单频激光器教程

单频激光器教程

ECL、DFB、VHG稳定型、DBR和混合型单频激光器

很多应用要求激光系统可调谐单频工作。在二极管激光器的世界里，目前主要有四种配置可以获得单频输出：外腔式(ECL)、分布反馈式(DBR)、体全息光栅(VHG)和分布式布拉格反射器(DFB)。这四种配置都通过光栅反馈提供单频输出，而光纤布拉格光栅(FBG)和外腔激光器的组合能形成混合型激光器。不过，每种激光器使用的光栅反馈配置不同，这也影响性能特征，比如输出功率、调谐范围和边模抑制比(SMSR)。下面我们将讨论这几种单频二极管激光器的主要区别。

外腔激光器 
外腔激光器(ECL)是一种兼容大多数标准自由空间二极管激光器的多功能配置。这意味着ECL可根据内部激光二极管增益介质用于多种波长。透镜准直二极管的输出，然后入射到光栅上(见图1)。光栅提供光学反馈，用于选择稳定的输出波长。通过合理的光学设计，外腔只能激发一个单纵模，从而得到具有高边模抑制比(SMSR > 45 dB)的单频激光输出。

ECL的主要优势之一是使用较长的腔提供极窄线宽(< 1 MHz)。此外，因为可以集成多种激光器二极管，它仍然是能够在蓝光或者红光波长提供窄线宽发射的极少数配置之一。ECL可以提供很宽的调谐范围(>100 nm)，但是容易发生跳模，这与其机械设计以及激光二极管的增透(AR)膜质量极其相关。 

图1：ECL激光器的增益芯片外有一个光栅

分布反馈式激光器 
分布反馈式(DFB)激光器(提供NIR和MIR选项)的光栅集成在激光二极管结构内部(见图2)。这种波纹周期结构紧临有源区域，作用相当于布拉格反射器，选择一种单纵模作为激发模式。如果有源区域在布拉格频率附近的增益足够大，则不需要端面反射镜，所有的光学反馈和模式选择只靠布拉格反射器。由于这种“内置"选择，DFB可以在较宽温度和电流范围内提供单频工作。为了辅助模式选择和改善制造成品率，DFB激光器的二极管结构中常有相位变化区域。

DFB的激发波长约等于布拉格波长：

图2：DFB激光器在整个有源增益介质上有一个布拉格反射器

其中λ是波长、neff是有效折射率、Λ是光栅周期。通过改变有效折射率能调谐激发波长。这通过调谐DFB激光器的温度和电流来完成。

DFB调谐范围较窄，在850 nm时大约2 nm，在1550 nm时大约4 nm，在中红外(4.00 -
11.00 µm)波段时大于1 cm-1。但是在调谐范围内DFB都能够单频工作，说明这是无跳模的连续调谐。由于这个特性，DFB已经成为通信和传感等实际应用中一种常见的主流选择。因为DFB腔长很短，线宽一般在1 MHz到10 MHz之间。另外，由于光栅结构和有源区域紧密耦合，所以最大输出功率比ECL和DBR激光器更低。

体全息光栅稳定型激光器

体全息光栅(VHG)稳定型激光器也使用布拉格反射器，但是在激光二极管输出端的前面有一个透射光栅(见图3)。因为此光栅不属于激光二极管结构的一部分，因此和激光二极管热隔离，从而改善了器件的波长稳定性。光栅一般是一片光折变材料(通常是玻璃)，其折射率呈周期变化。只有满足布拉格条件的光波长才能反射回激光腔内，这样可以得到一个发射波长极其稳定的激光器。VHG稳定型激光器可以产生的输出功率比DFB激光器更高，但是线宽差不多，可以在较宽的电流和温度范围内锁定波长。

图3：VHG激光器在有源增益介质外有一个体全息光栅

分布式布拉格反射激光器 
类似于DFB，
分布式布拉格反射(DBR)激光器内部集成了一个光栅结构。不同的是，DFB激光器的光栅结构持续穿过整个有源区域(增益区域)，而DBR激光器的光栅结构在有源区域之外(如图4)。一般而言，DBR能够集成多个区域，这是DFB通常所没有的，前者从而得到更好的控制力和更大的调谐范围。比如，多电极DBR激光器可以包含一个控制相位的区域，用户可以独立于光栅周期和激光二极管电流来调谐相位。一起使用时，DBR能在宽调谐范围内提供单频工作。比如高/端采样光栅DBR激光器的调谐范围可达30-40 nm。不同于DFB的是，DBR的输出并不是无跳模的；因此要仔细控制所有输入并维持温度。

与多电极DBR的复杂结构相比，DBR还有单电极简化版。这种结构没有复杂的光栅和相位控制，不过牺牲了调谐范围。对于这种结构类型，调谐范围和DFB激光器类似，但有电流和温度引起的跳模。尽管有跳模的缺点，单电极DBR在一些方面比DFB有优势，即，因为光栅不是持续穿过整个器件长度，所以具有更高的输出功率。DBR和DFB具有相似的激光线宽。目前，Thorlabs仅提供单电极DBR激光器。

图4：DBR激光器的布拉格反射器在有源增益介质的外面

混合型激光器 
Thorlabs超低噪声(ULN)混合型激光器使用的是与超长光纤布拉格光栅(FBG)耦合的单角面(SAF)增益芯片。它们通过整根光纤长度，构建和ECL类似的激光腔。这种腔体设计能使ULN混合型激光器产生100 Hz量级的极窄线宽，以及-165 dBc/Hz(典型值)的较低的相对强度噪声。FBG反射来自增益介质的一部分光，同时又与其保持热隔离。光栅周期可以通过向光纤引入热应力来改变，所以用户可以通过温度调谐激光输出，同时并不影响增益介质的温度。由于激光器的配置可提供出色的低噪声性能，因此在低噪声水平时，激光器可能不会成为限制因素。监测激光器环境以限制外部噪声的影响(如声振动和地面振动)，以及使用低噪声电流源驱动激光器，这两点至关重要。

图5：Thorlabs混合型激光器有一个与有源增益介质耦合的光纤布拉格光栅

结论 
ECL、DFB、VHG、DBR和混合型激光二极管都在各自的设计调谐范围提供单频工作。ECL由于自身设计，相比DFB或DBR的波长选择范围更大。尽管容易跳模，但它线宽窄(< 1 MHz)。在合理设计的仪器中，ECL能提供很宽的调谐范围(>100 nm)。

DFB激光器是最/稳定的单频可调谐激光器。它能在整个调谐范围(< 5 nm)提供无跳模性能，使之成为大部分行业最常见的单频激光器之一。由于连续光栅反馈结构的固有属性，它的输出功率最/低。

VHG激光器在一定温度和电流范围内提供最/稳定的波长，功率一般也比DFB激光器高。高稳定性使之成为OEM应用的极/佳选择。

单电极DBR激光器与DFB有类似的线宽和调谐范围(< 5 nm)，但是单电极DBR在调谐曲线上会产生周期性跳模。

混合型激光器可用于实现极低噪声信号。为了利用此优势，必须隔离激光器与有害的噪声源，例如，声振动、地面振动以及驱动电流噪声。