SESAM 鎖模全保偏皮秒脈沖光纖激光器輸出特性

王帥坤， 仲 莉， 林 楠， 劉素平， 馬驍宇

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

1 引 言

被動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，因而在科研和工業(yè)領域應用廣泛[2]。例如，超快光譜學、非線性顯微鏡、激光微加工等[3-6]。半導體可飽和吸收鏡[7]（SESAM）因具有自啟動、設計靈活、插入損耗小、參數(shù)可精確調(diào)控等優(yōu)勢[8-10]，被廣泛用作實現(xiàn)被動鎖模的關鍵元件，應用于科研及商業(yè)領域。

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展。2018 年，比利時報道了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，韓國研究團隊提出了一種SESAM 鎖模的全保偏環(huán)形腔光纖振蕩器，獲得了波長1 030 nm 的穩(wěn)定鎖模，其光譜寬度為3.6 nm，經(jīng)三級光纖放大后將輸出功率提高到11.3 W[12]。國內(nèi)的研究機構如西安光機所、北京工業(yè)大學等也進行了相關研究。2018 年，西安光機所使用窄帶濾波器進行脈沖整形，獲得了中心波長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)大學以自制的InGaAs/AlGaAsP 多量子阱（MQW）結構的SESAM作為鎖模器件，獲得了中心波長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)色散補償和外部偏振控制的情況下，獲得了中心波長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)外對于不同SESAM 結構參數(shù)和性能參數(shù)對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)，具體實驗研究相對較少，難以在實際工程技術中準確設計和選擇合適的SESAM 結構并優(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構和不同量子阱（QW）數(shù)量的SESAM 對激光器輸出特性的影響，為SESAM 的設計和選型提供了實驗基礎，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值。

2 實 驗

2.1 SESAM 結構、制備及參數(shù)

本文所用SESAM 材料采用金屬有機化合物化學氣相沉積（MOCVD）技術制備，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構不同，分別為7，14，30 個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構，都可以利用其特殊的電子能級結構來實現(xiàn)對入射光的非線性吸收，可以實現(xiàn)鎖模并窄化脈沖寬度。圖1 為多量子阱和體材料SESAM 的結構示意圖。

圖1 多量子阱（左）及體材料（右）SESAM 結構示意圖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變補償多量子阱結構，每對量子阱由厚度10 nm 的GaAsP 張應變量子壘層和厚度10.08 nm 的In-GaAs 壓應變量子阱層（In 組分為0.25）交叉疊設而成，生長溫度為530 ℃，其余層生長溫度為690 ℃。在可飽和吸收層底部和頂部分別設有GaAs 隔離層和蓋帽層，厚度均為4 nm。常規(guī)的InGaAs/GaAs 多量子阱結構在GaAs 襯底上生長InGaAs 量子阱時，具有較大的壓應變，因此量子阱周期數(shù)受到應變弛豫限制，周期數(shù)較多時會使材料質(zhì)量惡化。而本文中所采用的GaAsP/In-GaAs 量子阱通過GaAsP 的張應變補償InGaAs 的壓應變，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，其電子能級可以通過改變量子阱的厚度和組分來調(diào)整，因此可以靈活地設計可飽和吸收體的吸收特性。但要獲得期望的電子能級結構，需要對多量子阱材料的厚度和組分進行精確控制，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 體材料構成。生長GaAs 隔離層后，在530 ℃下外延生長一層74 nm 厚的InGaAs 材料層，無需進行不同材料層的交替生長。體材料的電子能級結構比較穩(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，會有較大的非飽和損耗。而且體材料電子能級結構不能像量子阱那樣可以通過改變尺寸來調(diào)整，限制了其應用和性能。

利用非線性測試裝置測得四種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 個周期量子阱的SESAM 相同。7，14 個周期量子阱的SESAM 非飽和損耗較小，30 個周期量子阱的SESAM 非飽和損耗較大。

調(diào)制深度是指脈沖通量遠大于飽和吸收通量時反射率的變化[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，對光的非線性吸收能力越強，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，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，可飽和吸收層結構對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，會使得SESAM 具有較大的非飽和損耗。

2.2 實驗裝置

本實驗搭建了基于SESAM 鎖模的全保偏皮秒脈沖光纖激光器，實驗裝置示意圖如圖2 所示。激光器采用線型腔結構，將自主研制的SESAM 作為鎖模器件，所用SESAM 尺寸為2 mm×2 mm，并通過波分復用器（WDM）尾纖上的FC/PC 光纖跳線端面與SESAM 耦合。中心波長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，用于波長選擇和激光耦合輸出。增益介質(zhì)為50 cm 長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，并添加了泵浦保護器以防止回光損傷。使用WDM 將泵浦光耦合進線型腔中。輸出端熔接保偏光纖隔離器（ISO），用以消除回光對鎖模穩(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 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup

3 結果與討論

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）配合光電探測器（Thorlabs PDA015C/M）對輸出脈沖波形隨泵浦功率的變化進行監(jiān)測。

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。當泵浦功率較低時，SESAM 未達到飽和，僅有連續(xù)光輸出，隨著泵浦功率增加會出現(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到平齊，此時為調(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

當泵浦功率達到鎖模閾值時，出現(xiàn)圖3（c）所示的穩(wěn)定的連續(xù)鎖模脈沖。四種SESAM 均實現(xiàn)了穩(wěn)定鎖模。由于沒有改變腔形結構以及腔長，輸出脈沖重復頻率保持不變，均為27 MHz，與激光器腔長3.8 m 對應。

當泵浦功率超過穩(wěn)定鎖模范圍時，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 吸收層結構會對輸出脈沖的鎖模區(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（Thorlabs S145C）對輸出功率進行測量。由于激光器種子源輸出功率較小，單點記錄容易造成測量誤差。為了保證結論的嚴謹性，我們在測量輸出功率時采用單點多次測試與換點測試同時進行的方法來確定誤差棒，功率測量波動在5%以內(nèi)，誤差較小。圖4 為四種SESAM 鎖模時的輸出功率曲線，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，會對SESAM 造成損傷，導致失鎖，因此并未測量更高泵浦功率下的輸出功率曲線。鎖模時的鎖模區(qū)間、輸出功率以及光光轉化效率數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 四種SESAM 鎖模時的鎖模區(qū)間、輸出功率及光光轉化效率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 個周期量子阱的SESAM 鎖模時的泵浦功率范圍最小，實現(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 個周期量子阱的SESAM 和30 個周期量子阱的SESAM 鎖模時的泵浦功率區(qū)間長度依次增大，最大為39.4 mW，最大輸出功率也相應提高，最高為8.48 mW。這是因為量子阱數(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光的非線性吸收能力增強，使鎖模更容易實現(xiàn)，擴大了鎖模區(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化效率。而7 個周期量子阱的SESAM 的輸出功率低則是因為調(diào)制深度過小，非線性吸收能力弱，獲得的增益較少，導致輸出功率處于最低水平。

綜上所述，SESAM 量子阱數(shù)量增加可擴大鎖模區(qū)間，提高輸出功率和光光轉化效率。但從實驗中發(fā)現(xiàn)，當量子阱數(shù)量增加到30 個時，因材料質(zhì)量下降，造成了非飽和損耗增加，光光轉化效率下降。

3.3 中心波長及光譜寬度

激光器實現(xiàn)穩(wěn)定鎖模后，利用分辨率為0.03 nm 的光譜分析儀（Anritsu，MS9740B）測量了輸出脈沖的中心波長和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，中心波長及光譜寬度數(shù)據(jù)詳見表3?？梢钥闯?，SESAM 對這兩項參數(shù)的影響不大，四種SESAM 在鎖模時中心波長在（1 030 ± 0.03） nm，光譜寬度在0.133 nm 左右。其中，微小的帶寬和波長差異是由光譜儀的分辨率以及光譜波動引起的測量誤差，可忽略不計。這是由于所用FBG 相同，F(xiàn)BG 的光譜濾波效應和窄帶限模作用限制了中心波長和光譜寬度的改變。光譜的強度差異是因為在同一泵浦功率下，不同SESAM 鎖模時的輸出功率不同。此外，因為所用光纖均帶有正色散，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]，光譜兩側平滑。

表3 四種SESAM 鎖模時的中心波長和光譜寬度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脈沖寬度的窄化能力[18]。對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，鎖模時的脈沖寬度會逐漸變窄。

使用自相關儀（APE，pulseCheck 150NX）對四種SESAM 穩(wěn)定鎖模時的脈沖寬度進行測量，高斯擬合后的自相關曲線如圖6 所示。表4 中顯示了四種SESAM 的調(diào)制深度與鎖模時的脈沖寬度的對應關系?？梢钥闯觯S著調(diào)制深度增加，7，14，30 個周期量子阱的SESAM 鎖模時的輸出脈沖寬度逐漸變窄，與上述理論相吻合。

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

體材料SESAM 與14 個周期量子阱的SESAM 調(diào)制深度相同，但脈沖寬度更窄。這是因為實際外延生長時，由于In、P 對溫度較為敏感，可飽和吸收體的厚度和組分產(chǎn)生了一定的偏差，導致最低反射率波長與設計值1 030 nm 不一致，使設計值波長處的反射率變化量減小，造成實際使用時脈沖窄化能力減弱。而體材料相對于量子阱可飽和吸收體來說，不需要進行高精度的層間界面控制，生長的工藝容差更大，與設計值1 030 nm 偏差更小，所以實際的脈沖窄化能力更強。

在皮秒范疇，要實現(xiàn)更短的脈沖寬度，可在目前的基礎上進行以下改進。由于脈沖寬度與光譜寬度的乘積即時間帶寬積為定值，僅與腔內(nèi)色散量有關，因此可在目前的基礎上，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，會導致脈沖展寬，因此，可以引入啁啾光纖光柵等色散補償元件，減少腔內(nèi)凈色散，進一步縮短脈沖寬度[20]。此外，還可以使用弛豫時間更短、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。因為鎖模的實現(xiàn)對SESAM 的調(diào)制深度有一定要求。當量子阱周期數(shù)過大、調(diào)制深度較大時，對入射脈沖的吸收也會過多，導致出現(xiàn)自調(diào)Q現(xiàn)象。而當量子阱周期數(shù)過小、調(diào)制深度較小時，脈寬變化緩慢，實現(xiàn)鎖模所需的時間較長，甚至不鎖模。因此，具有滿足鎖模條件的參數(shù)的SESAM 才符合文中對輸出特征的討論。

4 結 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)量和吸收層結構對激光器輸出特性的影響。結果表明，對于7，14，30 個周期量子阱的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，鎖模時的泵浦功率范圍增加了16.4 mW，鎖模更易實現(xiàn)。但30 個周期量子阱的SESAM 具有較大的非飽和損耗，導致在相同泵浦功率下輸出功率低于14 個周期量子阱的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 吸收層的結構對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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