【SOA用于噪声抑制】光纤DFB激光器中弛豫振荡噪声抑制

----翻译自Anoma Dayawansa McCoy 2005年的博士论文《Intensity Noise Suppression Using A Semiconductor Optical Amplifier: Characterizations and Applications》

概述：

本章记录了我们在光纤分布式反馈DFB激光器中使用饱和SOA来降低RIN的工作，以用于低频传感器应用。结果表明，放大器的增益动力学允许光纤激光器的弛豫振荡RO噪声分量减少30dB。

6.1 背景

到目前为止，我研究了将饱和半导体光放大器（SOA）作为降低类热非相干光源过量强度噪声的一种手段，应用于电信系统中。然而，应该认识到，饱和SOA是一种强大且用途广泛的工具，其应用可以扩展到各种不同的领域。在本章中，我将介绍一项初步研究，该研究旨在利用放大器的非线性特性来降低高相干光纤分布反馈（DFB）激光器的相对强度噪声（RIN）峰值。

光纤DFB激光器由于其与光纤的兼容性、窄线宽以及低强度噪声等特性，成为半导体二极管激光器的一种有吸引力的替代方案。然而，激光器噪声光谱中特有的弛豫振荡（RO）峰值，是由增益介质中粒子数反转与光子密度之间的耦合引起的 ，这会限制其在诸如传感和计量等低频应用中的灵敏度。

此前，一种光电子反馈方法已被用于在光纤激光器中实现RIN峰值降低30dB，该方法通过与激光强度波动反相调制泵浦驱动电流来实现 。然而，这种方法需要仔细表征激光器对泵浦电流波动的响应。一种更简单的全光方法是利用饱和SOA的增益动态来降低RO噪声峰值。类似的技术已被用于通过在环形激光器的腔中引入SOA来抑制拍频 。在本章中，我们首次报道了使用外部SOA降低光纤DFB激光器RO峰值的特性研究 。

6.2 SOA用于降低RIN峰值

本章所呈现的工作是与Libin Fu博士合作完成的。C波段光纤激光器的工作波长为1552.1nm，由Morten Ibsen博士制造。

基本实验装置如图6.1所示。该激光器是一种单偏振铒镱共掺光纤DFB激光器，腔长为5cm，采用980nm反向泵浦配置。有关激光器设计的更多详细信息，请参考文献[76]，将激光器的输出功率设置为10dBm，此时RO频率约为930kHz。然后将激光器的输出衰减至约5dBm，再注入到SOA中，同时将放大器的驱动电流设置为200mA。根据放大器的增益特性（见图6.2），这样的驱动电流和光输入功率组合确保了SOA（阿尔卡特1901型）工作在增益饱和区域。还调整了信号的偏振态，以实现最大程度的噪声抑制。

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与前面的章节一样，我们使用安捷伦光波分析仪测量了SOA前后的噪声功率谱密度PSD（图6.3a）。需要注意的是，在频率低于约600kHz处观察到的RIN明显增加是由光波分析仪的底噪引起的。因此，为了更好地研究低频响应，我们使用电频谱分析仪和一个带宽为125MHz的高灵敏度光电探测器，在30-700kHz的频率范围内进一步表征噪声PSD（图6.3(b)）。

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通过使用SOA，我们能够将RIN峰值从-110dB/Hz降低到低于-140dB/Hz，从而实现30dB的RIN改善。尽管图6.3（b）显示在低30kHz的频率下也有强度噪声抑制，但由于光电探测器的热底噪，噪声抑制的真实程度被掩盖了。然而，根据第3章中的理论分析，预计噪声抑制可以延伸到直流。在频率高于SOA的噪声抑制带宽（约4GHz）时，RIN光谱中观察到缓慢增加，这归因于放大器ASE引入的未被抑制的拍频噪声。在10GHz时，仅DFB激光器的RIN值为-163dB/Hz，而饱和SOA将其增加到-150dB/Hz。

图6.4a展示了激光器在通过SOA前后的光谱。尽管SOA产生的放大自发辐射降低了光信噪比（OSNR），但SOA输出信号的OSNR仍大于55dB。与前面章节中讨论的非相干光谱切片不同，该激光器光谱没有明显的红移或失真。使用延迟自外差技术（分辨率为3.5kHz）进行的激光线宽测量进一步证实了这一点 。测量得到的3dB线宽约为14kHz，并且在噪声抑制前后，激光线宽没有明显差异（图6.4（b））。第3章中讨论的光谱失真效应源于SOA内部的幅度-相位耦合，并且是注入到器件中的强度噪声水平的函数；因此，此处没有观察到这些效应，这归因于光纤DFB激光器的高强度稳定性。

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对于高输入功率，即使在相对较低的SOA驱动电流水平下，也能实现显著的RIN抑制。从图6.5中可以明显看出这一点，该图展示了在输入功率约为5dBm恒定的情况下，RIN峰值抑制与放大器驱动电流的关系。观察到的抑制效果归因于在这些电流水平下放大器仍然显著的增益压缩。

如第3章详细讨论的，SOA实现的噪声抑制是饱和放大器中光强度与增益之间的反比关系的结果。因此，任何叠加在高强度连续波载波上的小信号调制在通过SOA时都将被抑制。如3.3.1节所示，这种抑制发生的频率范围由器件的载流子寿命决定，大约在几GHz的量级。这些特性使得该技术非常适合在低频下需要窄线宽、高灵敏度和强度稳定性的应用，并且该技术还有一个额外的优点，即SOA还可以在诸如基于时间选通的传感器多路复用等技术中用作调制器 。

6.3 总结与讨论

综上所述，增益饱和的SOA为降低光纤DFB激光器的RO峰值和低频强度噪声提供了一种简单有效的方法。使用该技术，RIN峰值被降低到低于-140dB/Hz，实现了约30dB的噪声降低。在0-4GHz的频率范围内实现了显著的抑制。

本文所呈现的初步研究仅限于单个RO频率。然而，由于RO峰值的幅度和频率取决于激光器的泵浦功率，在SOA的整个噪声抑制带宽内表征RIN降低，以确定可实现的最小RIN是很有价值的。然而，这些实验需要一个极低噪声的探测器，以便充分评估饱和SOA的优势。根据先前的分析 [27]，在较低的RO频率下，预计RIN降低幅度将大于30dB。

与半导体DFB激光器相比，光纤DFB激光器通常在很宽的频率范围内具有更优越的噪声特性。然而，就其在传感和计量中的应用而言，光纤激光器的缺点是RO峰值出现在非常低的频率（即低于几兆赫兹），而激光二极管的RO频率在吉赫兹量级 。因此，RO抑制为光纤激光器提供了相对于半导体激光器的明显优势，从而增强了光纤DFB技术在低频传感器和计量应用中的潜力。

注：本文由天津见合八方光电科技有限公司挑选并翻译，旨在推广和分享相关半导体光放大器SOA基础知识，助力SOA技术的发展和应用。特此告知，本文系经过人工翻译而成，虽本公司尽最大努力保证翻译准确性，但不排除存在误差、遗漏或语义解读导致的不完全准确性，建议读者阅读原文或对照阅读，也欢迎指出错误，共同进步。