巴黎薩克萊大學(xué) (Université Paris-Saclay)的J. M. Sarraute等人利用光注入鎖定增益杠桿激光的非線性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在對(duì)其他方面不造成負(fù)面影響的情況下將電光3dB調(diào)制帶寬推進(jìn)至接近100GHz。

研發(fā)工作頻率超過(guò)100GHz的超快芯片，對(duì)于提升光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量至關(guān)重要。這一技術(shù)突破會(huì)對(duì)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)以及長(zhǎng)途骨干網(wǎng)帶來(lái)直接沖擊，使人們離“網(wǎng)絡(luò)社會(huì)”越來(lái)越近。然而，作為實(shí)現(xiàn)超高調(diào)制帶寬首選方案的復(fù)雜調(diào)制格式+數(shù)字信號(hào)后處理技術(shù)，往往會(huì)由于電子處理所致的延遲時(shí)間長(zhǎng)而造成嚴(yán)重的通信瓶頸。

要實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的光纖通信，必須設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單而緊湊的能夠?qū)崿F(xiàn)超高帶寬調(diào)制的方案。由直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器構(gòu)建的直接檢測(cè)系統(tǒng)提供了這樣一種解決思路。在這些系統(tǒng)中，直接調(diào)制激光器的電光3 dB調(diào)制帶寬（GHz量級(jí)）是最為重要的品質(zhì)因子，其決定了可實(shí)現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)率（Gbps量級(jí)）。

因而為了保持?jǐn)?shù)據(jù)率的進(jìn)一步提高，在對(duì)其他方面不造成負(fù)面影響的情況下增大電光3 dB調(diào)制帶寬是十分必要的。這一改進(jìn)通常是通過(guò)開(kāi)發(fā)新型平面半導(dǎo)體材料或者通過(guò)利用諸如光注入鎖定增益杠桿激光之類的非線性結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。后者正是J. M. Sarraute等人在本項(xiàng)研究中提出的解決思路。這一工作發(fā)表在Photonics Research 2017年第5卷第4期上(J. M. Sarraute, et al., Effects of gain nonlinearities in an optically injected gain lever semiconductor laser  )。

圖： 光注入增益杠桿半導(dǎo)體激光器的調(diào)制帶寬表現(xiàn)。上圖：激光器結(jié)構(gòu)示意圖。包含一個(gè)短的調(diào)制部分和一個(gè)長(zhǎng)的增益部分的增益杠桿激光器與外部主激光器耦合在一起。下圖：處于光注入增益杠桿激光器的穩(wěn)定鎖定區(qū)域的3 dB調(diào)制帶寬，增益杠桿激光器兩個(gè)部分的損耗率比g=10，增益壓縮因子
。

如圖所示，增益杠桿激光由一個(gè)短的調(diào)制部分和一個(gè)長(zhǎng)的由連續(xù)波偏置的增益部分構(gòu)成。為了使得增益杠桿效應(yīng)最大化，增益部分偏置于高增益水平，而調(diào)制部分偏置于低增益水平。在這種情況下，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的射頻光學(xué)增益，從而導(dǎo)致電光3 dB調(diào)制帶寬的增加。為了進(jìn)一步增強(qiáng)調(diào)制動(dòng)力學(xué)，增益杠桿激光器與外部主激光器耦合在一起。特別是，當(dāng)注入光的強(qiáng)度和兩個(gè)激光器的頻率失諧處于特定范圍時(shí)，注入鎖定機(jī)制就會(huì)發(fā)生，從而將電光3 dB調(diào)制帶寬推進(jìn)至接近100 GHz。

在該工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)，與直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器不同，由非線性增益所致的壓縮因子并不影響動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)。例如，計(jì)算表明，當(dāng)考慮通常的注入強(qiáng)度時(shí)，高增益杠桿效應(yīng)和相對(duì)大的壓縮值可以使調(diào)制帶寬達(dá)到約85 GHz，這比沒(méi)有增益杠桿的自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器高四倍。

概括起來(lái)，這些結(jié)果為開(kāi)發(fā)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光的直接調(diào)制和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的新型寬帶光源提供了切實(shí)可行的理論指南。未來(lái)工作將致力于挖掘能實(shí)現(xiàn)大壓縮因子的量子點(diǎn)激光器的潛力。