摘要
已经证明 1550 nm的DWDM 平面外腔激光器可实现低相位/频率噪声和窄线宽。该腔体包括一个半导体增益芯片RSOA和一个带布拉格光栅的平面光波导，采用 14 引脚蝶形封装。激光器的线宽可以做到<30 kHz，相位/频率噪声与长腔光纤激光器相当，适用于各种光纤传感系统，包括石油和天然气、军事/安全和其他应用中的干涉传感，与当前使用的激光源相比，其便宜且可靠性高。
简介
用于光纤分布式传感的干涉技术是在过去 15 年中开发的，但直到现在才进入市场规模部署阶段。由于固有的高成本，主要应用是在军事监视或恶劣环境（石油和天然气行业的海底或地下）中的遥感方面，在这些应用中，成本不是首要因素。但这两个市场不能代表整体潜在市场，现在正在寻找高性价比方案，其他对成本更敏感的市场包括分布式结构监测、周界安防监测、地震监测和通信系统安全。如果光纤分布式传感解决方案能具有更低成本，将在这些市场光放应用。解调仪是干涉测量系统成本的主要部分，而其中低相噪激光器通常是解调仪种沉本最高部分。目前，只有频率噪声要求为<3000Hz/Sq.Hz@100 Hz和<500Hz/Sq.Hz@1000Hz 的埋地短距周界安防监测系统才能使用电信或 CATV 级 DFB 激光器，而所有其他有更苛刻频率噪声要求的应用都使用高成本光纤激光器的多器件光源，这些光源在成本和尺寸降低的空间有限。
外腔激光器 ECL 技术是一种有吸引力的低成本激光器解决方案，适用于干涉传感应用。与 DFB 相比，由于腔体较长，ECL具有更窄的线宽和更低的频率噪声。基于光纤布拉格光栅 FBG的混合 ECL 已用于干涉传感应用，并显示出良好的相噪性能[1]，但FBG激光器对振动敏感。
我们在这里给出了一种基于硅基二氧化硅平面光波导电路 PLC 上的布拉格光栅PBG的低频率噪声DWDM窄线宽的1550 nm ECL。与其他外腔激光器ECL相比，本文介绍的腔体结构显著降低了振动敏感性。
2. 平面波导 ECL 设计
平面 ECL 器件如图 1a 所示，该腔体是通过将 InP 增益芯片和PLC 上的波导光栅组成，增益芯片和PLC都镀有AR增透膜。
增益芯片和 PLC 之间的光学耦合是激光腔结构的重要部分。腔体的纵向稳定性对于稳定腔体模式的相位至关重要，以优化 ECL 在全温度和全生命周期的性能，图 1b 显示了所连接的 ECL 腔子组件的照片。该子组件集成在热电冷却器 TEC顶部，然后封装在标准 14pin蝶形器件中。热-光-机械设计确保在-15至75ºC的宽工作壳温范围内实现最小的温度梯度和腔的最小应力。
来自 ECL 腔的光输出光束在通过双级隔离器之前进行准直，然后聚焦到标准或保偏单模光纤上。ECL 是使用商业 DFB 中常用的成熟方法设计和组装的，并与商用 DFB 引脚兼容。
3.测试技术和测试设置
测试设置的概要图如图 2 所示
试验装置中采用带有 FRM 元件的路径失配迈克尔逊干涉仪，以确保高干涉可见度。内部连接器允许放置不同的延迟线（可更换延迟线），以便在干涉仪中插入不同的光路失配。
试验装置中使用了Optiphase公司OPD-4000 光相位解调仪[2]测量失配路径干涉仪中的光相位。70 kHz的解调是通过相位生成载波激励，然后通过真相位数字解调来完成的。该方法具有低自噪声特性（几μrad/rt-Hz），能够对商用噪声最低的激光器进行激光相位/频率噪声测量。
4. 实验结果
使用光谱分析仪获得的典型 ECL光电特性和时间平均光谱如图 3 所示，ECL具有非常高的边摸抑制比SMSR>50dB，线宽小于 30 kHz（使用自外差技术测量）。
相位/频率噪声性能如图 4 所示。相位噪声值归一化为 1m干涉仪光程差OPD。相位/频率噪声频谱密度特性上可见的峰值为 60Hz及60Hz的倍频，这是由于 ECL 偏置电流源和解调器中交流泄漏的结果。ECL是使用为高速电信应用设计的增益芯片和 PLC 制造的，平面波导外腔进一步提升了相位噪声、线宽和输出功率的性能。
在传感应用中，需要激光器在严苛的环境应力条件下仍能长期工作，平面波导 ECL 的所有子组件和封装技术之前都已通过 Telcordia 认证，该激光器在长期运行和壳温范围内表现出优异的波长稳定性和性能的一致性，有许多应用需要激光器能在振动和噪声下长期工作。
与基于 FBG 的光纤激光器和外腔激光器相比，平面波导ECL腔本质上是稳定的，其在固态 Si 衬底上制造了保偏波导，所有可能的振动灵敏度都与封装相关，并通过正确的将腔体子组件封装集成在14pin蝶形管壳内来实现，平面波导ECL在0-300Hz振动频率范围内的归一化振动灵敏度如图 5 所示。
5. 各种应用的性能和适用性分析
图 6 中的图表显示了用于干涉传感的各种激光器类型（DFB、平面波导ECL、两种光纤激光器）的归一化相位噪声。如图所示，平面波导ECL 的相噪性能接近典型的3 kHz光纤激光器的性能，这种优异的性能，使其可广泛应用于分布式光纤传感。
平面波导ECL 是在路径补偿 TDM 解调仪中设计的，并在分布式埋地传感应用中进行了现场试验测试。它的高性能特性可与3kHz光纤激光器相媲美。
由于多通道干涉解调仪的设计方法多种多样，并且光纤传感器设计可以提供广泛的灵敏度。我们将干涉解调仪分为两类：路径补偿 TDM（PCTDM）和路径失配复用 （PMM）。
我们对平面波导ECL的应用适用性的看法如下表所示。
请注意，上面确定的应用有时会使用非常大的传感器数量（有些达到数千个）。PCTDM 和 PMM 解调方法都与TDM/DWDM多路复用兼容，以满足多通道需求。当这些系统需要多个波长时，与光纤激光器相比，平面波导ECL 具有显着优势，因为它的低成本且高可靠性。
6. 结论
首次开发了一种基于窄线宽、1550 nm低相位/频率噪声的 DWDM 平面波导 ECL，以满足大多数干涉传感要求，其具有高稳定性、可靠性和低成本等优点。结果表明，平面波导 ECL 适用于大多数具有苛刻环境条件的干涉应用。
参考文献
[1] Robert E. Bartolo, Clay K. Kirkendall, Vladimir Kupershmidt and Sabeur Siala. “Achieving narrow linewidth, low phase noise external cavity semiconductor lasers through the reduction of 1/f noise”. Novel In-Plane Semiconductor Lasers V, edited by Carmen Mermelstein, David P. Bour, Proc. of SPIE Vol. 6133, 61330I, (2006) ·
[2] Optiphase, Inc. Website (ref to OPD-4000) www.optiphase.com
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