張志君 趙永鵬 北京凌云光子技術(shù)有限公司
--譯自TeraXion Inc: Compact narrow linewidth semiconductor laser module, 2009-12-10
摘要
    使用鑒頻器進(jìn)行電反饋來(lái)降低半導(dǎo)體激光器的頻率噪聲是實(shí)現(xiàn)窄線寬激光器的簡(jiǎn)單而有效的方法。這類激光器對(duì)于射頻光子學(xué)和相干檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大的意義。在這篇文獻(xiàn)中， 我們回顧了TeraXion公司所選擇的實(shí)現(xiàn)窄線寬激光器模塊的技術(shù)，這個(gè)方法能夠?qū)�DFB激光器的線寬從幾百kHz降低到幾個(gè)kHz。我們報(bào)道正在進(jìn)行的工作：將該系統(tǒng)集成到一個(gè)很小的模塊中，并引入先進(jìn)的多激光器鎖相功能。
    關(guān)鍵詞：窄線寬激光器，鑒頻器，相位鎖定
1. 引言
   在許多應(yīng)用中都需要窄線寬激光器，小體積，低成本，振動(dòng)不敏感的激光器光源是目前重點(diǎn)發(fā)展的主題。下面幾個(gè)方面的應(yīng)用值得我們關(guān)注：距離、速度和振動(dòng)分析，利用頻移鎖相激光器產(chǎn)生純凈的RF光信號(hào)和使用地震傳感系統(tǒng)對(duì)新的油田和氣田的探測(cè)。半導(dǎo)體激光器非常適應(yīng)用于這些應(yīng)用，因?yàn)槠湓趦r(jià)格、尺寸、功耗、低RIN，調(diào)制能力和穩(wěn)定性方面具有重要的技術(shù)和商業(yè)優(yōu)勢(shì)。然而，半導(dǎo)體激光器的高頻噪聲限制了它在前面提到的應(yīng)用領(lǐng)域中的發(fā)展。在這篇文章中，我們將回顧TeraXion公司采用半導(dǎo)體激光器開(kāi)發(fā)窄線寬激光器的解決方案所選用的設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型可靠的NLL模塊。這樣的模塊可以提供與我們現(xiàn)在產(chǎn)品一樣的性能，并且可以集成另外一個(gè)激光器，該激光器采用為ALMA望遠(yuǎn)鏡開(kāi)發(fā)的技術(shù)，該ALMA望遠(yuǎn)鏡利用鎖相半導(dǎo)體激光器合成純凈的RF信號(hào)。
    這篇文章由以下幾部分組成：我們首先回顧并討論能夠用于減小半導(dǎo)體激光器的線寬的反饋方法。然后，我們討論用于實(shí)施電反饋方法的所需的實(shí)現(xiàn)鑒頻器的不同技術(shù)。最終我們展示我們的小型窄線寬激光器模塊的發(fā)展?fàn)顟B(tài)和在以上提到的應(yīng)用中可以成功應(yīng)用的潛在構(gòu)想。
2． 反饋方法的選擇
    光反饋是一個(gè)大家很熟悉的改善激光器二極管譜特性的技術(shù)。通過(guò)增加腔的長(zhǎng)度，頻率噪聲可以大量的減小。頻率白噪聲的變化水平與腔長(zhǎng)的平方成反比，合理的腔大小可以達(dá)到多于100倍的線寬減小。利用體衍射光柵的外腔激光器已經(jīng)開(kāi)始走向商業(yè)化產(chǎn)品。它們可以實(shí)現(xiàn)幾十個(gè)kHz的線寬。然而，它們對(duì)于振動(dòng)非常的敏感。使用其它類型的反射器，如：布拉格光柵（在光纖或PLC）也可以使線寬降到20kHz或更小。但是，使用外腔反饋的激光器由于光譜跳模的影響而限制了其調(diào)節(jié)范圍。
    共振光反饋是另一個(gè)減小激光器線寬的令人感興趣的技術(shù)。在這個(gè)技術(shù)中，通過(guò)一個(gè)高精細(xì)度的諧振腔濾波后，少量的激光可以反饋回激光器中。在這種情況下，相比于在前面討論的光反饋，很小的反饋水平可以通過(guò)高精細(xì)度和外腔的長(zhǎng)度來(lái)補(bǔ)償。雖然小型系統(tǒng)已經(jīng)證明具有很好的性能[4]，但這個(gè)方案要求通過(guò)控制反饋光的相位和激光器的自由運(yùn)行頻率來(lái)達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
    最終，電反饋的方法成為減小激光器的頻率噪聲的有效的途徑，在電反饋方法中，激光器的頻率波動(dòng)通過(guò)窄線寬頻率鑒別器轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度變化。圖1示出了其功能框圖。該方法在低頻（尤其是低于1 MHz）時(shí)可以允許光頻噪聲的大幅度減小。這個(gè)頻率范圍為大多數(shù)激光器都可以觀測(cè)到1/f噪聲的頻率范圍，該噪聲對(duì)很多應(yīng)用都有害。圖2示出了1/f噪聲降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)情況。在這樣的頻率噪聲功率譜密度下，1ms的測(cè)量時(shí)間范圍內(nèi)激光器的線寬可以從幾百kHz（甚至1MHz）降到幾個(gè)kHz。利用這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率噪聲降低受限于激光器的FM響應(yīng)引起的相移和物理延遲和電延遲�？梢詫�(shí)現(xiàn)幾兆赫茲的帶寬，如圖2所示。


    TeraXion公司在它們的窄線寬激光器中積極推進(jìn)電反饋技術(shù)。相對(duì)于光纖激光器，這個(gè)技術(shù)可以達(dá)到非常窄的線寬，可以和光纖激光器相比擬。如圖1所示，參考探測(cè)器的使用，可以消除激光器的RIN對(duì)誤差信號(hào)的影響。必須特別注意使鑒頻器與外界的振動(dòng)隔離。為了這個(gè)目的，TeraXion特別開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)密封裝置。值得注意，TeraXion正在研究通過(guò)引入附加反饋環(huán)路來(lái)糾正快速頻率的波動(dòng)的方案。這樣的快速回路可以允許進(jìn)一步減小在高頻時(shí)（在1MHz和10MHz的傅里葉頻率內(nèi)）的頻率噪聲，圖2的模擬結(jié)果可以證明。對(duì)于單個(gè)慢糾正環(huán)路，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間具有很好的一致性，結(jié)果將在下面展示。
3. 鑒頻器的選擇
    基本上，鑒頻器依賴于相對(duì)于光頻率快速傳輸變化的傳遞函數(shù)。這個(gè)傳遞函數(shù)或者是某特殊波長(zhǎng)吸收的結(jié)果或者是兩個(gè)或更多光波之間的干涉的結(jié)果。
    分子中多普勒展寬的線性吸收線太寬，不能用作1.55微米的窄線寬激光器鑒頻器。再者，這個(gè)吸收線在選擇波長(zhǎng)時(shí)并不能提供更大的靈活性。另外一種選擇是使用雙光束干涉儀，但是在這種情況，當(dāng)光頻率變化時(shí)，為了使干涉效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)快速變化的傳遞函數(shù)，光路長(zhǎng)度的差異必須增加到比較大的值。最后，多光束干涉儀，例如：光纖布拉格光柵干涉儀和法珀腔干涉儀，可以達(dá)到高的質(zhì)量因子，產(chǎn)生窄的共振態(tài)，而保持長(zhǎng)度很小。這些器件對(duì)通過(guò)實(shí)施電反饋的方法實(shí)現(xiàn)小型化且有高性能的產(chǎn)品非常有意義。最近，在窄線寬激光器生產(chǎn)線上，TeraXion已經(jīng)引入了一個(gè)基于34mm的長(zhǎng)周期π相移FBG的窄線寬光濾波器作為鑒頻器。這個(gè)濾波器的光反射和透射譜如圖3所示。這個(gè)譜的中心部分是一個(gè)非常窄的-3dB全寬為15MHz的光凹曲線， 光譜為洛倫斯型。

    值得注意的是，這個(gè)π相移FBG與有2m臂長(zhǎng)差的邁克爾遜干涉儀在50%的透過(guò)時(shí)具有相同的鑒別斜率。以前TeraXion在第一代NLL中使用過(guò)邁克爾遜干涉儀，并且成功將窄線寬半導(dǎo)體濾波器的線寬降到kHz范圍。我們將簡(jiǎn)單的對(duì)比一下這兩種類型的鑒頻器。邁克爾遜干涉儀的光傳遞函數(shù)Τ（ν）的在50%透射時(shí)的斜率定義如下：
   (1)
    其中，ν是光的頻率，c是光速，ΔL是兩臂的長(zhǎng)度差，n是干涉臂中的折射率。
    在洛倫茲濾波器的情況下，50%處傳遞函數(shù)的斜率是：
     (2)
    其中ΔνF是洛倫斯濾波器的半極大全寬。因此，對(duì)于邁克爾遜干涉儀，當(dāng)洛倫茲濾波器的線寬為時(shí)，我們可以得到相同傳遞函數(shù)的斜率。因此，當(dāng)洛倫茲濾波器的線寬為15MHz時(shí)，邁克爾遜干涉儀的兩臂長(zhǎng)度差為2m時(shí)我們可以得到相同的頻率鑒別。
    通過(guò)使用FP干涉儀也可以得到窄共振線寬。為了產(chǎn)生15MHz寬度的峰，需要高精細(xì)度的FP腔，并且腔的長(zhǎng)度必須保持很短。例如，與π相移FBG相同長(zhǎng)度的F-P腔產(chǎn)生的自由光譜范圍（FSR）約為3GHz（在玻璃中），并且需要200的精度。圖4說(shuō)明了為了這個(gè)目的設(shè)計(jì)的34mm長(zhǎng)的FP-FBG的傳輸與反射譜。由于它們的長(zhǎng)度，F(xiàn)P-FBG形成了窄帶布拉格反射鏡，僅產(chǎn)生少量的透射與反射峰。每一個(gè)峰的半極大全寬為15MHz，對(duì)于高精細(xì)度的FP振蕩器這是大家熟知的，它的光譜接近洛倫茲型。
    FP也可以使用固體器件實(shí)現(xiàn)。然而，在這種情況下，當(dāng)考慮如表面質(zhì)量、光束大小、分光或準(zhǔn)直等因，同時(shí)保證隨時(shí)間和溫度的穩(wěn)定性能時(shí)，要達(dá)到200或更高的精細(xì)度是一個(gè)非常困難的事情。光纖FP也是一個(gè)可以值得考慮的選擇。在這種器件中，光在光纖兩端鍍的腔鏡之間傳輸，可以避免腔內(nèi)光束的分散。同時(shí)，在腔鏡上小的光束尺寸降低了對(duì)表面質(zhì)量的要求�？梢赃_(dá)到幾百個(gè)精細(xì)度，但這個(gè)技術(shù)的缺點(diǎn)是高損耗、高成本、有限的機(jī)械穩(wěn)定性。
    目前，TeraXion正在進(jìn)行進(jìn)一步降低FBG鑒頻器的大小的工作。FBG鑒頻器的體積下降后，就可以集成到小型的NLL中，其性能與目前設(shè)計(jì)的具有相同的性能。小的FBG將有助于降低其對(duì)振動(dòng)的敏感度，并且已經(jīng)可以在現(xiàn)在有的封裝內(nèi)得到了很好的控制。最終，取樣FBG可以用作適合于給定的任意頻率間隔（例如ITU）的單一器件。這個(gè)器件可以適用于為任意波長(zhǎng)的NLL模塊提供高產(chǎn)量，低成本的鑒頻器。與其它技術(shù)相比，我們相信，F(xiàn)BGs可以提供一個(gè)實(shí)現(xiàn)小型化、低成本的鑒頻器的獨(dú)特商用途徑。

4. 整合到一個(gè)小型的模塊：向下一代窄線寬激光器邁進(jìn)
    在當(dāng)前的商用化產(chǎn)品中，TeraXion已經(jīng)將電流驅(qū)動(dòng)，溫度控制和控制電路放在了一個(gè)與光模塊不同的模塊中。光模塊將π相移FBG和光器件整合到一個(gè)10×15×2.5cm3的空間里。這個(gè)產(chǎn)品的線寬可以達(dá)到5kHz以下。 圖5和圖6展示了自由運(yùn)行DFB激光器的PSDFN，一致性，光學(xué)線型和艾倫標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)于相同的激光器，使用15MHz 線寬的π相移FBG作為電反饋。類似的性能期望在下面討論的小型號(hào)的模塊出現(xiàn)。


    NLL的一個(gè)重要組成部分是PCB，PCB集成了激光器的驅(qū)動(dòng)電路（TEC控制和電流源）和需要實(shí)現(xiàn)電反饋的方法所需的控制電路。對(duì)于目前的NLL，TeraXion已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)超低噪聲電流源，可以用于驅(qū)動(dòng)自由運(yùn)行的100kHz的激光器，而沒(méi)有由于電引起的明顯的性能劣化。最近，為了新一代的小型NLL ，TeraXion已經(jīng)把電控板的尺寸減小了4倍，同時(shí)保持了相同的性能。TeraXion也已經(jīng)選好了所有的器件用來(lái)把激光器系統(tǒng)集成為一個(gè)小型化的模塊中。
    作為外差實(shí)驗(yàn)方案，除了為實(shí)施電反饋的方法需要的一些光器件部分，光組件也包含第二個(gè)半導(dǎo)體激光器。為了需要合成干凈的RF信號(hào)的線寬較窄的激光器應(yīng)用，這個(gè)外加的激光器將具有移頻鎖相的能力。這樣的RF信號(hào)會(huì)由用戶通過(guò)這兩個(gè)激光器在超快光探測(cè)器處的外差干涉產(chǎn)生。TeraXion將利用其通過(guò)ALMA項(xiàng)目獲得的關(guān)于實(shí)現(xiàn)激光器的合成器的經(jīng)驗(yàn)，該激光合成器利用光鎖相環(huán)和諧波混頻能夠產(chǎn)生高達(dá)127GHz的光合成RF信號(hào)。這個(gè)頻移將由施加到電控模塊的外部施加的RF合成器控制。
5．結(jié)論
    前面介紹了窄線寬激光器的設(shè)計(jì)選擇。電反饋的方法已經(jīng)被選為有效減小半導(dǎo)體激光器的方法。為了達(dá)到kHz的數(shù)量級(jí)，需要選擇FBG作為鑒頻器。關(guān)于光頻率的傳遞函數(shù)，15MHz量級(jí)的寬度可以提供適當(dāng)?shù)男甭�。減小鑒頻器的體積并集成到小型NLL中的工作正在進(jìn)行中。在新的一代產(chǎn)品中，，這個(gè)方法將使幾十kHz線寬的激光器一起鎖相并集成在單個(gè)小型化模塊中。

關(guān)于TeraXion
    加拿大TeraXion公司是世界著名的光纖布拉格光柵（FBG）技術(shù)專業(yè)公司，該公司聚集了眾多FBG領(lǐng)域技術(shù)精英，憑借其技術(shù)人員多年的技術(shù)積累，采用TeraAnnealTM專利退火技術(shù)，與TeraAthermalTM專利封裝技術(shù)，解決了光纖光柵產(chǎn)品存在的可靠性問(wèn)題，并利用自身卓越的全息相位掩范本技術(shù)XmaskTM與光柵寫入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了FBG技術(shù)領(lǐng)域多項(xiàng)產(chǎn)品的技術(shù)突破。TeraXion公司目前擁有FBG領(lǐng)域的十幾項(xiàng)專利技術(shù)，產(chǎn)品包括增益平坦濾波器（GFF），單信道及多信道色散補(bǔ)償器，色散斜率補(bǔ)償器，可調(diào)色散補(bǔ)償器，25/50/100GHzDWDM濾波器，泵浦激光器頻率穩(wěn)定器等， TeraXion公司是目前FBG技術(shù)產(chǎn)品的最可信賴的首選供貨商。
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