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【平面波导外腔激光器专题系列】1064nm单纵模平面波导外腔激光器‌

news 来源：原创 2025/8/13 11:37:08

摘要：我们介绍了平面波导外腔二极管激光器 (PW-ECL) 的特性。据我们所知，这是第一款蝶形封装的 1064nm半导体激光器，其可以稳定锁定到外部参考频率。我们从精密实验的角度评估了它的性能，特别是使用碘的超精细吸收线，在10MHz 时将其频率噪声抑制高达 104倍。在需要单纵模的应用中，PW-ECL的紧凑性和低成本使其替代传统 Nd:YAG 非平面环形振荡器和光纤激光器成为可能。

在众多类型的激光器中，单纵模激光器由于其高相干性，主要用于干涉传感和高分辨率光谱学等应用中。我们已经展示了一种1550nm为通信应用开发的平面波导外腔二极管激光器(PW-ECL)，具有足够低的噪声可以应用于精密测量应用[1,2]。例如，1550nm的PW-ECL已被用于国际空间站实验光学测试台和集成 (OpTIIX) 项目[3]，并最终可能作为干涉测量激光源部署在太空中，其小质量、低成本及高可靠性特性至关重要。研究还表明，1550nm的PW-ECL可以稳频到高精度的光学腔中，并且可以替代长距离光链路中的光纤激光器[4]。

然而，1064nm是极端场景传感应用中最常用的波长，包括干涉引力波探测器等[5]。常规低噪声应用是使用1064nm 的Nd:YAG 非平面环形振荡器(NPRO)[6]。这个波长之所以占主导地位，是因为高质量的光学元件已经围绕 Nd:YAG 激光器发展，并且较短的波长提供了更高的相位灵敏度和更小的光束发散度。尽管镱Yb光纤激光器已开始作为潜在替代方案而被研究，但在成本、尺寸和噪声方面与NPRO性比并没有展示出明显优势。在本文中，我们介绍了1064nm的PW-ECL的特性，我们正在将其开发为更大、更复杂的NPRO的替代品。这项工作最初是由激光干涉仪空间天线(LISA) 任务[7](现在欧洲称为eLISA[8])和重力恢复和气候实验-II(GRACE)任务 [9] 推动的。商用的单频分布式反馈(DFB)和分布式布拉格反射器(DBR)1064nm激光器无法满足严格的低噪声和窄线宽要求。我们相信，我们的PW-ECL是蝶形封装的1064nm最低噪声半导体激光器。与体晶体激光器和光纤激光器不同，PW-ECL 只需要一个有源增益介质，成本约降低10倍。为了研究其对精密实验的适用性，我们通过锁定碘的超精细吸收线来稳定其频率并测量其基本特性。PW-ECL的简单性和优异性能使其成为传统1064nm激光器的有吸引力的替代品。

测试的 1064nm的PW-ECL由Redfern集成光学[10] 设计开发和制作，并以PLANEX的名义市场化，与PW-ECL相关的技术细节已在[11]中披露。图 1(左)显示了PW-ECL的原理图，激光腔由两个反射器组成：1)脊波导上的高反射HR涂层端面，基于GaAs的增益芯片和2)在硅基二氧化硅平面光波电路PLC中形成的抗反射AR涂层波导光栅。所有组件都集成在热电冷却器 TEC的顶部，波导输出的激光通过透镜和光隔离器之后耦合进入保偏光纤，并封装在 14 针蝶形封装内。

PW-ECL的高频稳定性源于其长的有效腔长及使用色散元件 (PLC光栅) 作为外镜的失谐负载 [12,13]。与传统的外腔不同，噪声抑制是通过光栅反射率曲线在较长波长侧的负斜率的负反馈来实现(图1右）。这种反馈也起到了波长锁定的作用，稳定了频率并确保了单模操作。

图 2 显示了通过温度和电流调整对 PW-ECL的波长调谐。随着TEC温度的升高，增益芯片的中心波长和PLC光栅的中心反射波长都增加，增益芯片的中心波长随着载流子和温度引起的折射率变化而增加。由于增益芯片和PLC的波长调谐特性不同，PW-ECL表现出随着电流和温度变化的模式跳变(图2中的不连续性)。在我们的测量范围内，PW-ECL从1064.36nm调谐到1064.65nm，这与典型的Nd:YAG激光器的范围重叠。

图 3 显示了输出功率对温度和注入电流的依赖性。PLC光栅反射率曲线内工作点的变化直接影响输出功率。最佳工作点的最大输出功率为 15mW。在图2和图3中标记为“A”的附近，激光波长偏离光栅的反射率峰值，并且频率噪声也是最小的。相反，输出功率低的区域(例如，标有“B”的点)更接近反射率峰值，但噪声性能并不是最佳。

作为综合设计的结果，PW-ECL 在任何稳定的工作点都发射单纵模输出。图 4 显示了 PW-ECL 在两个测试点 A 和 B 上检测到的扫描法布里-珀罗(FP)干涉仪的出射光，自由光谱范围为 300 MHz。受限于扫描 FP 的约1MHz的分辨率，它们提供了稳定的无边瓣的单模激光证据。

波长和功率可以通过调制注入电流来快速调整。图5和图6显示了作为附加到注入电流调制频率函数的频率和功率调谐响应。调谐幅度取决于图 2 和图 3 中工作点的位置。在图5和图6中在两个测试点处绘制了测量结果。在最佳工作点 A附近，频率(波长)对电流变化相对不敏感，与非最佳工作点 B 相比它的结果更小，如图5所示，在图6中功率产生的差异更小。在频率和功率调谐中，3dB 调谐带宽分别约为 40kHz 和 100kHz。频率调谐的热特性导致其带宽较窄，相位延迟较大。在低频、1mA电流调制(在90 mA恒定电流之上)同时引入大约0.5GHz的频率调制和大约10%的功率调制。该频率-强度耦合 (∼2×10-4/MHz) 大约是 NPRO 中的压电调谐的10倍[14]。

图 7 显示了 PW-ECL 在两个工作点的自由振荡频率噪声，作为傅里叶频率的函数f，同时还绘制了商用 Nd:YAG NPRO的频率噪声以用于对比。由于激光激射点失谐，在几赫兹以上，最佳工作点A产生的噪声大约是非最佳工作点的5倍；在0.1Hz以下，PW-ECL的频率噪声与NPRO相当；在10Hz以上，PW-ECL和NPRO的噪声分别下降了1/f1/2和1/f，因此，它们的差异在较高频率下变大，在10kHz时，PW-ECL产生的频率噪声大约是NPRO的100倍。

我们使用光学外差饱和光谱技术[15] 和碘单元实现PW-ECL稳频。在现有的碘稳定系统[16]中，我们用PW-ECL代替了NPRO，然后是双级镱光纤放大器，放大器的输出使用非线性晶体倍频，产生的532nm光用于探测碘的无多普勒吸收线，频率错误信号被反馈给注入电流。对于这次测量，PW-ECL被调谐到1064.490nm，其倍频与标准的R(56)32-0 a10线一致[17]。图 8 显示了稳频噪声谱、自由振荡噪声谱以及eLISA 在低傅里叶频率下的需求。在大约 300Hz 的控制带宽内，频率噪声被抑制高达104，达到 300Hz/√Hz。我们认为，本底噪声受饱和信号的信噪比限制，而不是PW-ECL本身。

图 9 比较了PW-ECL在两个工作点和NPRO 的相对强度噪声 (RIN)。PW-ECL的RIN比NPRO小约 3MHz，两个工作点之间的差异很小。NPRO在 700kHz左右有弛豫振荡峰，并达到大约6MHz 以上的散粒噪声水平。PW-ECL 在几GHz处具有阻尼弛豫振荡峰，远高于典型外差测量系统的拍频频率。PW-ECL在大约 2MHz 以上具有 8×10-9/√Hz 的平坦 RIN电平，大约是散粒噪声限值的 1.2倍。

从精密实验的角度来看，PW-ECL和NPRO之间的主要区别在于PW-ECL在高傅里叶频率下的高频噪声。除非经过适当的预稳定，在高精度外差干涉测量法中连续跟踪其光学相位将很困难。出于同样的原因，需要外部频率激励器以非常高的精度将 PW-ECL 直接锁定到腔体上。仅通过控制注入电流，我们能够将 1064nm PW-ECL锁定到低精度 (2,000) 腔。因此，PW-ECL 将是使用低精细腔(例如，种子注入Nd:YAG 激光器)的最佳选择，可以取代 NPRO 和光纤激光器这些笨重的激光器。当需要<10-8/√Hz 水平的 RIN时，高傅里叶频率下过量的 RIN 使得外差干涉测量法的散粒噪声限制操作变得不可能；系统设计中可能必须包含额外的噪声因子。

总之，我们对 1064 nm平面波导外腔激光器 PW-ECL 进行了表征，据我们所知，这是第一款在蝶形封装中以 1064 nm 波长发射高度稳定的单纵模的半导体激光器。我们证明PW-ECL 有可能以更低的成本和更小的尺寸取代传统激光器。通过额外的设计迭代，我们可以进一步提高其性能频率噪声，以满足最苛刻的应用要求。

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