本文发表于1992年10月的《IEEE Journal of Quantum Electronics》第28卷第10期，题为《Short Pulse Generation Using Multisegment Mode-Locked Semiconductor Lasers》，由Dennis J. Derickson、Roger J. Helkey、Alan Mar、Judy R. Karin、John G. Wasserbauer和John E. Bowers共同撰写。该研究由美国海军研究办公室资助，作者们来自加州大学圣巴巴拉分校的电气与计算机工程系。

研究背景与目标

半导体激光器是产生短光脉冲的重要光源，因其体积小、电泵浦、易于操作等特点，广泛应用于高速光纤通信系统、光电采样、模数转换和光学组件测试等领域。本文聚焦于多段式半导体激光器在短脉冲生成方面的进展，探讨了如何通过多段式设计实现增益、饱和吸收、增益调制、重复频率调谐、波长调谐和电脉冲生成等功能的集成。研究的主要目标是优化多段式锁模激光器的性能，包括材料参数、波导参数、电寄生效应和段长度等。

研究方法与流程

研究分为多个部分，详细探讨了多段式锁模激光器的性能优化和设计参数。具体流程如下：

1. 多段式结构设计：研究对比了三种多段式结构，分别是单片腔锁模半导体激光器、外腔锁模半导体激光器以及增益开关或Q开关激光器。这些结构通过不同的调制技术（主动、被动和混合调制）实现锁模，并生成了极短的单光脉冲。

2. 实验与理论分析：通过实验和理论分析，研究了不同结构下的脉冲宽度、光谱宽度、振幅噪声、相位噪声、脉冲能量和重复频率等关键特性。研究还探讨了段长度、有源区参数、电寄生效应和电驱动信号等自由参数对设计的影响。

3. 脉冲宽度优化：研究发现，多段式外腔锁模半导体激光器在主动、被动和混合锁模技术下，通常能生成1-3皮秒的短脉冲。通过优化设计参数，如段长度、有源区组成和电寄生效应，可以进一步缩短脉冲宽度。

4. 自相位调制与增益响应：研究指出，自相位调制和增益响应是限制脉冲宽度进一步缩短的主要因素。通过理论模型，分析了自相位调制和增益响应对脉冲宽度的影响，并提出了优化方案。

主要结果

1. 脉冲宽度：多段式外腔锁模激光器在主动、被动和混合锁模技术下，通常能生成1-3皮秒的短脉冲。单片腔锁模激光器在低重复频率下表现较差，主要原因是全有源波导的增益色散效应。

2. 光谱宽度：研究发现，自相位调制是导致光学脉冲带宽超出傅里叶变换极限的主要原因。通过引入带宽限制元件，如衍射光栅，可以有效减少光谱宽度。

3. 脉冲能量：锁模激光器的脉冲能量受增益和饱和吸收区的饱和能量限制。通过外部半导体放大器或掺铒光纤放大器，可以进一步放大脉冲能量。

4. 时间抖动与强度噪声：研究发现，主动锁模的单段外腔激光器具有最低的时间抖动，而被动锁模激光器由于缺乏高稳定性驱动源，时间抖动较高。

结论与未来方向

本文通过实验和理论分析，展示了多段式锁模半导体激光器在短脉冲生成方面的优越性能。通过优化设计参数，如段长度、有源区组成和电寄生效应，可以生成1-3皮秒的短脉冲。未来的研究方向包括在腔内引入相位滤波以补偿自相位调制效应，以及将多段式锁模激光器与掺铒光纤放大器结合，以进一步缩短脉冲宽度并提高输出功率。

研究亮点

1. 多段式设计的创新：通过多段式设计，成功解决了单段外腔激光器中的多重脉冲问题，并实现了多种功能的集成。
2. 短脉冲生成：研究展示了通过优化设计参数，可以生成1-3皮秒的短脉冲，为高速通信和测量应用提供了重要工具。
3. 自相位调制的深入分析：通过理论模型，详细分析了自相位调制和增益响应对脉冲宽度的影响，为未来的优化设计提供了理论基础。

本文的研究为短脉冲生成领域提供了重要的理论和实验依据，具有较高的科学和应用价值。