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2020-04
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窄線寬單頻半導體激光器-RIO篇
1.前言
為了能夠清晰展示單頻光纖激光器和單頻半導體激光器的技術特點和優(yōu)缺點，上海瀚宇推出單頻半導體激光器技術和產品簡介的系列文章，對市場上主流的單頻半導體激光器的技術路線，關鍵技術指標進行詳細分析。三篇文章分別對RIO公司，OEwaves公司以及TeraXion公司的窄線寬單頻半導體激光器進行了詳細解讀。
2.美國RIO公司
美國RIO公司的全稱為Redfern Integrated Optics Inc.致力于外腔（ECL）單頻半導體激光器的技術和產品開發(fā)，其PLANEX商標的窄線寬單頻半導體激光器憑借低相位噪聲，窄線寬，出色的穩(wěn)定性和可靠性在單頻激光器市場上享有盛譽。其中PLANEX是光纖耦合蝶形封裝的激光器，配合低噪聲驅動的ORION是即插即用的單頻半導體激光器模塊。
3.RIO公司PLANEX單頻半導體技術
PLANEX單頻半導體激光器是一個獨特的集成硅光子平臺，基于磷化銦（InP）Fabry-Perot（FP）增益芯片和硅基平面光波導（PLC）上制作的專有布拉格光柵的混合集成，形成了非常穩(wěn)定和高性能的激光器腔，顯然這是一種外腔激光器（ECL），眾所周知，外腔技術在單頻半導體激光器上被廣泛采用，通過外腔的設計，增加半導體激光器的諧振腔長度，專有設計的在平面光波導上制作的布拉格光柵對FP增益芯片發(fā)出的多縱模激光形成一定程度的若反射，反射光注入到FP增益芯片的激光器諧振腔中，干擾震蕩的縱模模式，在滿足一定相位匹配的條件下，實現(xiàn)了穩(wěn)定的窄線寬輸出，布拉格光柵的反射帶寬決定了PLANEX激光器的輸出光譜寬度。
采用光柵，包括光纖光柵（FBG），體光柵（VBG）作為半導體激光器的外腔，通過注入鎖定的方式實現(xiàn)線寬壓窄，降低半導體激光器的相位噪聲，最終實現(xiàn)窄線寬單頻輸出是單頻半導體激光器的常用技術手段。RIO的PLANEX外腔單頻半導體激光器的突出特點在于混合集成，平面光波導（PLC）上制作了特殊的光柵，從示意圖上看，F(xiàn)P增益芯片和平面光波導都在硅基的襯板上，實現(xiàn)了一體化集成，整個外腔型半導體激光器配集成封裝在標準的14PIN蝶形封裝內。和光纖光柵外腔半導體激光器相比，大幅度降低了光纖光柵（FBG）對溫度，震動的敏感性，實現(xiàn)了非常穩(wěn)定的單頻窄線寬激光輸出。
RIO公司ORION單頻半導體激光器模塊
RIO公司的ORION單頻半導體激光器模塊近年來有不小的進步，這是一款基于PLANEX蝶形封裝單頻半導體激光器，配合低噪聲驅動電路的模塊，封裝尺寸小巧，僅為112x57x12.7mm, 標準產品采用保偏光纖輸出，輸出功率介于10mW到20mW之間，帶有窄鍵位的FC/APC標準連接器。ORION是一款低相位噪聲，窄線寬，低相對強度噪聲的單頻半導體激光器。
4. ORION單頻半導體激光器的關鍵技術指標
1. 線寬
RIO公司采用自外差非平衡M-Z干涉儀來測試ORION單頻半導體激光器的線寬，延時光纖長度為50km，意味著線寬測試分辨率大約為2.5kHz左右。為了能夠避免驅動電源的干擾，RIO采用了電池驅動ORION激光器，同時對整個測試系統(tǒng)進行了隔振，隔熱處理。
測試結果表面，ORION單頻半導體激光器的線寬主要由低頻段的1/f噪聲和高頻段的白噪聲決定，低頻段拍頻譜線型接近高斯型（Gaussian shape），高頻段展寬成洛倫茲型（Lorentzian shape），典型測試值為：
ORION單頻半導體激光器的線寬從<15kHz到<1kHz可選，RIO公司的產品技術指標表明，線寬是洛倫茲線型的計算結果。
2. 相對強度噪聲（RIN）
ORION單頻半導體激光器的相對強度噪聲（RIN）非常出色，RIO公司的典型測試結果顯示，其相對強度噪聲在小于1kHz的低頻部分主要受1/f噪聲影響。
超過2kHz以后，相對強度噪聲低于-140dB/Hz甚至-150dB/Hz的水平。根據RIO公司的估計，ORION單頻半導體激光器的馳豫振蕩峰值頻率可能高達8GHz，從kHz低頻段一直到GHz高頻段都有比單頻光纖激光器更低的RIN。其中，一個有趣的現(xiàn)象是，隨著驅動電流的加大，ORION的相對強度噪聲整體水平呈下降趨勢，但是超過1kHz時會收斂，RIO公司認為目前的測試系統(tǒng)無法解釋這樣的收斂。我個人認為，這是半導體激光器的特性所致。
3. 相位噪聲和頻率噪聲
ORION單頻半導體激光器的相位噪聲和頻率噪聲測試基于非等臂的邁克爾遜干涉儀（MI）配合法拉第旋轉鏡，利用Optiphase公司的OPD-4000相位解調儀分析處理相位波動偏差信號，激光器和探測器等都采用電池驅動，測試系統(tǒng)進行隔振隔熱隔聲處理，目的是實現(xiàn)高靈敏度的測量。其測試結果進行了1m延遲光纖（OPD）歸一化處理。
RIO公司早期的測試相位噪聲測試結果顯示，PLANEX單頻半導體激光器的相位噪聲遠遠優(yōu)于普通的DFB半導體激光器，比單頻光纖激光器要差。這符合常識，單頻光纖激光器因為諧振腔長度遠遠大于單頻半導體激光器，能夠實現(xiàn)獲得更低的相位噪聲和頻率噪聲，頻譜的線寬也會更窄。
5. 對比性測試
在上海瀚宇的實驗室，我們曾經對RIO公司ORION單頻半導體激光器模塊進行了比照性的測試，希望能夠對比衡量單頻半導體激光器和單頻光纖激光器的區(qū)別。
我們測試的是最高性能的ORION單頻半導體激光器，根據RIO提供的技術指標，其相位噪聲為2urad/rt-Hz@1m OPD，頻譜線寬<1kHz (Lorentian).上海瀚宇的測試結果如下：
1.相位噪聲
ORION(<1kHz)激光器的相位噪聲
需要說明的是，我們測得的相位噪聲結果為大約40urad/rt-Hz@1m OPD，這展現(xiàn)了不同測試設備和不同測試條件下所的結果差異，此外，上海瀚宇沒有采用類似于RIO公司一樣的相對苛刻的測試條件，用普通的供電電源驅動，這也是實測值較高的重要原因。盡管如此，這確實一款低相位噪聲的單頻半導體激光器。
2.線寬
受限于測試設備的分辨率和測試條件，我們測得的線寬略高于1kHz，相信該激光器的實際線寬和RIO公司的指標比較接近。
3.相對強度噪聲（RIN）
受限于測試儀器的工作帶寬，我們無法展示ORION單頻半導體激光器的馳豫振蕩峰，而該激光器的馳豫振蕩峰值頻率至少在2GHz以上，甚至達到8GHz，顯示了其極其緊湊的諧振腔設計。測試結果顯示，該激光器的相對強度噪聲從kHz一直到40MHz都低于-150dBc/Hz。展示了單頻半導體激光器在相對強度噪聲方面的優(yōu)秀性能表現(xiàn)。
6. 總結
1.RIO公司的單頻半導體激光器采用了外腔（ECL）技術，通過平面光波導（PLC）上制作的復雜的光柵實現(xiàn)外腔注入，影響F-P激光器的諧振腔震蕩模式，選取單縱模輸出。
2.和上海瀚宇的CoSF-D以及CoSF-R單頻光纖激光器相比，單頻半導體激光器的相對強度噪聲（RIN）表現(xiàn)優(yōu)秀，相位噪聲和頻率噪聲較差。
3.CoSF-D單頻光纖激光器通過上海瀚宇特有的相對強度噪聲（RIN）抑制技術可以實現(xiàn)幾乎同等的強度噪聲水平，具有更低的相位噪聲和頻率噪聲。
4.對于單頻激光器而言，諧振腔的長度和諧振模式的相位匹配條件控制是決定相頻噪聲和整體噪聲水平的本質決定因素。單頻光纖激光器本身固有的長腔長特點意味著更低的相位噪聲和頻率噪聲，但同時面臨著抗環(huán)境干擾性能方面的挑戰(zhàn)。
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