本文是一篇关于高频率锁模半导体激光器的综述文章，作者为E.A. Avrutin、J.H. Marsh和E.L. Portnoi，发表于2000年8月的《IEE Proceedings - Optoelectronics》期刊。文章回顾了锁模半导体激光器在技术、理论和应用方面的进展，特别是针对微波频率（几十到几百GHz）光调制的需求，探讨了锁模半导体激光器的构造、实验、模型及其应用。
随着光电子技术的发展，微波频率的光调制光源需求日益增加。半导体激光二极管（LDs）因其易于制造、紧凑、高集成潜力等优点，成为理想的光源候选。然而，传统的直流调制方法在超过电子-光子共振频率（通常在1-10 GHz范围内）时效率急剧下降，无法满足高频调制的需求。因此，过去十年中，研究人员致力于探索替代方法，特别是锁模半导体激光器，以生成微波频率的光调制信号。
锁模（Mode Locking, ML）是一种激光生成模式，激光在多个模式中以恒定的相位关系发射光，通常表现为光脉冲的重复生成。锁模激光器在时钟生成与恢复、光通信等领域具有重要应用。近年来，锁模半导体激光器的物理和技术取得了显著进展，包括理论理解的深入、新型激光构造的开发、测量技术的改进以及新应用的提出。
文章详细介绍了锁模激光器的实验研究和技术进展，涵盖了外部腔锁模激光器、单片锁模激光器、长腔锁模激光器、碰撞脉冲锁模激光器、环形激光器、扩展腔锁模激光器以及集成布拉格光栅的锁模激光器等多种构造。
外部腔锁模激光器是最早实现的锁模激光器之一，通过将激光器与外部反射镜结合，实现了高达20 GHz的重复频率和0.6-2 ps的脉冲宽度。尽管外部腔激光器在实验室环境中表现出色，但其机械稳定性和紧凑性较差，限制了其在实际应用中的使用。
单片锁模激光器通过将增益和饱和吸收器集成在同一芯片上，实现了更高的重复频率（几十到几百GHz）。单片激光器的构造简单，适合高频应用，但其阈值电流较高，且存在热问题。
长腔锁模激光器通过增加腔长来降低重复频率，适用于低频应用（几到几十GHz）。这类激光器在光通信等领域具有广泛应用，但其脉冲宽度通常较宽（几到几十ps）。
碰撞脉冲锁模（CPM）激光器通过在腔中心放置饱和吸收器，实现了更高的重复频率和更短的脉冲宽度。CPM激光器在40 GHz的重复频率下实现了1.1 ps的脉冲宽度，且脉冲带宽接近理论极限。
环形激光器通过环形几何结构实现了碰撞脉冲锁模，具有更高的稳定性和更短的脉冲宽度。环形激光器的腔长可以通过光刻技术精确控制，但其阈值电流较高，输出效率较低。
扩展腔锁模激光器通过引入被动波导段，降低了阈值电流和热问题，适用于低频应用。扩展腔激光器的脉冲宽度较宽，但其噪声特性较好。
集成布拉格光栅的锁模激光器通过引入分布式布拉格反射器（DBR），实现了对脉冲中心波长和带宽的精确控制。DBR激光器在光通信等领域具有广泛应用，其脉冲宽度通常在10 ps左右。
文章还详细讨论了锁模激光器的理论和物理机制，包括时间域和频率域的理论模型。时间域模型通过描述光脉冲在激光腔中的传播，解释了脉冲缩短和脉冲展宽的机制。频率域模型通过描述激光模式之间的相互作用，解释了锁模的形成和稳定性。
时间域模型通过求解光场的传播方程，描述了锁模激光器的动态行为。模型考虑了增益、饱和吸收、自相位调制（SPM）和色散等效应，能够准确预测脉冲宽度、振幅、频谱和噪声特性。
频率域模型通过描述激光模式之间的相互作用，解释了锁模的形成和稳定性。模型通过求解模式振幅和相位的微分方程，能够预测锁模激光器的频谱特性和噪声特性。
锁模激光器在光通信、时钟生成与恢复、光谱分析等领域具有广泛应用。文章详细讨论了锁模激光器在这些领域中的应用，包括光通信中的时钟恢复、光谱分析中的多频光源等。
文章总结了锁模半导体激光器在技术、理论和应用方面的进展，指出其在微波频率光调制领域的重要性和潜力。未来的研究方向包括进一步提高锁模激光器的重复频率、缩短脉冲宽度、降低噪声和抖动，以及探索新的应用领域。
本文的亮点在于全面回顾了锁模半导体激光器的技术进展，涵盖了从外部腔到单片锁模激光器的多种构造，并详细讨论了锁模激光器的理论和物理机制。文章还提出了锁模激光器在光通信、时钟生成与恢复等领域的应用前景，为未来的研究提供了重要参考。