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2020-05

Connet 產(chǎn)品小講堂第十一期——窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器-OEwaves篇

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窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器-OEwaves篇 

1.美國OEwaves公司

      美國OEwaves公司憑借特有的回音壁光學(xué)微腔（WGM）技術(shù)享譽業(yè)界，其主要產(chǎn)品線包括基于WGM技術(shù)的超窄線寬低噪聲單頻半導(dǎo)體激光器，單頻激光器和低噪聲射頻信號噪聲測試儀，以及大帶寬低相位噪聲的光電振蕩器（OEO）產(chǎn)品等。本文就OEwaves公司回音壁光學(xué)微腔（WGM）技術(shù)，以及基于WGM的Hi-Q系列窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器進行介紹。

2.回音壁（WGM）光學(xué)微腔技術(shù)

    “耳語回廊”模式(Whispering Gallery Mode簡稱WGM)最早發(fā)現(xiàn)于聲學(xué)體系中。早在19 世紀，著名科學(xué)家Rayleigh 就首次分析了其中的聲學(xué)原理給出了物理解釋。他認為：這是由于聲波沿著回廊光滑的墻內(nèi)壁連續(xù)反射來進行傳播，傳播損耗很小。這種聲波模式也因此被命名為“耳語回廊模式”，而在中國我們習(xí)慣性叫作“回音壁模式”。由于電磁波在從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播時會發(fā)生全反射現(xiàn)象，因此在具有旋轉(zhuǎn)對稱的幾何結(jié)構(gòu)中，當光線沿著幾何結(jié)構(gòu)邊界內(nèi)壁傳播時會發(fā)生連續(xù)的全反射，光束被約束在環(huán)形邊界上，從而產(chǎn)生類似的回音壁現(xiàn)象。若光束繞幾何結(jié)構(gòu)邊界行走一圈的光程滿足波長的整數(shù)倍時，會產(chǎn)生干涉加強現(xiàn)象即共振現(xiàn)象，其中用來約束光場的環(huán)形結(jié)構(gòu)即被稱為回音壁模式光學(xué)微腔。

 

3.回音壁（WGM）光學(xué)微腔的主要參數(shù)

       描述光學(xué)微腔的回音壁模式通常有幾個特征參數(shù)，其中最重要的兩個參數(shù)分別為品質(zhì)因子(Quality Factor簡稱Q) 和模式體積(Mode Volume簡稱Vm)，另外還有自由光譜范圍(Free Spectral Range簡稱FSR)，線寬(Linewidth)，功率堆積因子(Build-up Factor)和精細度(Finesse)等。在傳感領(lǐng)域通常要求微腔具有高品質(zhì)因子和小模式體積來增加傳感器的靈敏度，如果要測量模式光譜的移動和展寬等會比較關(guān)注自由光譜范圍和精細度。

 

4.品質(zhì)因子Q

      質(zhì)因子（Quality factor）反應(yīng)的是微腔儲存光子的能力，描述的是腔內(nèi)光場在繞微腔傳播一周之后消耗的能量，也就是說，??值越大腔內(nèi)光子壽命就會越長， ??值小的光子壽命就越短。品質(zhì)因子??可以定義為腔內(nèi)光子總能量與光波傳播一周的損耗的比值。

    式中 W 是腔內(nèi)儲存的光子總能量，P = ???? ???? ? 是單位時間內(nèi)能量的損耗，ω為諧振角頻率，??定義為腔內(nèi)能量衰減到初始能量的1/??所需要的時間。
品質(zhì)因子Q的另外一種表達式是Q=ωτ =λ/Δλ，ω和λ分別是模式的共振角頻率和共振波長，τ是腔內(nèi)光場的光子壽命， Δλ為模式線寬。因此微腔損耗越小，光子壽命越長，則微腔的品質(zhì)因子越高，回音壁模式的線寬就越窄。微腔的品質(zhì)因子主要取決于微腔的本征損耗和耦合引入的外部損耗 。 

 5.模式體積

       模式體積描述微腔對光子在空間上的約束程度，模式體積強烈依賴于微腔大小。對于Fabry-Pérot光學(xué)微腔，模式體積約等于腔的體積；對于回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔，模式的截面積可以到波長的平方量級，模式體積則約為微腔周長乘以截面積。

穩(wěn)定的回音壁模式要求： 2πn_effR =mλ_m，其中n_eff是模式的有效折射率，R 是微腔半徑，m是角量子數(shù)，λ_m是共振波長。 

      式中分子部分內(nèi)容表示能量密度對整個回音壁模式（WGM）微腔的積分，積分范圍包括了整個耦合空間。從式中能看到，模式體積越小，能量密度就越大，就能增強光與介質(zhì)的相互作用。被壓縮的模場模式體積小于未被壓縮，低階模式往往具有比高階模式小的模式體積。 

 6.自由光譜范圍FSR

      自由光譜范圍指其他量子數(shù)完全相同，只有角量子數(shù)相差1 的兩個回音壁模式之間的頻率或者波長間隔，可以用下面的式子描述。

 

      其中neff是模式的有效折射率，L是微腔的周長，可以用2πR表示，R 是微腔半徑。

 

7.精細度Finesse

      精細度來源于Fabry-Pérot 標準具，用來衡量標準具的光譜分辨能力，定義為自由光譜范圍與模式線寬之比。

 

8.功率堆積因子

      功率堆積因子用來描述腔內(nèi)功率與輸入功率之比，即對應(yīng)著光子在腔內(nèi)循環(huán)的圈數(shù)， 表達式為B = λQ/2π2nD ，其中n 為折射率，D 為微腔的直徑。對于直徑為50 μm，品質(zhì)因子為108的二氧化硅微腔，在1550 nm 波段微腔的功率堆積因子約為105。也就是光子在微腔內(nèi)循環(huán)十萬圈才耗散，因此在微腔內(nèi)極大地增強了光與物質(zhì)相互作用。 

9.回音壁（WGM）光學(xué)微腔的耦合方式

      由于回音壁模式（WGM）是基于全內(nèi)反射形成，微腔內(nèi)行波波矢大于自由空間波矢，由于動量失配，自由空間的光很難耦合到回音壁模式微腔內(nèi)，因此通常采用近場耦合方式。常用的近場耦合方式是利用動量匹配的倏逝場進行耦合，可以達到極高的耦合效率。

 

10.OEwave基于回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔的Hi-Q單頻半導(dǎo)體激光器

      回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔是OEwaves公司的核心技術(shù)，據(jù)公司網(wǎng)站介紹，其WGM光學(xué)微腔的Q值達到10^12量級（1E12），采用的材料從紫外到中紅外波段透明（400-4500nm），適用于各種波段的半導(dǎo)體激光器。Hi-Q激光器的主要產(chǎn)品工作波段為1.0um，1.5um和2.0um，該激光器采用一體化的標準蝶形封裝，把F-P激光器芯片和回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔集成到一起。具有出色的綜合性能，尺寸小巧，標稱的線寬達到Hz量級，甚至低于1Hz。

 

11. Hi-Q單頻半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵技術(shù)指標

1. 線寬

      OE4030代表了OEwaves公司Hi-Q系列窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器的最高水平。其標稱的瞬時線寬為3Hz，如此窄的線寬無法通過自外差非平衡M-Z干涉儀的方式拍頻直接測試，OEwaves公司通過測試OE4030單頻半導(dǎo)體激光器的頻率噪聲功率譜密度，經(jīng)過一定的算法，計算獲得激光器的瞬時線寬。

2 頻率噪聲

      OEwaves公司的Hi-Q窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器的技術(shù)指標中提供了頻率噪聲測試的功率譜密度（PSD）曲線。

  

      從頻率噪聲的結(jié)果分析，OE4030確實有極低的頻率噪聲和相位噪聲，這也從另一方面驗證了其具有非常窄的瞬時線寬。不過，OEwaves的實際測試條件不得而知，目前上海瀚宇尚未對OE4030激光器進行比較測試，無法準確評價其實際性能。

3. 相對強度噪聲（RIN）

      Hi-Q激光器的本質(zhì)是外腔型半導(dǎo)體激光器，其相對前度噪聲（RIN）性能相當優(yōu)秀，根據(jù)OEwaves提供的產(chǎn)品技術(shù)指標，OE4030單頻半導(dǎo)體激光器的相對強度噪聲（RIN）為-150dBc/Hz（@10MHz），和其他半導(dǎo)體激光器水平相

當。

12. 對比性測試OEwaves Hi-Q單頻半導(dǎo)體激光器的技術(shù)分析

         Hi-Q單頻半導(dǎo)體激光器從技術(shù)路線上看屬于外腔注入鎖定型單頻半導(dǎo)體激光器。高品質(zhì)因子的回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔的作用有兩個，一是相當于一個超窄帶的光學(xué)濾波器，起到類似于外腔光柵一樣的選頻作用，把滿足WGM諧振模式的光注入到F-P激光器中，起到注入鎖定的作用，大幅度抑制F-P激光器諧振腔的噪聲。二是利用了WGM光學(xué)微腔的超長光子壽命，大幅度拉長了F-P半導(dǎo)體激光器的腔長，壓窄了線寬，降低激光器的相位噪聲。最終獲得超窄線寬，超低相位噪聲和頻率噪聲的窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器輸出。

        回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔巧妙平衡了較短的物理腔長和實際超長的光子壽命之間的難題。WGM光學(xué)微腔尺寸小巧，能夠和F-P半導(dǎo)體激光器諧振腔共同被封裝在14PIN標注蝶形封裝之中，大大提高了窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性和可靠性。

 

       從OEwaves公司提供的回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔的示意圖可以得知，光學(xué)微腔的耦合方式采用了耦合棱鏡（Coupling prism），眾所周知，光學(xué)微腔的輸入輸出耦合困難，要求精度極高。這樣的耦合方式顯然對工藝控制有著很高的要求。回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔的支撐，安裝和減震設(shè)計也并不容易實現(xiàn)。

 

      上圖展示了OEwaves公司基于兩只Hi-Q窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器技術(shù)實現(xiàn)的光電振蕩器（OEO）內(nèi)部封裝情況，可以想象其精密對準固定工藝要求的難度。 

13. 關(guān)于回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔的品質(zhì)因子（Q值）

      OEwaves公司聲稱其回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔具有極其高的品質(zhì)因子（Quality Factor），Q值可以達到1E12量級（~100 billion），這究竟是不是一個很高的Q值呢？讓我們拿一個標準的Fabry-Pérot 標準具來做比較。

Fabry-Pérot 標準具的品質(zhì)因子（Q）的計算公式如下：

 

      假設(shè)波長為1550nm，F(xiàn)abry-Pérot 標準具長度5mm，反射率99.9%，空氣中1.0，其Q值的計算結(jié)果大約為6E15（10的15次方），大約比回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔的品質(zhì)因子（Q）要高3個數(shù)量級。

      由此可見，回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔和Fabry-Pérot 標準具光學(xué)諧振腔相比，其品質(zhì)因子Q值并不高，這和回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔制作困難，耦合難度大恐怕都有很大的關(guān)系。

      在OEwaves公司的Hi-Q系列窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器中，回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔充當了超窄半極大值全寬（FWHM）窄帶光學(xué)濾波器，以注入鎖定的方式影響F-P半導(dǎo)體激光器諧振腔的諧振模式，實現(xiàn)窄線寬低噪聲的單頻單縱模激光輸出。其極小的模式體積不但大幅度提高了光學(xué)微腔內(nèi)的光子壽命，而且降低了激光器整體的相位噪聲，從而起到了壓窄半導(dǎo)體激光器線寬的效果。理論上，其它高品質(zhì)因子（Q值）的光學(xué)諧振腔也可以達到同樣的效果。

       受限于F-P型半導(dǎo)體激光器諧振腔本身的性能，比如縱模數(shù)量較多，模式競爭嚴重，導(dǎo)致整體噪聲水平較高。Hi-Q系列窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器盡管依賴高品質(zhì)因子（Q值）的回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔已注入鎖定的方式實現(xiàn)了窄線寬單頻輸出，激光器的其他方面性能指標并不出色。例如，其光信噪比（OSNR）的典型值為55dB，而光譜邊模抑制比（SMSR）典型值為50dB，遠低于單頻光纖激光器。

      另一方面，OEwaves公司的回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔和F-P型半導(dǎo)體激光器諧振腔之間采用了空間耦合方式，考慮到回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔的輸入輸出耦合困難，以及光學(xué)精密對準的要求，Hi-Q系列單頻半導(dǎo)體激光器相對容易失諧出現(xiàn)跳模現(xiàn)象，從產(chǎn)品的技術(shù)指標看，其1550nm波段的單頻半導(dǎo)體激光器波長溫度調(diào)諧范圍限定在10GHz（0.08nm），這是一個相當小的范圍。而單頻光纖激光器的波長溫度調(diào)諧范圍一般可達100GHz以上。

      從技術(shù)的角度出發(fā)，OEwaves的回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔和RIO公司的平面光波導(dǎo)光柵（PLANEX）窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器技術(shù)都基于外腔的思想，和相對傳統(tǒng)的光纖光柵外腔半導(dǎo)體單模激光器的出發(fā)點沒有本質(zhì)區(qū)別，國內(nèi)的大族銳波公司采用體光柵（VBG）作為外腔選取單縱模的窄帶濾波器也是同樣的機理。窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器的實現(xiàn)路徑都如出一轍，那就是大幅度增加激光器諧振腔的腔長，提高諧振模式的相位匹配條件的門檻和標準，從而降低激光器的相位噪聲和頻率噪聲，實現(xiàn)超窄線寬的單頻單縱模輸出。

      單頻光纖激光器通常采用全光纖的方式實現(xiàn)，和單頻半導(dǎo)體激光器相比各有優(yōu)缺點。理論上，單頻光纖激光器擁有更長的諧振腔長度，光子壽命更長，因而會實現(xiàn)更低的相位噪聲和頻率噪聲，也就是更窄的線寬輸出。其代價則是容易受到工作環(huán)境的影響，穩(wěn)定性偏差。上海瀚宇的CoSF-R優(yōu)化行波腔型超窄線寬單頻光纖激光器采用了極高品質(zhì)因子（Q值）的全光纖結(jié)構(gòu)的光學(xué)微腔對低噪聲單模激光器諧振腔實現(xiàn)注入鎖定，有望獲得比Hi-Q系列單頻半導(dǎo)體激光器更低噪聲，更窄線寬的單頻單縱模輸出。

      下圖展示了上海瀚宇CoSF-R超窄線寬單頻光纖激光器的典型輸出光譜，其光譜邊模抑制比（SMSR）超過70dB。

       值得一提的是，OEwaves公司的HI-Q窄線寬單頻半導(dǎo)體激光器模塊的封裝尺寸是152x58.4x25mm，這個尺寸和上海瀚宇CoSF-D的標準模塊尺寸相當（145x100x25mm）,大于CoSF-D-Mini（110X70x25mm）系列。這說明回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔的安裝和穩(wěn)定控制有較高的要求。