單頻激光器教程

ECL、DFB、VHG穩(wěn)定型、DBR和混合型單頻激光器

很多應(yīng)用要求激光系統(tǒng)可調(diào)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(diào)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(qū)別。

外腔激光器 
外腔激光器(ECL)是一種兼容大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)自由空間二極管激光器的多功能配置。這意味著ECL可根據(jù)內(nèi)部激光二極管增益介質(zhì)用于多種波長(zhǎng)。透鏡準(zhǔn)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(wěn)定的輸出波長(zhǎng)。通過(guò)合理的光學(xué)設(shè)計(jì)，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(shì)之一是使用較長(zhǎng)的腔提供極窄線寬(< 1 MHz)。此外，因?yàn)榭梢约啥喾N激光器二極管，它仍然是能夠在藍(lán)光或者紅光波長(zhǎng)提供窄線寬發(fā)射的極少數(shù)配置之一。ECL可以提供很寬的調(diào)諧范圍(>100 nm)，但是容易發(fā)生跳模，這與其機(jī)械設(shè)計(jì)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(xiàng))的光柵集成在激光二極管結(jié)構(gòu)內(nèi)部(見(jiàn)圖2)。這種波紋周期結(jié)構(gòu)緊臨有源區(qū)域，作用相當(dāng)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(qū)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(nèi)置"選擇，DFB可以在較寬溫度和電流范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)中常有相位變化區(qū)域。

DFB的激發(fā)波長(zhǎng)約等于布拉格波長(zhǎng)：

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(zhǎng)、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(diào)諧激發(fā)波長(zhǎng)。這通過(guò)調(diào)諧DFB激光器的溫度和電流來(lái)完成。

DFB調(diào)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(diào)諧范圍內(nèi)DFB都能夠單頻工作，說(shuō)明這是無(wú)跳模的連續(xù)調(diào)諧。由于這個(gè)特性，DFB已經(jīng)成為通信和傳感等實(shí)際應(yīng)用中一種常見(jiàn)的主流選擇。因?yàn)镈FB腔長(zhǎng)很短，線寬一般在1 MHz到10 MHz之間。另外，由于光柵結(jié)構(gòu)和有源區(qū)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(wěn)定型激光器

體全息光柵(VHG)穩(wěn)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?yàn)榇斯鈻挪粚儆诩す舛O管結(jié)構(gòu)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(zhǎng)穩(wěn)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。只有滿足布拉格條件的光波長(zhǎng)才能反射回激光腔內(nèi)，這樣可以得到一個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)極其穩(wěn)定的激光器。VHG穩(wěn)定型激光器可以產(chǎn)生的輸出功率比DFB激光器更高，但是線寬差不多，可以在較寬的電流和溫度范圍內(nèi)鎖定波長(zhǎng)。

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(nèi)部集成了一個(gè)光柵結(jié)構(gòu)。不同的是，DFB激光器的光柵結(jié)構(gòu)持續(xù)穿過(guò)整個(gè)有源區(qū)域(增益區(qū)域)，而DBR激光器的光柵結(jié)構(gòu)在有源區(qū)域之外(如圖4)。一般而言，DBR能夠集成多個(gè)區(qū)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(diào)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(qū)域，用戶(hù)可以獨(dú)立于光柵周期和激光二極管電流來(lái)調(diào)諧相位。一起使用時(shí)，DBR能在寬調(diào)諧范圍內(nèi)提供單頻工作。比如高/端采樣光柵DBR激光器的調(diào)諧范圍可達(dá)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(xì)控制所有輸入并維持溫度。

與多電極DBR的復(fù)雜結(jié)構(gòu)相比，DBR還有單電極簡(jiǎn)化版。這種結(jié)構(gòu)沒(méi)有復(fù)雜的光柵和相位控制，不過(guò)犧牲了調(diào)諧范圍。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，調(diào)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(shì)，即，因?yàn)楣鈻挪皇浅掷m(xù)穿過(guò)整個(gè)器件長(zhǎng)度，所以具有更高的輸出功率。DBR和DFB具有相似的激光線寬。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(zhǎng)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(zhǎng)度，構(gòu)建和ECL類(lèi)似的激光腔。這種腔體設(shè)計(jì)能使ULN混合型激光器產(chǎn)生100 Hz量級(jí)的極窄線寬，以及-165 dBc/Hz(典型值)的較低的相對(duì)強(qiáng)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(yīng)力來(lái)改變，所以用戶(hù)可以通過(guò)溫度調(diào)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(jiān)測(cè)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(qū)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(jié)論 
ECL、DFB、VHG、DBR和混合型激光二極管都在各自的設(shè)計(jì)調(diào)諧范圍提供單頻工作。ECL由于自身設(shè)計(jì)，相比DFB或DBR的波長(zhǎng)選擇范圍更大。盡管容易跳模，但它線寬窄(< 1 MHz)。在合理設(shè)計(jì)的儀器中，ECL能提供很寬的調(diào)諧范圍(>100 nm)。

DFB激光器是最/穩(wěn)定的單頻可調(diào)諧激光器。它能在整個(gè)調(diào)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(xù)光柵反饋結(jié)構(gòu)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(nèi)提供最/穩(wěn)定的波長(zhǎng)，功率一般也比DFB激光器高。高穩(wěn)定性使之成為OEM應(yīng)用的極/佳選擇。

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

混合型激光器可用于實(shí)現(xiàn)極低噪聲信號(hào)。為了利用此優(yōu)勢(shì)，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(qū)動(dòng)電流噪聲。