半导体激光器发射光谱中的边模存在恶化了其光束质量，严重限制了其在通信领域中的应用。基于分布布拉格反射器（DBR）半导体激光器中光栅的占空比、耦合系数、材料折射率三者之间的关系，研究了光栅占空比分布对边模抑制的影响，同时对矩形均匀光栅和矩形渐变占空比光栅结构的边模进行了分析与比较。优化了DBR光栅结构，分析了矩形均匀光栅与锥形渐变占空比光栅结构的旁瓣强度大小。利用时域有限差分（FDTD）法对器件结构进行仿真模拟，在不同光栅占空比分布下，分析了光栅的占空比和反射率的关系，并讨论了渐变占空比光栅反射峰值与光栅长度的关系。结果表明，渐变占空比光栅相比于矩形均匀光栅，边模得到有效抑制。当注入电流为63 mA时，在温度300 K下，矩形渐变占空比光栅结构的器件边模抑制比达到48 dB，并且渐变占空比光栅的反射峰值达到96%。通过分析矩形均匀光栅和锥形渐变占空比光栅结构在远场侧向切面上的光场分布，发现利用锥形渐变占空比光栅制作DBR有助于降低DBR半导体激光器的旁瓣强度。

为了实现大角度的光束扫描,提出一种基于混合蝙蝠算法的非均匀间隔光学相控阵来对栅瓣进行压缩。将遗传算法的算子与传统蝙蝠算法相结合,在相邻阵元最小间隔为2 μm,工作波长为1550 nm的情况下,优化得到的硅基64阵元一维非均匀间隔光学相控阵实现了80°的扫描范围,边模抑制比优于-8 dB,最大远场光束发散角为0.3°,并且讨论了优化结果对波长变化的不敏感性。最后,以8×8的二维矩形平面阵列为例,演示了二维非均匀间隔光学相控阵的优化方法。

提出了一种基于受激布里渊散射和耦合型双环的可调谐光电振荡器.该光电振荡器将受激布里渊散射和耦合型双环结构相结合, 利用受激布里渊散射的窄带增益谱选择振荡频率, 实现微波信号的频率可调谐.通过耦合型双环结构, 有效地抑制了微波信号的边模, 降低了微波信号的相位噪声, 提高了微波信号的频率和功率稳定性.实验结果表明, 该结构的光电振荡器可以产生2 GHz到18 GHz的微波信号, 边模抑制比优于60 dB, 相位噪声在10 kHz频偏处低于-95 dBc/Hz, 在实验室环境下10 GHz微波信号30 min内频率漂移小于0.3 ppm, 功率漂移低于0.2 dB.

报道了InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器的激光光谱研究,并在法布里-珀罗(FP)腔激光器中发现了单模工作特性,且该单模工作特性可以在较大的工作电流范围内(36~68 mA)存在,在一定的电流(14 mA)范围内保持单模可调谐。在20 ℃,当器件注入电流为62 mA时,激光器单模工作情况下的最大边模抑制比(SMSR)为29.8 dB,在其他电流条件下该器件的边模抑制比也都大于20 dB。激光器在单模工作时,器件最大输出功率(单面)达到12.5 mW。对于具有相同结构和材料的FP腔激光器来说,在不同条宽或腔长的器件中都观察到上述单模工作特性。这一特性在一些单频激光的应用系统中具有较大的应用价值。

为实现894.6 nm低阈值、高稳定性、单模激光输出,设计了具有不同台面刻蚀结构的垂直腔面发射激光器(VCSEL)器件,研究了台面直径和氧化孔结构对器件激射性能的影响。研究结果表明: VCSEL台面直径越大,阈值电流越大;氧化孔径越偏向圆形,边模抑制比越高。制备了氧化孔为圆形、直径为4.4 μm的VCSEL器件,该器件在70~90 ℃工作温度及0.6 mA驱动电流下实现了894.6 nm单模激光输出,边模抑制比高于35 dB。

提出并验证了一种借助于光纤环的选频特性实现辅助滤波的光电振荡器, 利用偏振分束器(PBS)和偏振合束器(PBC)构成的双环路结构抑制掉部分光电振荡器的边模, 同时借助于光纤环的光学梳状频率特性, 对振荡器环路中的光信号模式再次进行选择, 既起到边模抑制的作用, 又提高了光电振荡器谐振腔的Q值。仿真结果表明: 采用光纤环辅助滤波有利于光电振荡器的边摸抑制和单模输出, 在保证光电振荡器输出低相位噪声和高频谱纯度微波信号的情况下, 边模抑制比超过160dB, 模式间隔达到370MHz, 降低了对电域带通滤波器的性能要求, 是一种新的光电振荡器设计方案。

提出一种基于注入锁定和锁相环技术的注入锁相光电振荡器.利用注入锁定来改善光电振荡器的近载频相噪以及杂散抑制度.将光电振荡器的输出信号与外注入源进行鉴相, 通过锁相环来提升频率稳定性, 并进一步改善光电振荡器的近载频相噪.实验结果表明: 注入锁相光电振荡器在电滤波器中心频率为9.5 GHz、3 dB带宽为20 MHz和光纤环长度为6 km的情况下, 实现了输出信号频率为9.5 GHz的单模振荡; 当注入锁定带宽为1.98 kHz时, 光电振荡器输出信号在1 kHz频偏处的相位噪声为-125 dBc/Hz, 在10 kHz频偏处的相位噪声为-147 dBc/Hz, 杂散抑制度高于80 dB, 阿伦偏差接近1.37×10-11@1s和1.22×10-11@1000s.

目前，硅光子集成在光通信和信号处理、微电子系统的片内和片间互连领域成为研究热点。虽然其基础元件如波导、输入/输出(I/O)耦合器、波分复用器、调制器和光探测器性能达到了一定水平，但是硅光子集成回路仍面临挑战，原因是硅基激光光源的制作仍然是一个技术难题。综述了近年来硅基混合集成激光器的进展，介绍了课题组的研究成果。将微结构引入到硅基混合集成硅波导输出激光器中, 提出了新型的III-V/硅混合集成的微结构硅波导输出单模激光器。此新型激光器工作在通信波段。其中，InGaAlAs 增益结构是通过晶片直接键合的方式与具有微结构的SOI（Si/SiO2/Si）集成。激光器模式选择机制是基于SOI 中的周期微结构，仅通过标准光刻即可实现。微结构激光器室温连续输出为0.85 mW，脉冲输出为3.5 mW，边模抑制比为25 dB。

提出并分析验证了一种由光场往返调制实现的光域双环路光电振荡器(OEO)。系统中光信号往返两次通过马赫曾德尔调制器(MZM)后再进行反馈调制，使得环路中的光纤延时利用率加倍，并构成两个不同环长的光学环路。理论上对该结构的起振条件和双环选模原理进行了分析，经过与传统单环光电振荡器实验对比，此结构能有效提高边模抑制比，所测得的边模抑制比为48.33 dB，在频偏10 kHz时的单边带相位噪声为-97.35 dBc/Hz。该结构无需增加有源器件，降低了系统中光纤的使用量，简化了实验的控制参数。信号在两个环路中循环时相向传输，进而消除了随机干涉和拍噪声引入。

研究了一种由多个长光纤环构建的频率可调光电振荡器，多个组合的长光纤环能够降低光电振荡器的相位噪声和提高边模抑制比，保证了高性能微波信号的产生，通过高速的微波开关切换带通滤波器组能够产生不同的信号频率输出。在构建的工作于X波段的光电振荡器实验中，实现了频率为8、9、10、12 GHz的微波信号输出。对于产生的每个频率信号，输出功率均大于10 dBm，边模抑制比均大于60 dBc。在频率偏移10 kHz处，相位噪声达到了-130 dBc/Hz。实验结果与理论分析变化趋势一致，证明了该方法的正确性。