非均匀温度下加热器调谐DBR激光二极管的反射谱表征：ASE-FFT测量与温度相关耦合模理论

《Optics & Laser Technology》：Experimental and theoretical characterization of nonuniform temperature effects in heater-tuned DBR laser diodes: ASE-FFT reflectance measurement and temperature-dependent coupled mode theory

　　

（原文未提供独立摘要；以下翻译标题后研究要点/Highlights。）
• 加热器调谐分布布拉格反射（DBR）激光器中的非均匀腔温度经热反射（TR）测量与电热仿真验证。
• 基于放大自发辐射-快速傅里叶变换（ASE-FFT）的原位DBR反射率测量，并给出显式的增益-反射率乘积（GRP）表述。
• 具有空间变化布拉格波长与耦合系数的温度相关耦合模理论（T-CMT）。
• 测量得到的红移和阻带展宽被定量复现；旁瓣增长得到定性解释。

研究背景方面，广泛可调半导体激光二极管是波分复用、气体传感、激光雷达和量子密钥分发等应用的核心光源。波长调谐主要依靠载流子注入或热光调谐；载流子注入响应快但调谐范围有限，并可能因载流子密度波动和线宽增强因子引入相位噪声。热光调谐利用III–V半导体较大的热光系数，可在保持窄线宽的同时获得宽调谐范围，其中在调谐区上方单片集成电阻微加热器是结构简单、紧凑的主流方案。但拓宽调谐范围需要更高加热电流，因此波长调谐效率（nm/mA）成为关键指标。加热器调谐分布布拉格反射（DBR）激光二极管因低成本、紧凑和结构简单受到关注。传统加热器调谐DBR-LD采用刻蚀台面埋异质结（EMBH）无源波导，但焦耳热易经EMBH与InP衬底的大接触面耗散，C波段调谐效率仅约0.14 nm/mA。为增强热限制，研究人员引入空气隙，并通过反台面埋异质结波导（RM-EWG）减小波导下方截面积，使C波段加热器调谐DBR-LD调谐效率达到0.33 nm/mA。然而，热限制增强后，沿腔温度分布更趋非均匀，进而影响DBR光学响应；这种谱畸变可能影响侧模抑制比（SMSR）和单模稳定性，因此准确测量与物理解释对器件设计和评估至关重要。传统DBR反射谱耦合模分析假设耦合系数空间均匀，在加热器诱导非均匀温度分布下不再充分。已有研究或引入增益区与DBR区分段温差，或将非均匀温度分布与温度相关有效折射率结合，但仍保留空间均匀耦合系数；且在强热限制加热器调谐DBR-LD中，沿腔非均匀温度分布及其导致的DBR光学响应尚缺乏直接测量与模型验证。由于增益区和DBR区单片集成，常规外部宽带光源反射率测量不适用于该有源器件；ASE-FFT方法可作为原位替代，但既有工作未明确论证提取量即DBR反射率，也未建立非均匀温度分布与实测DBR反射率之间的定量联系。因此，该研究对制备的O波段RM-EWG加热器调谐DBR-LD开展实验与理论集成表征，意义在于：直接实验确立此前仅作为计算结果报道的热非均匀性，为光学分析提供经验证的热分布；提出面向DBR反射率原位获取的ASE-FFT测量方法并给出GRP表述；建立T-CMT以物理解释红移、旁瓣增长和阻带展宽。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究器件为制备的O波段RM-EWG加热器调谐DBR-LD芯片（InP基光子集成电路，增益段L_G=350 μm，DBR段L_D=200 μm）。关键方法包括：TR显微测量与三维耦合电热有限元法（FEM）获得并验证沿腔温度分布T(z;I_H)；二维波导模式分析计算有效折射率n_e^(s)、n_e^(g)与光限制因子Γ；在低于阈值ASE条件下，以ASE-FFT提取谐波振幅比（HAR）与GRP并归一化得到DBR反射率；以空间变化布拉格波长λ_B(z)和耦合系数κ(z)构建T-CMT计算反射谱。

研究结果如下。3.1 非均匀温度分布验证：热反射测量与耦合电热仿真。通过TR测量与三维耦合电热FEM比较，在I_H=130 mA时二者均显示温度沿腔方向显著变化，腔中心附近最高并向两端面降低，直接确认RM-EWG结构的非均匀热分布；随加热电流增加，峰值温度单调上升，TR与仿真所得沿腔温度剖面的标准差σ_exp与σ_cal均单调增大，表明非均匀性增强；归一化后平均RMSE为0.0437，说明仿真预测的非均匀温度分布在制备器件中物理存在，可将计算温度剖面T(z;I_H)作为T-CMT热输入。横向温度非均匀性影响较小：130 mA下2 μm芯宽内温度变化至多0.26 °C、270 nm芯高内至多2.40 °C，对应有效折射率差小于8.5×10^?4、布拉格波长差小于0.34 nm，低于14 nm调谐范围的2.5%，故采用芯中心温度作为一维热输入。3.2 加热器调谐DBR反射率谱。3.2.1 基于ASE-FFT的反射率测量结果：在I_G=5 mA、低于阈值I_th=5.5 mA条件下测量1265–1380 nm ASE谱，I_H从0至130 mA；ASE峰位由1289.157 nm单调红移至1303.258 nm，总红移14.101 nm；长波长侧ASE基本不变，短波长侧逐渐受抑，归因于受热无源DBR波导带间吸收红移导致短波侧传播损耗增加。对ASE谱加Tukey窗后傅里叶变换得到HAR剖面，以n_g=3.4校准距离轴，DBR特征宽度约200 μm与L_D=200 μm吻合；提取GRP谱，I_H=0 mA时GRP峰值0.187（1288.9 nm），至130 mA降至0.150，该下降并非DBR反射率本身降低，而是受热无源DBR波导带隙收缩使内部损耗增加、b=R_HR_Dexp[(g?α_i)L_G]下降；将各GRP谱峰值归一化并取模平方得到归一化DBR反射谱，覆盖14 nm调谐范围，主峰单调红移，同时短波长侧旁瓣电平逐渐升高、主瓣展宽；130 mA下14 nm调谐对应约0.11 nm/mA，低于C波段RM-EWG DBR-LD的0.33 nm/mA，符合O波段工作波长较短的预期。3.2.2 基于T-CMT的反射率计算结果：将计算温度剖面输入T-CMT，结合修正单振子模型（MSOM）与二维波导模式分析计算温度、波长相关折射率、有效折射率和光限制因子；在I_H=0 mA时λ_B(z)沿光栅基本恒定为约1287 nm，随加热电流增加整体红移并呈中心峰值的空间非均匀曲率；κ(z)在0 mA时近均匀约24 cm^?1，随加热电流增加整体升高并呈与λ_B(z)相似的中心峰值非均匀性，源于1.15 Q InGaAsP芯层与InP包层热光系数差异导致高温下TE模更集中于芯层、增强光栅耦合；T-CMT复现了主峰红移以及旁瓣增长和谱形不对称，λ_B(z)非均匀性缩小相干贡献的平坦区，但κ(z)增强过补偿该效应，使峰值反射率由约0.21（0 mA）略增至约0.24（130 mA）；以零到零阻带宽度（主瓣两侧相邻零点间宽度）归一化量(Δλ_SB(I_H)?Δλ_SB(0))/Δλ_SB(0)量化，测量与T-CMT均在约80 mA前基本平坦、之后逐渐增大，最高加热电流下展宽超过0.4，T-CMT复现了展宽起始和幅度；约125 mA附近计算曲线陡升对应主瓣相邻旁瓣与其合并、零到零间隔延伸至下一零点。

讨论与结论总结：原文结论部分集中总结该集成实验与理论表征。研究人员提出ASE-FFT原位反射率测量方法，并通过从DBR-LD透射率数学推导GRP使其具有严格基础；为定量解释加热器诱导反射率变化，建立T-CMT，纳入由非均匀温度分布决定的空间变化有效折射率和耦合系数。TR测量与三维耦合电热有限元仿真验证沿腔非均匀热分布，归一化基础上平均RMSE为0.0437。应用所提方法获得加热器调谐ASE、HAR、GRP和归一化DBR反射谱；随加热电流增加，DBR谱主瓣红移并伴随旁瓣电平上升。T-CMT分析将实测加热器调谐DBR反射谱中旁瓣出现归因于加热器诱导的非均匀布拉格波长分布，而耦合系数增强过补偿由平坦区变窄导致的主瓣反射率降低，并同时提高旁瓣反射率；该重塑由零到零阻带宽度量化，约80 mA以上随增长旁瓣填充主瓣相邻零点而逐渐展宽，T-CMT复现其起始与范围。研究结论翻译如下：该研究提出了对制备的具有RM-EWG的加热器调谐DBR-LD进行集成实验与理论表征；提出基于ASE-FFT的原位反射率测量方法，并通过从DBR-LD透射率数学推导GRP将其置于严格基础之上；为定量解释加热器诱导的反射率变化，开发了纳入由非均匀温度分布决定的空间变化有效折射率和耦合系数的T-CMT。为验证沿腔非均匀热分布，进行了TR测量并与三维耦合电热有限元仿真对比，在归一化基础上以0.0437的平均RMSE显示出良好一致性。将所提测量方法应用于制备器件，获得了加热器调谐的ASE、HAR、GRP和归一化DBR反射率谱；随着加热器电流增加，DBR谱表现为主瓣红移，并伴随旁瓣电平上升。随后使用所提T-CMT复现了加热器调谐DBR反射率谱。T-CMT分析将测得的加热器调谐DBR反射率谱中旁瓣的出现归因于加热器诱导的非均匀布拉格波长分布，而耦合系数的增强过补偿了由平坦区变窄引起的主瓣反射率降低，并同时提高了旁瓣反射率。这种重塑由零到零阻带宽度量化，其在约80 mA以上随增长旁瓣填充主瓣相邻零点而逐渐展宽；T-CMT复现了该展宽的起始和范围。