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Photon. Res.封面故事

巴黎薩克萊大學(xué) (Université Paris-Saclay)的J. M. Sarraute等人利用光注入鎖定增益杠桿激光的非線性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了在對其他方面不造成負面影響的情況下將電光3 dB調(diào)制帶寬推進至接近100 GHz。

研發(fā)工作頻率超過100 GHz的超快芯片，對于提升光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量至關(guān)重要。這一技術(shù)突破會對5G無線網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)以及長途骨干網(wǎng)帶來直接沖擊，使人們離“網(wǎng)絡(luò)社會”越來越近。然而，作為實現(xiàn)超高調(diào)制帶寬首選方案的復(fù)雜調(diào)制格式+數(shù)字信號后處理技術(shù)，往往會由于電子處理所致的延遲時間長而造成嚴(yán)重的通信瓶頸。

要實現(xiàn)低成本、高效率的光纖通信，必須設(shè)計一個簡單而緊湊的能夠?qū)崿F(xiàn)超高帶寬調(diào)制的方案。由直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器構(gòu)建的直接檢測系統(tǒng)提供了這樣一種解決思路。在這些系統(tǒng)中，直接調(diào)制激光器的電光3 dB調(diào)制帶寬（GHz量級）是最為重要的品質(zhì)因子，其決定了可實現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)率（Gbps量級）。

因而為了保持?jǐn)?shù)據(jù)率的進一步提高，在對其他方面不造成負面影響的情況下增大電光3 dB調(diào)制帶寬是十分必要的。這一改進通常是通過開發(fā)新型平面半導(dǎo)體材料或者通過利用諸如光注入鎖定增益杠桿激光之類的非線性結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。后者正是J. M. Sarraute等人在本項研究中提出的解決思路。這一工作發(fā)表在Photonics Research 2017年第5卷第4期上(J. M. Sarraute, et al., Effects of gain nonlinearities in an optically injected gain lever semiconductor laser )。

圖：光注入增益杠桿半導(dǎo)體激光器的調(diào)制帶寬表現(xiàn)。上圖：激光器結(jié)構(gòu)示意圖。包含一個短的調(diào)制部分和一個長的增益部分的增益杠桿激光器與外部主激光器耦合在一起。下圖：處于光注入增益杠桿激光器的穩(wěn)定鎖定區(qū)域的3 dB調(diào)制帶寬，增益杠桿激光器兩個部分的損耗率比g=10，增益壓縮因子ε = 10−16 cm3。

如圖所示，增益杠桿激光由一個短的調(diào)制部分和一個長的由連續(xù)波偏置的增益部分構(gòu)成。為了使得增益杠桿效應(yīng)最大化，增益部分偏置于高增益水平，而調(diào)制部分偏置于低增益水平。在這種情況下，系統(tǒng)會產(chǎn)生強的射頻光學(xué)增益，從而導(dǎo)致電光3 dB調(diào)制帶寬的增加。為了進一步增強調(diào)制動力學(xué)，增益杠桿激光器與外部主激光器耦合在一起。特別是，當(dāng)注入光的強度和兩個激光器的頻率失諧處于特定范圍時，注入鎖定機制就會發(fā)生，從而將電光3 dB調(diào)制帶寬推進至接近100 GHz。

在該工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)，與直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器不同，由非線性增益所致的壓縮因子并不影響動力學(xué)表現(xiàn)。例如，計算表明，當(dāng)考慮通常的注入強度時，高增益杠桿效應(yīng)和相對大的壓縮值可以使調(diào)制帶寬達到約85 GHz，這比沒有增益杠桿的自由運轉(zhuǎn)激光器高四倍。

概括起來，這些結(jié)果為開發(fā)可同時實現(xiàn)光的直接調(diào)制和高速運轉(zhuǎn)的新型寬帶光源提供了切實可行的理論指南。未來工作將致力于挖掘能實現(xiàn)大壓縮因子的量子點激光器的潛力。

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