單頻激光器教程

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ECL、DFB、VHG穩定型、DBR和混合型單頻激光器

很多應用要求激光系統可調諧單頻工作。在二極管激光器的世界里，目前主要有四種配置可以獲得單頻輸出：外腔式(ECL)、分布反饋式(DBR)、體全息光柵(VHG)和分布式布拉格反射器(DFB)。這四種配置都通過光柵反饋提供單頻輸出，而光纖布拉格光柵(FBG)和外腔激光器的組合能形成混合型激光器。不過，每種激光器使用的光柵反饋配置不同，這也影響性能特征，比如輸出功率、調諧范圍和邊模抑制比(SMSR)。下面我們將討論這幾種單頻二極管激光器的主要區別。

外腔激光器 
外腔激光器(ECL)是一種兼容大多數標準自由空間二極管激光器的多功能配置。這意味著ECL可根據內部激光二極管增益介質用于多種波長。透鏡準直二極管的輸出，然后入射到光柵上(見圖1)。光柵提供光學反饋，用于選擇穩定的輸出波長。通過合理的光學設計，外腔只能激發一個單縱模，從而得到具有高邊模抑制比(SMSR > 45 dB)的單頻激光輸出。

ECL的主要優勢之一是使用較長的腔提供極窄線寬(< 1 MHz)。此外，因為可以集成多種激光器二極管，它仍然是能夠在藍光或者紅光波長提供窄線寬發射的極少數配置之一。ECL可以提供很寬的調諧范圍(>100 nm)，但是容易發生跳模，這與其機械設計以及激光二極管的增透(AR)膜質量極其相關。 

圖1：ECL激光器的增益芯片外有一個光柵

分布反饋式激光器 
分布反饋式(DFB)激光器(提供NIR和MIR選項)的光柵集成在激光二極管結構內部(見圖2)。這種波紋周期結構緊臨有源區域，作用相當于布拉格反射器，選擇一種單縱模作為激發模式。如果有源區域在布拉格頻率附近的增益足夠大，則不需要端面反射鏡，所有的光學反饋和模式選擇只靠布拉格反射器。由于這種“內置"選擇，DFB可以在較寬溫度和電流范圍內提供單頻工作。為了輔助模式選擇和改善制造成品率，DFB激光器的二極管結構中常有相位變化區域。

DFB的激發波長約等于布拉格波長：

圖2：DFB激光器在整個有源增益介質上有一個布拉格反射器

其中λ是波長、neff是有效折射率、Λ是光柵周期。通過改變有效折射率能調諧激發波長。這通過調諧DFB激光器的溫度和電流來完成。

DFB調諧范圍較窄，在850 nm時大約2 nm，在1550 nm時大約4 nm，在中紅外(4.00 -
11.00 µm)波段時大于1 cm-1。但是在調諧范圍內DFB都能夠單頻工作，說明這是無跳模的連續調諧。由于這個特性，DFB已經成為通信和傳感等實際應用中一種常見的主流選擇。因為DFB腔長很短，線寬一般在1 MHz到10 MHz之間。另外，由于光柵結構和有源區域緊密耦合，所以最大輸出功率比ECL和DBR激光器更低。

體全息光柵穩定型激光器

體全息光柵(VHG)穩定型激光器也使用布拉格反射器，但是在激光二極管輸出端的前面有一個透射光柵(見圖3)。因為此光柵不屬于激光二極管結構的一部分，因此和激光二極管熱隔離，從而改善了器件的波長穩定性。光柵一般是一片光折變材料(通常是玻璃)，其折射率呈周期變化。只有滿足布拉格條件的光波長才能反射回激光腔內，這樣可以得到一個發射波長極其穩定的激光器。VHG穩定型激光器可以產生的輸出功率比DFB激光器更高，但是線寬差不多，可以在較寬的電流和溫度范圍內鎖定波長。

圖3：VHG激光器在有源增益介質外有一個體全息光柵

分布式布拉格反射激光器 
類似于DFB，
分布式布拉格反射(DBR)激光器內部集成了一個光柵結構。不同的是，DFB激光器的光柵結構持續穿過整個有源區域(增益區域)，而DBR激光器的光柵結構在有源區域之外(如圖4)。一般而言，DBR能夠集成多個區域，這是DFB通常所沒有的，前者從而得到更好的控制力和更大的調諧范圍。比如，多電極DBR激光器可以包含一個控制相位的區域，用戶可以獨立于光柵周期和激光二極管電流來調諧相位。一起使用時，DBR能在寬調諧范圍內提供單頻工作。比如高/端采樣光柵DBR激光器的調諧范圍可達30-40 nm。不同于DFB的是，DBR的輸出并不是無跳模的；因此要仔細控制所有輸入并維持溫度。

與多電極DBR的復雜結構相比，DBR還有單電極簡化版。這種結構沒有復雜的光柵和相位控制，不過犧牲了調諧范圍。對于這種結構類型，調諧范圍和DFB激光器類似，但有電流和溫度引起的跳模。盡管有跳模的缺點，單電極DBR在一些方面比DFB有優勢，即，因為光柵不是持續穿過整個器件長度，所以具有更高的輸出功率。DBR和DFB具有相似的激光線寬。目前，Thorlabs僅提供單電極DBR激光器。

圖4：DBR激光器的布拉格反射器在有源增益介質的外面

混合型激光器 
Thorlabs超低噪聲(ULN)混合型激光器使用的是與超長光纖布拉格光柵(FBG)耦合的單角面(SAF)增益芯片。它們通過整根光纖長度，構建和ECL類似的激光腔。這種腔體設計能使ULN混合型激光器產生100 Hz量級的極窄線寬，以及-165 dBc/Hz(典型值)的較低的相對強度噪聲。FBG反射來自增益介質的一部分光，同時又與其保持熱隔離。光柵周期可以通過向光纖引入熱應力來改變，所以用戶可以通過溫度調諧激光輸出，同時并不影響增益介質的溫度。由于激光器的配置可提供出色的低噪聲性能，因此在低噪聲水平時，激光器可能不會成為限制因素。監測激光器環境以限制外部噪聲的影響(如聲振動和地面振動)，以及使用低噪聲電流源驅動激光器，這兩點至關重要。

圖5：Thorlabs混合型激光器有一個與有源增益介質耦合的光纖布拉格光柵

結論 
ECL、DFB、VHG、DBR和混合型激光二極管都在各自的設計調諧范圍提供單頻工作。ECL由于自身設計，相比DFB或DBR的波長選擇范圍更大。盡管容易跳模，但它線寬窄(< 1 MHz)。在合理設計的儀器中，ECL能提供很寬的調諧范圍(>100 nm)。

DFB激光器是最/穩定的單頻可調諧激光器。它能在整個調諧范圍(< 5 nm)提供無跳模性能，使之成為大部分行業最常見的單頻激光器之一。由于連續光柵反饋結構的固有屬性，它的輸出功率最/低。

VHG激光器在一定溫度和電流范圍內提供最/穩定的波長，功率一般也比DFB激光器高。高穩定性使之成為OEM應用的極/佳選擇。

單電極DBR激光器與DFB有類似的線寬和調諧范圍(< 5 nm)，但是單電極DBR在調諧曲線上會產生周期性跳模。

混合型激光器可用于實現極低噪聲信號。為了利用此優勢，必須隔離激光器與有害的噪聲源，例如，聲振動、地面振動以及驅動電流噪聲。