----翻譯自Mazin Alalus等人的文章

摘要

1550 nm DWDM 平面波導(dǎo)外腔激光器具有低相位/頻率噪聲、窄線寬和低 RIN 等特點(diǎn)。該腔體包括一個(gè)半導(dǎo)體增益芯片和一個(gè)帶布拉格光柵的平面光波電路波導(dǎo)，采用 14 引腳蝶形封裝。這種平面波導(dǎo)外腔激光器設(shè)計(jì)用于在振動(dòng)和惡劣的環(huán)境條件下工作。激光器的線寬≤ 2.6kHz，相位/頻率噪聲與長腔光纖激光器相當(dāng)，1kHz時(shí)的 RIN≤-147dB/Hz，功率≥10mW。其性能適用于各種高性能光纖傳感系統(tǒng)，包括石油和天然氣、軍事/安全和其他應(yīng)用中的干涉?zhèn)鞲?，這些應(yīng)用目前主要使用昂貴且低可靠性激光源。

關(guān)鍵詞

平面波導(dǎo)外腔激光器，相位噪聲，線寬，相對強(qiáng)度噪聲，光纖傳感，蝶形封裝，地震勘探，遠(yuǎn)程干涉?zhèn)鞲小?/p>

1.簡介

高性能、光纖分布式干涉技術(shù)是在過去 15 年中發(fā)展，用于獲得高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)測量，但直到最近才進(jìn)入部署階段。由于該技術(shù)歷來成本較高，因此主要應(yīng)用于惡劣環(huán)境（石油和天然氣行業(yè)的海底或地下）的軍事監(jiān)視或遙感。隨著技術(shù)的成熟，現(xiàn)在正朝著成本/性能優(yōu)化的方向發(fā)展。其他對成本更敏感的應(yīng)用，包括分布式結(jié)構(gòu)監(jiān)測、大面積和周界監(jiān)測、地震監(jiān)測和通信系統(tǒng)安全，現(xiàn)在正在獲得這種優(yōu)化的好處，而且這些應(yīng)用的市場規(guī)模要大得多。

外腔激光器外腔激光器技術(shù)是一種緊湊而堅(jiān)固的激光解決方案，適用于干涉?zhèn)鞲袘?yīng)用。與 DFB 相比，外腔激光器 提供明顯更窄的線寬和更低的頻率噪聲?；诠饫w布拉格光柵 FBG的混合 外腔激光器 已被研究用于干涉?zhèn)鞲袘?yīng)用 [1];然而，F(xiàn)BG對振動(dòng)敏感，基于光纖激光器的解決方案也是如此。

我們在這里報(bào)道了一種基于硅基二氧化硅平面光波電路 PLC上的平面布拉格光柵 （PBG） 的低頻噪聲、低 RIN 和1550 nm窄線寬 DWDM外腔激光器 [2]。我們將這種平面 外腔激光器 技術(shù)稱為 PLANEXTM。與其他 外腔激光器 設(shè)計(jì)相比，這種腔體結(jié)構(gòu)顯著降低了振動(dòng)敏感性。我們將證明平面 外腔激光器 的相位/頻率性能與長腔光纖激光器相當(dāng)。

2. 平面波導(dǎo)外腔激光器設(shè)計(jì)

平面波導(dǎo)外腔激光器如圖 1a 所示，該腔體是通過將 InP 增益芯片和PLC 上的波導(dǎo)光柵組成，增益芯片和PLC都鍍有AR增透膜。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

該平面波導(dǎo)外腔激光器集成在熱電冷卻器（TEC） 頂部，并封裝在標(biāo)準(zhǔn) 14 引腳蝶形封裝中。熱-光-機(jī)械設(shè)計(jì)可確保在 -5oC 至 75oC 的寬工作殼溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最小的溫度梯度和對型腔的最小應(yīng)力。

來自外腔激光器腔的光輸出光束在通過雙級(jí)隔離器之前進(jìn)行準(zhǔn)直，然后聚焦到標(biāo)準(zhǔn)或保偏單模光纖上。外腔激光器是使用商業(yè)DFB 成熟方法設(shè)計(jì)和組裝的，與商用 DFB 引腳兼容。

3.測試技巧和測試設(shè)置

3.1. 相位/頻率噪聲測量

測試裝置包括帶有法拉第反射鏡FRM元件的路徑不匹配邁克爾遜干涉儀，以確保高干涉可見度，內(nèi)部連接器允許放置不同的延遲線（可更換延遲），以便可以將不同的光路不匹配插入干涉儀。Optiphase公司的OPD-4000 光相位解調(diào)器 [3] 用于測量失配路徑干涉儀中的光相位。70 kHz速率的解調(diào)是通過相位生成的載波激勵(lì)，然后是真相位數(shù)字解調(diào)來完成的，該方法具有低自噪聲，能夠?qū)κ忻嫔显肼曌畹偷募す馄鬟M(jìn)行激光相位/頻率噪聲測量。

3.2. 線寬測量

使用延遲自外差干涉儀 [4] 用于線寬測量，50 公里的光纖用作MZ 臂之一的路徑失配，這個(gè)長度應(yīng)該足以解析到2.5kHz線寬。50 公里光纖和聲光移頻器安裝在一個(gè)熱和聲隔離的盒子中，該盒子還可以衰減微振動(dòng)。外腔激光器的電流驅(qū)動(dòng)器由電池供電，以最大限度地減少60Hz及其諧波通過電源泄漏。整個(gè)測試裝置中的光學(xué)背向反射已降至最低。

3.3. 相對強(qiáng)度噪聲RIN測量

外腔激光器、光電探測器和低噪放均由電池供電。

此外，應(yīng)仔細(xì)布置使用的所有光纖，以防止微彎曲，這反過來會(huì)導(dǎo)致 RIN 變形。

4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1.LIV 和激光光譜

用 OSA 獲得的外腔激光器 LIV 特性和時(shí)間平均譜如圖 2a 所示。在≥150mA的驅(qū)動(dòng)電流下，可以輕松獲得11mW≥功率。激光閾值電流為 12mA。低電流下的軟拐點(diǎn)是由于外腔激光器動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)造成的，將在未來探討。

通過優(yōu)化腔體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高 SMSR。如圖2b所示，輸出功率為11.4mW，偏置電流為152mA時(shí)，SMSR=54.7dB。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

4.2. 相位/頻率噪聲

相位/頻率噪聲性能如圖 3 所示。相位噪聲值歸一化為 1 米干涉儀光程差 （OPD）。在 60 Hz 和 60Hz的倍數(shù)處，相位/頻率噪聲頻譜密度特性上可見的峰值是外腔激光器偏置電流源和解調(diào)器中交流泄漏的結(jié)果。

在圖 3 中，顯示了不同偏置電流下的相位/頻率噪聲。在這種情況下，所有三種不同設(shè)置的工作溫度都是相同的。這里設(shè)置偏置電流與 DFB 等傳統(tǒng)激光器不同，使用外腔激光器，可以使用偏置電流 Ib和/或溫度T來調(diào)整相位/頻率噪聲、功率和激光波長。

低于 100kHz時(shí)，相位/頻率噪聲以1/f噪聲為主，這與 DFB 半導(dǎo)體激光器相似 [5]。

特定頻率的相位噪聲也列在圖 3 的插圖中。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

4.3. 線寬

使用與圖 3 相同的外腔激光器設(shè)置，使用延遲自外差干涉儀測得的線寬 （δν） 如表 1 所示。線寬可達(dá)到3.3kHz。

表1 線寬和偏置電流

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

線寬是由自發(fā)發(fā)射噪聲和 1/f 噪聲產(chǎn)生的白噪聲的產(chǎn)生。據(jù)信，1/f 噪聲是由于埋藏的異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面的懸空鍵引起的，這些表面充當(dāng)非輻射復(fù)合中心 [6,7]。

白噪聲產(chǎn)生洛倫茲線形，而 1/f 噪聲產(chǎn)生高斯線形。從圖 3 和表 1 中可以明顯看出，外腔激光器同時(shí)具有白噪聲和 1/f 噪聲，這產(chǎn)生了 Voigt 線形，它是洛倫茲線形和高斯線形的卷積 [5,8]。圖 4 顯示，高斯線形與低至 -5dB 的測量數(shù)據(jù)具有良好的擬合度。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

4.2. 相對強(qiáng)度噪聲RIN

RIN 頻譜與偏置電流（設(shè)定點(diǎn)）的關(guān)系如圖 5 所示。

低于 1kHz的RIN 以1/f噪聲為主，如圖 5所示，對于所有三個(gè)電流1kHz 以上的RIN收斂到相同的值，系統(tǒng)本底噪聲無法解釋這種收斂，將來對此進(jìn)行討論。RIN失真是由于微振動(dòng)引起的，而尖峰是由于60Hz交流泄露引起的（譯者注：全球電網(wǎng)頻率主要為50Hz和60Hz ,歐洲、非洲、澳大利亞、中國為50Hz，和美洲、日本等地區(qū)是60Hz），即使所有電流源都由電池供電，其諧波也會(huì)泄漏。

平面波導(dǎo)外腔激光器的弛豫振蕩頻率≥為 2GHz，而光纖激光器的弛豫振蕩頻率為~1MHz [9]。因此，平面波導(dǎo)外腔激光器具有高達(dá)GHz 頻率范圍的出色 RIN。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

5. 噪聲和線寬相關(guān)性

因?yàn)榫€寬是頻率噪聲的表現(xiàn)，因此頻率噪聲和線寬應(yīng)該是高度相關(guān)的[10， 11]。圖 6 顯示了單個(gè)器件的頻率噪聲-線寬相關(guān)性。相位噪聲和線寬都隨著設(shè)定值 （在本例中為電流） 而減小，并同時(shí)進(jìn)入飽和狀態(tài)。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

RIN 與相位噪聲的相關(guān)性可以通過載流子密度/折射率波動(dòng)將相位波動(dòng)與強(qiáng)度波動(dòng)耦合來解釋 [12， 13]。圖 7 顯示了相位噪聲和 RIN 之間的相關(guān)性。同樣從圖 7 中可以觀察到，當(dāng)相位噪聲進(jìn)入飽和區(qū)域時(shí)，相位噪聲和 RIN 之間的相關(guān)性開始被打破。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

圖 8 顯示了不同器件的相位噪聲與線寬的相關(guān)性，其中器件編號(hào)4的線寬為 2.6kHz。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

6. 在振動(dòng)和噪聲下的穩(wěn)定性

平面波導(dǎo)外腔激光器設(shè)計(jì)用于在振動(dòng)和惡劣的環(huán)境條件下運(yùn)行。與基于FBG的外腔激光器相比，平面外腔激光器腔非常堅(jiān)固且本質(zhì)穩(wěn)定。

? 帶有布拉格光柵的 SiO2 波導(dǎo)是固態(tài)基板的一部分

? 保偏波導(dǎo)具有矩形橫截面，因此如果振動(dòng)引入雙折射，則正交極化不會(huì)出現(xiàn)腔內(nèi)相位延遲

激光封裝設(shè)計(jì)已針對振動(dòng)下運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化，將腔子組件集成到 14 引腳蝶形封裝內(nèi)。在寬帶（10-100 Hz）振動(dòng)下沿 3個(gè)正交方向進(jìn)行相位噪聲測試。

圖 9 顯示了 3 種不同平面波導(dǎo)外腔激光器最最敏感的方向?qū)φ駝?dòng)的歸一化相位噪聲靈敏度。振動(dòng)靈敏度的測量方法是相位噪聲 [dB] 的變化，歸一化為施加到被測激光器的 0.01G 加速度（1Hz上的 rms）。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7. 可靠性和波長穩(wěn)定性

本激光器專為在苛刻的環(huán)境應(yīng)力條件下長期運(yùn)行而設(shè)計(jì)。平面波導(dǎo)外腔激光器的所有子組件和封裝技術(shù)之前都已通過 Telcordia 的電信應(yīng)用認(rèn)證。該激光器在長期運(yùn)行和殼溫范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的波長穩(wěn)定性和性能參數(shù)的一致性。

波長變化隨 TEC 溫度的變化：~15 pm/oC，比典型的 DFB 低 ~6 倍

波長變化與偏置電流的關(guān)系：~0.2 pm/mA

殼溫范圍的波長變化：<±20 pm

總“壽命終止”波長偏差<±100 pm

波長穩(wěn)定性足以滿足苛刻的應(yīng)用需求，無需額外的波長鎖定器。

8. 平面波導(dǎo)外腔激光器應(yīng)用

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

平面波導(dǎo)外腔激光器相位噪聲性能與光纖激光器相當(dāng)，如圖 10 所示。由于多通道干涉解調(diào)儀的設(shè)計(jì)方法多種多樣，并且光纖傳感器設(shè)計(jì)可以提供廣泛的靈敏度，因此將干涉解調(diào)儀分為兩大類是有幫助的：

路徑補(bǔ)償時(shí)分復(fù)用 （PCTDM）

路徑失配復(fù)用 （PMM）。

PLANEXTM （平面 外腔激光器）激光器的應(yīng)用見表 2。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

上面確定的應(yīng)用可以使用非常大的傳感器數(shù)量。PCTDM 和 PMM 解調(diào)方法都與 TDM/DWDM 多路復(fù)用兼容，以獲得高通道數(shù)。當(dāng)這些系統(tǒng)需要多個(gè)波長時(shí)，使用 PLANEXTM 平面波導(dǎo)外腔激光器具有顯著優(yōu)勢，與光纖激光器相比，其成本更低且可靠性更高。PLANEXTM 平面波導(dǎo)外腔激光器已在多種干涉測量系統(tǒng)中設(shè)計(jì)，并在多次現(xiàn)場試驗(yàn)中進(jìn)行了測試，它提供了與光纖激光器相當(dāng)?shù)母咝阅?[14]。

9. 結(jié)論

首次開發(fā)了一種基于窄線寬、低相位/頻率噪聲的 1550 nm DWDM平面波導(dǎo)外腔激光器，在小型封裝中滿足大多數(shù)干涉?zhèn)鞲行阅芤螅哂懈叻€(wěn)定性、可靠性和低成本。我們提出了線寬=2.6kHz，相位/頻率噪聲與長腔光纖激光器相當(dāng)?shù)钠矫娌▽?dǎo)外腔激光器，1kHz時(shí)RIN=147.5dB/Hz，功率≥1mW。此外，PLANEXTM 平面外腔激光器設(shè)計(jì)用于在振動(dòng)和惡劣環(huán)境條件下運(yùn)行。結(jié)果表明，平面波導(dǎo)外腔激光器滿足具有苛刻環(huán)境條件的干涉應(yīng)用的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] Bartolo R E, Kirkendall C K, Kupershmidt V and Siala S. “Achieving narrow linewidth, low phase noise external cavity semiconductor lasers through the reduction of 1/f noise”. Novel In Plane Semiconductor Lasers V, edited by Carmen Mermelstein, David P. Bour, Proc. of SPIE 6133, 61330I, (2006)

[2] L. Stolpner et al., “Low noise planar external cavity laser for interferometric fiber optic sensors”, 19th International Conference on Optical Fiber Sensors, Proceedings of the SPIE, Volume 7004, pp. 700457-700457-4 (2008)

[3] Optiphase, Inc. Website (ref to OPD-4000) www.optiphase.com

[4] Derickson D, Ed. Fiber Optic Test and Measurement. Prentice Hall, 1997

[5] Kikuchi K Effect of 1/f-Type FM Noise on Semiconductor-laser linewidth residual in high power limit 1989 IEEE J. Quantum Electron. QE-25 684-88

[6] Fukuda M, Hirono T, Kurosaki T and Kano F 1/f noise behavior in semiconductor laser degradation 1993 IEEE Photon. Technol. Lett. PTL-5 1165-67

[7] Coldren L A and Corzine S W Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits Wiley-Interscience 1995

[8] Mercer L B 1/f Frequency Noise effects on Self-Heterodyne linewidth measurements 1991 IEEE J. Lightwave Technol. LT-9 485-93

[9] Geng J, Spiegelberg C and Jiang S Narrow linewidth fiber laser for 100-km optical frequency domain reflectometry 2005 IEEE Photon. Technol. Lett. PTL-17 1827-29

[10] Henry C H Phase noise in semiconductor lasers 1986 IEEE J. Lightwave Technol. LT-4 298-310

[11] Henry C H Theory of the linewidth of semiconductor lasers 1982 IEEE J. Quantum Electron. QE-18 259-264

[12] Dandridge A and Taylor H Correlation of low-frequency intensity and frequency fluctuations in GaAlAs lasers 1982 IEEE Trans. Microwave Theory Techn. MTT-30 1726-38

[13] Agrawal G P and Dutta N K Semiconductor Lasers. Van Nostrand Reinhold 1993

[14] Redfern Integrated Optics, Inc. (RIO) Internal report

注：本文由天津見合八方光電科技有限公司挑選并翻譯，旨在推廣和分享相關(guān)半導(dǎo)體光放大器SOA基礎(chǔ)知識(shí)，助力SOA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。特此告知，本文系經(jīng)過人工翻譯而成，雖本公司盡最大努力保證翻譯準(zhǔn)確性，但不排除存在誤差、遺漏或語義解讀導(dǎo)致的不完全準(zhǔn)確性，建議讀者閱讀原文或?qū)φ臻喿x，也歡迎指出錯(cuò)誤，共同進(jìn)步。見合八方提供全系RSOA，與平面波導(dǎo)光柵（PBG）一起，可以構(gòu)建平面波導(dǎo)外腔激光器（PLANAR ECL).

審核編輯 黃宇