DCG-DBR调谐半导体激光器附加相位噪声研究与窄线宽新机制探索

In this project, we will focus on theoretical and experimental studies of excess phase noise l in the digital concatenated grating reflectors (DCR-DBR) tunable semiconductor laser, which is developed by ourselves and based on selves-owned IP. Specifically two main tasks will be involved: first, a phase noise model will be developed, to recognize linewidth broadening of such devices, and then phase noise will be characterized by using a novel detection technique for laser phase noise measurements and linewidth will be estimated; second, narrowing linewidth will be investigated by using digital concatenated grating with multiple phase shifts (MPSDCG) reflectors and thermal tuning mechanism. .The main overall objective of this project is to achieve narrow linewidth tunable semiconductor lasers, by carrying out studies on linewidth broadening of the devices, and combining with improvements on our DCG-DBR lasers. The output of this project will provide a good groundwork for developments of narrow linewidth tunable semiconductors in terms of analysis, characterization and design. Narrow linewidth tunable semiconductor lasers are key devices for high-speed coherent optical communication systems and high-resolution sensor applications.

本项目拟以我们拥有自主知识产权的数字级联光栅布拉格反射器（DCG-DBR）调谐半导体激光器为基础，展开相关器件相位噪声的理论和实验研究。通过建立器件的噪声理论模型，研究调谐过程中附加相位噪声导致线宽展宽的物理机理。在此基础上，采用先进的实验手段，检测相位噪声，并提取附加噪声分量，对线宽展宽进行评价。提出采用多相移数字级联光栅反射器（MPSDCG）和热调谐机制相结合，探索抑制相位噪声有效途径，以实现窄线宽输出。.本项目以窄线宽可调谐光源为研究目标，将深入研究调谐半导体激光器的线宽展宽机理的基础研究与提升自主研发的DCG-DBR激光器性能的应用研究紧密结合、共同实施。通过该项目的研究，可以为研发窄线宽可调谐半导体激光器奠定先进的理论分析、实验测试、器件设计的基础。窄线宽可调谐半导体激光器在下一代高速相干光通信、高精度相干检测系统有重要应用价值。

窄线宽可调谐半导体激光器在下一代高速相干光通信、高精度相干检测系统有重要应用。本项目将深入研究调谐半导体激光器的线宽展宽机理与提升自主研发激光器性能紧密结合、共同实施。.首先，研究了DBR型激光器在调谐过程中的附加相位噪声。基于传输线方法构建了含“噪声源”的动态模型，对自发辐射噪声、载流子散粒噪声以及1/f噪声进行了模拟研究，分析了了不同噪声源对 FM噪声谱的贡献以及线宽展宽随调谐节电流的变化趋势。并对激光器相位噪声进行了实际测量。研究了非线性增益引起模式特性变化对激光器相位噪声的影响。研究结果表明：载流子散粒噪声与调谐电流相关，可导致超过1个数量级以上的线宽展宽。.其次，研究了两种压窄线宽措施。① MPSDCG反射器： 通过优化纳米压印工艺，制备出了MPSDCG光栅结构，SEM测试结果表明，制作的光栅侧壁垂直度较好，形貌符合要求，可清楚地观察到相移。对MPSDCG反射器压窄线宽的作用进行了分析与评价，结果表明，与DCG反射器相比，MPSDCG有效长度略长，对噪声有一定的抑制，但作用有限。②热调谐机制：提出一种将空气隙与周期性的侧向梁柱支撑结构相结合的新颖热调谐结构。经过反复摸索工艺实践，成功制备出新型热调谐结构，并采用双金属结构代替单金属结构制作加热器降低了功耗。进一步采用热反射技术对制备的调谐结构进行了热特性测量。研究结果表明，在保证调谐效率的前提下，新型热调谐结构可有效改善响应速度和机械稳定性；激光器采用热调谐机制可有效降低附加相位噪声，线宽可压窄1个数量级。研制出热调谐激光器原型器件，线宽约为500 kHz。.项目取得了一系列研究成果，这些研究成果有助于理解DBR型激光器的附加相位噪声机制和掌握抑制噪声的方法，并对相关器件设计和系统应用具有很好的指导意义。