單頻激光器教程

ECL、DFB,、VHG穩(wěn)定型,、DBR和混合型單頻激光器

很多應用要求激光系統(tǒng)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(qū)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(wěn)定的輸出波長,。通過合理的光學設計，外腔只能激發(fā)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(yōu)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(fā)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(fā)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(qū)域,，作用相當于布拉格反射器，選擇一種單縱模作為激發(fā)模式,。如果有源區(qū)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(qū)域,。

DFB的激發(fā)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(fā)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(xù)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(qū)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(wěn)定型激光器

體全息光柵(VHG)穩(wěn)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(wěn)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(fā)射波長極其穩(wěn)定的激光器,。VHG穩(wěn)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(xù)穿過整個有源區(qū)域(增益區(qū)域)，而DBR激光器的光柵結構在有源區(qū)域之外(如圖4),。一般而言,，DBR能夠集成多個區(qū)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(qū)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(yōu)勢,，即,，因為光柵不是持續(xù)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(jiān)測激光器環(huán)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(wěn)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(yè)最常見的單頻激光器之一,。由于連續(xù)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(wěn)定的波長,，功率一般也比DFB激光器高。高穩(wěn)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(yōu)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。