遥感应用中的低噪声窄线宽半导体激光器

翻译：兰根书  北京凌云光子公司
校对：赵永鹏  北京凌云光子公司
1． 序言
    激光遥感分为两类：自由光束传输和导波传输。对于第一种方式，探测光束会原路反射或通过镜面发生散射或漫反射。另外一种方式，光会在限定介质中被引导传输。在这两种情况下，脉冲激光器光束和连续谱激光器光束都可以使用。在传感检测中，相位控制是非常重要的，因此低噪声激光器是关键因素。由于这个原因，坚固耐用、小尺寸、高效率的电信级半导体激光器（SCL）在传感领域被高度关注。然而其高相位噪声水平限制了其在精确传感系统中的应用。对于标准的SCL，频率噪声的能量谱密度揭示了其成因有二：延伸至GHz的白频噪声和低频下的闪烁频率噪声。而且，自由运行激光器的名义频率会随着时间和环境条件而发生漂移。
    我们通过锁定激光器的名义频率至一个稳定的鉴频器这种技术来改进激光器的名义性能。在要求激光器的线宽小于10KHz量级的应用中，我们设计和封装了一个超窄线宽的光滤波器，该滤波器基于光纤相移布拉格光栅技术，被用做鉴频器。.用低噪声、高电流值的电流源来驱动会产生数百KHz的自然线宽的SCL，可以使激光线宽降至数KHz。对其他的应用而言，保证激光的频率在某一特定值的长期稳定性非常重要。在这些案例中，被选择的鉴频器是一个分子或原子基准线，可以获得数10MHz精度和数百KHz稳定性。
    下文为TeraXion的超窄线宽半导体激光器和频率控制激光器的原理和性能的总结。
2．高性能的激光器模块
2.1． 电信级半导体激光器
    1.5um波段的电信级商用半导体激光器，由于其高可靠性和寿命等特性引起传感应用的高度兴趣。其固有线宽低至数百KHz，且与光纤激光器相比，其相对强度噪声性能优越。在1550nm波段，半导体激光器的光功率可达80mW，并且可用EDFA放大。并因此可以通过温度或注入电流调制对波长进行宽带调节，其频率可调谐至数个GHz。
2.2． 高性能电子
    为了获得最好的线宽、频率稳定性和相对强度噪声性能，关键之处在于温控装置和半导体激光器的驱动电源要有极低的噪声电子。需要适当调整温度锁定回路控制器以避免温度震荡导致的激光器自由运行频率稳定度的劣化。激光器的线宽高度依赖于驱动激光器的电流源的噪声。因此，设计必须最小化噪声，从而避免降级激光光源的固有线宽。这些高性能电子已经被设计进TeraXion的解决方案中。
2.3．激光器模块解决方案的性能
    上述的电子和电信级半导体激光器一起被集成进一个标准的激光模块。该模块被恒定的注入电流驱动，温度也保持恒定。这些参数可通过软件接口调整。外部接口可直接调制激光器的注入电流，调制带宽达40MHz。
  图1（左）为典型的相对强度噪声示意图。在1kHz-100kHz范围，相对强度噪声和频率成反比关系，在100kHz-1GHz范围，相对强度噪声趋于稳定值160dB/Hz。图一（右）黑实线为典型的自外差谱，黑虚线为拟合voigt线型近似。该谱为激光和有一定时延的激光备份的卷积。绿线所示激光谱即为该方法计算的结果。典型线宽值在300-500Khz之间。
  
  Figure 1: Relative intensity noise and laser lineshape
  measured though self-heterodyne technique for the Laser Module
3窄线宽激光器
3.1．工作原理
    我们的窄线宽激光器把频率锁定在具有尖锐的频率响应的光滤波器一侧，该技术的实现是通过采用电反馈到DFB半导体激光器注入电流来实现的。滤波器把激光器的频率噪声转化为可使用光电探测器测量的光强度波动，同时，一路频率校正信号被反馈到激光注入电流中以补偿光频波动。激光器继承了参考光在环路带宽范围的低频噪声信号，激光器的线宽降低，相干性增大。该技术实现简单，并不需要灵敏的光反馈，不存在任何跳模。
3.2．  相移FBG
    为了获得更高的鉴频灵敏度，我们设计了一个34mm长的5阶切趾超高斯 相移FBG。 FBG是通过由双氩激光组成的紫外光沿着与均匀间隔的相位掩模板相邻的光纤轴扫描形成的。在FBG的中心，通过在扫描相位掩膜板的过程中引入一个相移。
    如图2所示，理论上，光纤光栅-1dB的反射带宽为0.20nm（25GHz），半高宽位于通带中心10MHz处。实验发现，FBG的半高宽位于15MHz处！
 

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．锁频方案
    用FBG作为鉴频器的电反馈激光器示意图如图2所示，该方案可减小线宽。DFB激光器的一小部分光通过光耦合器进入FBG。FBG反射回的光通过光电二极管探测并与DFB激光器内部探测器提供的参考信号相比较。
    如果激光器的频率位于某一边界峰值的中心，该误差信号会为0。环路滤波器产生一个频率纠正信号，该信号被应用于激光器的注入电流。因此，DFB激光器的频率可以跟踪FBG边缘的频率。并在环路的锁定带宽范围内纠正激光器的频率波动，从而使线宽减小。在当前的设备中，可实现近1MHz的锁定带宽。在锁定条件下，可通过嵌入式软件控制启动程序和所有的操作参数。
3.4．窄线宽激光器的性能
    图3（左）为采用电子线宽降低方案和没采用该方案的激光器频率噪声的功率谱密度（PSDFN）示意图。当不采用锁环系统，DFB激光器的功率谱密度与频率噪声在低频和10KHz以下的白噪声范围成反比关系。当使用降线宽系统时，由图可知，在锁定带宽内，频率噪声的降低显而易见。低频下PSDFN可获得4个数量级的改进！如图3（右）所示，激光器的相应光谱通过测得的PSDFN计算得出。在1ms的测量时间内，不采用降线宽系统与采用降线宽系统相比较，半导体激光器的半高宽由350KHz.降到5KHz ,相干长度由200m改进为15km（图4左）。通过记录2个相同模块的拍音频率和计算不同平均时间内的Allan标准差来测试激光器的频率稳定性能。由图4（右）知，窄线宽激光器的稳定性能在ms范围被大大改进了。


    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.稳频激光器
4.1． 原理
    稳频激光器采用边频锁定技术把激光器的频率锁定至一个很稳定的参考频率，并通过注入电流的变化来纠正频率波动，如图5（左）所示。与窄线宽激光器相比较，稳频激光器的锁定带宽并不需要很高，因为仅需要修正长期频率波动和精确设置标称值，其他都非常相似。因此鉴频器必须提供优异的长期稳定性，而且分子吸收线是最好的选择。例如：在1515-1560波段，乙炔和氰化氢在GHz的半高宽范围内提供很好的吸收特性！
4.2。.稳频激光器模块性能
    图5（中）为典型的频率稳定性能示意图。与自由运行激光器相比，稳频激光器（FSL）在频率稳定性上改进了一个数量级，由不锁模情况下数十MHz的漂移提高到锁模情况下的几MHz的漂移（如图5（右）示）。与自由运行激光器相比，其相对强度噪声保持不变（如图1）。
4.3． 其他波长的稳定性传输
     对于商用半导体激光器不能覆盖的波长而言，可以采用高效非线性材料通过谐波产生或通过合束如光参量振荡器产生需要的波长。如前所述，如果目标波长与易实现的频控激光频率相接近，可通过易控制的主激光器来锁相从激光器。在这种情况下，由于采用了激光锁相环方案，从激光器将继承主激光器的频率稳定性。从激光器与主激光器之间的偏置频率通过一个额外的转移振荡器（如：频率合成器）来设置。

Figure 5: Principle of the frequency-stabilized laser, Allan standard 
deviation and beat frequency for the Frequency Stabilized Laser.
5．结论
    对于单DFB激光器工作而言，可以通过低噪声注入电流电子技术和温度控制器的设计来获得优异的性能（线宽可达几百KHz）。而且 相移FBG的频率锁定可以使激光器的频率噪声获得明显改善，使激光器的线宽降至KHz范围。相反，如果鉴频器是一个分子共振线，激光器的频率长期很稳定，而且气名义值可以高精度设置。

6．参考文献
【1】. [Ohtsu, M. and S. Kotajima, "Linewidth Reduction of a Semiconductor-Laser
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【3】. J.-F. Cliche, Y. Painchaud, C. Latrasse, M-J. Picard,Alexandre,
M. Têtu, "Ultra-Narrow Bragg Grating for Active Semiconductor Laser Linewidth
Reduction through Electrical Feedback", Bragg Grating Photosensitivity and 
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【4】. C. Latrasse, M. Breton, M. Têtu, N. Cyr, R. Roberge, B. Villeneuve,
"C2HD and 13C2H2 absorption lines near 1530 nm for semi-conductor laser frequency locking", Opt. Lett., Vol. 19, no.22, 1994.
【5】. J.-F. Cliche, M. Têtu, M. Poulin, "Narrow linewidth lasers and their use in
the generation and distribution of microwave signals", LEOS Conference, paper ThN1,
 20.
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。
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