单区量子点锁模激光器的锁模机理及输出特性研究

Quantum dot mode-locked lasers (QD MLLs) have the advantage of generating fast and high repetition rate pulses due to their properties of low threshold current, fast carrier dynamics, inhomogeneous broadening and high temperature stability. They can be used in the high speed optical communications, analog-to-digital conversion and high speed electro-optic sampling systems, etc. Single-section QD MLLs are more favorable in generating high repetition rate pulses with the advantages of short cavity length, low dispersion and simple structure, which have attracted more and more attentions. However, the research on the single-section QD MLL is currently limited and the locking mechanism has not been well studied yet. This project will focus on the research of locking mechanism of the single-section QD MLL, including (1) modeling of single-section QD MLLs, analyzing the contributions of differential pumping, four-wave mixing, and Kerr-lens effects on mode-locking, and comparing their importance; (2) studying dispersion and nonlinear effects on the output performance of the lasers; (3) fabricating devices according to the model, verifying the above effects and optimizing the designs. In this project, a comprehensive model for single-section QD MLLs will be established, which will provide an effective tool for the design and optimization of QD MLLs. It will pave.the way towards the research on ultrafast and short pulse generations.

量子点锁模激光器因其阈值电流低、载流子动力学快、增益谱宽、温度稳定性高等特点，在超快及高频脉冲产生方面具有独到的优势，可用于高速光通信、模数转换、高速光电采样等系统中。近年来，出现了一种新型的单区量子点锁模激光器，其腔长短、色散小、结构简单的特点更加有利于高频脉冲的产生，因而引起了越来越多的关注。目前，对单区锁模激光器的研究相对有限，相关理论较为缺乏，不利于器件的设计和优化。针对这一问题，本项目将开展器件锁模机理方面的研究，具体内容包括：（1）对单区量子点锁模激光器建模，分析并比较差别泵浦、四波混频和克尔-棱镜效应对锁模的贡献;（2）研究色散和非线性效应对激光器输出特性的影响，完善器件模型;（3）制备器件，验证锁模机理及色散和非线性效应的影响，优化锁模，获得超窄脉冲输出。本项目的实施将建立一套准确的器件模型，对单区量子点锁模激光器的设计和优化，以及实现超快高频脉冲输出具有重要意义。

该项目的主要结果包括五个方面：用单区量子点锁模激光器产生超高频脉冲；用双腔反馈的方法改进单区量子点锁模激光器的锁模性能；将InAs/InP量子阱生长在InP-Si键合衬底上；用宽带光源和延迟线结构产生双通道的微波光子滤波器(MPF)和用注入锁定产生射频信号。.首先，在产生超高频脉冲中，将量子点激光器与法布里-布拉格光栅相结合，量子点激光器作为增益介质提供增益和基本的纵模，法布里-布拉格光栅放置在外腔中进行模式选择。被光栅选中的纵模获得增益得到放大，未被选中的纵模受到抑制。通过控制外腔中光栅的个数和间距，获得不同的重复频率。.其次，在量子点激光器锁模性能的改善中，将单区量子点锁模激光器与一个50%：50%的2x2分光器的一侧一个端口相连接，这一侧的另一个端口用来观测输出信号。该分光器的另一侧的两个端口通过一个基于光纤的偏振光束分束器（PBC）相连，形成两个长度相同的反馈回路。在分光器的这两个端口和PBC之间各加上一个偏振控制器 （PC1和PC2），这时两个反馈回路的反馈强度可通过控制这两个PCs的偏振方向来调节，可将单区量子点锁模激光器的RF线宽从100 KHz量级降低至1 KHz量级。.第三，将InAs/InP量子阱结构生长在InP-Si键合衬底上，获得了与只生长在InP衬底上的量子阱相似的发光PL谱线和强度。通过XRD扫描和TEM照片表明样品质量较好，结构和厚度与设计相符。.第四，设计用宽带光源（BOS）和延迟线结构产生了通带可调和频率可调的双通道微波光子滤波器（MPF）并在实验上得到了验证。在MPF中，BOS通过一个马赫-曾德尔干涉仪（MZI），干涉仪的上臂中有一个相位调制器，经过调制的光和干涉仪下臂的光结合后通过一段延迟线，然后用光电探测器进行探测。带通滤波器的中心频率由MZI的上臂和下臂的长度差决定。在该MZI中增加一个下臂，可获得MPF的第二个通带。两个通道的转换可通过两个下臂中光波的偏振状态来分别独立控制，或平行于上臂，或垂直于上臂。而通带的中心频率可通过两个下臂的时间延迟来独立调节。该设计在实验上获得了验证。.最后，用注入锁定的方法产生高频率射频信号，然后结合光电振荡器和宇称-时间对称，降低射频信号的线宽和相噪，同时避免了电放大器的使用，降低了成本。