----翻譯自Kenji Numata等人的文章
摘要
1542 nm平面波導外腔激光器PW-ECL具有足夠低的噪聲非常適合精密測量應用。與?0.1mHz至100kHz 之間，其頻率和強度噪聲與非平面環形振蕩器?NPRO和光纖激光器相當或更好。通過將 PW-ECL 的頻率穩定在乙炔（13C2H2）艾倫偏差的?10-13?水平上來證明?PW-ECL 的可控性。PW-ECL 還具有標準蝶形封裝的緊湊性、低成本以及由耦合到平面波導布拉格反射器的半導體增益介質組成的簡單設計等優點。
簡介
通信技術在過去幾十年中取得了飛速的發展。更好、更小、更具成本效益的集成光學元件已被引入通信市場，并正在干涉傳感領域尋找更多應用。我們在這里測試的平面外腔激光器PW-ECL最初是為通信應用開發的技術，針對低頻噪聲進行了優化后，可進一步擴展應用在精密測量領域。
NPRO[1]是目前低噪聲干涉傳感應用的標準，其采用相對簡單的增益介質（用于?1064nm和1319nm的 Nd:YAG 晶體）配置作為環形腔。由于其頻率和強度噪聲低、結構簡單，它被廣泛應用于各個領域，包括引力波干涉儀[2]和空間通信[3]。
基于?Littman [4] 和 Littrow [5] 配置的半導體外部腔體激光器ECL具有較寬的調諧范圍和較窄的線寬。它們已被用于光鐘和高精度光譜學，通過剛性光腔實現10-15級頻率穩定性[6,7]。
光纖激光器的性能正在提高，并在各個領域取代NPRO和 Littman外腔激光器，尤其是首選光纖耦合輸出的地方。光纖激光器的大增益帶寬允許靈活選擇激光波長，使用特殊的高摻雜增益光纖，實現了單模激光和簡單的頻率調諧?[8,9]。
作為這些激光器的可能替代方案，我們評估了?PW-ECL，該激光器專為光學傳感應用而開發，可用于 1550nm 光譜范圍內密集波分復DWDM的ITU波長通道，蝶形封裝的?PW-ECL 比類似性能的激光器更小、更簡單、成本更低。該 ECL 使用平面二氧化硅波導上的平面布拉格反射器形成 DBR（分布式布拉格反射器）激光腔。
為了充分研究?PW-ECL 的穩定性，我們通過鎖定乙炔?（13C2H2）無多普勒吸收線來穩定其頻率。我們還系統地將其自由運行頻率和強度噪聲與其他類型的單頻激光器進行了比較，以評估其在高精度測量中的應用。事實證明，PW-ECL的噪聲低于我們測試的大多數其他類型的激光器。PW-ECL的結構簡單、性能高，尤其是緊湊性，使其在緊湊的光頻率標準和太空任務中具有吸引力。
2.平面波導外腔激光器
我們在這里測試了一個由?Redfern集成光學[10] 制造的商用激光器模塊。該模塊包括一個蝶形封裝的PW-ECL、電流驅動器、一個頻率調諧端子（稍后介紹） 和一個數字控制接口，模塊尺寸約為?102mm × 57mm × 13mm。
圖?1?是?PW-ECL 的腔體示意圖。激光腔由兩個反射鏡形成：InP 多量子阱增益芯片上的高反射HR涂層，以及硅基二氧化硅平面波導?PLC中形成的帶抗反射AR涂層的波導光柵。所有組件都集成到熱電冷卻器?TEC頂部的標準 14 引腳蝶形封裝中。PLC 中布拉格反射鏡的窄反射峰可在通信C波段（1528~1565nm）內選定波長下實現穩定、低噪聲的單模激光，本報告中，我們選擇激光波長為1542.383nm，允許將13C2H2的P(16)線用作激光器的頻率參考。輸出采用保偏PM光纖，在~180mA注入電流下，最大輸出功率為~15mW。PW-ECL 高頻下注入電流與輸出功率、光譜和頻率（相位）噪聲性能之間的關系之前已發表過 [11]。
3. 頻率調諧?
PW-ECL的頻率調諧可以通過調整 TEC 的溫度或調整注入電流來進行。
3.1 溫度調節
圖?2 顯示了通過溫度對 PW-ECL 進行頻率（波長）調諧。通過在16 ~42 °C設置溫度，在標稱激光波長1542.383nm附近獲得了~0.37nm（~47GHz）的調諧范圍。如圖 2 所示，熱調諧有滯后現象，并可能導致調諧范圍內的模式跳變，具體取決于PW-ECL經歷的熱歷史，然而，由于模式之間的轉換發生得很順利，我們通常沒有觀察到穩定的雙模激光或跳模。
圖?3 顯示了頻率調諧響應與施加到注入電流調諧端子的電壓調制頻率的函數關系。這是通過反對稱光纖邁克爾遜干涉儀（高于~10 Hz）和兩個 PW-ECL 之間的拍頻（低于?~10 Hz）測量的，調制信號施加到電調諧端子。注入電流通過低頻的熱效應直接調制光頻率。與任何 LD 直接調制一樣，它也會導致輕微的輸出功率變化。熱特性將 3 dB 調諧帶寬限制為~2 kHz。低于此頻率時，傳遞函數基本恒定，低至 1mHz。效率在 ~0.1Hz 左右有所提高，這可能是由于 TEC 熱控制和電流調諧之間的耦合。~88 kHz 的峰值是由于驅動電路中的電諧振引起的，與激光特性無關，例如光纖激光器中的機械諧振 [12]。通過電流調諧終端的調諧范圍約為 600 MHz。
4.頻率噪聲
4.1 穩頻設置
圖?4 顯示了我們的穩頻裝置，它使用光學外差飽和光譜技術 [13]。PW-ECL 的 15mW 輸出被 PM 摻鉺光纖放大器 EDFA放大至 320mW。10% 的輸出由光纖耦合器分離出來用于頻率噪聲測量，而剩余的90%在從光纖準直器耦合出來后，由偏振分光鏡分成兩條路徑。其中一束光束用作泵浦光束，它以~3kHz斬波，并通過聲光調制器AOM以55MHz的頻率移動；另一束由電光調制器?EOM 在~20MHz 處進行相位調制，并用作探測光束。EOM的殼溫保持穩定，以最大限度地減少由于殘余幅度調制引起的頻率漂移。兩束在壓力為0.03托、長度為20cm的13C2H2氣房內反向傳播，每根光束都穿過氣房3次。該系統使用了乙炔線在1542.383nm處的P（16）躍遷 [14]。探測器檢測到探測光束，其信號在 EOM 和 AOM 調制頻率下混頻。解調后的信號由伺服電路過濾并反饋到PW-ECL的電流調諧端子。我們保持溫度設定點恒定，并且不在控制回路中使用溫度調諧，因為頻率漂移很小，電流調諧范圍足夠大。
4.2 頻率穩定結果?
使用兩個相同系統之間的拍頻評估慢頻噪聲（高達100 Hz）。拍頻由計數器或相位計?[15] 測量，并轉換為頻率噪聲頻譜。在較高頻率下，噪聲由反對稱光纖邁克爾遜干涉儀測量。干涉儀安裝在橡膠堆上的真空罐中，以避免任何聲學和地震干擾。
圖?5 顯示了自由運行和?13C2H2穩定的?PW-ECL 相對于傅里葉頻率 f 的實測頻率噪聲頻譜。自由運行的頻率噪聲在低于和高于 1 Hz 時分別具有 ~1/f1.0?和?~1/f0.6?依賴性，在~60 Hz 的控制帶寬內，噪聲被抑制了高達~1000倍，帶寬受飽和誤差信號的信噪比限制，至少幾天內，我們沒有觀察到任何因不穩定行為而導致失鎖。
圖?6 顯示了艾倫偏差的頻率波動。當使用乙炔頻率參考時，我們在?1 到 10,000 秒的門時間之間獲得了 10-13?左右的穩定性。對于超過?1000 秒的門時間，該結果比使用 Littman外腔激光器[16] 在13C2H2中獲得的最佳結果之一差約?10 倍。這種較高的噪聲被認為是來自 PW-ECL 的非固有因素，因為當使用光纖激光器運行時，該裝置顯示出相似的噪聲水平 [17]。低于 10 秒的門時間，短期穩定性似乎在測得的最佳水平附近，這歸因于 PW-ECL 的低自由運行頻率噪聲。
4.3. 頻率噪聲與其他激光器的比較
圖7比較了用于精密測量的單頻激光器的自由運行頻率噪聲。使用評估 PW-ECL的類似設置測量其他激光器的頻率噪聲。PW-ECL在與各種類型的激光器比較中，包括?Littman ECL一種分布式激光器中，一個分布式反饋（DFB） 半導體激光管和一個 DBR 光纖激光器，在測量范圍內表現出較小的頻率噪聲。只有 NPRO 顯示出比 PW-ECL 更低的頻率噪聲，并且僅在約 1 Hz 以上。我們正在開展一項活動，以研究超頻噪聲的來源（相對于 NPRO），實證研究增益芯片泄漏電流 [18] 和側模、雜散光反射等
?5.?強度噪聲
通過使用光電探測器監測激光輸出來評估強度噪聲。在~1Hz 以上，我們使用電頻譜分析儀直接監測強度噪聲頻譜。低于~1Hz，光電探測器直流輸出被穩定的直流電源抵消，然后由計算線性光譜密度的計算機記錄。
圖?8 顯示了 PW-ECL 和其他單頻激光器的相對強度噪聲（RIN）。除了大約 0.1 Hz 外，PW-ECL 在 0.1 mHz 和 1 MHz 之間顯示出最小的 RIN 水平。我們假設 0.1 Hz 左右的噪聲凸起是由封裝內的波束抖動引起的。在 100 kHz 以上，我們確認 RIN 至少達到了 100 MHz 的散粒噪聲水平 （~2 × 10-8/?Hz）。
與?NPRO 相比，PW-ECL 在整個測量頻帶上顯示出更小的 RIN。圖 8 中NPRO的 RIN 是在自由空間NPRO輸出光束落在自由空間探測器上時測量的。當 NPRO輸出為光纖耦合時，由于光纖耦合效率對光束抖動敏感，因此光纖輸出處的 RIN 變得更大。此外，NPRO 在~700kHz附近有一個弛豫振蕩峰值，需要主動控制才能被抑制。
基于半導體的激光器（圖?8 中的 DFB LD 和 Littman ECL）的 RIN 在很大程度上取決于電流驅動器、驅動模式、外殼溫度穩定性和輸出光纖的處理。圖 8 所示的 RIN 是在恒流模式下使用標準低噪聲商用電流驅動器進行評估的，而不是在恒功率模式下，以避免干擾輸出頻率。基于體光柵的 Littman ECL 顯示 RIN 峰值源自~1kHz 附近的機械共振。在恒流模式下運行的PW-ECL顯示出比低于 10mHz 的二極管激光器明顯更小的噪聲，這可能是因為它的腔體結構簡單。
商用?DBR 光纖激光器顯示 RIN 大于 1 Hz，可能是由于泵浦功率波動 [19]。此外，如圖 8 所示，光纖激光器的 RIN 在 ~10-5 /?Hz 的水平上具有通常在 100 kHz 和 1 MHz 之間的弛豫振蕩峰值 [20,21]，需要主動抑制它以進行精確測量。相比之下，由于 PW-ECL 中弛豫振蕩和相鄰激光模式引起的 RIN 峰值為 > 7 GHz，水平為 <10-7?/?Hz。
6. 討論?
在本節中，我們將討論?PW-ECL 的其他功能，這需要在精密測量系統的設計中考慮。
6.1 頻率調諧帶寬?
在許多使用激光頻率作為參考的精密測量中，激光頻率必須控制在較寬的帶寬內。例如，對高精度腔的頻率鎖定和兩個激光器之間的相位鎖定需要比這里演示的更寬的控制帶寬（~60 Hz）。PW-ECL 的頻率調諧響應（~2 kHz）本身可能不夠快，無法抑制較高頻率下的高頻噪聲（相對于 NPRO）。
通過在激光腔內添加快速電光驅動相位部分，可以在內部改善調諧響應。外部光纖耦合波導相位調制器也可用作交流耦合頻率執行器。我們已經成功地集成了這樣的系統，并在兩個帶寬為~1MHz 的PW-ECL之間實現了穩定的鎖相。
6.2 輸出功率和波長?
在精密測量中，輸出功率、可控性和激光波長的選擇是需要考慮的其他重要因素。
當注入電流已經用作?PW-ECL 中的頻率執行器時，沒有獨立的強度執行器可用。可能需要外部強度致動器，例如波導馬赫-曾德爾調制器、半導體光放大器或AOM，以便同時控制頻率和強度。
PW-ECL 的輸出功率受增益芯片輸出和激光腔內損耗的限制為~15mW。當需要更高的輸出功率時，可以通過光纖放大器等方式進行提升。通過將放大器泵浦電流控制1kHz以下，可以抑制放大器泵浦功率波動引入的強度噪聲[22]。
目前，由于InP增益芯片的材料和摻雜劑的原因，輸出波長僅限于C波段。通過使用適當的增益芯片（例如，用于1μm波段的GaAs）和不同的布拉格反射器，它可以擴展到其他波長。從理論上講，PW-ECL 設計應該能夠適應可見光和近紅外之間的任何波長，就像基于體光柵的 ECL一樣。一個長期研究目標是證明這種波長適應性，這將顯著擴大 PW-ECL 的應用范圍。
7. 結論
我們已經證明，PW-ECL具有精密測量所需的足夠低的頻率噪聲、強度噪聲和高穩定性。它在基于乙炔分子飽和光譜的頻率穩定回路中進行了測試，并顯示出高穩定性。PW-ECL 的封裝緊湊、成本低、設計簡單、零件數量少和高穩定性使其成為各種精密應用（包括光頻率標準和太空任務）的有吸引力的選擇。
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【見合八方提供全系列的RSOA，與平面波導光柵（PBG）一起，可以構建平面波導外腔激光器（PLANAR ECL)】
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