[论文解读] Analysis of the phase-locking dynamics of a III-V-on-silicon frequency comb laser
本研究提出一种阶梯式外差（SH）技术，用于表征异质外延III-V/Si频率梳激光器中的锁相动力学，实现了脉冲包络和光谱相位的精确重建。该方法揭示了接近变换极限的脉冲（1.55 ps），并识别出饱和吸收体（SA）偏置电压偏离导致的模式锁相性能退化，表现为相位涟漪和啁啾；同时在射频（RF）共振调制下展示了稳定且接近变换极限的运行状态。
We present the detailed characterization of the phase dynamics of a telecom hybrid III-V-on-silicon passively mode-locked laser with a ring cavity. We explore the various regimes of operation as a function of gain current and saturable absorber bias voltage. We use a stepped-heterodyne measurement to quantify the spectral chirp and reconstruct the pulse envelop. With this technique we are able to identify regimes of near-transform-limited operation and we assess the degradation of mode-locking in the comb phase relationship when saturable absorber bias voltage is changed. Finally, we present a preliminary study of the phase-locking in hybrid mode-locked operation and demonstrate transform-limited pulses.
研究动机与目标
- 表征异质III-V/Si环形腔频率梳激光器中的相位动力学。
- 评估不同增益电流和饱和吸收体（SA）偏置电压下的脉冲质量与模式锁相稳定性。
- 评估SA偏置对光谱啁啾和脉冲包络失真的影响。
- 研究通过射频调制实现混合模式锁相，以改善锁相性能并生成变换极限脉冲。
- 证明阶梯式外差测量适用于低功率集成频率梳激光器的适用性。
提出的方法
- 采用阶梯式外差（SH）测量技术，提取频率梳输出中每条梳齿的振幅与光谱相位。
- 利用光谱相位数据重建时间域脉冲包络，并评估群速度色散（GDD）。
- 该方法通过检测相位演化偏离线性关系，实现对锁相质量的定量分析。
- 对SA偏置电压施加射频调制，实现混合模式锁相，稳定重复频率并提升相位相干性。
- 通过将重建的脉冲包络与零啁啾的理想变换极限（TL）脉冲进行比较，评估脉冲质量。
- 在不同泵浦电流（I）和SA偏置电压（V_SA）条件下进行测量，数据由低噪声电流源和温度稳定化装置采集。
实验结果
研究问题
- RQ1饱和吸收体（SA）偏置电压如何影响频率梳的锁相动力学与光谱相干性？
- RQ2阶梯式外差测量在多大程度上可分辨低功率集成频率梳激光器中的脉冲包络失真与光谱啁啾？
- RQ3对SA偏置电压施加射频调制是否能稳定频率梳并实现在III-V/Si激光器中变换极限脉冲的生成？
- RQ4射频基频线宽与频率梳中锁相质量之间存在何种关系？
- RQ5在不同泵浦电流与SA偏置工作状态下，脉冲宽度与时间波形如何变化？
主要发现
- 激光器实现接近变换极限的运行，脉冲宽度为1.55 ps，表明群速度色散极小。
- 当SA偏置电压偏离最优值（如-1.0 V）时，射频线宽增大（最高达118 kHz），射频峰值幅度降低，与相位涟漪和脉冲展宽相关。
- 在V_SA = -1.0 V且I = 170 mA时，射频基频线的半高全宽（FWHM）为86 kHz，峰值幅度为-46.9 dB，表明模式锁相稳定。
- 脉冲重建结果表明，当SA偏置偏离最优设置时，相位涟漪和非线性相位演化出现，导致脉冲质量下降。
- 通过在SA偏置电压上施加100 mV p-p的射频调制，实现线性模态相位演化，与理想变换极限脉冲近乎完全一致。
- 阶梯式外差技术成功分辨亚皮秒时间特征，并实现了对低功率集成频率梳光源的定量、非放大表征。
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