----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）設計，該設計結合了半導體增益芯片和具有增強熱靈敏度的光纖布拉格光柵（FBG）。這種緊湊型ECL實現了35 kHz的窄線寬，以及65 pm/℃（8.125 GHz/℃）的高線性熱調諧速率，其熱調諧速率比常規FBG基外腔激光器提高了六倍。

I.引言

窄線寬外腔半導體激光器（ECLs）是許多領域中的關鍵組件，具有廣泛的應用，例如用于相干光學頻譜分析儀、地面到衛星的光學多普勒測距、合成孔徑成像激光雷達等。然而，這些應用中的大多數對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被開發出來，能夠實現與光纖激光器相當的窄線寬（1-50 kHz）性能，同時具有更緊湊的尺寸和更低的相位噪聲。然而，在這些設計中，波長調諧性能始終是一個限制因素。在本文中，我們提出了一種熱可調諧外腔激光器，該激光器結合了半導體增益芯片和具有增強熱敏性的光纖布拉格光柵（FBG）。我們的設計在保持緊湊尺寸的同時，既實現了窄線寬，又具備線性調諧波長的能力。具體而言，該激光器實現了35 kHz的線寬和65 pm/℃（8.125 GHz/℃）的高線性熱調諧速率，其調諧速率是傳統基于FBG的外腔激光器的六倍。此外，我們測試了一種連續無模式跳變的調諧范圍達0.5 nm的設計，其范圍比腔模間隔大五倍。

II.設計原理

該外腔激光器由一個斜面鍍膜InP增益芯片（Thorlabs SAF1126C）和一個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，光柵長度為10 mm。

激光器的封裝方式與此前研究中報告的方法一致：FBG嵌入一個基于V槽的塑料（PPO）基板中，其頂部表面填充了膠體并經過固化處理。塑料基板的高熱膨脹系數（CTE）能夠提高FBG的熱敏性。對稱的V槽結構和成熟的固化工藝使得FBG具備較高的熱靈敏度，達到12.3 GHz/℃，同時不引入光譜退化。隨后，FBG和增益芯片均固定在一個氮化鋁基板上，以確保其通過熱電冷卻器（TEC）實現良好的熱導性，如圖1所示。

外腔激光器（ECLs）通常比傳統的DFB和DBR激光器具有更窄的線寬。在此設計中，FBG不僅被用于模式選擇，更重要的是作為一種負光學反饋來實現窄線寬。因此，激光波長并未位于FBG光譜的最大反射點，而是稍微偏移到紅邊，如圖2所示。這種設計顯著減小了觀察到的線寬。

在這一緊湊型ECL設計中，整個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的光學路徑距離（OPD）比例。如果忽略空氣間隙和端面透鏡區域，這兩部分的比例之和等于1。

基于半導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，其光學路徑距離（OPD）比例較低。在此前采用硅波導光柵的緊湊型ECL設計中，硅材料占據了激光腔體的大部分（在緊湊型ECL設計中，），并且熱靈敏度較低（Dg≈1GHz/℃）。因此，最終模式調諧速率（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諧速率。

當腔模與光柵光譜之間的調諧速率差異（Ddiff）足夠大時，便會發生模式跳變。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，從而優化系統性能。

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

提高FBG的熱靈敏度可以增加ECL的熱調諧速率（DECL），降低調諧速率差異（Ddiff），并實現更大的無模式跳變調諧范圍。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，對于實際應用，還必須考慮熱不敏感區域，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（長度約為1 mm）。此區域占據了總腔體光學路徑距離（OPD）的一小部分（作為附加的OPD比例）。但不可避免地，這削弱了調諧范圍，因為需要修改增益芯片和FBG的光學路徑比例，分別為修正后的R`a和R`g。

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

III.實驗結果與分析

通過調節增益芯片的電流，將腔模移動到光柵光譜紅邊的位置（如圖2中標記的B點），可以實現窄線寬輸出。在優化的187 mA電流輸入下，利用具有20 km延遲光纖的自外差方法測試了線寬。圖3是一個放大的跡線，展示了14 MHz掃描范圍內的光譜，其中信號的20 dB拍頻寬度為700 kHz，對應的Lorentz 3 dB線寬為35 kHz。這遠遠窄于傳統的DBR激光器（線寬通常在MHz范圍內），并且與普通ECL設計相當。

熱調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0.2℃的條件下，從23℃增加到33.8℃進行測試（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℃的溫度變化實現了0.8 nm的波長調諧范圍。模式跳變在30.4℃時發生一次，因此無模式跳變的調諧范圍為0.5 nm（62.5 GHz），約為腔模間隔的五倍。由于溫控系統的限制，未能采集到更高溫度的數據。

圖5顯示了中心波長與溫度之間的關系，中心波長隨著溫度線性漂移。在無模式跳變范圍內，平均熱調諧速率為65 pm/℃（8.125 GHz/℃），是普通FBG外腔激光器的六倍。所有測試的波長調諧范圍（WECL）、調諧速率（DECL）和溫度范圍（Tfree）與表1中計算的結果相當，但由于透鏡間隙區域長度控制不準確，可能導致了小幅性能偏差。

圖6顯示了峰值激光功率與溫度之間的關系。在一個調諧周期內，峰值功率變化約為2.5 dB，這遠小于其他外腔激光器設計中的變化（約10 dB）。

IV.討論

如表1所示，如果進一步減少透鏡間隙區域，熱調諧性能可以提高到數百GHz。一個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光斑尺寸轉換結構，以保持適當的耦合效率。另一個可能的方法是使用硅波導布拉格光柵，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現更窄的線寬。然而，目前測試的耦合效率僅為30%~40%，遠低于設計值90%。這種差異是由于對準階段的分辨率限制所致。通過使用更精確的對準平臺進一步改進，有可能實現更窄的線寬。

V.結論

我們展示了一種緊湊型的熱可調外腔激光器（ECL）設計，該設計結合了半導體增益芯片和具有熱敏增強特性的FBG。實現了65 pm/℃（8.125 GHz/℃）的高熱調諧速率，這約是先前ECL設計的六倍。連續無模式跳變調諧范圍為0.5 nm，約為腔模間隔的五倍。熱調諧具有線性且易于控制的特性，與DBR/DFB激光器相當。然而，作為外腔激光器的一個特點，其測試線寬為35 kHz，比DBR/DFB激光器（通常在MHz范圍內）要窄得多。這種熱調諧方法可以擴展以實現數百GHz的波長調諧范圍，只需通過直接耦合且無需透鏡。此外，通過更精確的對準平臺，還可實現更窄的線寬。這些特性，包括緊湊尺寸、窄線寬和熱可調性，使其在廣泛的應用中具有潛力，例如相干通信和干涉光學傳感。