随着5G通信、万物互联、AR技术等新型通讯方式的兴起，全球对数据流量的需求飞速暴涨，实现高速率、大容量的数据传输已迫在眉睫。半导体被动锁模激光器在频域可产生毫瓦级、百GHz重频的相干光梳，在时域可输出亚皮秒级光脉冲，已成为实现波分复用、时分复用等大容量通信技术的最佳选择。其中，环形腔半导体被动锁模激光器（PML-SRLs）因其重频率精确控制、易于单片集成而备受关注，但是目前尚缺乏系统的理论研究，导致PML-SRLs进展缓慢，严重制约其发展和应用。

基于此，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所半导体显示材料与芯片重点实验室的III-V信息光电子器件研究团队首次基于时域行波方程、载流子密度偏微分方程建立了PML-SRLs的理论模型，系统研究了该类器件的调控规律与设计优化准则。研究揭示出：PML-SRLs的工作状态取决于激光器中的增益-损耗的时域平衡，该平衡由PML-SRLs中的半导体光放大器（SOA）的载流子积累速率、可饱和吸收体（SA）的载流子寿命、环形谐振腔的往返时间三者之间的瞬态关系决定。此外，该工作首次发现使用具有窄增益谱的SOA与短谐振腔长的锁模激光器可导致输出脉冲合并，获得高能量光脉冲。该项工作解决了PML-SRLs系统理论缺乏问题，所揭示的物理机制与优化准则适用于所有类型的PML-SRLs器件，为其进一步发展和应用奠定了基础。

图1.  (a)仿真PML-SRLs器件示意图；(b)稳定锁模状态下，SOA中剩余载流子密度、SA中光生载流子密度、SOA中产生光脉冲随时间变化关系；(c)窄增益谱的半导体光放大器与短谐振腔长配置导致输出脉冲合并的演化图

该研究成果以Theoretical analysis of passively mode-locked semiconductor ring lasers为题发表在Optics express上。论文的通讯作者为中国科学院苏州纳米所张瑞英研究员，第一作者为硕士研究生秦毕晟。该工作得到了江苏省重点研发计划的资助。

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