【见合八方平面波导外腔激光器专题系列】用于干涉光纤传感的低噪声平面波导外腔激光器2

----翻译自Mazin Alalus等人的文章

摘要

1550 nm DWDM 平面波导外腔激光器具有低相位/频率噪声、窄线宽和低 RIN 等特点。该腔体包括一个半导体增益芯片和一个带布拉格光栅的平面光波电路波导，采用 14 引脚蝶形封装。这种平面波导外腔激光器设计用于在振动和恶劣的环境条件下工作。激光器的线宽≤ 2.6kHz，相位/频率噪声与长腔光纤激光器相当，1kHz时的 RIN≤-147dB/Hz，功率≥10mW。其性能适用于各种高性能光纤传感系统，包括石油和天然气、军事/安全和其他应用中的干涉传感，这些应用目前主要使用昂贵且低可靠性激光源。

关键词

平面波导外腔激光器，相位噪声，线宽，相对强度噪声，光纤传感，蝶形封装，地震勘探，远程干涉传感。

1.简介

高性能、光纤分布式干涉技术是在过去 15 年中发展，用于获得高质量的动态测量，但直到最近才进入部署阶段。由于该技术历来成本较高，因此主要应用于恶劣环境（石油和天然气行业的海底或地下）的军事监视或遥感。随着技术的成熟，现在正朝着成本/性能优化的方向发展。其他对成本更敏感的应用，包括分布式结构监测、大面积和周界监测、地震监测和通信系统安全，现在正在获得这种优化的好处，而且这些应用的市场规模要大得多。

外腔激光器外腔激光器技术是一种紧凑而坚固的激光解决方案，适用于干涉传感应用。与 DFB 相比，外腔激光器 提供明显更窄的线宽和更低的频率噪声。基于光纤布拉格光栅 FBG的混合 外腔激光器 已被研究用于干涉传感应用 [1];然而，FBG对振动敏感，基于光纤激光器的解决方案也是如此。

我们在这里报道了一种基于硅基二氧化硅平面光波电路 PLC上的平面布拉格光栅 （PBG） 的低频噪声、低 RIN 和1550 nm窄线宽 DWDM外腔激光器 [2]。我们将这种平面 外腔激光器 技术称为 PLANEXTM。与其他 外腔激光器 设计相比，这种腔体结构显著降低了振动敏感性。我们将证明平面 外腔激光器 的相位/频率性能与长腔光纤激光器相当。

2. 平面波导外腔激光器设计

平面波导外腔激光器如图 1a 所示，该腔体是通过将 InP 增益芯片和PLC 上的波导光栅组成，增益芯片和PLC都镀有AR增透膜。

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该平面波导外腔激光器集成在热电冷却器（TEC） 顶部，并封装在标准 14 引脚蝶形封装中。热-光-机械设计可确保在 -5ºC 至 75ºC 的宽工作壳温范围内实现最小的温度梯度和对型腔的最小应力。

来自外腔激光器腔的光输出光束在通过双级隔离器之前进行准直，然后聚焦到标准或保偏单模光纤上。外腔激光器是使用商业DFB 成熟方法设计和组装的，与商用 DFB 引脚兼容。

3.测试技巧和测试设置

3.1. 相位/频率噪声测量

测试装置包括带有法拉第反射镜FRM元件的路径不匹配迈克尔逊干涉仪，以确保高干涉可见度，内部连接器允许放置不同的延迟线（可更换延迟），以便可以将不同的光路不匹配插入干涉仪。Optiphase公司的OPD-4000 光相位解调器 [3] 用于测量失配路径干涉仪中的光相位。70 kHz速率的解调是通过相位生成的载波激励，然后是真相位数字解调来完成的，该方法具有低自噪声，能够对市面上噪声最低的激光器进行激光相位/频率噪声测量。

3.2. 线宽测量

使用延迟自外差干涉仪 [4] 用于线宽测量，50 公里的光纤用作MZ 臂之一的路径失配，这个长度应该足以解析到2.5kHz线宽。50 公里光纤和声光移频器安装在一个热和声隔离的盒子中，该盒子还可以衰减微振动。外腔激光器的电流驱动器由电池供电，以最大限度地减少60Hz及其谐波通过电源泄漏。整个测试装置中的光学背向反射已降至最低。

3.3. 相对强度噪声RIN测量

外腔激光器、光电探测器和低噪放均由电池供电。

此外，应仔细布置使用的所有光纤，以防止微弯曲，这反过来会导致 RIN 变形。

4. 实验结果

4.1.LIV 和激光光谱

用 OSA 获得的外腔激光器 LIV 特性和时间平均谱如图 2a 所示。在≥150mA的驱动电流下，可以轻松获得11mW≥功率。激光阈值电流为 12mA。低电流下的软拐点是由于外腔激光器动力学细节造成的，将在未来探讨。

通过优化腔体设计实现高 SMSR。如图2b所示，输出功率为11.4mW，偏置电流为152mA时，SMSR=54.7dB。

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4.2. 相位/频率噪声

相位/频率噪声性能如图 3 所示。相位噪声值归一化为 1 米干涉仪光程差 （OPD）。在 60 Hz 和 60Hz的倍数处，相位/频率噪声频谱密度特性上可见的峰值是外腔激光器偏置电流源和解调器中交流泄漏的结果。

在图 3 中，显示了不同偏置电流下的相位/频率噪声。在这种情况下，所有三种不同设置的工作温度都是相同的。这里设置偏置电流与 DFB 等传统激光器不同，使用外腔激光器，可以使用偏置电流 Ib和/或温度T来调整相位/频率噪声、功率和激光波长。

低于 100kHz时，相位/频率噪声以1/f噪声为主，这与 DFB 半导体激光器相似 [5]。

特定频率的相位噪声也列在图 3 的插图中。

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4.3. 线宽

使用与图 3 相同的外腔激光器设置，使用延迟自外差干涉仪测得的线宽 （δν） 如表 1 所示。线宽可达到3.3kHz。

表1 线宽和偏置电流

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线宽是由自发发射噪声和 1/f 噪声产生的白噪声的产生。据信，1/f 噪声是由于埋藏的异质结构表面的悬空键引起的，这些表面充当非辐射复合中心 [6,7]。

白噪声产生洛伦兹线形，而 1/f 噪声产生高斯线形。从图 3 和表 1 中可以明显看出，外腔激光器同时具有白噪声和 1/f 噪声，这产生了 Voigt 线形，它是洛伦兹线形和高斯线形的卷积 [5,8]。图 4 显示，高斯线形与低至 -5dB 的测量数据具有良好的拟合度。

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4.2. 相对强度噪声RIN

RIN 频谱与偏置电流（设定点）的关系如图 5 所示。

低于 1kHz的RIN 以1/f噪声为主，如图 5所示，对于所有三个电流1kHz 以上的RIN收敛到相同的值，系统本底噪声无法解释这种收敛，将来对此进行讨论。RIN失真是由于微振动引起的，而尖峰是由于60Hz交流泄露引起的（译者注：全球电网频率主要为50Hz和60Hz ,欧洲、非洲、澳大利亚、中国为50Hz，和美洲、日本等地区是60Hz），即使所有电流源都由电池供电，其谐波也会泄漏。

平面波导外腔激光器的弛豫振荡频率≥为 2GHz，而光纤激光器的弛豫振荡频率为~1MHz [9]。因此，平面波导外腔激光器具有高达GHz 频率范围的出色 RIN。

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5. 噪声和线宽相关性

因为线宽是频率噪声的表现，因此频率噪声和线宽应该是高度相关的[10， 11]。图 6 显示了单个器件的频率噪声-线宽相关性。相位噪声和线宽都随着设定值 （在本例中为电流） 而减小，并同时进入饱和状态。

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RIN 与相位噪声的相关性可以通过载流子密度/折射率波动将相位波动与强度波动耦合来解释 [12， 13]。图 7 显示了相位噪声和 RIN 之间的相关性。同样从图 7 中可以观察到，当相位噪声进入饱和区域时，相位噪声和 RIN 之间的相关性开始被打破。

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图 8 显示了不同器件的相位噪声与线宽的相关性，其中器件编号4的线宽为 2.6kHz。

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6. 在振动和噪声下的稳定性

平面波导外腔激光器设计用于在振动和恶劣的环境条件下运行。与基于FBG的外腔激光器相比，平面外腔激光器腔非常坚固且本质稳定。

• 带有布拉格光栅的 SiO2 波导是固态基板的一部分

• 保偏波导具有矩形横截面，因此如果振动引入双折射，则正交极化不会出现腔内相位延迟

激光封装设计已针对振动下运行进行了优化，将腔子组件集成到 14 引脚蝶形封装内。在宽带（10-100 Hz）振动下沿 3个正交方向进行相位噪声测试。

图 9 显示了 3 种不同平面波导外腔激光器最最敏感的方向对振动的归一化相位噪声灵敏度。振动灵敏度的测量方法是相位噪声 [dB] 的变化，归一化为施加到被测激光器的 0.01G 加速度（1Hz上的 rms）。

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7. 可靠性和波长稳定性

本激光器专为在苛刻的环境应力条件下长期运行而设计。平面波导外腔激光器的所有子组件和封装技术之前都已通过 Telcordia 的电信应用认证。该激光器在长期运行和壳温范围内表现出优异的波长稳定性和性能参数的一致性。

• 波长变化随 TEC 温度的变化：~15 pm/ºC，比典型的 DFB 低 ~6 倍

• 波长变化与偏置电流的关系：~0.2 pm/mA

• 壳温范围的波长变化：<±20 pm

• 总“寿命终止”波长偏差<±100 pm

波长稳定性足以满足苛刻的应用需求，无需额外的波长锁定器。

8. 平面波导外腔激光器应用

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平面波导外腔激光器相位噪声性能与光纤激光器相当，如图 10 所示。由于多通道干涉解调仪的设计方法多种多样，并且光纤传感器设计可以提供广泛的灵敏度，因此将干涉解调仪分为两大类是有帮助的：

• 路径补偿时分复用 （PCTDM）

• 路径失配复用 （PMM）。

PLANEXTM （平面 外腔激光器）激光器的应用见表 2。

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上面确定的应用可以使用非常大的传感器数量。PCTDM 和 PMM 解调方法都与 TDM/DWDM 多路复用兼容，以获得高通道数。当这些系统需要多个波长时，使用 PLANEXTM 平面波导外腔激光器具有显着优势，与光纤激光器相比，其成本更低且可靠性更高。PLANEXTM 平面波导外腔激光器已在多种干涉测量系统中设计，并在多次现场试验中进行了测试，它提供了与光纤激光器相当的高性能 [14]。

9. 结论

首次开发了一种基于窄线宽、低相位/频率噪声的 1550 nm DWDM平面波导外腔激光器，在小型封装中满足大多数干涉传感性能要求，具有高稳定性、可靠性和低成本。我们提出了线宽=2.6kHz，相位/频率噪声与长腔光纤激光器相当的平面波导外腔激光器，1kHz时RIN=147.5dB/Hz，功率≥1mW。此外，PLANEXTM 平面外腔激光器设计用于在振动和恶劣环境条件下运行。结果表明，平面波导外腔激光器满足具有苛刻环境条件的干涉应用的要求。

参考文献

[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

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