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2020-05

Connet 產(chǎn)品小講堂第十二期——窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器-TeraXion篇

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窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器-TeraXion篇

1.加拿大TeraXion公司

      加拿大TeraXion公司在光纖光柵技術(shù)上有很深的造詣，其色散補(bǔ)償光纖光柵，超短脈沖展寬壓縮色散管理光柵，以及超窄線寬光纖光柵濾波器，高功率光纖激光器腔鏡用啁啾光纖光柵等都有很高的水平。大約從2008年起，TeraXion結(jié)合超窄線寬的相移光纖光柵濾波器技術(shù)和高穩(wěn)定度驅(qū)動(dòng)控制電路技術(shù)開發(fā)制作PureSpectrum NLL系列窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器。該激光器經(jīng)過數(shù)次迭代，具有kHz量級(jí)的線寬，其中最窄線寬的產(chǎn)品標(biāo)稱線寬小于5kHz，低頻率噪聲，保持了半導(dǎo)體激光器超低相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）的特點(diǎn)，模塊尺寸封裝小巧，穩(wěn)定性高，目標(biāo)市場(chǎng)針對(duì)激光雷達(dá)（LiDAR），分布式光纖傳感等領(lǐng)域。本文將就PureSpectrum NLL窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)原理，關(guān)鍵技術(shù)以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析介紹。

 

2.TeraXion Purespectrum窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器

      根據(jù)TeraXion公司的網(wǎng)站介紹，PureSpectrum NLL是一款緊湊的，低噪聲的分布式反饋（DFB）激光器，非常適合各種最苛刻的光學(xué)傳感應(yīng)用。激光器及其控制電子設(shè)備集成在單個(gè)模塊中，該模塊使用精確的反饋監(jiān)控來提供超低噪聲性能和出色的波長(zhǎng)穩(wěn)定性。內(nèi)置的靈敏的光學(xué)鑒頻器可在保持整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)單模工作的同時(shí)，顯著減小線寬。該模塊還提供快速的頻率調(diào)諧功能，可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）調(diào)制輸出。
      PureSpectrum NLL激光器，將半導(dǎo)體二極管的可靠性和低噪聲，窄線寬激光器的性能結(jié)合到一個(gè)緊湊的封裝中。NLL易于集成到光感測(cè)設(shè)備中，以用于LIDAR，分布式感測(cè)和光纖射頻等應(yīng)用。它也是理想的種子激光器。
      PureSpectrum NLL將半導(dǎo)體二極管激光器與獨(dú)特的反饋系統(tǒng)結(jié)合在一起，可確保單模性能和低頻噪聲。

3.PureSpectrum NLL單頻半導(dǎo)體激光器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.線寬

      PureSpectrum NLL單頻半導(dǎo)體激光器的線寬分為5kHz，10kHz和20kHz三檔，最窄線寬可以達(dá)到5kHz的水平。TeraXion的技術(shù)指標(biāo)說明指出：“Linewidth is computed from the power spectral density of frequency noise (PSDFN) with 1ms observation time. FWHM”。這說明該激光器的線寬是根據(jù)頻率噪聲功率譜密度，離基頻1kHz處的PSD計(jì)算得出，意味著觀察測(cè)試頻率噪聲的時(shí)間是1ms。

2. 頻率噪聲

      PureSpectrum NLL單頻半導(dǎo)體激光器的頻率噪聲在5Hz-1kHz低頻段展示了1/f噪聲特性。在頻率跟蹤鎖定環(huán)路的作用下，1kHz到3MHz的頻段內(nèi)的頻率噪聲得到了很好的抑制。超過3MHz的高頻段頻率噪聲水平較高，這也從另外一個(gè)角度說明TeraXion公司頻率鎖定環(huán)路的電學(xué)帶寬大約為3MHz左右。標(biāo)準(zhǔn)的頻率鎖定設(shè)計(jì)方案無法對(duì)高速的頻率波動(dòng)實(shí)現(xiàn)跟蹤鎖定，為了解決這一問題，TeraXion公司曾經(jīng)設(shè)計(jì)過高電學(xué)帶寬的高速頻率跟蹤鎖定系統(tǒng)，通過增加LiNbO3光相位調(diào)制器的快速鎖定環(huán)來跟蹤快速的頻率波動(dòng)。其設(shè)計(jì)方案示意圖如下：

     通過快速和慢速的頻率鎖定環(huán)組合，實(shí)現(xiàn)了從低頻段到幾十MHz范圍內(nèi)的頻率跟蹤鎖定，大幅度降低了DFB半導(dǎo)體激光器的頻率噪聲，TeraXion把這樣的技術(shù)稱之為“激光器線寬壓縮系統(tǒng)”，從實(shí)際效果上看，頻率鎖定跟蹤方案把DFB半導(dǎo)體激光器低頻段的頻率噪聲降低了3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，大幅度壓窄了激光器的實(shí)際線寬，激光器的相干長(zhǎng)度也從數(shù)百米提高到了數(shù)十公里甚至數(shù)百公里。

       

                                             頻率噪聲                                                                                                    相干長(zhǎng)度

3.相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）

       PureSpectrum NLL激光器基于DFB型半導(dǎo)體激光器，所以其相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）的整體水平比較優(yōu)秀，從技術(shù)指標(biāo)上看，該激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲水平比其它外腔型單頻半導(dǎo)體激光器要差一些。主要的原因有兩點(diǎn)，第一是TeraXion采用的DFB半導(dǎo)體激光器的輸出功率較高，達(dá)到40mW甚至80mW以上，其整體噪聲水平較高。第二，線寬壓窄系統(tǒng)是通過不斷改變DFB激光器的驅(qū)動(dòng)電流來實(shí)現(xiàn)的，這不可避免地帶給激光器諧振腔帶來了波動(dòng)，導(dǎo)致相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）變大。換句話說，線寬壓窄系統(tǒng)降低了DFB半導(dǎo)體激光器的相頻噪聲，付出的代價(jià)是相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）略有上升。從PureSpectrum NLL激光器的技術(shù)指標(biāo)就可以看出，在頻率鎖定跟蹤反饋環(huán)電學(xué)帶寬范圍內(nèi)（1kHz-1MHz），該激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）為-140dBc/Hz，超過1MHz以后（超過反饋環(huán)的電學(xué)帶寬），下降到-150dBc/Hz的水平。 

4.TeraXion窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器的技術(shù)分析

      PureSpectrum NLL激光器的技術(shù)路線和RIO，OEwaves公司以及其他單頻半導(dǎo)體激光器的公司不同。TeraXion的技術(shù)路線是“頻率鎖定”也就是一種閉環(huán)反饋式的穩(wěn)頻方案，并不是一種外腔型單頻半導(dǎo)體激光器。其穩(wěn)頻原理如下圖所示。

      DFB型半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光被小分光比光分路器分出一部分，用于分析輸出光頻率的波動(dòng)，鑒頻器（Frequency discriminator）作為一個(gè)關(guān)鍵器件用于“識(shí)別”激光的頻率波動(dòng)，經(jīng)過平衡探測(cè)器，將頻率的波動(dòng)轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度波動(dòng)，獲取“誤差信號(hào)”，然后經(jīng)過環(huán)路濾波器，移相電路，放大電路等閉環(huán)控制電路加載到DFB激光器的驅(qū)動(dòng)偏置電路上，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出激光頻率的跟蹤鎖定。總體思想是通過穩(wěn)定輸出激光的瞬時(shí)頻率波動(dòng)的方式降低DFB半導(dǎo)體激光器的頻率噪聲，從而“壓窄”了DFB半導(dǎo)體激光器的線寬。
      TeraXion的頻率跟蹤鎖定技術(shù)和外腔單頻半導(dǎo)體激光器技術(shù)的最大不同點(diǎn)在于外腔半導(dǎo)體技術(shù)的核心是通過采用某種窄帶濾波器的結(jié)構(gòu)大幅度加長(zhǎng)激光器的諧振腔，窄帶濾波器例如RIO公司的平面波導(dǎo)光柵，OEwaves公司的回音壁模式（WGM）微腔，大族銳波公司的體光柵（VBG），Thorlabs公司，新加坡Denselight公司的光纖光柵等等。窄帶濾波器在外腔型單頻半導(dǎo)體激光器中起到非常重要的作用。一是要形成外腔的腔鏡，二是要把“精選出”的窄線寬反射光注入到半導(dǎo)體激光器的諧振腔中，去影響諧振腔。可以說，窄線寬濾波器的品質(zhì)從根本上決定了外腔單頻半導(dǎo)體激光器輸出光的單頻特性。

      TeraXion的技術(shù)方案并沒有通過外腔反射注入的方式去影響半導(dǎo)體激光器諧振腔的駐波諧振模式，而是使用高靈敏度的光濾波器作為鑒頻器來測(cè)量激光器的頻率波動(dòng)，并將電信號(hào)反饋回激光器用于調(diào)諧其頻率，以補(bǔ)償這些光學(xué)頻率波動(dòng)。該鎖頻系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上將鑒頻器的短期頻率穩(wěn)定性傳遞給激光器。如果光鑒頻器在鎖定帶寬中具有較低的頻率噪聲，則激光器將“繼承”鑒頻器的低頻率噪聲特性，并且將顯示出較窄的線寬和較長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度。 
      現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)的電信級(jí)DFB半導(dǎo)體激光器（SCL）的線寬低于1 MHz，功率水平超過50 mW。其中特殊設(shè)計(jì)的DFB半導(dǎo)體激光器甚至可以以更低的線寬提供數(shù)百毫瓦的功率。標(biāo)準(zhǔn)電信激光器的頻率噪聲的功率譜密度（PSD）在低頻下顯示出主要的閃爍頻率噪聲，這對(duì)降低線寬系統(tǒng)的性能具有有利的影響。 

 5.鑒頻器（Frequency Discriminator）

       PureSpectrum NLL激光器的核心是“線寬壓窄系統(tǒng)”，而該系統(tǒng)的核心器件是極窄線寬的光學(xué)濾波器作為鑒頻器（Frequency Discriminator）。TeraXion公司采用具有π相移的光纖光柵（π phase shifted FBG）作為光學(xué)鑒頻器。這樣的光纖光柵可以被看做是一個(gè)具有極窄線寬的光學(xué)濾波器，間距極窄的光纖光柵型F-P無源諧振腔。

     TeraXion公司先后設(shè)計(jì)了不同長(zhǎng)度的π相移光纖光柵，產(chǎn)品經(jīng)過幾次迭代后達(dá)到了比較高的水平。其半極大值全寬（FWHM）達(dá)到16MHz甚至低于10MHz，能夠作為極為靈敏的頻率波動(dòng)感應(yīng)器件使用。

      作為“線寬壓窄系統(tǒng)”的核心鑒頻器件，π相移光纖光柵本身必須要具有極低的相位噪聲和頻率噪聲，這不但要求光纖光柵本身的制作技術(shù)水平較高，避免熱量堆積，而且對(duì)光纖光柵的封裝也有較高的要求。TeraXion不斷優(yōu)化π相移光纖光柵的設(shè)計(jì)和封裝結(jié)構(gòu)，使其抗震性能得到了很大提升。

 6.TeraXion頻率鎖定壓窄線寬技術(shù)的局限性 

       1. PureSpectrum NLL激光器技術(shù)的核心思想屬于跟蹤頻率鎖定的穩(wěn)頻技術(shù)，不同于外腔技術(shù)。該技術(shù)沒有弱反射光直接注入激光器諧振腔，所以要求激光器本身必須要有良好的單縱模輸出，輸出頻率穩(wěn)定，噪聲較低。這也是TeraXion公司采DFB型半導(dǎo)體激光器的根本原因。

      2. 為了保證有足夠的輸出功率，PureSpectrum NLL采用了高功率輸出的窄線寬DFB半導(dǎo)體激光器，這樣的激光器本身成本高昂，而且因?yàn)楦吖β瘦敵龅脑颍w噪聲水平偏高。比如，其光譜邊模抑制比的技術(shù)指標(biāo)僅僅標(biāo)稱為>30dB，遠(yuǎn)低于普通電信級(jí)低功率DFB半導(dǎo)體激光器。過高的功率輸出也影響了其偏振模式，PureSpectrum NLL激光器的偏振消光比指標(biāo)較低，PER>17dB。這對(duì)于采用相干探測(cè)的光纖傳感系統(tǒng)，相干LiDAR和相干通信應(yīng)用來說相對(duì)較差，而單頻光纖激光器因?yàn)楸旧碇C振腔的特性都具備更加出售的單偏振性能。上海瀚宇的CoSF-D型和CoSF-R型單頻光纖激光器的輸出偏振消光比PER典型值>23dB。

      3. PureSpectrum NLL激光器采用的線寬壓窄系統(tǒng)電帶寬相對(duì)有限，該系統(tǒng)不能對(duì)DFB半導(dǎo)體激光器高頻頻率波動(dòng)起到抑制作用，換句話說，這樣的頻率跟蹤鎖定系統(tǒng)反映有些遲鈍，只能對(duì)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)的頻率波動(dòng)起作用，而激光器的快速頻率波動(dòng)，線寬壓窄系統(tǒng)反應(yīng)不過來。這一點(diǎn)很容易理解，因?yàn)楫吘硅b頻獲取誤差信號(hào)需要經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，混頻，濾波，移相，放大等處理信號(hào)的過程。TeraXion盡管提出了高速頻率跟蹤鎖定的方案，但是沒有落實(shí)到產(chǎn)品上，究其原因，LiNbO3光相位調(diào)制器和配套的RF驅(qū)動(dòng)器成本高昂，尺寸也比較大應(yīng)該是重要的因素。

      4. 受限于線寬壓窄系統(tǒng)所使用的高靈敏度π相移光纖光柵型鑒頻器的光譜線寬，PureSpectrum NLL激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍相當(dāng)窄，根據(jù)TeraXion提供的技術(shù)指標(biāo)，該激光器的波長(zhǎng)溫度調(diào)諧范圍為20GHz，對(duì)1550nm激光器來說，相當(dāng)于0.16nm，遠(yuǎn)低于DFB型單頻光纖激光器（通常為0.8-1.0nm）和普通DFB型半導(dǎo)體激光器（幾個(gè)nm）的慢速溫度波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。值得一提的是PureSpectrum NLL激光器能夠通過RF電信號(hào)直接實(shí)現(xiàn)快速的調(diào)制，其調(diào)制帶寬（電信號(hào)的頻率）可以達(dá)到1MHz，這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，遺憾的是，直接快速調(diào)制半導(dǎo)體激光器會(huì)導(dǎo)致線寬的動(dòng)態(tài)展寬，相位噪聲和頻率噪聲增加，這是單頻半導(dǎo)體激光器的矛盾點(diǎn)之一。從TeraXion提供的技術(shù)指標(biāo)來看，直接快速頻率調(diào)制的范圍最大只有正負(fù)200MHz，而此時(shí)的線寬已經(jīng)被展寬到20kHz。對(duì)于線性調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)（LFMCW LiDAR）而言，這樣的調(diào)頻帶寬不足以滿足空間分辨率的要求。（說明：400MHz的線性調(diào)頻帶寬意味著大約0.375米的空間分辨率）

7.總結(jié)

       我們通過三篇文章分別介紹了RIO公司，OEwaves公司以及TeraXion公司三種具有代表性意義的單頻半導(dǎo)體激光器技術(shù)。對(duì)單頻半導(dǎo)體激光器的技術(shù)原理，實(shí)現(xiàn)方案和思想，關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了剖析。單頻半導(dǎo)體激光器和單頻光纖激光器相比有自己鮮明的特色，例如封裝尺寸小巧，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）低，低頻段相位噪聲和頻率噪聲低等，在單頻激光器的眾多領(lǐng)域有著重要的地位和廣泛的應(yīng)用。

      上海瀚宇在單頻半導(dǎo)體激光器技術(shù)研發(fā)上有所涉獵，采用獨(dú)具特色的外圍線寬壓窄，降低相頻噪聲技術(shù)，利用商用的單模半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)窄線寬（<5kHz）,低相位噪聲輸出的單頻半導(dǎo)體激光器。我們將在以后的技術(shù)文章中進(jìn)行介紹。