SESAM 锁模全保偏皮秒脉冲光纤激光器输出特性

王帅坤， 仲 莉， 林 楠， 刘素平， 马骁宇

（1.中国科学院半导体研究所 光电子器件国家工程研究中心， 北京 100083；2.中国科学院大学 材料科学与光电技术学院， 北京 100049）

1 引 言

被动锁模光纤激光器具有光束质量高[1]、环境稳定性好、易散热等优点，因而在科研和工业领域应用广泛[2]。例如，超快光谱学、非线性显微镜、激光微加工等[3-6]。半导体可饱和吸收镜[7]（SESAM）因具有自启动、设计灵活、插入损耗小、参数可精确调控等优势[8-10]，被广泛用作实现被动锁模的关键元件，应用于科研及商业领域。

近年来，国内外的研究人员在SESAM 锁模的光纤激光器方面取得了一些重要进展。2018 年，比利时报道了1 030 nm 的SESAM 锁模光纤激光器，产生脉冲能量0.22 nJ、脉冲宽度6.5 ps、光谱宽度7 nm 的种子光[11]。2022 年，韩国研究团队提出了一种SESAM 锁模的全保偏环形腔光纤振荡器，获得了波长1 030 nm 的稳定锁模，其光谱宽度为3.6 nm，经三级光纤放大后将输出功率提高到11.3 W[12]。国内的研究机构如西安光机所、北京工业大学等也进行了相关研究。2018 年，西安光机所使用窄带滤波器进行脉冲整形，获得了中心波长1 030 nm、光谱宽度4 nm、脉冲宽度20.6 ps的锁模脉冲[13]。2021 年，北京工业大学以自制的InGaAs/AlGaAsP 多量子阱（MQW）结构的SESAM作为锁模器件，获得了中心波长1 064 nm、脉冲宽度22 ps、光谱宽度0.19 nm 的输出脉冲。其锁模输出特性表明，SESAM 的调制深度对脉冲宽度有显著影响，高调制深度有利于光纤激光器的锁模[14]。2023 年，西南技术物理所搭建了基于非保偏线形腔SESAM 锁模的掺镱光纤激光器，在没有任何腔内色散补偿和外部偏振控制的情况下，获得了中心波长1 064 nm、脉冲宽度12.51 ps、光谱宽度0.32 nm、输出功率2 mW 的锁模脉冲[15]。

但是，国内外对于不同SESAM 结构参数和性能参数对锁模脉冲输出特性影响规律的研究大多处于理论状态，具体实验研究相对较少，难以在实际工程技术中准确设计和选择合适的SESAM 结构并优化超短脉冲光纤激光器的性能。因此，本文基于自主研发的SESAM 器件，搭建了线型腔全保偏皮秒脉冲光纤激光器，研究了具有不同吸收层结构和不同量子阱（QW）数量的SESAM 对激光器输出特性的影响，为SESAM 的设计和选型提供了实验基础，并在优化和调整SESAM 锁模光纤激光器的性能方面具有重要参考价值。

2 实 验

2.1 SESAM 结构、制备及参数

本文所用SESAM 材料采用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）技术制备，包括GaAs 衬底、GaAs 缓冲层、分布式布拉格反射镜层（DBR）、隔离层、可饱和吸收层、盖帽层。DBR 由30 对GaAs/AlGaAs 层（Al 的组分为0.9）组成。

本文研究了四种不同的SESAM，主要区别在于可饱和吸收层的结构不同，分别为7，14，30 个周期的多量子阱和体材料。多量子阱和体材料是可饱和吸收体的两种不同结构，都可以利用其特殊的电子能级结构来实现对入射光的非线性吸收，可以实现锁模并窄化脉冲宽度。图1 为多量子阱和体材料SESAM 的结构示意图。

图1 多量子阱（左）及体材料（右）SESAM 结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the MQW（left） and bulk material（right） SESAM structure

多量子阱SESAM 的可饱和吸收层为应变补偿多量子阱结构，每对量子阱由厚度10 nm 的GaAsP 张应变量子垒层和厚度10.08 nm 的In-GaAs 压应变量子阱层（In 组分为0.25）交叉叠设而成，生长温度为530 ℃，其余层生长温度为690 ℃。在可饱和吸收层底部和顶部分别设有GaAs 隔离层和盖帽层，厚度均为4 nm。常规的InGaAs/GaAs 多量子阱结构在GaAs 衬底上生长InGaAs 量子阱时，具有较大的压应变，因此量子阱周期数受到应变弛豫限制，周期数较多时会使材料质量恶化。而本文中所采用的GaAsP/In-GaAs 量子阱通过GaAsP 的张应变补偿InGaAs 的压应变，可以提高材料质量，增加量子阱周期数[10]。此外，由于量子阱的量子尺寸效应，其电子能级可以通过改变量子阱的厚度和组分来调整，因此可以灵活地设计可饱和吸收体的吸收特性。但要获得期望的电子能级结构，需要对多量子阱材料的厚度和组分进行精确控制，工艺容差小。

而体材料SESAM 的不同之处在于其可饱和吸收层仅由单一组分的InGaAs 体材料构成。生长GaAs 隔离层后，在530 ℃下外延生长一层74 nm 厚的InGaAs 材料层，无需进行不同材料层的交替生长。体材料的电子能级结构比较稳定，不易受到制备过程中微小变化的影响，工艺难度较低。在相同的调制深度下，体材料吸收层厚度更薄，减少了生长成本。在相同厚度下，体材料吸收层的调制深度更大但杂质和缺陷更多，会有较大的非饱和损耗。而且体材料电子能级结构不能像量子阱那样可以通过改变尺寸来调整，限制了其应用和性能。

利用非线性测试装置测得四种SESAM 的具体参数，如表1 所示，包括线性反射率Rlin、饱和反射率Rns、饱和通量Fsat,A、调制深度ΔR、非饱和损耗ΔRns、损伤阈值Fd、吸收率A0、弛豫时间τ。

表1 四种SESAM 的具体参数Tab.1 Parameters of four SESAM

从表1 中可以看出，7，14，30 个周期量子阱的SESAM 调制深度逐渐增加，体材料SESAM 的调制深度与14 个周期量子阱的SESAM 相同。7，14 个周期量子阱的SESAM 非饱和损耗较小，30 个周期量子阱的SESAM 非饱和损耗较大。

调制深度是指脉冲通量远大于饱和吸收通量时反射率的变化[16]，即饱和反射率Rns和线性反射率Rlin之差。量子阱数量越多，可饱和吸收层越厚，对光的非线性吸收能力越强，使得反射率变化增大，调制深度也随之增大。

非饱和损耗指的是吸收体完全饱和时仍然存在 的 损 耗[16]，即1 -Rns。包 括DBR 反 射 率 不 足100%的部分、表面粗糙造成的散射损耗、缺陷和杂质的吸收损耗等，主要影响脉冲输出功率。本文所用SESAM 的非饱和损耗差异主要来自吸收体中缺陷和杂质的吸收损耗。7，14 个周期量子阱的SESAM 可饱和吸收层厚度较薄，产生的杂质和缺陷较少。但30 个周期量子阱的SESAM 可饱和吸收体厚度较大，产生的缺陷和杂质更多，因此非饱和损耗更大。体材料SESAM 的可饱和吸收体为单层整体生长，产生的缺陷较多，但整体厚度较小，因此非饱和损耗略有增加。

可见，可饱和吸收层结构对SESAM 参数的影响主要体现在调制深度和非饱和损耗。量子阱数量越多，调制深度越大，但量子阱数量过多时，会使得SESAM 具有较大的非饱和损耗。

2.2 实验装置

本实验搭建了基于SESAM 锁模的全保偏皮秒脉冲光纤激光器，实验装置示意图如图2 所示。激光器采用线型腔结构，将自主研制的SESAM 作为锁模器件，所用SESAM 尺寸为2 mm×2 mm，并通过波分复用器（WDM）尾纤上的FC/PC 光纤跳线端面与SESAM 耦合。中心波长1 030 nm、光谱带宽0.2 nm、反射率为60%的光纤布拉格光栅（FBG）作为另一端腔镜，用于波长选择和激光耦合输出。增益介质为50 cm 长的单包层保偏掺镱光纤（Yb300-6/125-PM），纤芯直径为6 µm，包层直径为125 µm，数值孔径为0.12，在976 nm 处的吸收系数为300 dB/m。所用泵浦源为带尾纤的976 nm 单模半导体激光器，最高输出功率为320 mW，带有温控系统以保持输出功率稳定性，并添加了泵浦保护器以防止回光损伤。使用WDM 将泵浦光耦合进线型腔中。输出端熔接保偏光纤隔离器（ISO），用以消除回光对锁模稳定性的影响。所有器件均使用保偏光纤连接，传输线偏振光。

图2 实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup

3 结果与讨论

3.1 脉冲波形随泵浦功率的变化

首先探究了脉冲波形随泵浦功率的变化过程。将SESAM 接入谐振腔中，采用带宽为4 GHz的高速示波器（Agilent, DSO7104B）配合光电探测器（Thorlabs PDA015C/M）对输出脉冲波形随泵浦功率的变化进行监测。

逐渐增大泵浦功率，示波器的波形经历如图3（a）～（d）所示的变化。当泵浦功率较低时，SESAM 未达到饱和，仅有连续光输出，随着泵浦功率增加会出现如图3（a）所示的无序巨脉冲。继续增加泵浦功率，巨脉冲逐渐增多并达到平齐，此时为调Q状态，如图3（b）所示。

图3 SESAM 锁模建立过程中示波器波形变化。 （a）无序巨脉冲；（b）调Q；（c）连续锁模；（d）双脉冲Fig.3 Oscilloscope waveform evolution during the SESAM mode-locking establishment process.（a）Disordered giant pulse.（b）Q-switch.（c）Continuous-wave mode-locked.（d）Double pulse

当泵浦功率达到锁模阈值时，出现图3（c）所示的稳定的连续锁模脉冲。四种SESAM 均实现了稳定锁模。由于没有改变腔形结构以及腔长，输出脉冲重复频率保持不变，均为27 MHz，与激光器腔长3.8 m 对应。

当泵浦功率超过稳定锁模范围时，SESAM 的吸收损耗难以与增益平衡，因此由单脉冲分裂为多脉冲，增大吸收作用，脉冲波形如图3（d）。

3.2 锁模区间和输出功率

不同的SESAM 吸收层结构会对输出脉冲的锁模区间及输出功率产生影响。锁模区间是激光器保持锁模状态的泵浦功率范围。使用光功率计（Thorlabs S145C）对输出功率进行测量。由于激光器种子源输出功率较小，单点记录容易造成测量误差。为了保证结论的严谨性，我们在测量输出功率时采用单点多次测试与换点测试同时进行的方法来确定误差棒，功率测量波动在5%以内，误差较小。图4 为四种SESAM 锁模时的输出功率曲线，记录了从出现锁模到出现双脉冲前的输出功率。双脉冲的出现使脉冲的峰值功率增加，会对SESAM 造成损伤，导致失锁，因此并未测量更高泵浦功率下的输出功率曲线。锁模时的锁模区间、输出功率以及光光转化效率数据详见表2。

表2 四种SESAM 锁模时的锁模区间、输出功率及光光转化效率Tab.2 Mode-locking range， output power， and optical to optical conversion efficiency of four SESAM modelocking

图4 四种SESAM 锁模时的输出功率曲线Fig.4 Output power curves of four SESAM mode-locking

从图4 和表2 中可以看出，7 个周期量子阱的SESAM 锁模时的泵浦功率范围最小，实现锁模所需要的泵浦功率最高，最大输出功率最低。随着量子阱数量的增加，14 个周期量子阱的SESAM 和30 个周期量子阱的SESAM 锁模时的泵浦功率区间长度依次增大，最大为39.4 mW，最大输出功率也相应提高，最高为8.48 mW。这是因为量子阱数量的增加使SESAM 的调制深度增大，脉冲宽度更窄（详见3.4 节）。大的调制深度使可饱和吸收体对光的非线性吸收能力增强，使锁模更容易实现，扩大了锁模区间。而窄脉宽则使脉冲具有更高的峰值功率，可从增益介质中获取更多的增益，使最大输出功率提高。

相同泵浦功率下，四种SESAM 的输出功率从高到低依次为14QW、体材料、30QW、7QW。30 个周期量子阱的SESAM 和体材料SESAM 具有较高的非饱和损耗，使一部分光在锁模过程中被损耗掉，降低了输出功率和光光转化效率。而7 个周期量子阱的SESAM 的输出功率低则是因为调制深度过小，非线性吸收能力弱，获得的增益较少，导致输出功率处于最低水平。

综上所述，SESAM 量子阱数量增加可扩大锁模区间，提高输出功率和光光转化效率。但从实验中发现，当量子阱数量增加到30 个时，因材料质量下降，造成了非饱和损耗增加，光光转化效率下降。

3.3 中心波长及光谱宽度

激光器实现稳定锁模后，利用分辨率为0.03 nm 的光谱分析仪（Anritsu，MS9740B）测量了输出脉冲的中心波长和3 dB 光谱宽度。图5 显示了相同泵浦功率下四种SESAM 的输出光谱，中心波长及光谱宽度数据详见表3。可以看出，SESAM 对这两项参数的影响不大，四种SESAM 在锁模时中心波长在（1 030 ± 0.03） nm，光谱宽度在0.133 nm 左右。其中，微小的带宽和波长差异是由光谱仪的分辨率以及光谱波动引起的测量误差，可忽略不计。这是由于所用FBG 相同，FBG 的光谱滤波效应和窄带限模作用限制了中心波长和光谱宽度的改变。光谱的强度差异是因为在同一泵浦功率下，不同SESAM 锁模时的输出功率不同。此外，因为所用光纤均带有正色散，激光器工作于全正色散区域，但由于FBG 带宽较窄，并未形成耗散孤子锁模[17]，光谱两侧平滑。

表3 四种SESAM 锁模时的中心波长和光谱宽度Tab.3 Center wavelength and spectral width of four SESAM mode-locking

图5 四种SESAM 锁模时的输出光谱Fig.5 Output spectra of four SESAM mode-locking

3.4 脉冲宽度

四种SESAM 的参数中，比较明显的区别是调制深度不同。调制深度反映了可饱和吸收体对脉冲宽度的窄化能力[18]。对于理想的可饱和吸收体，调制深度ΔR与锁模脉冲宽度τp的关系近似满足[19]：

其中，Δfg为激光介质的增益谱的半高宽，g为功率增益系数。由公式（1）可得到，随着可饱和吸收体调制深度的增加，锁模时的脉冲宽度会逐渐变窄。

使用自相关仪（APE，pulseCheck 150NX）对四种SESAM 稳定锁模时的脉冲宽度进行测量，高斯拟合后的自相关曲线如图6 所示。表4 中显示了四种SESAM 的调制深度与锁模时的脉冲宽度的对应关系。可以看出，随着调制深度增加，7，14，30 个周期量子阱的SESAM 锁模时的输出脉冲宽度逐渐变窄，与上述理论相吻合。

表4 四种SESAM 锁模时的脉冲宽度Tab.4 Pulse width of four SESAM mode-locking

体材料SESAM 与14 个周期量子阱的SESAM 调制深度相同，但脉冲宽度更窄。这是因为实际外延生长时，由于In、P 对温度较为敏感，可饱和吸收体的厚度和组分产生了一定的偏差，导致最低反射率波长与设计值1 030 nm 不一致，使设计值波长处的反射率变化量减小，造成实际使用时脉冲窄化能力减弱。而体材料相对于量子阱可饱和吸收体来说，不需要进行高精度的层间界面控制，生长的工艺容差更大，与设计值1 030 nm 偏差更小，所以实际的脉冲窄化能力更强。

在皮秒范畴，要实现更短的脉冲宽度，可在目前的基础上进行以下改进。由于脉冲宽度与光谱宽度的乘积即时间带宽积为定值，仅与腔内色散量有关，因此可在目前的基础上，采用带宽更大的FBG，增大光谱宽度，以获得更短脉宽。由于激光器中所用光纤均带有正色散，会导致脉冲展宽，因此，可以引入啁啾光纤光栅等色散补偿元件，减少腔内净色散，进一步缩短脉冲宽度[20]。此外，还可以使用弛豫时间更短、调制深度更大的SESAM，缩短脉冲宽度。

但是不能一味追求更高的调制深度。因为锁模的实现对SESAM 的调制深度有一定要求。当量子阱周期数过大、调制深度较大时，对入射脉冲的吸收也会过多，导致出现自调Q现象。而当量子阱周期数过小、调制深度较小时，脉宽变化缓慢，实现锁模所需的时间较长，甚至不锁模。因此，具有满足锁模条件的参数的SESAM 才符合文中对输出特征的讨论。

4 结 论

本文搭建了基于SESAM 锁模的全保偏皮秒脉冲光纤激光器，并探究了SESAM 不同量子阱数量和吸收层结构对激光器输出特性的影响。结果表明，对于7，14，30 个周期量子阱的SESAM，随着量子阱数量的增加，SESAM 的调制深度由15%增加至46%，锁模时的脉冲宽度由26 ps 缩短至16 ps，最大输出功率增加了2.86 mW，锁模时的泵浦功率范围增加了16.4 mW，锁模更易实现。但30 个周期量子阱的SESAM 具有较大的非饱和损耗，导致在相同泵浦功率下输出功率低于14 个周期量子阱的SESAM。在相同调制深度下，体材料SESAM 的非饱和损耗比多量子阱SESAM 略高，但有助于获得较窄的脉冲宽度。SESAM 吸收层的结构对于光纤激光器的输出功率、脉冲宽度、调制深度以及非饱和损耗等重要性能参数具有直接决定作用。本研究为进一步优化和调整光纤激光器的性能提供了重要的参考。

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