热可调窄线宽外腔激光器设计方案

----翻译自Li Zhang, Fang Wei等人的文章

摘要

我们提出了一种无模式跳变（mode-hop-free）的外腔激光器（ECL）设计，该设计结合了半导体增益芯片和具有增强热灵敏度的光纤布拉格光栅（FBG）。这种紧凑型ECL实现了35 kHz的窄线宽，以及65 pm/℃（8.125 GHz/℃）的高线性热调谐速率，其热调谐速率比常规FBG基外腔激光器提高了六倍。

I.引言

窄线宽外腔半导体激光器（ECLs）是许多领域中的关键组件，具有广泛的应用，例如用于相干光学频谱分析仪、地面到卫星的光学多普勒测距、合成孔径成像激光雷达等。然而，这些应用中的大多数对激光器的体积要求较高，这限制了许多高性能但体积大且复杂的光纤激光器以及某些类型ECLs的使用。目前已有几种外腔激光器技术被开发出来，能够实现与光纤激光器相当的窄线宽（1-50 kHz）性能，同时具有更紧凑的尺寸和更低的相位噪声。然而，在这些设计中，波长调谐性能始终是一个限制因素。在本文中，我们提出了一种热可调谐外腔激光器，该激光器结合了半导体增益芯片和具有增强热敏性的光纤布拉格光栅（FBG）。我们的设计在保持紧凑尺寸的同时，既实现了窄线宽，又具备线性调谐波长的能力。具体而言，该激光器实现了35 kHz的线宽和65 pm/℃（8.125 GHz/℃）的高线性热调谐速率，其调谐速率是传统基于FBG的外腔激光器的六倍。此外，我们测试了一种连续无模式跳变的调谐范围达0.5 nm的设计，其范围比腔模间隔大五倍。

II.设计原理

该外腔激光器由一个斜面镀膜InP增益芯片（Thorlabs SAF1126C）和一个带有抛光透镜的单模光纤布拉格光栅（FBG）组成。增益芯片具有一个斜面和抗反射（AR）涂层，以确保其反射率极低（<0.01%）。FBG的峰值反射率为60%，3 dB带宽为0.1 nm，光栅长度为10 mm。

激光器的封装方式与此前研究中报告的方法一致：FBG嵌入一个基于V槽的塑料（PPO）基板中，其顶部表面填充了胶体并经过固化处理。塑料基板的高热膨胀系数（CTE）能够提高FBG的热敏性。对称的V槽结构和成熟的固化工艺使得FBG具备较高的热灵敏度，达到12.3 GHz/℃，同时不引入光谱退化。随后，FBG和增益芯片均固定在一个氮化铝基板上，以确保其通过热电冷却器（TEC）实现良好的热导性，如图1所示。

外腔激光器（ECLs）通常比传统的DFB和DBR激光器具有更窄的线宽。在此设计中，FBG不仅被用于模式选择，更重要的是作为一种负光学反馈来实现窄线宽。因此，激光波长并未位于FBG光谱的最大反射点，而是稍微偏移到红边，如图2所示。这种设计显著减小了观察到的线宽。

在这一紧凑型ECL设计中，整个谐振腔由增益芯片和FBG组成。ECL的热漂移速率（DECL）依赖于有源增益腔体的热灵敏度（Da）以及FBG的热灵敏度（Dg），如公式1所示。和分别表示增益芯片与FBG的光学路径距离（OPD）比例。如果忽略空气间隙和端面透镜区域，这两部分的比例之和等于1。

基于半导体材料的有源增益腔体具有较高的热灵敏度（Da较大）；然而，由于外腔较长，其光学路径距离（OPD）比例较低。在此前采用硅波导光栅的紧凑型ECL设计中，硅材料占据了激光腔体的大部分（在紧凑型ECL设计中，），并且热灵敏度较低（Dg≈1GHz/℃）。因此，最终模式调谐速率（DECL）较小，约为1.5 GHz/℃。在本研究中，我们将无源腔体的热灵敏度增强至11 GHz/℃，接近于有源增益芯片腔体的灵敏度。这显著提高了最终随温度变化的模式调谐速率。

当腔模与光栅光谱之间的调谐速率差异（Ddiff）足够大时，便会发生模式跳变。这种差异可以用公式2表示。由于有源增益腔体的热灵敏度较高（接近13 GHz/℃），增加FBG的热灵敏度（Dg）也可以减少这种差异，从而优化系统性能。

正如调谐速率差异所表现的那样，腔模与光栅光谱之间的相对位置会随着温度的变化而改变。允许无模式跳变调谐的失配范围非常小，如图2中标记为B所示。随后，无模式跳变的温度调谐范围（Tfree）和波长调谐范围（Wfree）可以按照公式3和公式4来表达。

提高FBG的热灵敏度可以增加ECL的热调谐速率（DECL），降低调谐速率差异（Ddiff），并实现更大的无模式跳变调谐范围。在理想情况下，如果FBG的无源腔体具有与增益芯片有源腔体相同的热灵敏度（即Ddiff=0），换句话说，如果光栅光谱与腔模一起漂移，则模式跳变问题将得到解决。

然而，对于实际应用，还必须考虑热不敏感区域，包括增益芯片后的空气间隙以及从端面透镜到封装FBG之间未封装的光纤材料（长度约为1 mm）。此区域占据了总腔体光学路径距离（OPD）的一小部分（作为附加的OPD比例）。但不可避免地，这削弱了调谐范围，因为需要修改增益芯片和FBG的光学路径比例，分别为修正后的R`a和R`g。

表1列出了不同激光器设计的计算无模式跳变调谐范围（Wfree）和调谐速率（DECL）。普通FBG外腔激光器（ECLs）在没有任何热增强技术的情况下，其调谐范围仅为12.1 GHz。而基于热增强的FBG外腔激光器的调谐范围可以达到357 GHz。在考虑到热不敏感透镜间隙后，热增强外腔激光器的调谐范围减少至73.6 GHz。尽管热增强FBG外腔激光器的调谐范围和速率受透镜间隙的显著影响，但其调谐范围仍然是普通FBG外腔激光器的近六倍。

III.实验结果与分析

通过调节增益芯片的电流，将腔模移动到光栅光谱红边的位置（如图2中标记的B点），可以实现窄线宽输出。在优化的187 mA电流输入下，利用具有20 km延迟光纤的自外差方法测试了线宽。图3是一个放大的迹线，展示了14 MHz扫描范围内的光谱，其中信号的20 dB拍频宽度为700 kHz，对应的Lorentz 3 dB线宽为35 kHz。这远远窄于传统的DBR激光器（线宽通常在MHz范围内），并且与普通ECL设计相当。

热调谐光谱使用高分辨率（0.04 pm）的光谱分析仪（OSA，APEX 2041B）在温度步进0.2℃的条件下，从23℃增加到33.8℃进行测试（如图4所示）。光谱显示出平滑的红移，边模抑制比（SMSR）大于50 dB。通过11℃的温度变化实现了0.8 nm的波长调谐范围。模式跳变在30.4℃时发生一次，因此无模式跳变的调谐范围为0.5 nm（62.5 GHz），约为腔模间隔的五倍。由于温控系统的限制，未能采集到更高温度的数据。

图5显示了中心波长与温度之间的关系，中心波长随着温度线性漂移。在无模式跳变范围内，平均热调谐速率为65 pm/℃（8.125 GHz/℃），是普通FBG外腔激光器的六倍。所有测试的波长调谐范围（WECL）、调谐速率（DECL）和温度范围（Tfree）与表1中计算的结果相当，但由于透镜间隙区域长度控制不准确，可能导致了小幅性能偏差。

图6显示了峰值激光功率与温度之间的关系。在一个调谐周期内，峰值功率变化约为2.5 dB，这远小于其他外腔激光器设计中的变化（约10 dB）。

IV.讨论

如表1所示，如果进一步减少透镜间隙区域，热调谐性能可以提高到数百GHz。一个可能的方法是去除光纤端面的抛光透镜，并将FBG直接耦合到增益芯片上。然而，这需要在增益芯片上集成一个光斑尺寸转换结构，以保持适当的耦合效率。另一个可能的方法是使用硅波导布拉格光栅，该光栅具有较高的热灵敏度（12 GHz/K），并且可以直接耦合到增益芯片，而不是FBG。

线宽性能还取决于增益芯片和FBG之间的耦合效率（CE）。更高的耦合效率可以实现更窄的线宽。然而，目前测试的耦合效率仅为30%~40%，远低于设计值90%。这种差异是由于对准阶段的分辨率限制所致。通过使用更精确的对准平台进一步改进，有可能实现更窄的线宽。

V.结论

我们展示了一种紧凑型的热可调外腔激光器（ECL）设计，该设计结合了半导体增益芯片和具有热敏增强特性的FBG。实现了65 pm/℃（8.125 GHz/℃）的高热调谐速率，这约是先前ECL设计的六倍。连续无模式跳变调谐范围为0.5 nm，约为腔模间隔的五倍。热调谐具有线性且易于控制的特性，与DBR/DFB激光器相当。然而，作为外腔激光器的一个特点，其测试线宽为35 kHz，比DBR/DFB激光器（通常在MHz范围内）要窄得多。这种热调谐方法可以扩展以实现数百GHz的波长调谐范围，只需通过直接耦合且无需透镜。此外，通过更精确的对准平台，还可实现更窄的线宽。这些特性，包括紧凑尺寸、窄线宽和热可调性，使其在广泛的应用中具有潜力，例如相干通信和干涉光学传感。