單頻激光器教程

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ECL、DFB、VHG穩定型、DBR和混合型單頻激光器

很多應用要求激光系統可調諧單頻工作。在二極管激光器的世界里，目前主要有四種配置可以獲得單頻輸出：外腔式(ECL)、分布反饋式(DBR)、體全息光柵(VHG)和分布式布拉格反射器(DFB)。這四種配置都通過(guò)光柵反饋提供單頻輸出，而光纖布拉格光柵(FBG)和外腔激光器的組合能形成混合型激光器。不過(guò)，每種激光器使用的光柵反饋配置不同，這也影響性能特征，比如輸出功率、調諧范圍和邊模抑制比(SMSR)。下面我們將討論這幾種單頻二極管激光器的主要區別。

外腔激光器 
外腔激光器(ECL)是一種兼容大多數標準自由空間二極管激光器的多功能配置。這意味著(zhù)ECL可根據內部激光二極管增益介質(zhì)用于多種波長(cháng)。透鏡準直二極管的輸出，然后入射到光柵上(見(jiàn)圖1)。光柵提供光學(xué)反饋，用于選擇穩定的輸出波長(cháng)。通過(guò)合理的光學(xué)設計，外腔只能激發(fā)一個(gè)單縱模，從而得到具有高邊模抑制比(SMSR > 45 dB)的單頻激光輸出。

ECL的主要優(yōu)勢之一是使用較長(cháng)的腔提供極窄線(xiàn)寬(< 1 MHz)。此外，因為可以集成多種激光器二極管，它仍然是能夠在藍光或者紅光波長(cháng)提供窄線(xiàn)寬發(fā)射的極少數配置之一。ECL可以提供很寬的調諧范圍(>100 nm)，但是容易發(fā)生跳模，這與其機械設計以及激光二極管的增透(AR)膜質(zhì)量極其相關(guān)。 

圖1：ECL激光器的增益芯片外有一個(gè)光柵

分布反饋式激光器 
分布反饋式(DFB)激光器(提供NIR和MIR選項)的光柵集成在激光二極管結構內部(見(jiàn)圖2)。這種波紋周期結構緊臨有源區域，作用相當于布拉格反射器，選擇一種單縱模作為激發(fā)模式。如果有源區域在布拉格頻率附近的增益足夠大，則不需要端面反射鏡，所有的光學(xué)反饋和模式選擇只靠布拉格反射器。由于這種“內置"選擇，DFB可以在較寬溫度和電流范圍內提供單頻工作。為了輔助模式選擇和改善制造成品率，DFB激光器的二極管結構中常有相位變化區域。

DFB的激發(fā)波長(cháng)約等于布拉格波長(cháng)：

圖2：DFB激光器在整個(gè)有源增益介質(zhì)上有一個(gè)布拉格反射器

其中λ是波長(cháng)、neff是有效折射率、Λ是光柵周期。通過(guò)改變有效折射率能調諧激發(fā)波長(cháng)。這通過(guò)調諧DFB激光器的溫度和電流來(lái)完成。

DFB調諧范圍較窄，在850 nm時(shí)大約2 nm，在1550 nm時(shí)大約4 nm，在中紅外(4.00 -
11.00 µm)波段時(shí)大于1 cm-1。但是在調諧范圍內DFB都能夠單頻工作，說(shuō)明這是無(wú)跳模的連續調諧。由于這個(gè)特性，DFB已經(jīng)成為通信和傳感等實(shí)際應用中一種常見(jiàn)的主流選擇。因為DFB腔長(cháng)很短，線(xiàn)寬一般在1 MHz到10 MHz之間。另外，由于光柵結構和有源區域緊密耦合，所以最大輸出功率比ECL和DBR激光器更低。

體全息光柵穩定型激光器

體全息光柵(VHG)穩定型激光器也使用布拉格反射器，但是在激光二極管輸出端的前面有一個(gè)透射光柵(見(jiàn)圖3)。因為此光柵不屬于激光二極管結構的一部分，因此和激光二極管熱隔離，從而改善了器件的波長(cháng)穩定性。光柵一般是一片光折變材料(通常是玻璃)，其折射率呈周期變化。只有滿(mǎn)足布拉格條件的光波長(cháng)才能反射回激光腔內，這樣可以得到一個(gè)發(fā)射波長(cháng)極其穩定的激光器。VHG穩定型激光器可以產(chǎn)生的輸出功率比DFB激光器更高，但是線(xiàn)寬差不多，可以在較寬的電流和溫度范圍內鎖定波長(cháng)。

圖3：VHG激光器在有源增益介質(zhì)外有一個(gè)體全息光柵

分布式布拉格反射激光器 
類(lèi)似于DFB，
分布式布拉格反射(DBR)激光器內部集成了一個(gè)光柵結構。不同的是，DFB激光器的光柵結構持續穿過(guò)整個(gè)有源區域(增益區域)，而DBR激光器的光柵結構在有源區域之外(如圖4)。一般而言，DBR能夠集成多個(gè)區域，這是DFB通常所沒(méi)有的，前者從而得到更好的控制力和更大的調諧范圍。比如，多電極DBR激光器可以包含一個(gè)控制相位的區域，用戶(hù)可以獨立于光柵周期和激光二極管電流來(lái)調諧相位。一起使用時(shí)，DBR能在寬調諧范圍內提供單頻工作。比如高/端采樣光柵DBR激光器的調諧范圍可達30-40 nm。不同于DFB的是，DBR的輸出并不是無(wú)跳模的；因此要仔細控制所有輸入并維持溫度。

與多電極DBR的復雜結構相比，DBR還有單電極簡(jiǎn)化版。這種結構沒(méi)有復雜的光柵和相位控制，不過(guò)犧牲了調諧范圍。對于這種結構類(lèi)型，調諧范圍和DFB激光器類(lèi)似，但有電流和溫度引起的跳模。盡管有跳模的缺點(diǎn)，單電極DBR在一些方面比DFB有優(yōu)勢，即，因為光柵不是持續穿過(guò)整個(gè)器件長(cháng)度，所以具有更高的輸出功率。DBR和DFB具有相似的激光線(xiàn)寬。目前，Thorlabs僅提供單電極DBR激光器。

圖4：DBR激光器的布拉格反射器在有源增益介質(zhì)的外面

混合型激光器 
Thorlabs超低噪聲(ULN)混合型激光器使用的是與超長(cháng)光纖布拉格光柵(FBG)耦合的單角面(SAF)增益芯片。它們通過(guò)整根光纖長(cháng)度，構建和ECL類(lèi)似的激光腔。這種腔體設計能使ULN混合型激光器產(chǎn)生100 Hz量級的極窄線(xiàn)寬，以及-165 dBc/Hz(典型值)的較低的相對強度噪聲。FBG反射來(lái)自增益介質(zhì)的一部分光，同時(shí)又與其保持熱隔離。光柵周期可以通過(guò)向光纖引入熱應力來(lái)改變，所以用戶(hù)可以通過(guò)溫度調諧激光輸出，同時(shí)并不影響增益介質(zhì)的溫度。由于激光器的配置可提供出色的低噪聲性能，因此在低噪聲水平時(shí)，激光器可能不會(huì )成為限制因素。監測激光器環(huán)境以限制外部噪聲的影響(如聲振動(dòng)和地面振動(dòng))，以及使用低噪聲電流源驅動(dòng)激光器，這兩點(diǎn)至關(guān)重要。

圖5：Thorlabs混合型激光器有一個(gè)與有源增益介質(zhì)耦合的光纖布拉格光柵

結論 
ECL、DFB、VHG、DBR和混合型激光二極管都在各自的設計調諧范圍提供單頻工作。ECL由于自身設計，相比DFB或DBR的波長(cháng)選擇范圍更大。盡管容易跳模，但它線(xiàn)寬窄(< 1 MHz)。在合理設計的儀器中，ECL能提供很寬的調諧范圍(>100 nm)。

DFB激光器是最/穩定的單頻可調諧激光器。它能在整個(gè)調諧范圍(< 5 nm)提供無(wú)跳模性能，使之成為大部分行業(yè)最常見(jiàn)的單頻激光器之一。由于連續光柵反饋結構的固有屬性，它的輸出功率最/低。

VHG激光器在一定溫度和電流范圍內提供最/穩定的波長(cháng)，功率一般也比DFB激光器高。高穩定性使之成為OEM應用的極/佳選擇。

單電極DBR激光器與DFB有類(lèi)似的線(xiàn)寬和調諧范圍(< 5 nm)，但是單電極DBR在調諧曲線(xiàn)上會(huì )產(chǎn)生周期性跳模。

混合型激光器可用于實(shí)現極低噪聲信號。為了利用此優(yōu)勢，必須隔離激光器與有害的噪聲源，例如，聲振動(dòng)、地面振動(dòng)以及驅動(dòng)電流噪聲。