其中这种激光器用作快速数据发射器的脉冲源或用于全光信号处理。

二极管激光器的模式锁定技术

以下技术可用于二极管激光器的模式锁定:

主动模式锁定

主动模式锁定可以通过激光谐振器中的光调制器来完成。 这通常是具有一定调制电压的未泵浦区域形式的电吸收调制器,或者是调制驱动电流的放大部分。

被动模式锁定

被动模式锁定依赖于谐振器中的可饱和吸收器。 这可以只是设备的未泵送部分。 通常应用电偏置来调整吸收器性能。 但是,这种吸收器的恢复时间相当长。 例如,通过注入氮气(Nor N+2+) 来自一个面的离子。 这引入了晶体缺陷,载流子可以重新组合。

吸收器通常放置在谐振器端,但也可以放置在谐振器内的某个位置,以便不同的脉冲可以在吸收器中相遇(碰撞脉冲模式锁定)。

混合模式锁定

混合模式锁定(图1)是主动和被动模式锁定的组合。 通过这种方法,可以在外部控制脉冲定时,如在主动锁模激光器中,同时还可以像在被动锁模器件中那样实现更短的脉冲持续时间。

图1:两个外腔混合锁模二极管激光器的设置。版本(a)使用调制注入电流和氮气注入的可饱和吸收器,而版本(b)具有调制吸收器部分。

在大多数情况下,需要多段半导体结构,不仅包含增益部分,还包含吸收器或调制器部分,以及可能的附加装置,例如重复速率控制。

单片激光器与外腔激光器

对于大致低于10 GHz的脉冲重复频率,通常需要外部腔体设置,因为单片器件会变得太长。 激光谐振器的一端通常具有半导体芯片,并配有体光学元件,至少是准直透镜(例如GRIN透镜)和端镜。

另一种技术方法是将半导体芯片集成到由光学单模光纤制成的环形激光谐振器中。 在后一种情况下,谐振器通常要长得多,并且允许使用光纤组件。 然后,半导体器件可以是光纤耦合半导体光放大器(SOA)。

外腔激光器具有多种优点:

  • 脉冲重复率可以在很宽的范围内选择,并且可以很容易地调谐,例如通过移动端镜,或者通过光纤谐振器通过用压电换能器拉伸一块光纤。
  • 可以插入滤光片来固定发射波长,或使用衍射光栅作为端镜(Littrow配置;参见外腔二极管激光器的文章)。
  • 即使对于需要谐波模式锁定的较高脉冲重复率,外腔器件也可能是有利的,因为它们具有降低激光噪声的潜力,例如以定时抖动的形式。 然而,护士特性至少比增益开关二极管激光器要好得多。

因此,锁模外腔二极管激光器有时会在单片半导体激光管不适合的领域与锁模光纤激光器竞争。 另一方面,具有基本模式锁定功能的单片设置可以非常紧凑,制造成本低得多,并且可以表现出非常强大的脉冲发射。

局限性

尽管锁模二极管激光器可以是非常紧凑和坚固的设备,特别适合光纤通信系统,但它们受到各种限制,这使得它们无法达到锁模光纤激光器的全部性能潜力:

  • 脉冲能量相当有限 - 通常远低于1 pJ。 平均输出功率通常低于1 mW。 由于上状态寿命短,超快半导体激光器通常不适合较低的重复率,例如远低于1 GHz,除非是同步泵浦。
  • 虽然半导体的增益带宽与几十飞秒的脉冲持续时间兼容,但实现的脉冲持续时间通常要长得多——至少数百飞秒,通常是皮秒。 脉冲形成动力学相对复杂,例如由于与增益饱和相关的非线性相变,并且难以优化。
  • 脉冲质量通常不如锁模光纤激光器。 特别是,通常存在额外的卫星脉冲,例如由增透膜的缺陷引起。 此外,脉冲经常啁啾,即它们不受带宽限制。
  • 定时抖动和其他脉冲参数的噪声高于其他锁模激光器。 这部分是低功率水平的结果。

其他锁模半导体激光器

二极管激光器并不是唯一可以锁模的半导体激光器。 还有垂直外腔表面发射激光器,可以进行光泵浦。 这种方法具有更高的脉冲能量和高达几瓦的平均输出功率的潜力,并且还被证明可以在从几千兆赫到几十千兆赫的宽脉冲重复率范围内工作。 这种激光器可以在某些领域,特别是对于高脉冲重复率,甚至可以与锁模掺杂绝缘体体激光器相媲美。

参考文献

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脉冲

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