用于光纤传感的低噪声PLC外腔窄线宽激光器

----翻译自Mazin Alalusi等人的文章

摘要

高性价比的 1550 nm DWDM平面外腔 （PLANEX） 激光器是干涉测量、布里渊、LIDAR 和其他光传感应用的最佳选择。其线宽<3kHz、低相位/频率噪声和极低的RIN。

简介

高性能光纤分布式传感技术是在过去几年中开发的，但直到现在才进入大规模部署阶段。与军事、安全或石油和天然气的早期应用相比，新应用对成本更敏感。高性能、高可靠且低成本的光源是光纤传感的重要推动因素。

外腔激光器 ECL是一种紧凑而坚固的解决方案，适用于各种光纤传感应用。与 DFB 激光器二极管相比，它具有更低的线宽和相位噪声，对温度和电流变化的不敏感。与光纤激光器相比，ECL 具有成本更低、外形小、高可靠性和环境稳定性以及宽频调谐等特点。基于布拉格光栅的混合 ECL 已经被研究并与其他低噪激光器进行了比较 [1]。

窄线宽、低频率噪声、低 RIN的 1550 nm DWDM 平面外腔激光器 （PLANEX） 基于硅基二氧化硅平面光波电路 （PLC） 波导布拉格光栅。这种腔体结构具有低相位噪声和窄线宽，可在各种环境条件下与长腔光纤激光器相媲美。PLANEX 激光器具有高可靠性，适用于干涉测量、布里渊光纤传感、相干多普勒 LIDAR 和微波光子学应用。激光器可用于多种产品平台，允许即插即用。

PLANEX 激光器设计

PLANEX 激光器如图 1 所示。该腔体是通过将 InP 增益芯片GainChip 的抗反低增透AR涂层与 PLC 上的波导布拉格光栅之间的光耦合而构成的。

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PLANEX 激光器封装在热电致冷器 TEC 顶部上并封装在标准 14 引脚蝶形封装中，设计确保在-10ºC 至 75ºC 的宽外壳温度范围内运行，光输出还包括隔离器和标准或保偏单模光纤。PLANEX 激光器采用经过验证类半导体激光器的的方法设计和组装。ORION 驱动模块包括了低噪声偏置电流源、TEC 控制器和标准数字接口等及部分，可实现简单的设置、控制和集成。高功率 RIO GRANDE 模块包括一个 PLANEX 激光器和一个低噪声 EDFA，在不降低相干和噪声特性情况下，可提供高达 2W 的输出功率。

性能

通过优化 GC、PLC 布拉格光栅光谱设计以及 GC 和 PLC 波导之间的耦合，确保低腔内损耗，从而优化激光腔降低相位噪声。激光器噪声性能与与最好的半导体 DFB 和光纤激光器对比如图 2 所示。

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使用 50 km 光纤的自延迟外差方法测量FWHM 洛伦兹线宽大约2 kHz 。频率为 1 kHz 时，RIN <为-145dB/Hz>，散粒噪声限制为 >500 kHz。不存在光纤激光器典型的 RIN 峰值，更适合声学和地震传感干涉测量。与基于 FBG 的激光器（ECL 和光纤激光器）相比，PLANEX 腔坚固耐用且本质稳定，激光器的可靠性已通过 Telcordia 认证，集成模块设计用于在恶劣的环境条件和振动下运行。

PLANEX 激光器应用

PLANEX 激光器经过测试并应用于各种分布式光纤和自由空间光纤传感系统，包括干涉测量、布里渊温度/应力测试和相干多普勒激光雷达。相位噪声足以满足大多数干涉光纤传感应用的需求，包括 TDM/DWDM 和相干瑞利。低 RIN 通过避免从高频 RIN 到声频率范围的噪声混叠来提供额外的有效相位噪声降低 [2]。成本效益高、外形小巧、环境稳定性和可靠性高，使其成为复杂声学/地震传感系统的最佳光源，包括用于石油和天然气海上和下井传感系统的多通道系统，以及其他动态传感，包括水听器、周界和管道入侵检测、基础设施结构健康监测。

基于光学锁相环（OPLL） 的 布里渊BOTDA/R 是一种很有前景的长距离和高分辨率分布式温度和应力系统（DTSS） 技术。以前开发 OPLL 的尝试受到激光性能的限制。半导体 DFB 受到波长的低相干性和对电流和腔体温度偏差的高灵敏度的限制。光纤激光器参数的环境敏感性也限制了 OPLL 的性能和长期稳定性。

PLANEX 激光器特别适用于高性价比、可商业生产和现场部署的 OPLL 系统解决方案。我们开发了封装的 OPLL，包含两个 PLANEX 激光器、高频光电探测器和 PLL 电路。OPLL 性能足以满足分布式传感要求，具有以下特性：

两个光输出之间的可调波长偏移高达 15 GHz

调谐范围高达 5 GHz

连续调谐范围高达 1 GHz

调谐步长从 100 kHz 到 10 MHz。

步进调谐速度 0.2-0.5 毫秒

锁定激光器的线宽< 1 kHz

长期拍频稳定性优于 10 kHz。

相干多普勒激光雷达是针对各种应用（包括风能涡轮机计量）的快速发展技术。PLANEX 激光器在广泛的恶劣环境条件（包括冲击和振动）下具有频率稳定性，因此在风电激光雷达中表现出最佳的性价比。PLANEX 和 ORION 模块的低功耗和小尺寸使其成为 MOPA 的理想种子激光器。

结论

PLANEX 激光器结合了光纤/固态激光器的高性能以及半导体激光器的小尺寸高稳定性、高可靠性和成本效益的优点。该激光器已在各种光纤传感干涉测量、应用、包括温度/应变传感在内的布里渊应用和相干多普勒激光雷达中得到验证。基于 PLANEX 的 OPLL 表现出高性能和长期稳定性，并且可以集成到紧凑的封装中。OPLL 作为子系统产品，可以方便地开发和适应新一代光纤传感技术，如布里渊分布式传感、相干多普勒传感和射频光子学。

参考文献

[1] . Mazin Alalusi et al. “Low noise planar external cavity laser for interferometric fiber optic sensors”. Proc. of SPIE Vol. 7316, 73160X (2009)

[2]. C. K. Kirkendall et al, “Sensitivity Limitations Due to Aliased High Frequency Phase Noise in High Channel-Count TDM Interferometric Arrays”, 11th OFS Conference, Japan Soc. App. Phys., p. 678 (1996)

注：本文由天津见合八方光电科技有限公司挑选并翻译，旨在推广和分享相关半导体光放大器SOA基础知识，助力SOA技术的发展和应用。特此告知，本文系经过人工翻译而成，虽本公司尽最大努力保证翻译准确性，但不排除存在误差、遗漏或语义解读导致的不完全准确性，建议读者阅读原文或对照阅读，也欢迎指出错误，共同进步。见合八方提供全系列RSOA，与平面波导光栅（PBG）一起，可以构建平面波导外腔激光器（PLANAR ECL)。

审核编辑 黄宇