[论文解读] Control and generation of localized pulses in passively mode-locked semiconductor lasers

M. Marconi, J. Javaloyes+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 15被引用 4

一句话总结

该论文通过实验和理论证明，在使用共振可饱和吸收镜（RSAM）光学反馈的被动锁模宽区VCSEL中，可以生成并控制局部化、相互独立的皮秒脉冲。通过调制偏置电流，可精确调节腔内 round-trip 的脉冲数量（从1到4个），使该系统能够作为10 ps脉冲、峰值功率1 W的任意波形发生器。

ABSTRACT

We show experimentally and theoretically that localized pulses can be generated from an electrically biased $200\,μ$m multi-transverse mode Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser. The device is passively mode-locked using optical feedback from a distant Resonant Saturable Absorber Mirror and it is operated below threshold. We observe multistability between the off solution and a large variety of pulsating solutions with different number and arrangements of pulses per round-trip, thus indicating that the mode-locked pulses are localized, i.e. mutually independent. We show that a modulation of the bias current allows controlling the number of the pulses travelling within the cavity, thus suggesting that our system can be operated as an arbitrary pattern generator of 10 ps pulses and 1 W peak power.

研究动机与目标

• 研究低于阈值条件下，被动锁模半导体激光器中局部化脉冲的形成与控制。
• 探讨多稳态在实现光学缓存和信号生成中独立脉冲寻址中的作用。
• 证明通过偏置电流调制可控制腔内脉冲的数量与排列方式。
• 利用紧凑、电泵浦的VCSEL结合RSAM反馈，建立低重复频率、高脉冲峰值功率的超短脉冲源。
• 验证该系统作为光学任意波形发生器在LIDAR、光谱学和光通信等应用中的可行性。

提出的方法

• 实验采用200 µm宽区VCSEL，在低于阈值状态下电泵浦，并通过4×4 mm²孔径的980 nm共振可饱和吸收镜（RSAM）实现光学反馈。
• RSAM提供的光学反馈诱导被动锁模，通过增益与饱和动力学实现超短脉冲的形成。
• 通过调制偏置电流控制有效增益，实现对每轮Round-trip中不同数量局部化脉冲的选择性激发与稳定。
• 通过改变增益调制的调制深度和相对于腔往返时间的失谐量，构建数值分岔图。
• 采用Ginzburg-Landau型模型分析系统，该模型捕捉了增益、饱和效应与腔往返时间之间的相互作用。
• 将实验结果与仿真进行对比，验证多稳态局部结构的存在及其对调制参数的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在RSAM反馈下，低于阈值的宽区VCSEL中是否能形成并稳定局部化脉冲？
• RQ2 偏置电流调制如何控制腔内局部化脉冲的数量与排列？
• RQ3 调制周期与腔往返时间之间的失谐在脉冲数量稳定性中起什么作用？
• RQ4 该系统在多大程度上表现出多稳态特性？能否独立寻址单个脉冲？
• RQ5 该系统能否作为超短光脉冲的任意波形发生器？

主要发现

• 在VCSEL-RSAM系统中，低于阈值时可形成局部化脉冲，系统在关闭态与不同脉冲构型（每轮往返1至4个脉冲）之间表现出多稳态特性。
• 系统表现出强烈的多稳态行为，脉冲数量可通过偏置电流调制控制，从而实现对不同脉冲图案的选择性激发。
• 腔内最多可维持四个局部化脉冲，当失谐量Δτ = 0.23时达到该极限，对应于包含增益恢复效应的有效腔往返时间。
• 共振舌宽度约为0.5（归一化时间），与~10 ps脉宽和~40 kHz滤波带宽一致。
• 维持单个局部化脉冲所需的最小电流为g_sn ≈ 0.94g_th，接近阈值增益。
• 系统实现了65.5 MHz的记录最低重复频率，脉宽10 ps，峰值功率1 W，证明其作为任意波形发生器的可行性。