翻譯：蘭根書  北京凌云光子公司
校對：趙永鵬  北京凌云光子公司
1． 序言
    激光遙感分為兩類：自由光束傳輸和導(dǎo)波傳輸。對于第一種方式，探測光束會原路反射或通過鏡面發(fā)生散射或漫反射。另外一種方式，光會在限定介質(zhì)中被引導(dǎo)傳輸。在這兩種情況下，脈沖激光器光束和連續(xù)譜激光器光束都可以使用。在傳感檢測中，相位控制是非常重要的，因此低噪聲激光器是關(guān)鍵因素。由于這個原因，堅(jiān)固耐用、小尺寸、高效率的電信級半導(dǎo)體激光器（SCL）在傳感領(lǐng)域被高度關(guān)注。然而其高相位噪聲水平限制了其在精確傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用。對于標(biāo)準(zhǔn)的SCL，頻率噪聲的能量譜密度揭示了其成因有二：延伸至GHz的白頻噪聲和低頻下的閃爍頻率噪聲。而且，自由運(yùn)行激光器的名義頻率會隨著時(shí)間和環(huán)境條件而發(fā)生漂移。
    我們通過鎖定激光器的名義頻率至一個穩(wěn)定的鑒頻器這種技術(shù)來改進(jìn)激光器的名義性能。在要求激光器的線寬小于10KHz量級的應(yīng)用中，我們設(shè)計(jì)和封裝了一個超窄線寬的光濾波器，該濾波器基于光纖相移布拉格光柵技術(shù)，被用做鑒頻器。.用低噪聲、高電流值的電流源來驅(qū)動會產(chǎn)生數(shù)百KHz的自然線寬的SCL，可以使激光線寬降至數(shù)KHz。對其他的應(yīng)用而言，保證激光的頻率在某一特定值的長期穩(wěn)定性非常重要。在這些案例中，被選擇的鑒頻器是一個分子或原子基準(zhǔn)線，可以獲得數(shù)10MHz精度和數(shù)百KHz穩(wěn)定性。
    下文為TeraXion的超窄線寬半導(dǎo)體激光器和頻率控制激光器的原理和性能的總結(jié)。
2．高性能的激光器模塊
2.1． 電信級半導(dǎo)體激光器
    1.5um波段的電信級商用半導(dǎo)體激光器，由于其高可靠性和壽命等特性引起傳感應(yīng)用的高度興趣。其固有線寬低至數(shù)百KHz，且與光纖激光器相比，其相對強(qiáng)度噪聲性能優(yōu)越。在1550nm波段，半導(dǎo)體激光器的光功率可達(dá)80mW，并且可用EDFA放大。并因此可以通過溫度或注入電流調(diào)制對波長進(jìn)行寬帶調(diào)節(jié)，其頻率可調(diào)諧至數(shù)個GHz。
2.2． 高性能電子
    為了獲得最好的線寬、頻率穩(wěn)定性和相對強(qiáng)度噪聲性能，關(guān)鍵之處在于溫控裝置和半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電源要有極低的噪聲電子。需要適當(dāng)調(diào)整溫度鎖定回路控制器以避免溫度震蕩導(dǎo)致的激光器自由運(yùn)行頻率穩(wěn)定度的劣化。激光器的線寬高度依賴于驅(qū)動激光器的電流源的噪聲。因此，設(shè)計(jì)必須最小化噪聲，從而避免降級激光光源的固有線寬。這些高性能電子已經(jīng)被設(shè)計(jì)進(jìn)TeraXion的解決方案中。
2.3．激光器模塊解決方案的性能
    上述的電子和電信級半導(dǎo)體激光器一起被集成進(jìn)一個標(biāo)準(zhǔn)的激光模塊。該模塊被恒定的注入電流驅(qū)動，溫度也保持恒定。這些參數(shù)可通過軟件接口調(diào)整。外部接口可直接調(diào)制激光器的注入電流，調(diào)制帶寬達(dá)40MHz。
  圖1（左）為典型的相對強(qiáng)度噪聲示意圖。在1kHz-100kHz范圍，相對強(qiáng)度噪聲和頻率成反比關(guān)系，在100kHz-1GHz范圍，相對強(qiáng)度噪聲趨于穩(wěn)定值160dB/Hz。圖一（右）黑實(shí)線為典型的自外差譜，黑虛線為擬合voigt線型近似。該譜為激光和有一定時(shí)延的激光備份的卷積。綠線所示激光譜即為該方法計(jì)算的結(jié)果。典型線寬值在300-500Khz之間。
  
  Figure 1: Relative intensity noise and laser lineshape
  measured though self-heterodyne technique for the Laser Module
3窄線寬激光器
3.1．工作原理
    我們的窄線寬激光器把頻率鎖定在具有尖銳的頻率響應(yīng)的光濾波器一側(cè)，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是通過采用電反饋到DFB半導(dǎo)體激光器注入電流來實(shí)現(xiàn)的。濾波器把激光器的頻率噪聲轉(zhuǎn)化為可使用光電探測器測量的光強(qiáng)度波動，同時(shí)，一路頻率校正信號被反饋到激光注入電流中以補(bǔ)償光頻波動。激光器繼承了參考光在環(huán)路帶寬范圍的低頻噪聲信號，激光器的線寬降低，相干性增大。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單，并不需要靈敏的光反饋，不存在任何跳模。
3.2．  相移FBG
    為了獲得更高的鑒頻靈敏度，我們設(shè)計(jì)了一個34mm長的5階切趾超高斯 相移FBG。 FBG是通過由雙氬激光組成的紫外光沿著與均勻間隔的相位掩模板相鄰的光纖軸掃描形成的。在FBG的中心，通過在掃描相位掩膜板的過程中引入一個相移。
    如圖2所示，理論上，光纖光柵-1dB的反射帶寬為0.20nm（25GHz），半高寬位于通帶中心10MHz處。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BG的半高寬位于15MHz處！
 

Figure 2: theoretical and measured-phase shifted FBG filter transmission
(left) and electronic semiconductor laser linewidth reduction system
using an ultra-narrow FBG as a frequency discriminator (right).
3.3．鎖頻方案
    用FBG作為鑒頻器的電反饋激光器示意圖如圖2所示，該方案可減小線寬。DFB激光器的一小部分光通過光耦合器進(jìn)入FBG。FBG反射回的光通過光電二極管探測并與DFB激光器內(nèi)部探測器提供的參考信號相比較。
    如果激光器的頻率位于某一邊界峰值的中心，該誤差信號會為0。環(huán)路濾波器產(chǎn)生一個頻率糾正信號，該信號被應(yīng)用于激光器的注入電流。因此，DFB激光器的頻率可以跟蹤FBG邊緣的頻率。并在環(huán)路的鎖定帶寬范圍內(nèi)糾正激光器的頻率波動，從而使線寬減小。在當(dāng)前的設(shè)備中，可實(shí)現(xiàn)近1MHz的鎖定帶寬。在鎖定條件下，可通過嵌入式軟件控制啟動程序和所有的操作參數(shù)。
3.4．窄線寬激光器的性能
    圖3（左）為采用電子線寬降低方案和沒采用該方案的激光器頻率噪聲的功率譜密度（PSDFN）示意圖。當(dāng)不采用鎖環(huán)系統(tǒng)，DFB激光器的功率譜密度與頻率噪聲在低頻和10KHz以下的白噪聲范圍成反比關(guān)系。當(dāng)使用降線寬系統(tǒng)時(shí)，由圖可知，在鎖定帶寬內(nèi)，頻率噪聲的降低顯而易見。低頻下PSDFN可獲得4個數(shù)量級的改進(jìn)！如圖3（右）所示，激光器的相應(yīng)光譜通過測得的PSDFN計(jì)算得出。在1ms的測量時(shí)間內(nèi)，不采用降線寬系統(tǒng)與采用降線寬系統(tǒng)相比較，半導(dǎo)體激光器的半高寬由350KHz.降到5KHz ,相干長度由200m改進(jìn)為15km（圖4左）。通過記錄2個相同模塊的拍音頻率和計(jì)算不同平均時(shí)間內(nèi)的Allan標(biāo)準(zhǔn)差來測試激光器的頻率穩(wěn)定性能。由圖4（右）知，窄線寬激光器的穩(wěn)定性能在ms范圍被大大改進(jìn)了。


    Figure 3: Power spectral density of frequency noise (left)
and calculated optical spectrum (right) for the Narrow Linewidth Laser.

 

Figure 4: Coherence (left) and frequency stability (right) for 
the Narrow Linewidth Laser. 
4.穩(wěn)頻激光器
4.1． 原理
    穩(wěn)頻激光器采用邊頻鎖定技術(shù)把激光器的頻率鎖定至一個很穩(wěn)定的參考頻率，并通過注入電流的變化來糾正頻率波動，如圖5（左）所示。與窄線寬激光器相比較，穩(wěn)頻激光器的鎖定帶寬并不需要很高，因?yàn)閮H需要修正長期頻率波動和精確設(shè)置標(biāo)稱值，其他都非常相似。因此鑒頻器必須提供優(yōu)異的長期穩(wěn)定性，而且分子吸收線是最好的選擇。例如：在1515-1560波段，乙炔和氰化氫在GHz的半高寬范圍內(nèi)提供很好的吸收特性！
4.2。.穩(wěn)頻激光器模塊性能
    圖5（中）為典型的頻率穩(wěn)定性能示意圖。與自由運(yùn)行激光器相比，穩(wěn)頻激光器（FSL）在頻率穩(wěn)定性上改進(jìn)了一個數(shù)量級，由不鎖模情況下數(shù)十MHz的漂移提高到鎖模情況下的幾MHz的漂移（如圖5（右）示）。與自由運(yùn)行激光器相比，其相對強(qiáng)度噪聲保持不變（如圖1）。
4.3． 其他波長的穩(wěn)定性傳輸
     對于商用半導(dǎo)體激光器不能覆蓋的波長而言，可以采用高效非線性材料通過諧波產(chǎn)生或通過合束如光參量振蕩器產(chǎn)生需要的波長。如前所述，如果目標(biāo)波長與易實(shí)現(xiàn)的頻控激光頻率相接近，可通過易控制的主激光器來鎖相從激光器。在這種情況下，由于采用了激光鎖相環(huán)方案，從激光器將繼承主激光器的頻率穩(wěn)定性。從激光器與主激光器之間的偏置頻率通過一個額外的轉(zhuǎn)移振蕩器（如：頻率合成器）來設(shè)置。

Figure 5: Principle of the frequency-stabilized laser, Allan standard 
deviation and beat frequency for the Frequency Stabilized Laser.
5．結(jié)論
    對于單DFB激光器工作而言，可以通過低噪聲注入電流電子技術(shù)和溫度控制器的設(shè)計(jì)來獲得優(yōu)異的性能（線寬可達(dá)幾百KHz）。而且 相移FBG的頻率鎖定可以使激光器的頻率噪聲獲得明顯改善，使激光器的線寬降至KHz范圍。相反，如果鑒頻器是一個分子共振線，激光器的頻率長期很穩(wěn)定，而且氣名義值可以高精度設(shè)置。

6．參考文獻(xiàn)
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 20.
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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