基于双波长AWG的窄线宽外差拍频激光器
摘要：基于阵列波导光栅的多波长激光源已被证明可以同时提供多个波长和较窄的光线宽。为了产生毫米波信号，我们开发了两种不同的激光结构，并使用光子集成电路进行了单片集成。在这项工作中，我们报告了毫米波范围内的外差信号特性。从每种结构上不同通道产生的模式测得的光线宽可小于 150 KHz。
介绍： 毫米波（MMW）频率（30 GHz - 300 GHz）可提供数据传输速率超过 1 Gbp/s1, 2 的短距离通信，因此引起了宽带无线通信系统开发行业的极大兴趣。双波长激光源是在光电二极管或其他类型的光电转换器上使用外差混频技术生成从兆赫到太赫兹范围内的高频电信号的有用设备。由于节拍音对光纤中的色散不敏感，因此可以将这种信号传输到很长的单模光纤中，而且信号功率衰减极低3。本文介绍的设备是在欧盟 FP7 iPHOS 项目内开发的，旨在实施一种产生毫米波的光学技术。其目的是通过每个结构产生 100 GHz 和 120 GHz 载波，并具有较窄的光线宽。本文描述的工作从光学模式线宽的角度对 AWG 源进行了分析，光学模式线宽最终决定了电拍音符线宽。
基于 AWG 的双波长激光器（AWGL）：我们研究的第一个设备是基于半导体光放大器（SOA）阵列和 AWG 的扩展腔激光器。如图 1 所示，测试的设备由 16 个分离的 SOA 组成，每个通道一个，标记为通道 N（N = 1 至 16）。另外一个 SOA 位于 AWG 的公共输出波导臂上，用于提高输出光的光功率。用于通道波导选择的 SOA 长度均为 600 μm。升压 SOA 的长度为 750 微米。AWG 起到腔内滤波器的作用，通过过滤芯片劈裂面之间形成的激光腔中的模式来确定激光波长。AWG 的中心波长为 λ = 1550 nm，通道间距 Δλ = 100 GHz (0.8 nm)，自由光谱范围 (FSR) 为 900 GHz (7.2 nm)。
第二台设备也是同样的结构，以 AWG 为基础，有 4 个输入通道和一个公共输出（CO）。主要区别在于，AWG 激光器的反射镜使用了 MMI 反射镜，而不是芯片刻面，从而产生了一个完全的单片设备。CO 的双波长输出可以在芯片内进行调制或处理，如图 2 所示。在我们的芯片中，我们放置了一个升压 SOA，以提高双模光功率。此外，MMI 反射器还可以减少激光器 FP 腔的长度，从而增加 FP 腔模式之间的纵向模式间距。为了提高芯片的性能，我们在切割面上镀了一层抗反射（AR）涂层。所设计的 AWG 的通道间距（Δλ）和自由光谱范围分别为 0.961 nm（120 GHz）和 5.61 nm（700 GHz）。所有用于通道选择和公共输出的 SOAs 长度均为 400 μm。EOPM 的长度为 1000 μm。
线宽测量： 为了使两个基于 AWG 的激光器都能实现单通道发射，我们选择了注入每个分离 SOA 通道的电流，以便在中央 FSR 阶上实现单模运行，同时在 Boost SOA 上设置恒定电流。我们在每个通道上都实现了单模运行，侧模抑制比优于 30 dB。如图 3 所示，我们使用自外差测量装置测量了基于 AWG 的激光器发射的光线宽，该装置包括一个光隔离器（OI）、一个 11 GHz 光纤电光相位调制器（EOPM）以及干涉仪两臂之间长达 6.8 千米的单模光纤。为了使来自干涉仪两臂的光的偏振相匹配，还包括一个偏振器（PC），以最大限度地提高光电探测器的信号。11 GHz 的节拍音被发送到电频谱分析仪（ESA）。通过测量以 11 GHz 为中心的节拍音符频谱，评估 AWGL 两个通道中每个通道的 -3 dB 线宽。图 4 中的红色轨迹显示了 AWGL1（通道 8 和升压 SOA 的偏置电流分别为 38 mA 和 50 mA）和 AWGL2（通道 2 和升压 SOA 的偏置电流分别为 60 mA 和 30 mA）的实验结果。在提取线宽时，假定线宽为洛伦兹形状，如图 4 中的蓝色迹线所示，然后假定光学 -3 dB 线宽为电信号 -3 dB 线宽的一半。在两个通道上测量的光学线宽结果分别为 AWGL1 和 AWGL2 的 109 KHz 和 64 KHz。该光学线宽低于所报告的基于两个 2,500 μm 长 DFB 激光器和一个合路器的双波长光源的最佳数据3。
图 4：AWGL1（左侧，通道 8 和 Boost SOA 的偏压分别为 38 mA 和 50 mA（红色），洛伦兹拟合（蓝色））和 AWGL2（右侧，通道 2 和 Boost SOA 的偏压分别为 60 mA 和 30 mA（红色），洛伦兹拟合（蓝色））的光学自外差线宽测量设置。
References
1. G. Fettweis, “WIGWAM: System concept for 1Gbit/s and beyond”, in IEEE 802 plenary meeting, November (2005).
2. C.C. Chong et al., “Millimeter-wave wireless communication systems: theory and applications”, in EURASIP Journal onWireless Communications and Networking, (2007).
3.F. Van Dijk, A. Accard, A. Enard, O. Drisse, D. Make and, F. Lelarge “Monolithic dual wavelength DFB for narrow linewidth heterodyne beat-note generation” in Proc. IEEE Int. Top. Meeting on MicrowavePhotonics (MWP), pp. 73-76,2011, (2001).
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