小型窄线宽半导体激光器模块

张志君 赵永鹏 北京凌云光子技术有限公司
--译自TeraXion Inc: Compact narrow linewidth semiconductor laser module, 2009-12-10
摘要
    使用鉴频器进行电反馈来降低半导体激光器的频率噪声是实现窄线宽激光器的简单而有效的方法。这类激光器对于射频光子学和相干检测等领域的应用具有重大的意义。在这篇文献中， 我们回顾了TeraXion公司所选择的实现窄线宽激光器模块的技术，这个方法能够将DFB激光器的线宽从几百kHz降低到几个kHz。我们报道正在进行的工作：将该系统集成到一个很小的模块中，并引入先进的多激光器锁相功能。
    关键词：窄线宽激光器，鉴频器，相位锁定
1. 引言
   在许多应用中都需要窄线宽激光器，小体积，低成本，振动不敏感的激光器光源是目前重点发展的主题。下面几个方面的应用值得我们关注：距离、速度和振动分析，利用频移锁相激光器产生纯净的RF光信号和使用地震传感系统对新的油田和气田的探测。半导体激光器非常适应用于这些应用，因为其在价格、尺寸、功耗、低RIN，调制能力和稳定性方面具有重要的技术和商业优势。然而，半导体激光器的高频噪声限制了它在前面提到的应用领域中的发展。在这篇文章中，我们将回顾TeraXion公司采用半导体激光器开发窄线宽激光器的解决方案所选用的设计方案，以实现一个小型可靠的NLL模块。这样的模块可以提供与我们现在产品一样的性能，并且可以集成另外一个激光器，该激光器采用为ALMA望远镜开发的技术，该ALMA望远镜利用锁相半导体激光器合成纯净的RF信号。
    这篇文章由以下几部分组成：我们首先回顾并讨论能够用于减小半导体激光器的线宽的反馈方法。然后，我们讨论用于实施电反馈方法的所需的实现鉴频器的不同技术。最终我们展示我们的小型窄线宽激光器模块的发展状态和在以上提到的应用中可以成功应用的潜在构想。
2． 反馈方法的选择
    光反馈是一个大家很熟悉的改善激光器二极管谱特性的技术。通过增加腔的长度，频率噪声可以大量的减小。频率白噪声的变化水平与腔长的平方成反比，合理的腔大小可以达到多于100倍的线宽减小。利用体衍射光栅的外腔激光器已经开始走向商业化产品。它们可以实现几十个kHz的线宽。然而，它们对于振动非常的敏感。使用其它类型的反射器，如：布拉格光栅（在光纤或PLC）也可以使线宽降到20kHz或更小。但是，使用外腔反馈的激光器由于光谱跳模的影响而限制了其调节范围。
    共振光反馈是另一个减小激光器线宽的令人感兴趣的技术。在这个技术中，通过一个高精细度的谐振腔滤波后，少量的激光可以反馈回激光器中。在这种情况下，相比于在前面讨论的光反馈，很小的反馈水平可以通过高精细度和外腔的长度来补偿。虽然小型系统已经证明具有很好的性能[4]，但这个方案要求通过控制反馈光的相位和激光器的自由运行频率来达到长期稳定的运转，增加了系统的复杂程度。
    最终，电反馈的方法成为减小激光器的频率噪声的有效的途径，在电反馈方法中，激光器的频率波动通过窄线宽频率鉴别器转化为强度变化。图1示出了其功能框图。该方法在低频（尤其是低于1 MHz）时可以允许光频噪声的大幅度减小。这个频率范围为大多数激光器都可以观测到1/f噪声的频率范围，该噪声对很多应用都有害。图2示出了1/f噪声降低几个数量级情况。在这样的频率噪声功率谱密度下，1ms的测量时间范围内激光器的线宽可以从几百kHz（甚至1MHz）降到几个kHz。利用这项技术实现频率噪声降低受限于激光器的FM响应引起的相移和物理延迟和电延迟。可以实现几兆赫兹的带宽，如图2所示。


    TeraXion公司在它们的窄线宽激光器中积极推进电反馈技术。相对于光纤激光器，这个技术可以达到非常窄的线宽，可以和光纤激光器相比拟。如图1所示，参考探测器的使用，可以消除激光器的RIN对误差信号的影响。必须特别注意使鉴频器与外界的振动隔离。为了这个目的，TeraXion特别开发设计了一个密封装置。值得注意，TeraXion正在研究通过引入附加反馈环路来纠正快速频率的波动的方案。这样的快速回路可以允许进一步减小在高频时（在1MHz和10MHz的傅里叶频率内）的频率噪声，图2的模拟结果可以证明。对于单个慢纠正环路，模拟结果与实验结果之间具有很好的一致性，结果将在下面展示。
3. 鉴频器的选择
    基本上，鉴频器依赖于相对于光频率快速传输变化的传递函数。这个传递函数或者是某特殊波长吸收的结果或者是两个或更多光波之间的干涉的结果。
    分子中多普勒展宽的线性吸收线太宽，不能用作1.55微米的窄线宽激光器鉴频器。再者，这个吸收线在选择波长时并不能提供更大的灵活性。另外一种选择是使用双光束干涉仪，但是在这种情况，当光频率变化时，为了使干涉效应产生一个快速变化的传递函数，光路长度的差异必须增加到比较大的值。最后，多光束干涉仪，例如：光纤布拉格光栅干涉仪和法珀腔干涉仪，可以达到高的质量因子，产生窄的共振态，而保持长度很小。这些器件对通过实施电反馈的方法实现小型化且有高性能的产品非常有意义。最近，在窄线宽激光器生产线上，TeraXion已经引入了一个基于34mm的长周期π相移FBG的窄线宽光滤波器作为鉴频器。这个滤波器的光反射和透射谱如图3所示。这个谱的中心部分是一个非常窄的-3dB全宽为15MHz的光凹曲线， 光谱为洛伦斯型。

    值得注意的是，这个π相移FBG与有2m臂长差的迈克尔逊干涉仪在50%的透过时具有相同的鉴别斜率。以前TeraXion在第一代NLL中使用过迈克尔逊干涉仪，并且成功将窄线宽半导体滤波器的线宽降到kHz范围。我们将简单的对比一下这两种类型的鉴频器。迈克尔逊干涉仪的光传递函数Τ（ν）的在50%透射时的斜率定义如下：
   (1)
    其中，ν是光的频率，c是光速，ΔL是两臂的长度差，n是干涉臂中的折射率。
    在洛伦兹滤波器的情况下，50%处传递函数的斜率是：
     (2)
    其中ΔνF是洛伦斯滤波器的半极大全宽。因此，对于迈克尔逊干涉仪，当洛伦兹滤波器的线宽为时，我们可以得到相同传递函数的斜率。因此，当洛伦兹滤波器的线宽为15MHz时，迈克尔逊干涉仪的两臂长度差为2m时我们可以得到相同的频率鉴别。
    通过使用FP干涉仪也可以得到窄共振线宽。为了产生15MHz宽度的峰，需要高精细度的FP腔，并且腔的长度必须保持很短。例如，与π相移FBG相同长度的F-P腔产生的自由光谱范围（FSR）约为3GHz（在玻璃中），并且需要200的精度。图4说明了为了这个目的设计的34mm长的FP-FBG的传输与反射谱。由于它们的长度，FP-FBG形成了窄带布拉格反射镜，仅产生少量的透射与反射峰。每一个峰的半极大全宽为15MHz，对于高精细度的FP振荡器这是大家熟知的，它的光谱接近洛伦兹型。
    FP也可以使用固体器件实现。然而，在这种情况下，当考虑如表面质量、光束大小、分光或准直等因，同时保证随时间和温度的稳定性能时，要达到200或更高的精细度是一个非常困难的事情。光纤FP也是一个可以值得考虑的选择。在这种器件中，光在光纤两端镀的腔镜之间传输，可以避免腔内光束的分散。同时，在腔镜上小的光束尺寸降低了对表面质量的要求。可以达到几百个精细度，但这个技术的缺点是高损耗、高成本、有限的机械稳定性。
    目前，TeraXion正在进行进一步降低FBG鉴频器的大小的工作。FBG鉴频器的体积下降后，就可以集成到小型的NLL中，其性能与目前设计的具有相同的性能。小的FBG将有助于降低其对振动的敏感度，并且已经可以在现在有的封装内得到了很好的控制。最终，取样FBG可以用作适合于给定的任意频率间隔（例如ITU）的单一器件。这个器件可以适用于为任意波长的NLL模块提供高产量，低成本的鉴频器。与其它技术相比，我们相信，FBGs可以提供一个实现小型化、低成本的鉴频器的独特商用途径。

4. 整合到一个小型的模块：向下一代窄线宽激光器迈进
    在当前的商用化产品中，TeraXion已经将电流驱动，温度控制和控制电路放在了一个与光模块不同的模块中。光模块将π相移FBG和光器件整合到一个10×15×2.5cm3的空间里。这个产品的线宽可以达到5kHz以下。 图5和图6展示了自由运行DFB激光器的PSDFN，一致性，光学线型和艾伦标准差。对于相同的激光器，使用15MHz 线宽的π相移FBG作为电反馈。类似的性能期望在下面讨论的小型号的模块出现。


    NLL的一个重要组成部分是PCB，PCB集成了激光器的驱动电路（TEC控制和电流源）和需要实现电反馈的方法所需的控制电路。对于目前的NLL，TeraXion已经开发了一个超低噪声电流源，可以用于驱动自由运行的100kHz的激光器，而没有由于电引起的明显的性能劣化。最近，为了新一代的小型NLL ，TeraXion已经把电控板的尺寸减小了4倍，同时保持了相同的性能。TeraXion也已经选好了所有的器件用来把激光器系统集成为一个小型化的模块中。
    作为外差实验方案，除了为实施电反馈的方法需要的一些光器件部分，光组件也包含第二个半导体激光器。为了需要合成干净的RF信号的线宽较窄的激光器应用，这个外加的激光器将具有移频锁相的能力。这样的RF信号会由用户通过这两个激光器在超快光探测器处的外差干涉产生。TeraXion将利用其通过ALMA项目获得的关于实现激光器的合成器的经验，该激光合成器利用光锁相环和谐波混频能够产生高达127GHz的光合成RF信号。这个频移将由施加到电控模块的外部施加的RF合成器控制。
5．结论
    前面介绍了窄线宽激光器的设计选择。电反馈的方法已经被选为有效减小半导体激光器的方法。为了达到kHz的数量级，需要选择FBG作为鉴频器。关于光频率的传递函数，15MHz量级的宽度可以提供适当的斜率。减小鉴频器的体积并集成到小型NLL中的工作正在进行中。在新的一代产品中，，这个方法将使几十kHz线宽的激光器一起锁相并集成在单个小型化模块中。

关于TeraXion
    加拿大TeraXion公司是世界著名的光纤布拉格光栅（FBG）技术专业公司，该公司聚集了众多FBG领域技术精英，凭借其技术人员多年的技术积累，采用TeraAnnealTM专利退火技术，与TeraAthermalTM专利封装技术，解决了光纤光栅产品存在的可靠性问题，并利用自身卓越的全息相位掩范本技术XmaskTM与光栅写入技术，实现了FBG技术领域多项产品的技术突破。TeraXion公司目前拥有FBG领域的十几项专利技术，产品包括增益平坦滤波器（GFF），单信道及多信道色散补偿器，色散斜率补偿器，可调色散补偿器，25/50/100GHzDWDM滤波器，泵浦激光器频率稳定器等， TeraXion公司是目前FBG技术产品的最可信赖的首选供货商。
    北京凌云光子技术有限公司为TeraXion在中国的商务代理，更多信息，请关注凌云公司网站（http://www.lusterlighttech.com  ）与TeraXion公司网站（http://www.teraxion.com）
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