基于腔衰荡光谱技术的半导体光放大器增益测量

景志广，陈海燕

基于腔衰荡光谱技术的半导体光放大器增益测量

景志广，陈海燕

（长江大学 物理与光电工程学院，湖北 荆州 434023）

提出并验证一种基于腔衰荡光谱（CRDS）技术的半导体光放大器（SOA）增益测量方法．实验系统包括经RF信号调制的DFB激光器、半导体光放大器、环形器、光纤布拉格光栅、耦合器、温度控制器、光电探测器及示波器．导出了半导体光放大器增益与腔衰荡时间之间的函数关系式．结果表明，腔衰荡时间是半导体光放大器增益的函数，增益是波长的函数，给出了一种测量SOA增益的新方法及技术可行性．

衰荡光谱；半导体光放大器；腔衰荡时间；增益测量

增益是半导体光放大器（SOA）的重要参数之一[1]，常见的SOA增益测量方法可以分为直接测量与间接测量两种．直接测量可以在小范围内获得较高的分辨率，其缺点是测量范围小、数据处理复杂[2]；间接测量是在测量SOA自发辐射光谱的基础上，通过自发辐射与受激辐射之间的爱因斯坦关系计算出来[3]．

Pustakhod[4]等提出了一种快速多点拟合方法来测量SOA增益，测量范围是1 400～1 600 nm．

腔衰荡光谱（CRDS）技术是一种具有高灵敏度的直接吸收测量技术，通过测量腔内光场的衰荡时间，即可测量谐振腔损耗及引起腔损耗变化的外界物理因素，该技术广泛应用于光谱、气体浓度测量及传感等领域[5-8]．本文利用CRDS技术测量了掺Er3+的光纤中，Er3+的掺杂浓度及光纤布拉格光栅的反射率[9-10]，利用CRDS技术测量SOA增益，导出了SOA增益与腔衰荡时间之间的函数关系式，利用拟合方法得到了SOA增益谱．

1 SOA增益测量系统与原理

SOA增益测量系统示意图见图1．由图1可见，其包含经RF（射频）信号调制的DFB激光器（Opwit，CA9005，DFB-EML）、SOA、环形器、光纤布拉格光栅（FBG）、耦合器、温度控制器（Opwit，CA8004）、光电探测器（PD，Thorlabs DET01CFC）及示波器（OSC，Tektronix. TDS2022B），环形腔的腔长约5 m．其中，经RF信号调制的DFB激光器作为脉冲信号源，温度控制器用于控制DFB激光器及FBG的工作温度，FBG的反射率是温度的函数，通过调节FBG的工作温度，即可调节FBG的反射率．带宽为1.2 GHz的光电检测器和示波器用于测量腔衰荡光谱．SOA的增益测量分为三步：（1）确定波长；（2）测量衰荡时间并确定在上述波长处SOA的相应增益；（3）调节FBG的工作温度，重复步骤（1）（2）以获得其他波长处的腔衰荡时间和SOA的相对增益，然后使用拟合方法确定SOA的增益曲线．

图1 SOA增益测量系统示意图

在某个谐振腔模式下，腔衰荡时间为

式中：为光纤有效折射率；为谐振腔的腔长；为真空中的光速；为腔的总损耗．

SOA在某个波长下的增益可用式（1）（2）计算获得．然后，通过改变FBG的工作温度，重复（1）（2）两步，即可获得SOA在不同波长下的增益，利用拟合方法，可得SOA的增益谱．

2 结果与讨论

第二步得到不同波长下SOA的增益．通过改变FBG的工作温度，重复（1）（2）两步，可获得SOA在不同波长下的增益（见表1）．

表1 SOA在不同波长下的增益

第三步得到SOA的增益谱．利用拟合方法，可得SOA的增益谱（见图3），所得SOA增益谱与其自发辐射谱一致[11]．

图2 入射光信号波形和光纤环形腔典型衰荡光谱

图3 SOA增益谱

3 结论

本文提出并实验研究了一种基于腔衰荡光谱技术的SOA增益测量方法，该方法分为三步：（1）确定波长；（2）测量衰荡时间并确定在上述波长处SOA的相应增益；（3）调节FBG的工作温度，重复步骤（1）和（2）以获得其他波长处的腔衰荡时间和SOA的相对增益，然后使用拟合方法确定SOA的增益曲线．所得SOA增益谱与其自发辐射谱一致．

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[11] LUO M，CAO W，CHEN H．Fiber ring-cavity laser based on semiconductor optical amplifier[J]．Int J Mod Phys B，2018，32：1850266．

Gain measurement of semiconductor optical amplifier by cavity ring-down spectroscopy technique

JING Zhiguang，CHEN Haiyan

（School of Physics and Optoelectronic Engineering，Yangtze University，Jingzhou 434023，China）

A novel method to measure the gain of semiconductor optical amplifier（SOA）by cavity ring-down spectroscopy（CRDS） technique is proposed and experimentally demonstrated．The experimental system consists of a DFB laser modulated by RF signal，a SOA，a circulator，a fiber Bragg grating，two couplers，a temperature controller，a photo detector，and an oscilloscope．The function relationship between the gain of SOA and the cavity ring-down time is derived．The results showed that the cavity ring-down time is a function of SOA gain，which is a function of wavelength．Provides a new method for measuring SOA gain and the technical feasibility．

ring-down spectroscopy；semiconductor optical amplifier；cavity ring-down time；gain measurement

O47

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2024.02.010

1007-9831（2024）02-0053-03

2023-10-08

景志广（1995-），男，湖北黄冈人，硕士，从事光纤陀螺与光纤传感研究．E-mail：614394606@qq.com

陈海燕（1965-），男，湖北荆州人，教授，博士，从事激光原理与技术等研究．E-mail：hychen@yangtzeu.edu.cn