一、背景介紹

隨著二維材料的快速發(fā)展，具有高功率、脈沖、窄線寬、可調(diào)諧等多種特性的半導(dǎo)體激光器已經(jīng)問世。其中，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器憑借體積小、壽命長、波長切換靈活等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感、激光雷達(dá)等領(lǐng)域。此外，光頻域反射、法布里-珀羅干涉、光柵傳感等具體應(yīng)用場景對激光器的調(diào)諧性能提出了更嚴(yán)苛的要求。

調(diào)制光柵Y分支型（MG-Y）激光器是分布式布拉格反射激光器的分支，具有波長調(diào)諧范圍寬、波長切換速度短、邊摸抑制比（SMSR）高等優(yōu)勢，基于MG-Y激光器構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)成為了重要的研究方向。然而在實際應(yīng)用中，構(gòu)建波長-電流查找表（LUT）是應(yīng)用該激光器的前提。目前，通常采用遍歷電流掃描法來確定波長調(diào)諧路徑，該方法效率較低，LUT中無效數(shù)據(jù)量龐大，不利于定期校準(zhǔn)，難以保證波長的準(zhǔn)確度。此外，波長調(diào)諧時功率飄移量較大，易引入解調(diào)誤差。因此，需要對MG-Y激光器的波長調(diào)諧方法進(jìn)行研究并優(yōu)化。

二、創(chuàng)新研究

圍繞如何提升LUT構(gòu)建效率以及波長調(diào)諧時的功率穩(wěn)定性，上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)重點實驗室研究團(tuán)隊對MG-Y激光器的調(diào)諧特性進(jìn)行深入研究，設(shè)計了一種具有普適性的電流掃描框架，以此高效且準(zhǔn)確地確定平滑的波長調(diào)諧路徑，然后通過調(diào)節(jié)相位區(qū)電流（Iphase），實現(xiàn)了波長細(xì)調(diào)諧功能。同時提出了一種自適應(yīng)功率校準(zhǔn)算法，保證激光器在波長調(diào)諧時功率也能保持相對穩(wěn)定。

根據(jù)左、右反射器電流（Ileft、Iright）與波長的關(guān)系，如圖1（a）所示，可以確定每一顏色塊的中心線，即平滑的波長調(diào)諧路徑。但電流與波長的全部映射關(guān)系需要掃描龐大的電流數(shù)據(jù)來得到，若以如圖1（b）的測試框架進(jìn)行電流掃描，波長調(diào)諧路徑可以通過線性擬合來得到。圖1（c）是沿著測試框架的網(wǎng)格線3掃描的結(jié)果，波長呈現(xiàn)“階梯狀”變化，每一個“階梯”均對應(yīng)一個顏色塊，而每一個“階梯”中點的波長數(shù)據(jù)則對應(yīng)著顏色塊中心線的波長數(shù)據(jù)。在得到調(diào)諧路徑之后，對其進(jìn)行掃描，可以得到覆蓋大于等于40 nm范圍的LUT粗表，最后通過相位區(qū)的精細(xì)調(diào)諧段，構(gòu)建出調(diào)諧范圍為1528~1568 nm，SMSR均大于40 dB，調(diào)諧步長為5 pm的LUT精細(xì)查找表，波長數(shù)據(jù)為8001個，其C波段調(diào)諧曲線可見圖1（d）。

圖1 MG-Y激光器調(diào)諧特性

由于溫度和驅(qū)動電流的影響，激光器在進(jìn)行波長調(diào)諧時會產(chǎn)生功率波動。為了穩(wěn)定光功率，利用激光器內(nèi)部的光電探測器（PD），將光功率信息以電的形式輸送至外部電路進(jìn)行實時的內(nèi)環(huán)電流反饋補償。首先規(guī)定功率反饋電壓UPD.ref*，并采集整個C波段共8001個采樣點的功率反饋電壓UPD.refk（k=1,2,…,8001），計算電壓差值并調(diào)節(jié)光放大區(qū)電流（ISOA），直至功率穩(wěn)定。然而，調(diào)整ISOA時也會改變激光器的輸出波長，規(guī)定功率控制后輸出波長與標(biāo)準(zhǔn)波長的偏差值最大為5 pm，否則需進(jìn)一步調(diào)節(jié)Iphase校準(zhǔn)波長。至此，完成自適應(yīng)功率校準(zhǔn)算法設(shè)計。

為了驗證調(diào)諧方法的有效性，在進(jìn)行全光譜掃描時，對MG-Y激光器進(jìn)行性能測量，如圖2所示。結(jié)果表明，實際波長與設(shè)定波長的偏差量均小于±2.9 pm；功率校準(zhǔn)后，功率漂移量由2.382 mW下降至0.408 mW。

圖2 MG-Y激光器調(diào)諧性能測試

三、工作展望

在后續(xù)的工作中，團(tuán)隊將進(jìn)一步挖掘MG-Y激光器電流與波長、功率的內(nèi)在關(guān)系，深入研究其輸出特性，以尋求更高效率的調(diào)諧方法。同時，進(jìn)一步提升激光器的波長與功率穩(wěn)定性，保證激光器高精度、高穩(wěn)定的輸出特性，以促進(jìn)MG-Y激光器在光纖傳感、光通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。對于MG-Y激光器的其他領(lǐng)域研究，如線寬壓縮、內(nèi)調(diào)制等，團(tuán)隊也一直高度關(guān)注，希望能給讀者呈現(xiàn)更多創(chuàng)新性的成果。

課題組介紹

上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)重點實驗室在學(xué)科帶頭人王廷云教授的領(lǐng)導(dǎo)下，圍繞新一代信息技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)前沿問題和國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展重大需求，以解決共性科學(xué)問題及國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域技術(shù)難點為突破口，致力于構(gòu)建“一纖兩網(wǎng)”研究布局。近年來，團(tuán)隊承擔(dān)完成了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目、重點國際合作項目、儀器專項等多個國家、軍口及省部級重點科研項目，形成了特種光纖研制開發(fā)、激光器工程應(yīng)用、光纖傳感應(yīng)用等特色鮮明的優(yōu)勢方向，在特種光纖工藝制備、光器件研究、測試功能平臺、信號解調(diào)等方面取得了一系列具有國際影響并滿足國家戰(zhàn)略需求的標(biāo)志性創(chuàng)新科研成果，為我國特種光纖及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)研究占領(lǐng)國際學(xué)術(shù)制高點和產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

通訊作者簡介

黃懌，副教授，碩士生導(dǎo)師，2018年獲得上海大學(xué)通信與信息系統(tǒng)博士學(xué)位，主要研究方向為特種光纖、光纖傳感和光電信號處理等，承擔(dān)國家重點研發(fā)計劃子課題、上海市自科基金等項目，在Opt. Express、J. Light. Technol.、Opt. Lett.、IEEE Sens J.等期刊發(fā)表SCI論文30余篇，授權(quán)發(fā)明專利10余項，榮獲上海市科技進(jìn)步一等獎、中國光學(xué)工程學(xué)會科技進(jìn)步一等獎等。

文章來源：愛光學(xué)，激光行業(yè)觀察

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