【平面波导外腔激光器专题系列】用于精密测量的平面波导外腔激光器特性

----翻译自Kenji Numata等人的文章

摘要

1542 nm平面波导外腔激光器PW-ECL具有足够低的噪声非常适合精密测量应用。与 0.1mHz至100kHz 之间，其频率和强度噪声与非平面环形振荡器 NPRO和光纤激光器相当或更好。通过将 PW-ECL 的频率稳定在乙炔（13C2H2）艾伦偏差的 10-13 水平上来证明 PW-ECL 的可控性。PW-ECL 还具有标准蝶形封装的紧凑性、低成本以及由耦合到平面波导布拉格反射器的半导体增益介质组成的简单设计等优点。

简介

通信技术在过去几十年中取得了飞速的发展。更好、更小、更具成本效益的集成光学元件已被引入通信市场，并正在干涉传感领域寻找更多应用。我们在这里测试的平面外腔激光器PW-ECL最初是为通信应用开发的技术，针对低频噪声进行了优化后，可进一步扩展应用在精密测量领域。

NPRO[1]是目前低噪声干涉传感应用的标准，其采用相对简单的增益介质（用于 1064nm和1319nm的 Nd:YAG 晶体）配置作为环形腔。由于其频率和强度噪声低、结构简单，它被广泛应用于各个领域，包括引力波干涉仪[2]和空间通信[3]。

基于 Littman [4] 和 Littrow [5] 配置的半导体外部腔体激光器ECL具有较宽的调谐范围和较窄的线宽。它们已被用于光钟和高精度光谱学，通过刚性光腔实现10-15级频率稳定性[6,7]。

光纤激光器的性能正在提高，并在各个领域取代NPRO和 Littman外腔激光器，尤其是首选光纤耦合输出的地方。光纤激光器的大增益带宽允许灵活选择激光波长，使用特殊的高掺杂增益光纤，实现了单模激光和简单的频率调谐 [8,9]。

作为这些激光器的可能替代方案，我们评估了 PW-ECL，该激光器专为光学传感应用而开发，可用于 1550nm 光谱范围内密集波分复DWDM的ITU波长通道，蝶形封装的 PW-ECL 比类似性能的激光器更小、更简单、成本更低。该 ECL 使用平面二氧化硅波导上的平面布拉格反射器形成 DBR（分布式布拉格反射器）激光腔。

为了充分研究 PW-ECL 的稳定性，我们通过锁定乙炔 （13C2H2）无多普勒吸收线来稳定其频率。我们还系统地将其自由运行频率和强度噪声与其他类型的单频激光器进行了比较，以评估其在高精度测量中的应用。事实证明，PW-ECL的噪声低于我们测试的大多数其他类型的激光器。PW-ECL的结构简单、性能高，尤其是紧凑性，使其在紧凑的光频率标准和太空任务中具有吸引力。

2.平面波导外腔激光器

我们在这里测试了一个由 Redfern集成光学[10] 制造的商用激光器模块。该模块包括一个蝶形封装的PW-ECL、电流驱动器、一个频率调谐端子（稍后介绍） 和一个数字控制接口，模块尺寸约为 102mm × 57mm × 13mm。

图 1 是 PW-ECL 的腔体示意图。激光腔由两个反射镜形成：InP 多量子阱增益芯片上的高反射HR涂层，以及硅基二氧化硅平面波导 PLC中形成的带抗反射AR涂层的波导光栅。所有组件都集成到热电冷却器 TEC顶部的标准 14 引脚蝶形封装中。PLC 中布拉格反射镜的窄反射峰可在通信C波段（1528~1565nm）内选定波长下实现稳定、低噪声的单模激光，本报告中，我们选择激光波长为1542.383nm，允许将13C2H2的P(16)线用作激光器的频率参考。输出采用保偏PM光纤，在~180mA注入电流下，最大输出功率为~15mW。PW-ECL 高频下注入电流与输出功率、光谱和频率（相位）噪声性能之间的关系之前已发表过 [11]。

3. 频率调谐

PW-ECL的频率调谐可以通过调整 TEC 的温度或调整注入电流来进行。

3.1 温度调节

图 2 显示了通过温度对 PW-ECL 进行频率（波长）调谐。通过在16 ~42 °C设置温度，在标称激光波长1542.383nm附近获得了~0.37nm（~47GHz）的调谐范围。如图 2 所示，热调谐有滞后现象，并可能导致调谐范围内的模式跳变，具体取决于PW-ECL经历的热历史，然而，由于模式之间的转换发生得很顺利，我们通常没有观察到稳定的双模激光或跳模。

图 3 显示了频率调谐响应与施加到注入电流调谐端子的电压调制频率的函数关系。这是通过反对称光纤迈克尔逊干涉仪（高于~10 Hz）和两个 PW-ECL 之间的拍频（低于 ~10 Hz）测量的，调制信号施加到电调谐端子。注入电流通过低频的热效应直接调制光频率。与任何 LD 直接调制一样，它也会导致轻微的输出功率变化。热特性将 3 dB 调谐带宽限制为~2 kHz。低于此频率时，传递函数基本恒定，低至 1mHz。效率在 ~0.1Hz 左右有所提高，这可能是由于 TEC 热控制和电流调谐之间的耦合。~88 kHz 的峰值是由于驱动电路中的电谐振引起的，与激光特性无关，例如光纤激光器中的机械谐振 [12]。通过电流调谐终端的调谐范围约为 600 MHz。

4.频率噪声

4.1 稳频设置

图 4 显示了我们的稳频装置，它使用光学外差饱和光谱技术 [13]。PW-ECL 的 15mW 输出被 PM 掺铒光纤放大器 EDFA放大至 320mW。10% 的输出由光纤耦合器分离出来用于频率噪声测量，而剩余的90%在从光纤准直器耦合出来后，由偏振分光镜分成两条路径。其中一束光束用作泵浦光束，它以~3kHz斩波，并通过声光调制器AOM以55MHz的频率移动；另一束由电光调制器 EOM 在~20MHz 处进行相位调制，并用作探测光束。EOM的壳温保持稳定，以最大限度地减少由于残余幅度调制引起的频率漂移。两束在压力为0.03托、长度为20cm的13C2H2气房内反向传播，每根光束都穿过气房3次。该系统使用了乙炔线在1542.383nm处的P（16）跃迁 [14]。探测器检测到探测光束，其信号在 EOM 和 AOM 调制频率下混频。解调后的信号由伺服电路过滤并反馈到PW-ECL的电流调谐端子。我们保持温度设定点恒定，并且不在控制回路中使用温度调谐，因为频率漂移很小，电流调谐范围足够大。

4.2 频率稳定结果

使用两个相同系统之间的拍频评估慢频噪声（高达100 Hz）。拍频由计数器或相位计 [15] 测量，并转换为频率噪声频谱。在较高频率下，噪声由反对称光纤迈克尔逊干涉仪测量。干涉仪安装在橡胶堆上的真空罐中，以避免任何声学和地震干扰。

图 5 显示了自由运行和 13C2H2稳定的 PW-ECL 相对于傅里叶频率 f 的实测频率噪声频谱。自由运行的频率噪声在低于和高于 1 Hz 时分别具有 ~1/f1.0 和 ~1/f0.6 依赖性，在~60 Hz 的控制带宽内，噪声被抑制了高达~1000倍，带宽受饱和误差信号的信噪比限制，至少几天内，我们没有观察到任何因不稳定行为而导致失锁。

图 6 显示了艾伦偏差的频率波动。当使用乙炔频率参考时，我们在 1 到 10,000 秒的门时间之间获得了 10-13 左右的稳定性。对于超过 1000 秒的门时间，该结果比使用 Littman外腔激光器[16] 在13C2H2中获得的最佳结果之一差约 10 倍。这种较高的噪声被认为是来自 PW-ECL 的非固有因素，因为当使用光纤激光器运行时，该装置显示出相似的噪声水平 [17]。低于 10 秒的门时间，短期稳定性似乎在测得的最佳水平附近，这归因于 PW-ECL 的低自由运行频率噪声。

4.3. 频率噪声与其他激光器的比较

图7比较了用于精密测量的单频激光器的自由运行频率噪声。使用评估 PW-ECL的类似设置测量其他激光器的频率噪声。PW-ECL在与各种类型的激光器比较中，包括 Littman ECL一种分布式激光器中，一个分布式反馈（DFB） 半导体激光管和一个 DBR 光纤激光器，在测量范围内表现出较小的频率噪声。只有 NPRO 显示出比 PW-ECL 更低的频率噪声，并且仅在约 1 Hz 以上。我们正在开展一项活动，以研究超频噪声的来源（相对于 NPRO），实证研究增益芯片泄漏电流 [18] 和侧模、杂散光反射等

5. 强度噪声

通过使用光电探测器监测激光输出来评估强度噪声。在~1Hz 以上，我们使用电频谱分析仪直接监测强度噪声频谱。低于~1Hz，光电探测器直流输出被稳定的直流电源抵消，然后由计算线性光谱密度的计算机记录。

图 8 显示了 PW-ECL 和其他单频激光器的相对强度噪声（RIN）。除了大约 0.1 Hz 外，PW-ECL 在 0.1 mHz 和 1 MHz 之间显示出最小的 RIN 水平。我们假设 0.1 Hz 左右的噪声凸起是由封装内的波束抖动引起的。在 100 kHz 以上，我们确认 RIN 至少达到了 100 MHz 的散粒噪声水平 （~2 × 10-8/ÖHz）。

与 NPRO 相比，PW-ECL 在整个测量频带上显示出更小的 RIN。图 8 中NPRO的 RIN 是在自由空间NPRO输出光束落在自由空间探测器上时测量的。当 NPRO输出为光纤耦合时，由于光纤耦合效率对光束抖动敏感，因此光纤输出处的 RIN 变得更大。此外，NPRO 在~700kHz附近有一个弛豫振荡峰值，需要主动控制才能被抑制。

基于半导体的激光器（图 8 中的 DFB LD 和 Littman ECL）的 RIN 在很大程度上取决于电流驱动器、驱动模式、外壳温度稳定性和输出光纤的处理。图 8 所示的 RIN 是在恒流模式下使用标准低噪声商用电流驱动器进行评估的，而不是在恒功率模式下，以避免干扰输出频率。基于体光栅的 Littman ECL 显示 RIN 峰值源自~1kHz 附近的机械共振。在恒流模式下运行的PW-ECL显示出比低于 10mHz 的二极管激光器明显更小的噪声，这可能是因为它的腔体结构简单。

商用 DBR 光纤激光器显示 RIN 大于 1 Hz，可能是由于泵浦功率波动 [19]。此外，如图 8 所示，光纤激光器的 RIN 在 ~10-5 /ÖHz 的水平上具有通常在 100 kHz 和 1 MHz 之间的弛豫振荡峰值 [20,21]，需要主动抑制它以进行精确测量。相比之下，由于 PW-ECL 中弛豫振荡和相邻激光模式引起的 RIN 峰值为 > 7 GHz，水平为 <10-7 /ÖHz。

6. 讨论

在本节中，我们将讨论 PW-ECL 的其他功能，这需要在精密测量系统的设计中考虑。

6.1 频率调谐带宽

在许多使用激光频率作为参考的精密测量中，激光频率必须控制在较宽的带宽内。例如，对高精度腔的频率锁定和两个激光器之间的相位锁定需要比这里演示的更宽的控制带宽（~60 Hz）。PW-ECL 的频率调谐响应（~2 kHz）本身可能不够快，无法抑制较高频率下的高频噪声（相对于 NPRO）。

通过在激光腔内添加快速电光驱动相位部分，可以在内部改善调谐响应。外部光纤耦合波导相位调制器也可用作交流耦合频率执行器。我们已经成功地集成了这样的系统，并在两个带宽为~1MHz 的PW-ECL之间实现了稳定的锁相。

6.2 输出功率和波长

在精密测量中，输出功率、可控性和激光波长的选择是需要考虑的其他重要因素。

当注入电流已经用作 PW-ECL 中的频率执行器时，没有独立的强度执行器可用。可能需要外部强度致动器，例如波导马赫-曾德尔调制器、半导体光放大器或AOM，以便同时控制频率和强度。

PW-ECL 的输出功率受增益芯片输出和激光腔内损耗的限制为~15mW。当需要更高的输出功率时，可以通过光纤放大器等方式进行提升。通过将放大器泵浦电流控制1kHz以下，可以抑制放大器泵浦功率波动引入的强度噪声[22]。

目前，由于InP增益芯片的材料和掺杂剂的原因，输出波长仅限于C波段。通过使用适当的增益芯片（例如，用于1μm波段的GaAs）和不同的布拉格反射器，它可以扩展到其他波长。从理论上讲，PW-ECL 设计应该能够适应可见光和近红外之间的任何波长，就像基于体光栅的 ECL一样。一个长期研究目标是证明这种波长适应性，这将显着扩大 PW-ECL 的应用范围。

7. 结论

我们已经证明，PW-ECL具有精密测量所需的足够低的频率噪声、强度噪声和高稳定性。它在基于乙炔分子饱和光谱的频率稳定回路中进行了测试，并显示出高稳定性。PW-ECL 的封装紧凑、成本低、设计简单、零件数量少和高稳定性使其成为各种精密应用（包括光频率标准和太空任务）的有吸引力的选择。

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【见合八方提供全系列的RSOA，与平面波导光栅（PBG）一起，可以构建平面波导外腔激光器（PLANAR ECL) 】

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