----翻譯自Li Zhang, Fang Wei等人的文章

摘要

我們提出了一種無模式跳變（mode-hop-free）的外腔激光器（ECL）設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)結(jié)合了半導(dǎo)體增益芯片和具有增強(qiáng)熱靈敏度的光纖布拉格光柵（FBG）。這種緊湊型ECL實(shí)現(xiàn)了35 kHz的窄線寬，以及65 pm/℃（8.125 GHz/℃）的高線性熱調(diào)諧速率，其熱調(diào)諧速率比常規(guī)FBG基外腔激光器提高了六倍。

I.引言

窄線寬外腔半導(dǎo)體激光器（ECLs）是許多領(lǐng)域中的關(guān)鍵組件，具有廣泛的應(yīng)用，例如用于相干光學(xué)頻譜分析儀、地面到衛(wèi)星的光學(xué)多普勒測(cè)距、合成孔徑成像激光雷達(dá)等。然而，這些應(yīng)用中的大多數(shù)對(duì)激光器的體積要求較高，這限制了許多高性能但體積大且復(fù)雜的光纖激光器以及某些類型ECLs的使用。目前已有幾種外腔激光器技術(shù)被開發(fā)出來，能夠?qū)崿F(xiàn)與光纖激光器相當(dāng)?shù)恼€寬（1-50 kHz）性能，同時(shí)具有更緊湊的尺寸和更低的相位噪聲。然而，在這些設(shè)計(jì)中，波長(zhǎng)調(diào)諧性能始終是一個(gè)限制因素。在本文中，我們提出了一種熱可調(diào)諧外腔激光器，該激光器結(jié)合了半導(dǎo)體增益芯片和具有增強(qiáng)熱敏性的光纖布拉格光柵（FBG）。我們的設(shè)計(jì)在保持緊湊尺寸的同時(shí)，既實(shí)現(xiàn)了窄線寬，又具備線性調(diào)諧波長(zhǎng)的能力。具體而言，該激光器實(shí)現(xiàn)了35 kHz的線寬和65 pm/℃（8.125 GHz/℃）的高線性熱調(diào)諧速率，其調(diào)諧速率是傳統(tǒng)基于FBG的外腔激光器的六倍。此外，我們測(cè)試了一種連續(xù)無模式跳變的調(diào)諧范圍達(dá)0.5 nm的設(shè)計(jì)，其范圍比腔模間隔大五倍。

II.設(shè)計(jì)原理

該外腔激光器由一個(gè)斜面鍍膜InP增益芯片（Thorlabs SAF1126C）和一個(gè)帶有拋光透鏡的單模光纖布拉格光柵（FBG）組成。增益芯片具有一個(gè)斜面和抗反射（AR）涂層，以確保其反射率極低（<0.01%）。FBG的峰值反射率為60%，3 dB帶寬為0.1 nm，光柵長(zhǎng)度為10 mm。

激光器的封裝方式與此前研究中報(bào)告的方法一致：FBG嵌入一個(gè)基于V槽的塑料（PPO）基板中，其頂部表面填充了膠體并經(jīng)過固化處理。塑料基板的高熱膨脹系數(shù)（CTE）能夠提高FBG的熱敏性。對(duì)稱的V槽結(jié)構(gòu)和成熟的固化工藝使得FBG具備較高的熱靈敏度，達(dá)到12.3 GHz/℃，同時(shí)不引入光譜退化。隨后，F(xiàn)BG和增益芯片均固定在一個(gè)氮化鋁基板上，以確保其通過熱電冷卻器（TEC）實(shí)現(xiàn)良好的熱導(dǎo)性，如圖1所示。

外腔激光器（ECLs）通常比傳統(tǒng)的DFB和DBR激光器具有更窄的線寬。在此設(shè)計(jì)中，F(xiàn)BG不僅被用于模式選擇，更重要的是作為一種負(fù)光學(xué)反饋來實(shí)現(xiàn)窄線寬。因此，激光波長(zhǎng)并未位于FBG光譜的最大反射點(diǎn)，而是稍微偏移到紅邊，如圖2所示。這種設(shè)計(jì)顯著減小了觀察到的線寬。

在這一緊湊型ECL設(shè)計(jì)中，整個(gè)諧振腔由增益芯片和FBG組成。ECL的熱漂移速率（DECL）依賴于有源增益腔體的熱靈敏度（Da）以及FBG的熱靈敏度（Dg），如公式1所示。和分別表示增益芯片與FBG的光學(xué)路徑距離（OPD）比例。如果忽略空氣間隙和端面透鏡區(qū)域，這兩部分的比例之和等于1。

基于半導(dǎo)體材料的有源增益腔體具有較高的熱靈敏度（Da較大）；然而，由于外腔較長(zhǎng)，其光學(xué)路徑距離（OPD）比例較低。在此前采用硅波導(dǎo)光柵的緊湊型ECL設(shè)計(jì)中，硅材料占據(jù)了激光腔體的大部分（在緊湊型ECL設(shè)計(jì)中，），并且熱靈敏度較低（Dg≈1GHz/℃）。因此，最終模式調(diào)諧速率（DECL）較小，約為1.5 GHz/℃。在本研究中，我們將無源腔體的熱靈敏度增強(qiáng)至11 GHz/℃，接近于有源增益芯片腔體的靈敏度。這顯著提高了最終隨溫度變化的模式調(diào)諧速率。

當(dāng)腔模與光柵光譜之間的調(diào)諧速率差異（Ddiff）足夠大時(shí)，便會(huì)發(fā)生模式跳變。這種差異可以用公式2表示。由于有源增益腔體的熱靈敏度較高（接近13 GHz/℃），增加FBG的熱靈敏度（Dg）也可以減少這種差異，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。

正如調(diào)諧速率差異所表現(xiàn)的那樣，腔模與光柵光譜之間的相對(duì)位置會(huì)隨著溫度的變化而改變。允許無模式跳變調(diào)諧的失配范圍非常小，如圖2中標(biāo)記為B所示。隨后，無模式跳變的溫度調(diào)諧范圍（Tfree）和波長(zhǎng)調(diào)諧范圍（Wfree）可以按照公式3和公式4來表達(dá)。

提高FBG的熱靈敏度可以增加ECL的熱調(diào)諧速率（DECL），降低調(diào)諧速率差異（Ddiff），并實(shí)現(xiàn)更大的無模式跳變調(diào)諧范圍。在理想情況下，如果FBG的無源腔體具有與增益芯片有源腔體相同的熱靈敏度（即Ddiff=0），換句話說，如果光柵光譜與腔模一起漂移，則模式跳變問題將得到解決。

然而，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，還必須考慮熱不敏感區(qū)域，包括增益芯片后的空氣間隙以及從端面透鏡到封裝FBG之間未封裝的光纖材料（長(zhǎng)度約為1 mm）。此區(qū)域占據(jù)了總腔體光學(xué)路徑距離（OPD）的一小部分（作為附加的OPD比例）。但不可避免地，這削弱了調(diào)諧范圍，因?yàn)樾枰薷脑鲆嫘酒虵BG的光學(xué)路徑比例，分別為修正后的R`a和R`g。

表1列出了不同激光器設(shè)計(jì)的計(jì)算無模式跳變調(diào)諧范圍（Wfree）和調(diào)諧速率（DECL）。普通FBG外腔激光器（ECLs）在沒有任何熱增強(qiáng)技術(shù)的情況下，其調(diào)諧范圍僅為12.1 GHz。而基于熱增強(qiáng)的FBG外腔激光器的調(diào)諧范圍可以達(dá)到357 GHz。在考慮到熱不敏感透鏡間隙后，熱增強(qiáng)外腔激光器的調(diào)諧范圍減少至73.6 GHz。盡管熱增強(qiáng)FBG外腔激光器的調(diào)諧范圍和速率受透鏡間隙的顯著影響，但其調(diào)諧范圍仍然是普通FBG外腔激光器的近六倍。

III.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過調(diào)節(jié)增益芯片的電流，將腔模移動(dòng)到光柵光譜紅邊的位置（如圖2中標(biāo)記的B點(diǎn)），可以實(shí)現(xiàn)窄線寬輸出。在優(yōu)化的187 mA電流輸入下，利用具有20 km延遲光纖的自外差方法測(cè)試了線寬。圖3是一個(gè)放大的跡線，展示了14 MHz掃描范圍內(nèi)的光譜，其中信號(hào)的20 dB拍頻寬度為700 kHz，對(duì)應(yīng)的Lorentz 3 dB線寬為35 kHz。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)窄于傳統(tǒng)的DBR激光器（線寬通常在MHz范圍內(nèi)），并且與普通ECL設(shè)計(jì)相當(dāng)。

熱調(diào)諧光譜使用高分辨率（0.04 pm）的光譜分析儀（OSA，APEX 2041B）在溫度步進(jìn)0.2℃的條件下，從23℃增加到33.8℃進(jìn)行測(cè)試（如圖4所示）。光譜顯示出平滑的紅移，邊模抑制比（SMSR）大于50 dB。通過11℃的溫度變化實(shí)現(xiàn)了0.8 nm的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。模式跳變?cè)?0.4℃時(shí)發(fā)生一次，因此無模式跳變的調(diào)諧范圍為0.5 nm（62.5 GHz），約為腔模間隔的五倍。由于溫控系統(tǒng)的限制，未能采集到更高溫度的數(shù)據(jù)。

圖5顯示了中心波長(zhǎng)與溫度之間的關(guān)系，中心波長(zhǎng)隨著溫度線性漂移。在無模式跳變范圍內(nèi)，平均熱調(diào)諧速率為65 pm/℃（8.125 GHz/℃），是普通FBG外腔激光器的六倍。所有測(cè)試的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍（WECL）、調(diào)諧速率（DECL）和溫度范圍（Tfree）與表1中計(jì)算的結(jié)果相當(dāng)，但由于透鏡間隙區(qū)域長(zhǎng)度控制不準(zhǔn)確，可能導(dǎo)致了小幅性能偏差。

圖6顯示了峰值激光功率與溫度之間的關(guān)系。在一個(gè)調(diào)諧周期內(nèi)，峰值功率變化約為2.5 dB，這遠(yuǎn)小于其他外腔激光器設(shè)計(jì)中的變化（約10 dB）。

IV.討論

如表1所示，如果進(jìn)一步減少透鏡間隙區(qū)域，熱調(diào)諧性能可以提高到數(shù)百GHz。一個(gè)可能的方法是去除光纖端面的拋光透鏡，并將FBG直接耦合到增益芯片上。然而，這需要在增益芯片上集成一個(gè)光斑尺寸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，以保持適當(dāng)?shù)鸟詈闲?。另一個(gè)可能的方法是使用硅波導(dǎo)布拉格光柵，該光柵具有較高的熱靈敏度（12 GHz/K），并且可以直接耦合到增益芯片，而不是FBG。

線寬性能還取決于增益芯片和FBG之間的耦合效率（CE）。更高的耦合效率可以實(shí)現(xiàn)更窄的線寬。然而，目前測(cè)試的耦合效率僅為30%~40%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值90%。這種差異是由于對(duì)準(zhǔn)階段的分辨率限制所致。通過使用更精確的對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)進(jìn)一步改進(jìn)，有可能實(shí)現(xiàn)更窄的線寬。

V.結(jié)論

我們展示了一種緊湊型的熱可調(diào)外腔激光器（ECL）設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)結(jié)合了半導(dǎo)體增益芯片和具有熱敏增強(qiáng)特性的FBG。實(shí)現(xiàn)了65 pm/℃（8.125 GHz/℃）的高熱調(diào)諧速率，這約是先前ECL設(shè)計(jì)的六倍。連續(xù)無模式跳變調(diào)諧范圍為0.5 nm，約為腔模間隔的五倍。熱調(diào)諧具有線性且易于控制的特性，與DBR/DFB激光器相當(dāng)。然而，作為外腔激光器的一個(gè)特點(diǎn)，其測(cè)試線寬為35 kHz，比DBR/DFB激光器（通常在MHz范圍內(nèi)）要窄得多。這種熱調(diào)諧方法可以擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)數(shù)百GHz的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，只需通過直接耦合且無需透鏡。此外，通過更精確的對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)，還可實(shí)現(xiàn)更窄的線寬。這些特性，包括緊湊尺寸、窄線寬和熱可調(diào)性，使其在廣泛的應(yīng)用中具有潛力，例如相干通信和干涉光學(xué)傳感。