基于腔衰蕩光譜技術的半導體光放大器增益測量

景志廣，陳海燕

基于腔衰蕩光譜技術的半導體光放大器增益測量

景志廣，陳海燕

（長江大學 物理與光電工程學院，湖北 荊州 434023）

提出并驗證一種基于腔衰蕩光譜（CRDS）技術的半導體光放大器（SOA）增益測量方法．實驗系統包括經RF信號調制的DFB激光器、半導體光放大器、環形器、光纖布拉格光柵、耦合器、溫度控制器、光電探測器及示波器．導出了半導體光放大器增益與腔衰蕩時間之間的函數關系式．結果表明，腔衰蕩時間是半導體光放大器增益的函數，增益是波長的函數，給出了一種測量SOA增益的新方法及技術可行性．

衰蕩光譜；半導體光放大器；腔衰蕩時間；增益測量

增益是半導體光放大器（SOA）的重要參數之一[1]，常見的SOA增益測量方法可以分為直接測量與間接測量兩種．直接測量可以在小范圍內獲得較高的分辨率，其缺點是測量范圍小、數據處理復雜[2]；間接測量是在測量SOA自發輻射光譜的基礎上，通過自發輻射與受激輻射之間的愛因斯坦關系計算出來[3]．

Pustakhod[4]等提出了一種快速多點擬合方法來測量SOA增益，測量范圍是1 400～1 600 nm．

腔衰蕩光譜（CRDS）技術是一種具有高靈敏度的直接吸收測量技術，通過測量腔內光場的衰蕩時間，即可測量諧振腔損耗及引起腔損耗變化的外界物理因素，該技術廣泛應用于光譜、氣體濃度測量及傳感等領域[5-8]．本文利用CRDS技術測量了摻Er3+的光纖中，Er3+的摻雜濃度及光纖布拉格光柵的反射率[9-10]，利用CRDS技術測量SOA增益，導出了SOA增益與腔衰蕩時間之間的函數關系式，利用擬合方法得到了SOA增益譜．

1 SOA增益測量系統與原理

SOA增益測量系統示意圖見圖1．由圖1可見，其包含經RF（射頻）信號調制的DFB激光器（Opwit，CA9005，DFB-EML）、SOA、環形器、光纖布拉格光柵（FBG）、耦合器、溫度控制器（Opwit，CA8004）、光電探測器（PD，Thorlabs DET01CFC）及示波器（OSC，Tektronix. TDS2022B），環形腔的腔長約5 m．其中，經RF信號調制的DFB激光器作為脈沖信號源，溫度控制器用于控制DFB激光器及FBG的工作溫度，FBG的反射率是溫度的函數，通過調節FBG的工作溫度，即可調節FBG的反射率．帶寬為1.2 GHz的光電檢測器和示波器用于測量腔衰蕩光譜．SOA的增益測量分為三步：（1）確定波長；（2）測量衰蕩時間并確定在上述波長處SOA的相應增益；（3）調節FBG的工作溫度，重復步驟（1）（2）以獲得其他波長處的腔衰蕩時間和SOA的相對增益，然后使用擬合方法確定SOA的增益曲線．

圖1 SOA增益測量系統示意圖

在某個諧振腔模式下，腔衰蕩時間為

式中：為光纖有效折射率；為諧振腔的腔長；為真空中的光速；為腔的總損耗．

SOA在某個波長下的增益可用式（1）（2）計算獲得．然后，通過改變FBG的工作溫度，重復（1）（2）兩步，即可獲得SOA在不同波長下的增益，利用擬合方法，可得SOA的增益譜．

2 結果與討論

第二步得到不同波長下SOA的增益．通過改變FBG的工作溫度，重復（1）（2）兩步，可獲得SOA在不同波長下的增益（見表1）．

表1 SOA在不同波長下的增益

第三步得到SOA的增益譜．利用擬合方法，可得SOA的增益譜（見圖3），所得SOA增益譜與其自發輻射譜一致[11]．

圖2 入射光信號波形和光纖環形腔典型衰蕩光譜

圖3 SOA增益譜

3 結論

本文提出并實驗研究了一種基于腔衰蕩光譜技術的SOA增益測量方法，該方法分為三步：（1）確定波長；（2）測量衰蕩時間并確定在上述波長處SOA的相應增益；（3）調節FBG的工作溫度，重復步驟（1）和（2）以獲得其他波長處的腔衰蕩時間和SOA的相對增益，然后使用擬合方法確定SOA的增益曲線．所得SOA增益譜與其自發輻射譜一致．

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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

景志廣（1995-），男，湖北黃岡人，碩士，從事光纖陀螺與光纖傳感研究．E-mail：614394606@qq.com

陳海燕（1965-），男，湖北荊州人，教授，博士，從事激光原理與技術等研究．E-mail：hychen@yangtzeu.edu.cn