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2020-04

Connet 产品小讲堂第十期——窄线宽单频半导体激光器-RIO篇

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窄线宽单频半导体激光器-RIO篇 

1.前言

      为了能够清晰展示单频光纤激光器和单频半导体激光器的技术特点和优缺点,上海2019白菜网站大全推出单频半导体激光器技术和产品简介的系列文章,对市场上主流的单频半导体激光器的技术路线,关键技术指标进行详细分析。三篇文章分别对RIO公司,OEwaves公司以及TeraXion公司的窄线宽单频半导体激光器进行了详细解读。


2.美国RIO公司

    美国RIO公司的全称为Redfern Integrated Optics Inc.致力于外腔(ECL)单频半导体激光器的技术和产品开发,其PLANEX商标的窄线宽单频半导体激光器凭借低相位噪声,窄线宽,出色的稳定性和可靠性在单频激光器市场上享有盛誉。其中PLANEX是光纤耦合蝶形封装的激光器,配合低噪声驱动的ORION是即插即用的单频半导体激光器模块。

 

3.RIO公司PLANEX单频半导体技术

       PLANEX单频半导体激光器是一个独特的集成硅光子平台,基于磷化铟(InP)Fabry-Perot(FP)增益芯片和硅基平面光波导(PLC)上制作的专有布拉格光栅的混合集成,形成了非常稳定和高性能的激光器腔,显然这是一种外腔激光器(ECL),众所周知,外腔技术在单频半导体激光器上被广泛采用,通过外腔的设计,增加半导体激光器的谐振腔长度,专有设计的在平面光波导上制作的布拉格光栅对FP增益芯片发出的多纵模激光形成一定程度的若反射,反射光注入到FP增益芯片的激光器谐振腔中,干扰震荡的纵模模式,在满足一定相位匹配的条件下,实现了稳定的窄线宽输出,布拉格光栅的反射带宽决定了PLANEX激光器的输出光谱宽度。


      采用光栅,包括光纤光栅(FBG),体光栅(VBG)作为半导体激光器的外腔,通过注入锁定的方式实现线宽压窄,降低半导体激光器的相位噪声,最终实现窄线宽单频输出是单频半导体激光器的常用技术手段。RIO的PLANEX外腔单频半导体激光器的突出特点在于混合集成,平面光波导(PLC)上制作了特殊的光栅,从示意图上看,FP增益芯片和平面光波导都在硅基的衬板上,实现了一体化集成,整个外腔型半导体激光器配集成封装在标准的14PIN蝶形封装内。和光纤光栅外腔半导体激光器相比,大幅度降低了光纤光栅(FBG)对温度,震动的敏感性,实现了非常稳定的单频窄线宽激光输出。

 

                                        RIO公司ORION单频半导体激光器模

        RIO公司的ORION单频半导体激光器模块近年来有不小的进步,这是一款基于PLANEX蝶形封装单频半导体激光器,配合低噪声驱动电路的模块,封装尺寸小巧,仅为112x57x12.7mm, 标准产品采用保偏光纤输出,输出功率介于10mW到20mW之间,带有窄键位的FC/APC标准连接器。ORION是一款低相位噪声,窄线宽,低相对强度噪声的单频半导体激光器。


4. ORION单频半导体激光器的关键技术指标

1. 线宽

    RIO公司采用自外差非平衡M-Z干涉仪来测试ORION单频半导体激光器的线宽,延时光纤长度为50km,意味着线宽测试分辨率大约为2.5kHz左右。为了能够避免驱动电源的干扰,RIO采用了电池驱动ORION激光器,同时对整个测试系统进行了隔振,隔热处理。

      测试结果表面,ORION单频半导体激光器的线宽主要由低频段的1/f噪声和高频段的白噪声决定,低频段拍频谱线型接近高斯型(Gaussian shape),高频段展宽成洛伦兹型(Lorentzian shape),典型测试值为:

      ORION单频半导体激光器的线宽从<15kHz到<1kHz可选,RIO公司的产品技术指标表明,线宽是洛伦兹线型的计算结果。

2. 相对强度噪声(RIN)

      ORION单频半导体激光器的相对强度噪声(RIN)非常出色,RIO公司的典型测试结果显示,其相对强度噪声在小于1kHz的低频部分主要受1/f噪声影响。

      超过2kHz以后,相对强度噪声低于-140dB/Hz甚至-150dB/Hz的水平。根据RIO公司的估计,ORION单频半导体激光器的驰豫振荡峰值频率可能高达8GHz,从kHz低频段一直到GHz高频段都有比单频光纤激光器更低的RIN。其中,一个有趣的现象是,随着驱动电流的加大,ORION的相对强度噪声整体水平呈下降趋势,但是超过1kHz时会收敛,RIO公司认为目前的测试系统无法解释这样的收敛。我个人认为,这是半导体激光器的特性所致。

3. 相位噪声和频率噪声

      ORION单频半导体激光器的相位噪声和频率噪声测试基于非等臂的迈克尔逊干涉仪(MI)配合法拉第旋转镜,利用Optiphase公司的OPD-4000相位解调仪分析处理相位波动偏差信号,激光器和探测器等都采用电池驱动,测试系统进行隔振隔热隔声处理,目的是实现高灵敏度的测量。其测试结果进行了1m延迟光纤(OPD)归一化处理。

      RIO公司早期的测试相位噪声测试结果显示,PLANEX单频半导体激光器的相位噪声远远优于普通的DFB半导体激光器,比单频光纤激光器要差。这符合常识,单频光纤激光器因为谐振腔长度远远大于单频半导体激光器,能够实现获得更低的相位噪声和频率噪声,频谱的线宽也会更窄。


5. 对比性测试

      在上海2019白菜网站大全的实验室,我们曾经对RIO公司ORION单频半导体激光器模块进行了比照性的测试,希望能够对比衡量单频半导体激光器和单频光纤激光器的区别。

      我们测试的是最高性能的ORION单频半导体激光器,根据RIO提供的技术指标,其相位噪声为2urad/rt-Hz@1m OPD,频谱线宽<1kHz (Lorentian).上海2019白菜网站大全的测试结果如下:

1.相位噪声

 

                                    ORION(<1kHz)激光器的相位噪声

      需要说明的是,我们测得的相位噪声结果为大约40urad/rt-Hz@1m OPD,这展现了不同测试设备和不同测试条件下所的结果差异,此外,上海2019白菜网站大全没有采用类似于RIO公司一样的相对苛刻的测试条件,用普通的供电电源驱动,这也是实测值较高的重要原因。尽管如此,这确实一款低相位噪声的单频半导体激光器。

2.线宽

 

      受限于测试设备的分辨率和测试条件,我们测得的线宽略高于1kHz,相信该激光器的实际线宽和RIO公司的指标比较接近。

3.相对强度噪声(RIN)

      受限于测试仪器的工作带宽,我们无法展示ORION单频半导体激光器的驰豫振荡峰,而该激光器的驰豫振荡峰值频率至少在2GHz以上,甚至达到8GHz,显示了其极其紧凑的谐振腔设计。测试结果显示,该激光器的相对强度噪声从kHz一直到40MHz都低于-150dBc/Hz。展示了单频半导体激光器在相对强度噪声方面的优秀性能表现。  


6. 总结

    1.RIO公司的单频半导体激光器采用了外腔(ECL)技术,通过平面光波导(PLC)上制作的复杂的光栅实现外腔注入,影响F-P激光器的谐振腔震荡模式,选取单纵模输出。
    2.和上海2019白菜网站大全的CoSF-D以及CoSF-R单频光纤激光器相比,单频半导体激光器的相对强度噪声(RIN)表现优秀,相位噪声和频率噪声较差。
    3.CoSF-D单频光纤激光器通过上海2019白菜网站大全特有的相对强度噪声(RIN)抑制技术可以实现几乎同等的强度噪声水平,具有更低的相位噪声和频率噪声。
    4.对于单频激光器而言,谐振腔的长度和谐振模式的相位匹配条件控制是决定相频噪声和整体噪声水平的本质决定因素。单频光纤激光器本身固有的长腔长特点意味着更低的相位噪声和频率噪声,但同时面临着抗环境干扰性能方面的挑战。