王帥坤， 仲 莉， 林 楠， 劉素平， 馬驍宇

（1.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 光電子器件國家工程研究中心， 北京 100083；2.中國科學(xué)院大學(xué) 材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院， 北京 100049）

1 引 言

被動(dòng)鎖模光纖激光器具有光束質(zhì)量高[1]、環(huán)境穩(wěn)定性好、易散熱等優(yōu)點(diǎn)，因而在科研和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。例如，超快光譜學(xué)、非線性顯微鏡、激光微加工等[3-6]。半導(dǎo)體可飽和吸收鏡[7]（SESAM）因具有自啟動(dòng)、設(shè)計(jì)靈活、插入損耗小、參數(shù)可精確調(diào)控等優(yōu)勢(shì)[8-10]，被廣泛用作實(shí)現(xiàn)被動(dòng)鎖模的關(guān)鍵元件，應(yīng)用于科研及商業(yè)領(lǐng)域。

近年來，國內(nèi)外的研究人員在SESAM 鎖模的光纖激光器方面取得了一些重要進(jìn)展。2018 年，比利時(shí)報(bào)道了1 030 nm 的SESAM 鎖模光纖激光器，產(chǎn)生脈沖能量0.22 nJ、脈沖寬度6.5 ps、光譜寬度7 nm 的種子光[11]。2022 年，韓國研究團(tuán)隊(duì)提出了一種SESAM 鎖模的全保偏環(huán)形腔光纖振蕩器，獲得了波長(zhǎng)1 030 nm 的穩(wěn)定鎖模，其光譜寬度為3.6 nm，經(jīng)三級(jí)光纖放大后將輸出功率提高到11.3 W[12]。國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)如西安光機(jī)所、北京工業(yè)大學(xué)等也進(jìn)行了相關(guān)研究。2018 年，西安光機(jī)所使用窄帶濾波器進(jìn)行脈沖整形，獲得了中心波長(zhǎng)1 030 nm、光譜寬度4 nm、脈沖寬度20.6 ps的鎖模脈沖[13]。2021 年，北京工業(yè)大學(xué)以自制的InGaAs/AlGaAsP 多量子阱（MQW）結(jié)構(gòu)的SESAM作為鎖模器件，獲得了中心波長(zhǎng)1 064 nm、脈沖寬度22 ps、光譜寬度0.19 nm 的輸出脈沖。其鎖模輸出特性表明，SESAM 的調(diào)制深度對(duì)脈沖寬度有顯著影響，高調(diào)制深度有利于光纖激光器的鎖模[14]。2023 年，西南技術(shù)物理所搭建了基于非保偏線形腔SESAM 鎖模的摻鐿光纖激光器，在沒有任何腔內(nèi)色散補(bǔ)償和外部偏振控制的情況下，獲得了中心波長(zhǎng)1 064 nm、脈沖寬度12.51 ps、光譜寬度0.32 nm、輸出功率2 mW 的鎖模脈沖[15]。

但是，國內(nèi)外對(duì)于不同SESAM 結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)對(duì)鎖模脈沖輸出特性影響規(guī)律的研究大多處于理論狀態(tài)，具體實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少，難以在實(shí)際工程技術(shù)中準(zhǔn)確設(shè)計(jì)和選擇合適的SESAM 結(jié)構(gòu)并優(yōu)化超短脈沖光纖激光器的性能。因此，本文基于自主研發(fā)的SESAM 器件，搭建了線型腔全保偏皮秒脈沖光纖激光器，研究了具有不同吸收層結(jié)構(gòu)和不同量子阱（QW）數(shù)量的SESAM 對(duì)激光器輸出特性的影響，為SESAM 的設(shè)計(jì)和選型提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并在優(yōu)化和調(diào)整SESAM 鎖模光纖激光器的性能方面具有重要參考價(jià)值。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 SESAM 結(jié)構(gòu)、制備及參數(shù)

本文所用SESAM 材料采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)制備，包括GaAs 襯底、GaAs 緩沖層、分布式布拉格反射鏡層（DBR）、隔離層、可飽和吸收層、蓋帽層。DBR 由30 對(duì)GaAs/AlGaAs 層（Al 的組分為0.9）組成。

本文研究了四種不同的SESAM，主要區(qū)別在于可飽和吸收層的結(jié)構(gòu)不同，分別為7，14，30 個(gè)周期的多量子阱和體材料。多量子阱和體材料是可飽和吸收體的兩種不同結(jié)構(gòu)，都可以利用其特殊的電子能級(jí)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的非線性吸收，可以實(shí)現(xiàn)鎖模并窄化脈沖寬度。圖1 為多量子阱和體材料SESAM 的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 多量子阱（左）及體材料（右）SESAM 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the MQW（left） and bulk material（right） SESAM structure

多量子阱SESAM 的可飽和吸收層為應(yīng)變補(bǔ)償多量子阱結(jié)構(gòu)，每對(duì)量子阱由厚度10 nm 的GaAsP 張應(yīng)變量子壘層和厚度10.08 nm 的In-GaAs 壓應(yīng)變量子阱層（In 組分為0.25）交叉疊設(shè)而成，生長(zhǎng)溫度為530 ℃，其余層生長(zhǎng)溫度為690 ℃。在可飽和吸收層底部和頂部分別設(shè)有GaAs 隔離層和蓋帽層，厚度均為4 nm。常規(guī)的InGaAs/GaAs 多量子阱結(jié)構(gòu)在GaAs 襯底上生長(zhǎng)InGaAs 量子阱時(shí)，具有較大的壓應(yīng)變，因此量子阱周期數(shù)受到應(yīng)變弛豫限制，周期數(shù)較多時(shí)會(huì)使材料質(zhì)量惡化。而本文中所采用的GaAsP/In-GaAs 量子阱通過GaAsP 的張應(yīng)變補(bǔ)償InGaAs 的壓應(yīng)變，可以提高材料質(zhì)量，增加量子阱周期數(shù)[10]。此外，由于量子阱的量子尺寸效應(yīng)，其電子能級(jí)可以通過改變量子阱的厚度和組分來調(diào)整，因此可以靈活地設(shè)計(jì)可飽和吸收體的吸收特性。但要獲得期望的電子能級(jí)結(jié)構(gòu)，需要對(duì)多量子阱材料的厚度和組分進(jìn)行精確控制，工藝容差小。

而體材料SESAM 的不同之處在于其可飽和吸收層僅由單一組分的InGaAs 體材料構(gòu)成。生長(zhǎng)GaAs 隔離層后，在530 ℃下外延生長(zhǎng)一層74 nm 厚的InGaAs 材料層，無需進(jìn)行不同材料層的交替生長(zhǎng)。體材料的電子能級(jí)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，不易受到制備過程中微小變化的影響，工藝難度較低。在相同的調(diào)制深度下，體材料吸收層厚度更薄，減少了生長(zhǎng)成本。在相同厚度下，體材料吸收層的調(diào)制深度更大但雜質(zhì)和缺陷更多，會(huì)有較大的非飽和損耗。而且體材料電子能級(jí)結(jié)構(gòu)不能像量子阱那樣可以通過改變尺寸來調(diào)整，限制了其應(yīng)用和性能。

利用非線性測(cè)試裝置測(cè)得四種SESAM 的具體參數(shù)，如表1 所示，包括線性反射率Rlin、飽和反射率Rns、飽和通量Fsat,A、調(diào)制深度ΔR、非飽和損耗ΔRns、損傷閾值Fd、吸收率A0、弛豫時(shí)間τ。

表1 四種SESAM 的具體參數(shù)Tab.1 Parameters of four SESAM

從表1 中可以看出，7，14，30 個(gè)周期量子阱的SESAM 調(diào)制深度逐漸增加，體材料SESAM 的調(diào)制深度與14 個(gè)周期量子阱的SESAM 相同。7，14 個(gè)周期量子阱的SESAM 非飽和損耗較小，30 個(gè)周期量子阱的SESAM 非飽和損耗較大。

調(diào)制深度是指脈沖通量遠(yuǎn)大于飽和吸收通量時(shí)反射率的變化[16]，即飽和反射率Rns和線性反射率Rlin之差。量子阱數(shù)量越多，可飽和吸收層越厚，對(duì)光的非線性吸收能力越強(qiáng)，使得反射率變化增大，調(diào)制深度也隨之增大。

非飽和損耗指的是吸收體完全飽和時(shí)仍然存在 的 損 耗[16]，即1 -Rns。包 括DBR 反 射 率 不 足100%的部分、表面粗糙造成的散射損耗、缺陷和雜質(zhì)的吸收損耗等，主要影響脈沖輸出功率。本文所用SESAM 的非飽和損耗差異主要來自吸收體中缺陷和雜質(zhì)的吸收損耗。7，14 個(gè)周期量子阱的SESAM 可飽和吸收層厚度較薄，產(chǎn)生的雜質(zhì)和缺陷較少。但30 個(gè)周期量子阱的SESAM 可飽和吸收體厚度較大，產(chǎn)生的缺陷和雜質(zhì)更多，因此非飽和損耗更大。體材料SESAM 的可飽和吸收體為單層整體生長(zhǎng)，產(chǎn)生的缺陷較多，但整體厚度較小，因此非飽和損耗略有增加。

可見，可飽和吸收層結(jié)構(gòu)對(duì)SESAM 參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在調(diào)制深度和非飽和損耗。量子阱數(shù)量越多，調(diào)制深度越大，但量子阱數(shù)量過多時(shí)，會(huì)使得SESAM 具有較大的非飽和損耗。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)搭建了基于SESAM 鎖模的全保偏皮秒脈沖光纖激光器，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2 所示。激光器采用線型腔結(jié)構(gòu)，將自主研制的SESAM 作為鎖模器件，所用SESAM 尺寸為2 mm×2 mm，并通過波分復(fù)用器（WDM）尾纖上的FC/PC 光纖跳線端面與SESAM 耦合。中心波長(zhǎng)1 030 nm、光譜帶寬0.2 nm、反射率為60%的光纖布拉格光柵（FBG）作為另一端腔鏡，用于波長(zhǎng)選擇和激光耦合輸出。增益介質(zhì)為50 cm 長(zhǎng)的單包層保偏摻鐿光纖（Yb300-6/125-PM），纖芯直徑為6 μm，包層直徑為125 μm，數(shù)值孔徑為0.12，在976 nm 處的吸收系數(shù)為300 dB/m。所用泵浦源為帶尾纖的976 nm 單模半導(dǎo)體激光器，最高輸出功率為320 mW，帶有溫控系統(tǒng)以保持輸出功率穩(wěn)定性，并添加了泵浦保護(hù)器以防止回光損傷。使用WDM 將泵浦光耦合進(jìn)線型腔中。輸出端熔接保偏光纖隔離器（ISO），用以消除回光對(duì)鎖模穩(wěn)定性的影響。所有器件均使用保偏光纖連接，傳輸線偏振光。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup

3 結(jié)果與討論

3.1 脈沖波形隨泵浦功率的變化

首先探究了脈沖波形隨泵浦功率的變化過程。將SESAM 接入諧振腔中，采用帶寬為4 GHz的高速示波器（Agilent, DSO7104B）配合光電探測(cè)器（Thorlabs PDA015C/M）對(duì)輸出脈沖波形隨泵浦功率的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

逐漸增大泵浦功率，示波器的波形經(jīng)歷如圖3（a）～（d）所示的變化。當(dāng)泵浦功率較低時(shí)，SESAM 未達(dá)到飽和，僅有連續(xù)光輸出，隨著泵浦功率增加會(huì)出現(xiàn)如圖3（a）所示的無序巨脈沖。繼續(xù)增加泵浦功率，巨脈沖逐漸增多并達(dá)到平齊，此時(shí)為調(diào)Q狀態(tài)，如圖3（b）所示。

圖3 SESAM 鎖模建立過程中示波器波形變化。 （a）無序巨脈沖；（b）調(diào)Q；（c）連續(xù)鎖模；（d）雙脈沖Fig.3 Oscilloscope waveform evolution during the SESAM mode-locking establishment process.（a）Disordered giant pulse.（b）Q-switch.（c）Continuous-wave mode-locked.（d）Double pulse

當(dāng)泵浦功率達(dá)到鎖模閾值時(shí)，出現(xiàn)圖3（c）所示的穩(wěn)定的連續(xù)鎖模脈沖。四種SESAM 均實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定鎖模。由于沒有改變腔形結(jié)構(gòu)以及腔長(zhǎng)，輸出脈沖重復(fù)頻率保持不變，均為27 MHz，與激光器腔長(zhǎng)3.8 m 對(duì)應(yīng)。

當(dāng)泵浦功率超過穩(wěn)定鎖模范圍時(shí)，SESAM 的吸收損耗難以與增益平衡，因此由單脈沖分裂為多脈沖，增大吸收作用，脈沖波形如圖3（d）。

3.2 鎖模區(qū)間和輸出功率

不同的SESAM 吸收層結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)輸出脈沖的鎖模區(qū)間及輸出功率產(chǎn)生影響。鎖模區(qū)間是激光器保持鎖模狀態(tài)的泵浦功率范圍。使用光功率計(jì)（Thorlabs S145C）對(duì)輸出功率進(jìn)行測(cè)量。由于激光器種子源輸出功率較小，單點(diǎn)記錄容易造成測(cè)量誤差。為了保證結(jié)論的嚴(yán)謹(jǐn)性，我們?cè)跍y(cè)量輸出功率時(shí)采用單點(diǎn)多次測(cè)試與換點(diǎn)測(cè)試同時(shí)進(jìn)行的方法來確定誤差棒，功率測(cè)量波動(dòng)在5%以內(nèi)，誤差較小。圖4 為四種SESAM 鎖模時(shí)的輸出功率曲線，記錄了從出現(xiàn)鎖模到出現(xiàn)雙脈沖前的輸出功率。雙脈沖的出現(xiàn)使脈沖的峰值功率增加，會(huì)對(duì)SESAM 造成損傷，導(dǎo)致失鎖，因此并未測(cè)量更高泵浦功率下的輸出功率曲線。鎖模時(shí)的鎖模區(qū)間、輸出功率以及光光轉(zhuǎn)化效率數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 四種SESAM 鎖模時(shí)的鎖模區(qū)間、輸出功率及光光轉(zhuǎn)化效率Tab.2 Mode-locking range， output power， and optical to optical conversion efficiency of four SESAM modelocking

圖4 四種SESAM 鎖模時(shí)的輸出功率曲線Fig.4 Output power curves of four SESAM mode-locking

從圖4 和表2 中可以看出，7 個(gè)周期量子阱的SESAM 鎖模時(shí)的泵浦功率范圍最小，實(shí)現(xiàn)鎖模所需要的泵浦功率最高，最大輸出功率最低。隨著量子阱數(shù)量的增加，14 個(gè)周期量子阱的SESAM 和30 個(gè)周期量子阱的SESAM 鎖模時(shí)的泵浦功率區(qū)間長(zhǎng)度依次增大，最大為39.4 mW，最大輸出功率也相應(yīng)提高，最高為8.48 mW。這是因?yàn)榱孔于鍞?shù)量的增加使SESAM 的調(diào)制深度增大，脈沖寬度更窄（詳見3.4 節(jié)）。大的調(diào)制深度使可飽和吸收體對(duì)光的非線性吸收能力增強(qiáng)，使鎖模更容易實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)大了鎖模區(qū)間。而窄脈寬則使脈沖具有更高的峰值功率，可從增益介質(zhì)中獲取更多的增益，使最大輸出功率提高。

相同泵浦功率下，四種SESAM 的輸出功率從高到低依次為14QW、體材料、30QW、7QW。30 個(gè)周期量子阱的SESAM 和體材料SESAM 具有較高的非飽和損耗，使一部分光在鎖模過程中被損耗掉，降低了輸出功率和光光轉(zhuǎn)化效率。而7 個(gè)周期量子阱的SESAM 的輸出功率低則是因?yàn)檎{(diào)制深度過小，非線性吸收能力弱，獲得的增益較少，導(dǎo)致輸出功率處于最低水平。

綜上所述，SESAM 量子阱數(shù)量增加可擴(kuò)大鎖模區(qū)間，提高輸出功率和光光轉(zhuǎn)化效率。但從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)量子阱數(shù)量增加到30 個(gè)時(shí)，因材料質(zhì)量下降，造成了非飽和損耗增加，光光轉(zhuǎn)化效率下降。

3.3 中心波長(zhǎng)及光譜寬度

激光器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖模后，利用分辨率為0.03 nm 的光譜分析儀（Anritsu，MS9740B）測(cè)量了輸出脈沖的中心波長(zhǎng)和3 dB 光譜寬度。圖5 顯示了相同泵浦功率下四種SESAM 的輸出光譜，中心波長(zhǎng)及光譜寬度數(shù)據(jù)詳見表3。可以看出，SESAM 對(duì)這兩項(xiàng)參數(shù)的影響不大，四種SESAM 在鎖模時(shí)中心波長(zhǎng)在（1 030 ± 0.03） nm，光譜寬度在0.133 nm 左右。其中，微小的帶寬和波長(zhǎng)差異是由光譜儀的分辨率以及光譜波動(dòng)引起的測(cè)量誤差，可忽略不計(jì)。這是由于所用FBG 相同，F(xiàn)BG 的光譜濾波效應(yīng)和窄帶限模作用限制了中心波長(zhǎng)和光譜寬度的改變。光譜的強(qiáng)度差異是因?yàn)樵谕槐闷止β氏拢煌琒ESAM 鎖模時(shí)的輸出功率不同。此外，因?yàn)樗霉饫w均帶有正色散，激光器工作于全正色散區(qū)域，但由于FBG 帶寬較窄，并未形成耗散孤子鎖模[17]，光譜兩側(cè)平滑。

表3 四種SESAM 鎖模時(shí)的中心波長(zhǎng)和光譜寬度Tab.3 Center wavelength and spectral width of four SESAM mode-locking

圖5 四種SESAM 鎖模時(shí)的輸出光譜Fig.5 Output spectra of four SESAM mode-locking

3.4 脈沖寬度

四種SESAM 的參數(shù)中，比較明顯的區(qū)別是調(diào)制深度不同。調(diào)制深度反映了可飽和吸收體對(duì)脈沖寬度的窄化能力[18]。對(duì)于理想的可飽和吸收體，調(diào)制深度ΔR與鎖模脈沖寬度τp的關(guān)系近似滿足[19]：

其中，Δfg為激光介質(zhì)的增益譜的半高寬，g為功率增益系數(shù)。由公式（1）可得到，隨著可飽和吸收體調(diào)制深度的增加，鎖模時(shí)的脈沖寬度會(huì)逐漸變窄。

使用自相關(guān)儀（APE，pulseCheck 150NX）對(duì)四種SESAM 穩(wěn)定鎖模時(shí)的脈沖寬度進(jìn)行測(cè)量，高斯擬合后的自相關(guān)曲線如圖6 所示。表4 中顯示了四種SESAM 的調(diào)制深度與鎖模時(shí)的脈沖寬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？梢钥闯?，隨著調(diào)制深度增加，7，14，30 個(gè)周期量子阱的SESAM 鎖模時(shí)的輸出脈沖寬度逐漸變窄，與上述理論相吻合。

表4 四種SESAM 鎖模時(shí)的脈沖寬度Tab.4 Pulse width of four SESAM mode-locking

體材料SESAM 與14 個(gè)周期量子阱的SESAM 調(diào)制深度相同，但脈沖寬度更窄。這是因?yàn)閷?shí)際外延生長(zhǎng)時(shí)，由于In、P 對(duì)溫度較為敏感，可飽和吸收體的厚度和組分產(chǎn)生了一定的偏差，導(dǎo)致最低反射率波長(zhǎng)與設(shè)計(jì)值1 030 nm 不一致，使設(shè)計(jì)值波長(zhǎng)處的反射率變化量減小，造成實(shí)際使用時(shí)脈沖窄化能力減弱。而體材料相對(duì)于量子阱可飽和吸收體來說，不需要進(jìn)行高精度的層間界面控制，生長(zhǎng)的工藝容差更大，與設(shè)計(jì)值1 030 nm 偏差更小，所以實(shí)際的脈沖窄化能力更強(qiáng)。

在皮秒范疇，要實(shí)現(xiàn)更短的脈沖寬度，可在目前的基礎(chǔ)上進(jìn)行以下改進(jìn)。由于脈沖寬度與光譜寬度的乘積即時(shí)間帶寬積為定值，僅與腔內(nèi)色散量有關(guān)，因此可在目前的基礎(chǔ)上，采用帶寬更大的FBG，增大光譜寬度，以獲得更短脈寬。由于激光器中所用光纖均帶有正色散，會(huì)導(dǎo)致脈沖展寬，因此，可以引入啁啾光纖光柵等色散補(bǔ)償元件，減少腔內(nèi)凈色散，進(jìn)一步縮短脈沖寬度[20]。此外，還可以使用弛豫時(shí)間更短、調(diào)制深度更大的SESAM，縮短脈沖寬度。

但是不能一味追求更高的調(diào)制深度。因?yàn)殒i模的實(shí)現(xiàn)對(duì)SESAM 的調(diào)制深度有一定要求。當(dāng)量子阱周期數(shù)過大、調(diào)制深度較大時(shí)，對(duì)入射脈沖的吸收也會(huì)過多，導(dǎo)致出現(xiàn)自調(diào)Q現(xiàn)象。而當(dāng)量子阱周期數(shù)過小、調(diào)制深度較小時(shí)，脈寬變化緩慢，實(shí)現(xiàn)鎖模所需的時(shí)間較長(zhǎng)，甚至不鎖模。因此，具有滿足鎖模條件的參數(shù)的SESAM 才符合文中對(duì)輸出特征的討論。

4 結(jié) 論

本文搭建了基于SESAM 鎖模的全保偏皮秒脈沖光纖激光器，并探究了SESAM 不同量子阱數(shù)量和吸收層結(jié)構(gòu)對(duì)激光器輸出特性的影響。結(jié)果表明，對(duì)于7，14，30 個(gè)周期量子阱的SESAM，隨著量子阱數(shù)量的增加，SESAM 的調(diào)制深度由15%增加至46%，鎖模時(shí)的脈沖寬度由26 ps 縮短至16 ps，最大輸出功率增加了2.86 mW，鎖模時(shí)的泵浦功率范圍增加了16.4 mW，鎖模更易實(shí)現(xiàn)。但30 個(gè)周期量子阱的SESAM 具有較大的非飽和損耗，導(dǎo)致在相同泵浦功率下輸出功率低于14 個(gè)周期量子阱的SESAM。在相同調(diào)制深度下，體材料SESAM 的非飽和損耗比多量子阱SESAM 略高，但有助于獲得較窄的脈沖寬度。SESAM 吸收層的結(jié)構(gòu)對(duì)于光纖激光器的輸出功率、脈沖寬度、調(diào)制深度以及非飽和損耗等重要性能參數(shù)具有直接決定作用。本研究為進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整光纖激光器的性能提供了重要的參考。

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