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2020-05
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窄线宽单频半导体激光器-TeraXion篇
1.加拿大TeraXion公司
加拿大TeraXion公司在光纤光栅技术上有很深的造诣，其色散补偿光纤光栅，超短脉冲展宽压缩色散管理光栅，以及超窄线宽光纤光栅滤波器，高功率光纤激光器腔镜用啁啾光纤光栅等都有很高的水平。大约从2008年起，TeraXion结合超窄线宽的相移光纤光栅滤波器技术和高稳定度驱动控制电路技术开发制作PureSpectrum NLL系列窄线宽单频半导体激光器。该激光器经过数次迭代，具有kHz量级的线宽，其中最窄线宽的产品标称线宽小于5kHz，低频率噪声，保持了半导体激光器超低相对强度噪声（RIN）的特点，模块尺寸封装小巧，稳定性高，目标市场针对激光雷达（LiDAR），分布式光纤传感等领域。本文将就PureSpectrum NLL窄线宽单频半导体激光器的技术指标，实现原理，关键技术以及优缺点进行分析介绍。
2.TeraXion Purespectrum窄线宽单频半导体激光器
根据TeraXion公司的网站介绍，PureSpectrum NLL是一款紧凑的，低噪声的分布式反馈（DFB）激光器，非常适合各种最苛刻的光学传感应用。激光器及其控制电子设备集成在单个模块中，该模块使用精确的反馈监控来提供超低噪声性能和出色的波长稳定性。内置的灵敏的光学鉴频器可在保持整个工作温度范围内单模工作的同时，显著减小线宽。该模块还提供快速的频率调谐功能，可实现调频连续波（FMCW）调制输出。
PureSpectrum NLL激光器，将半导体二极管的可靠性和低噪声，窄线宽激光器的性能结合到一个紧凑的封装中。NLL易于集成到光感测设备中，以用于LIDAR，分布式感测和光纤射频等应用。它也是理想的种子激光器。
PureSpectrum NLL将半导体二极管激光器与独特的反馈系统结合在一起，可确保单模性能和低频噪声。
3.PureSpectrum NLL单频半导体激光器的主要技术指标
1.线宽
PureSpectrum NLL单频半导体激光器的线宽分为5kHz，10kHz和20kHz三档，最窄线宽可以达到5kHz的水平。TeraXion的技术指标说明指出：“Linewidth is computed from the power spectral density of frequency noise (PSDFN) with 1ms observation time. FWHM”。这说明该激光器的线宽是根据频率噪声功率谱密度，离基频1kHz处的PSD计算得出，意味着观察测试频率噪声的时间是1ms。
2. 频率噪声
PureSpectrum NLL单频半导体激光器的频率噪声在5Hz-1kHz低频段展示了1/f噪声特性。在频率跟踪锁定环路的作用下，1kHz到3MHz的频段内的频率噪声得到了很好的抑制。超过3MHz的高频段频率噪声水平较高，这也从另外一个角度说明TeraXion公司频率锁定环路的电学带宽大约为3MHz左右。标准的频率锁定设计方案无法对高速的频率波动实现跟踪锁定，为了解决这一问题，TeraXion公司曾经设计过高电学带宽的高速频率跟踪锁定系统，通过增加LiNbO3光相位调制器的快速锁定环来跟踪快速的频率波动。其设计方案示意图如下：
通过快速和慢速的频率锁定环组合，实现了从低频段到几十MHz范围内的频率跟踪锁定，大幅度降低了DFB半导体激光器的频率噪声，TeraXion把这样的技术称之为“激光器线宽压缩系统”，从实际效果上看，频率锁定跟踪方案把DFB半导体激光器低频段的频率噪声降低了3-4个数量级，大幅度压窄了激光器的实际线宽，激光器的相干长度也从数百米提高到了数十公里甚至数百公里。
频率噪声 相干长度
3.相对强度噪声（RIN）
PureSpectrum NLL激光器基于DFB型半导体激光器，所以其相对强度噪声（RIN）的整体水平比较优秀，从技术指标上看，该激光器的相对强度噪声水平比其它外腔型单频半导体激光器要差一些。主要的原因有两点，第一是TeraXion采用的DFB半导体激光器的输出功率较高，达到40mW甚至80mW以上，其整体噪声水平较高。第二，线宽压窄系统是通过不断改变DFB激光器的驱动电流来实现的，这不可避免地带给激光器谐振腔带来了波动，导致相对强度噪声（RIN）变大。换句话说，线宽压窄系统降低了DFB半导体激光器的相频噪声，付出的代价是相对强度噪声（RIN）略有上升。从PureSpectrum NLL激光器的技术指标就可以看出，在频率锁定跟踪反馈环电学带宽范围内（1kHz-1MHz），该激光器的相对强度噪声（RIN）为-140dBc/Hz，超过1MHz以后（超过反馈环的电学带宽），下降到-150dBc/Hz的水平。
4.TeraXion窄线宽单频半导体激光器的技术分析
PureSpectrum NLL激光器的技术路线和RIO，OEwaves公司以及其他单频半导体激光器的公司不同。TeraXion的技术路线是“频率锁定”也就是一种闭环反馈式的稳频方案，并不是一种外腔型单频半导体激光器。其稳频原理如下图所示。
DFB型半导体激光器发出的激光被小分光比光分路器分出一部分，用于分析输出光频率的波动，鉴频器（Frequency discriminator）作为一个关键器件用于“识别”激光的频率波动，经过平衡探测器，将频率的波动转换成强度波动，获取“误差信号”，然后经过环路滤波器，移相电路，放大电路等闭环控制电路加载到DFB激光器的驱动偏置电路上，最终实现对输出激光频率的跟踪锁定。总体思想是通过稳定输出激光的瞬时频率波动的方式降低DFB半导体激光器的频率噪声，从而“压窄”了DFB半导体激光器的线宽。
TeraXion的频率跟踪锁定技术和外腔单频半导体激光器技术的最大不同点在于外腔半导体技术的核心是通过采用某种窄带滤波器的结构大幅度加长激光器的谐振腔，窄带滤波器例如RIO公司的平面波导光栅，OEwaves公司的回音壁模式（WGM）微腔，大族锐波公司的体光栅（VBG），Thorlabs公司，新加坡Denselight公司的光纤光栅等等。窄带滤波器在外腔型单频半导体激光器中起到非常重要的作用。一是要形成外腔的腔镜，二是要把“精选出”的窄线宽反射光注入到半导体激光器的谐振腔中，去影响谐振腔。可以说，窄线宽滤波器的品质从根本上决定了外腔单频半导体激光器输出光的单频特性。
TeraXion的技术方案并没有通过外腔反射注入的方式去影响半导体激光器谐振腔的驻波谐振模式，而是使用高灵敏度的光滤波器作为鉴频器来测量激光器的频率波动，并将电信号反馈回激光器用于调谐其频率，以补偿这些光学频率波动。该锁频系统实质上将鉴频器的短期频率稳定性传递给激光器。如果光鉴频器在锁定带宽中具有较低的频率噪声，则激光器将“继承”鉴频器的低频率噪声特性，并且将显示出较窄的线宽和较长的相干长度。
现代标准的电信级DFB半导体激光器（SCL）的线宽低于1 MHz，功率水平超过50 mW。其中特殊设计的DFB半导体激光器甚至可以以更低的线宽提供数百毫瓦的功率。标准电信激光器的频率噪声的功率谱密度（PSD）在低频下显示出主要的闪烁频率噪声，这对降低线宽系统的性能具有有利的影响。
5.鉴频器（Frequency Discriminator）
PureSpectrum NLL激光器的核心是“线宽压窄系统”，而该系统的核心器件是极窄线宽的光学滤波器作为鉴频器（Frequency Discriminator）。TeraXion公司采用具有π相移的光纤光栅（π phase shifted FBG）作为光学鉴频器。这样的光纤光栅可以被看做是一个具有极窄线宽的光学滤波器，间距极窄的光纤光栅型F-P无源谐振腔。
TeraXion公司先后设计了不同长度的π相移光纤光栅，产品经过几次迭代后达到了比较高的水平。其半极大值全宽（FWHM）达到16MHz甚至低于10MHz，能够作为极为灵敏的频率波动感应器件使用。
作为“线宽压窄系统”的核心鉴频器件，π相移光纤光栅本身必须要具有极低的相位噪声和频率噪声，这不但要求光纤光栅本身的制作技术水平较高，避免热量堆积，而且对光纤光栅的封装也有较高的要求。TeraXion不断优化π相移光纤光栅的设计和封装结构，使其抗震性能得到了很大提升。
6.TeraXion频率锁定压窄线宽技术的局限性
1. PureSpectrum NLL激光器技术的核心思想属于跟踪频率锁定的稳频技术，不同于外腔技术。该技术没有弱反射光直接注入激光器谐振腔，所以要求激光器本身必须要有良好的单纵模输出，输出频率稳定，噪声较低。这也是TeraXion公司采DFB型半导体激光器的根本原因。
2. 为了保证有足够的输出功率，PureSpectrum NLL采用了高功率输出的窄线宽DFB半导体激光器，这样的激光器本身成本高昂，而且因为高功率输出的原因，整体噪声水平偏高。比如，其光谱边模抑制比的技术指标仅仅标称为>30dB，远低于普通电信级低功率DFB半导体激光器。过高的功率输出也影响了其偏振模式，PureSpectrum NLL激光器的偏振消光比指标较低，PER>17dB。这对于采用相干探测的光纤传感系统，相干LiDAR和相干通信应用来说相对较差，而单频光纤激光器因为本身谐振腔的特性都具备更加出售的单偏振性能。上海瀚宇的CoSF-D型和CoSF-R型单频光纤激光器的输出偏振消光比PER典型值>23dB。
3. PureSpectrum NLL激光器采用的线宽压窄系统电带宽相对有限，该系统不能对DFB半导体激光器高频频率波动起到抑制作用，换句话说，这样的频率跟踪锁定系统反映有些迟钝，只能对相对较长的时间内的频率波动起作用，而激光器的快速频率波动，线宽压窄系统反应不过来。这一点很容易理解，因为毕竟鉴频获取误差信号需要经过光电转换，混频，滤波，移相，放大等处理信号的过程。TeraXion尽管提出了高速频率跟踪锁定的方案，但是没有落实到产品上，究其原因，LiNbO3光相位调制器和配套的RF驱动器成本高昂，尺寸也比较大应该是重要的因素。
4. 受限于线宽压窄系统所使用的高灵敏度π相移光纤光栅型鉴频器的光谱线宽，PureSpectrum NLL激光器的波长调谐范围相当窄，根据TeraXion提供的技术指标，该激光器的波长温度调谐范围为20GHz，对1550nm激光器来说，相当于0.16nm，远低于DFB型单频光纤激光器（通常为0.8-1.0nm）和普通DFB型半导体激光器（几个nm）的慢速温度波长调谐范围。值得一提的是PureSpectrum NLL激光器能够通过RF电信号直接实现快速的调制，其调制带宽（电信号的频率）可以达到1MHz，这是一个优势，遗憾的是，直接快速调制半导体激光器会导致线宽的动态展宽，相位噪声和频率噪声增加，这是单频半导体激光器的矛盾点之一。从TeraXion提供的技术指标来看，直接快速频率调制的范围最大只有正负200MHz，而此时的线宽已经被展宽到20kHz。对于线性调频连续波激光雷达（LFMCW LiDAR）而言，这样的调频带宽不足以满足空间分辨率的要求。（说明：400MHz的线性调频带宽意味着大约0.375米的空间分辨率）
7.总结
我们通过三篇文章分别介绍了RIO公司，OEwaves公司以及TeraXion公司三种具有代表性意义的单频半导体激光器技术。对单频半导体激光器的技术原理，实现方案和思想，关键的技术指标进行了剖析。单频半导体激光器和单频光纤激光器相比有自己鲜明的特色，例如封装尺寸小巧，抗环境干扰能力强，相对强度噪声（RIN）低，低频段相位噪声和频率噪声低等，在单频激光器的众多领域有着重要的地位和广泛的应用。
上海瀚宇在单频半导体激光器技术研发上有所涉猎，采用独具特色的外围线宽压窄，降低相频噪声技术，利用商用的单模半导体激光器实现窄线宽（<5kHz）,低相位噪声输出的单频半导体激光器。我们将在以后的技术文章中进行介绍。
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