SOA增益恢复波长依赖性:使用单色泵浦探针技术进行模拟和测量(一)

摘要：迄今为止，对半导体光放大器（SOA）中增益恢复时间的波长依赖性的测量大多采用泵浦-探头技术，泵浦和探头在不同的波长上工作。泵浦波长的选择及其与探头波长的相对接近可能会影响测量结果，并妨碍对恢复动态波长依赖性的明确观察。我们使用单色泵浦-探针测量技术，直接获取了块状 InGaAsP SOAs 中增益恢复时间的波长依赖性。使用来自单模锁定激光器的超短脉冲，明确测量了 SOAs 的光谱依赖性和时间行为。我们使用单模锁定激光器发出的超短脉冲，明确测量了 SOA 的光谱依赖性和时间行为。使用考虑到带内和带间对 SOA 饱和度贡献的模型得出的仿真结果以及所测试 SOA 的实验结果表明，恢复率依赖性与增益光谱相似。

1. 引言

半导体光放大器（SOA）是接入网中很有前途的元件，人们在开发高效的数值模拟工具方面做了大量工作［1］。这些算法通过求解微分方程来获得载流子密度随时间的变化。它们依赖于对载波恢复时间的经验描述，并假定载波恢复时间仅取决于载波密度。我们使用一种泵浦探针技术，这种技术以前在自由空间 ［2-10］ 和光纤 ［11-16］ 中都有文献报道过。通常情况下，泵浦和探针使用不同的波长，但也有例外。我们首先回顾一下以前的载流子恢复时间表征方法，以突出它们与我们提出的方法的不同之处。

表征增益恢复的自由空间实验通常比较复杂，需要使用透镜耦合泵浦光束和探针光束进行灵敏对准。在 ［2， 3］ 中，作者使用了单波长、亚皮秒激光器。他们通过交叉偏振分离了泵浦和探针光束。虽然泵浦光束和探针光束的波长相同，但增益恢复将取决于探针的偏振，如文献［7］所示。请注意，由于波导上的应变，可能会发生一些偏振转换。

在文献［4］中，一种自由空间双色泵浦探针技术使用了超连续光源的光谱切片。对于这种设置，载流子恢复取决于泵浦和探针的波长间隔［5］。这有助于了解波长转换实验中的载流子动态，但无法测量泵浦波长的载流子恢复。在 ［2］ 中，利用外差技术展示了一种更复杂的共偏振泵-探针方法。但没有研究透明度以上的增益恢复与波长的关系，而且实验装置也很复杂。Philippe 等人［7］的一项有趣工作研究了自由空间中恢复时间的偏振相关性。他们展示了一种共偏振泵-探针技术，通过在被测设备上反向传播来分离光束。他们发现，TM 模式的恢复速度比 TE 模式快，这可能是光洞动力学和应变造成的。反向传播配置用于在同一偏振下分离泵浦和探针。没有研究波长相关性。在 ［8， 10］ 中，泵浦和探针是正交偏振的。文中介绍了高于和低于透明度的不同波长的结果，但作者只分别关注了 InGaAsP 和 AlGaAs 波导零延迟附近的快速动态。在此后的工作中，我们将重点关注增益长期变化（高于透明度）的波长依赖性。

第二组实验使用全光纤装置，这种装置更简单、更灵活，而且可以利用常见的光纤元件，如波分复用耦合器和滤波器。然而，我们会发现这些实验通常是 1）复杂；2）只对不同波长的泵浦和探针感兴趣。

文献［11， 12］测试了连续波探头信号的动态特性，结果表明，连续波探头信号由于刺激寿命较短，因此增益恢复时间较短。连续波探头会在一定程度上使 SOA 饱和［11］。为了避免饱和，探针功率必须较低。探头恢复可能会被电子噪声干扰，特别是在使用宽带光接收器时。脉冲探针信号还可以测量自发辐射、奥格效应和放大自发辐射（ASE）引起的恢复时间 ［12］。因此，我们的方法采用了脉冲探针。

文献［13］报道了使用两个不同波长的模式锁定激光器（MLL）对脉冲探头信号进行测量的情况。这需要可调谐的短持续时间的泵浦和探头光脉冲。分频器同样也需要。此外，泵浦脉冲和探测脉冲之间的定时抖动和同步也很微妙 ［4］。文献［6］中使用了一种光谱图技术，泵浦使用锁模激光器，探头使用连续波激光器和电吸收调制器。请注意，在这种情况下，测得的增益恢复时间是两个激光器之间光谱间隔的函数［14］。这可以为波长转换实验中的增益恢复提供启示。此外，还能确定泵浦波长的恢复特性。我们的方法使用单模锁定激光器，大大降低了复杂性，并能给出任意泵浦波长下的恢复时间。

在 ［13、15、16］ 中，泵浦-探针技术用于测量探针脉冲的增益，它是泵浦脉冲和探针脉冲之间波长差和时间延迟的函数。泵浦脉冲和探测脉冲的波长必须是不同的，因此可以通过适当的滤波将它们分开。由于不同波长具有不同的增益和饱和度，这将导致恢复时间取决于波长分离。

有关 SOA 增益恢复与波长相关性的研究结果一直相互矛盾。文献［17］虽然使用了脉冲信号，但在改变探针波长和保持泵浦波长固定的情况下，没有观察到恢复率有任何变化。与此相反，［16、14、15、5］ 观察到了波长依赖性；不过，使用的可调连续波探头信号的波长与泵的波长不同，而泵的波长比增益峰值波长短。在这种配置中，探头向增益峰值移动会增加饱和度。这可能就是他们观察到恢复时间缩短的原因，与我们在此介绍的结果相矛盾。显然，不同波长的泵浦-探针技术在 SOA 增益恢复与波长的关系方面给出的结果并不明确，这可能是由于相对于探针波长的泵浦波长选择所致。为了研究波长依赖性，我们选择了与文献［7］类似的实验方法。由于我们使用的是全光纤实验装置，因此即使泵浦信号和探头信号的偏振和波长相同，我们也可以使用循环器将反向传播的泵浦信号和探头信号分开。这种方法有三个优点：

它采用常见的泵浦-探头策略，先用强脉冲泵浦信号耗尽放大器，再用低功率脉冲信号探测增益从饱和值恢复到小信号值。单飞秒 MLL 可产生两个反向传播脉冲，它们分别是 1） 消耗载流子，从而消耗 SOA 的增益（泵浦信号）；2） 经过一定时间延迟后探测增益（探测信号）。需要注意的是，此前曾有报道称使用单个激光器通过自由空间传输产生泵浦脉冲和探测脉冲，但并未探讨波长相关性［7］。

由于只有一个波长进入 SOA，因此这种方法可以获得明确的波长相关性结果。

这是一种简单、高效、稳健的测量技术，只需较少的测试设备。我们的设置只需要一个低重复率 MLL，无需任何外部调制器。

为了解释观察到的实验结果，并研究比实验所允许的更宽波长范围内的恢复率相关性，我们进行了数值模拟。由于研究的是使用短脉冲的增益动态与波长的关系，因此模型必须包括带内现象（谱孔燃烧（SBH）和载流子加热（CH）），因为它们会对增益动态以及影响受激载流子恢复的饱和效应产生影响 ［18］。文献［14、15、16］中使用的模型忽略了这些贡献。文献［8］使用的模型考虑了超快现象，但没有包括饱和效应。最后，在 ［17］ 中，作者假设脉冲响应函数由指数衰减之和组成。他们选择的衰减率与实验数据相吻合。虽然这种经验模型很适合拟合单一波长的结果，但并不适合探索波长依赖性。我们使用的是文献［18］中开发的模型，该模型与文献［3］中的实验结果吻合良好。

本文的其余部分安排如下。首先，详细介绍实验装置。然后在第 3 部分介绍并讨论实验结果。受限于锁模激光器的可调谐性，我们模拟了更大范围内的增益动态，并在第 4 部分给出了模拟结果。最后，我们总结了这项工作的主要发现并得出结论。

2. 单色泵探头设置

飞秒脉冲由重复频率为 20 MHz 的单个可调谐锁模激光器 （Pritel） 产生，用于探测体 SOA 的增益恢复。激光器的可调范围从 1530 纳米到 1560 纳米。因此，实验结果仅限于这一波长范围。为确保探头和泵浦之间的完美定时和精确波长匹配，MLL 发出的脉冲由一个 3 dB 耦合器分割。在图 1 中，泵浦脉冲按逆时针方向移动，通过光学循环器，然后通过偏振控制器 （PC），进入被测 SOA。顺时针移动的探测脉冲从 3 dB 耦合器出来，经过光延迟线 （ODL）、可变光衰减器 （VOA） 和 PC。然后，顺时针方向的探测脉冲进入被测设备--Optospeed SOA 1550 MRI X1500 型，这是一个体InP/InGaAsP放大器，当偏压为 500 mA 时，峰值增益波长为 1560 nm。探测脉冲通过 SOA 后，从端口 2 进入环行器，从端口 3 流出，然后进入光学可调谐带通滤波器 （BPF）；BPF 以最大激光波长为中心，以减少 SOA 产生的放大自发辐射 （ASE）。使用分辨率为 0.01 nm 的 ANDO 光学光谱分析仪测量了环路内部的激光光谱。根据测量到的光谱，估计泵浦和探针脉冲宽度为 2 ps（由于光纤中的色散）。ODL 的时间分辨率为 3.3 ps。

3. 实验结果

虽然脉冲激光的光谱大于 BPF 的 3 dB 带宽（1.25 nm），但接收信号的频率内容最终受限于光电探测器（PD）的电带宽，而不是光学 BPF。使用的光电探测器是安捷伦 86116A，3 dB 带宽为 50 GHz。利用 ODL，我们可以改变探测脉冲和泵浦脉冲之间的相对延迟。在每个时间步长上，BPF 都会重新居中，以最大限度地提高电输出脉冲的峰值电压。然后，针对每个泵浦-探头延迟值，逐点建立恢复曲线。因此，实验结果并不取决于电子电路的脉冲响应。时间分辨率由最小泵浦-探针时间延迟决定。请注意，由于 BPF 在每个点都会重新调整，因此 SOA 引起的啁啾不会影响测量的恢复。探头极化的设置是为了在放大器中没有泵时（脉冲之间的延迟较大）最大化探头脉冲增益。当两个信号都出现在 SOA 中时，泵极化的调整是为了最小化探头信号的增益。因此，探头和泵浦信号都对准最大 SOA 增益极化。我们将平均探测功率设为 -32 dBm，平均泵浦功率设为 -13 dBm。

我们实验的时域解释如下：泵浦脉冲的能量约为 1.7 pJ（假设为高斯脉冲形状），通过 SOA 时完全饱和，观察不到任何显著增益。反向传播的探测脉冲能量比泵脉冲小得多，约为 20.5 fJ，在通过 SOA 时被放大。探针观测到的增益取决于其通过时间（相对于泵浦脉冲）和功率。由于脉冲的 FWHM（全宽半最大值）约为 2 ps，因此可以在时域中以高分辨率对增益恢复进行采样，但受限于所用延迟线的精度（3.3 ps）。

在 MLL 可调范围内的五个波长上对 SOA 的增益恢复行为进行了采样；提供了 1530、1542 和 1555 nm 波长的详细结果。放大器注入电流设定为 500 mA。我们扫描了泵浦和探头信号到达 SOA 的时间延迟，负相对延迟表示探头先于泵浦到达。在接收器上，测量给定相对时延下探头信号的增益。由于增益通常因波长而异，我们绘制了每个波长的检查归一化增益，定义如下：

在每个波长上，GSAT 是饱和增益，GSS 是小信号增益。这些增益值是根据测量到的光电检测电压推断出来的，如 （1） 所示，下文将对此进行解释。每个相对延迟都会记录探测脉冲的峰值电压。最小峰值电压（Vmin）和最大峰值电压（Vmax）分别决定了该波长的饱和增益和小信号增益。

图 2（a） 显示了 1530、1542 和 1555 nm 波长下探针归一化增益与泵浦-探针相对延迟的关系。请注意，这种实验技术不仅能获得时间常数 τ，还能获得完整的增益恢复动态。这些曲线展示了半导体放大器增益的典型时间演化过程：快速耗尽（由泵到达时探针已在 SOA 上造成），随后是快速（最初几个 ps）和较慢的恢复（由探针在泵耗尽载流子后到达造成）［7］。从图中可以看出，在我们测量的 3.3 ps 分辨率范围内，我们没有在快速恢复中检测到任何明显的波长依赖性，这也是其他人的报告 ［4］。不过，在 ［8］ 等人的研究中，我们观测到了快速恢复随波长的变化。我们在这里的研究重点是透明度以上波长的慢恢复部分。与最初的快速恢复不同，注入、辐射和非辐射重组导致的慢速恢复明显与波长有关。在图 2（b）中，实线表示增益恢复时间 τ 与波长的函数关系。请注意，实线是对同图所示实验点的样条拟合。图 2（b） 中的虚线是我们 SOA 的光纤间增益谱，比例尺在右侧。我们可以看到，增益恢复时间与波长的函数关系与增益谱的形状相似。结果显示增益恢复常数的变化范围为 193 至 230 ps。这是因为从饱和值（随波长略有不同［19］）恢复到较低的稳态值比恢复到较高的稳态值要快。这表明增益恢复与波长的关系是由不同波长的饱和度和增益共同决定的。虽然载流子在带隙附近补充得更快，但稳态增益也更高［19， 4］，从而导致增益恢复的净增加。为了评估所使用技术的有效性，我们还测量了不同偏置电流和饱和度下的恢复。

图 3（a）显示，正如几项研究（前［3， 11］）所报告的那样，较高的偏置和较深的饱和会导致更快的恢复。此外，图 3（b） 显示，使用由两个指数衰减组成的脉冲响应函数 ［17］，可以很好地拟合 410 毫安时的实验传输。

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