1 引言

可调谐半导体激光器的波长不仅可随电流或温度连续调谐,还具有线宽窄、频率稳定度高等优点,它在密集波分复用(DWDM)、相干光通信、可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)、光时域反射(OTDR)、光频域反射(OFDR)等方面具有广泛的应用^[1-5]。在这些应用中光源的频率稳定度、线宽及可调谐性是核心的技术指标^[6]。

目前,主要的可调谐激光器有分布布拉格反射镜(DBR)激光器、分布式反馈(DFB)激光器和外腔激光器(ECL)三种^[7-9]。其中,通过改变激光器驱动电流或者温度,可实现输出光波长可宽带调谐的DFB激光器,且其输出功率可以改变^[10]。在文献[ 11]中报道,将激光器工作温度从15 ℃调节至85 ℃,可使DFB激光器波长调谐范围达到9.7 nm,同时保持线宽低于500 kHz,但随着温度的变化,激光器的输出功率变化超过5 dB;文献[ 12]中提出线宽可以达到100 kHz以内,但是调谐范围只有1.3 nm。文献[ 13]中报道了通过在激光器上集成一个较短的铂加热带,通过注入热电流对波长进行控制,得到了4.9 nm的波长调谐范围,但是这一方法需要提供额外的热电流,使得系统变得较为复杂。为了有效地与密集波分复用器兼容,提高光通信的通信容量,DFB阵列激光器应运而生。在文献[ 14]中报道了一个32通道DFB阵列激光器,光波长覆盖范围达到25 nm。

在TDLAS技术中,基于可调谐激光器波长调谐特性,通过扫描一定波长范围内气体的单个或者多个吸收峰,可获得待测气体的特征吸收谱线,进而对待测气体进行分析,当激光器输出波长与待测气体吸收峰一致时,气体对光的吸收最强。该技术对可调谐激光器工作波长调谐性和稳定性要求较高,而DFB半导体激光器可通过改变温度实现大范围的波长调谐满足以上需求。然而随着波长的宽带调谐,DFB半导体激光器的输出功率也会发生改变,输出光功率改变量甚至会超过气体对光的吸收强度,从而引入测量误差。迄今为止,国内外文献中往往更关注波长调谐范围,而不重视功率抖动,目前对可调谐激光器在波长扫描的同时对功率进行控制的报道很少。

本文提出了一种功率稳定、宽带波长可调谐的窄线宽DFB激光器。基于非对称相移光栅结构设计了激光器芯片结构^[15],克服了外部反射对激光器内部的影响,压窄了线宽,也极大地减小了相对强度噪声^[16]。基于激光器内部载流子的动态特性与材料折射率控制,通过对激光器模块温度和电流的优化,解决了DFB激光器波长调谐时功率不稳定的问题。

2 激光器装置与原理介绍

2.1 DFB半导体激光器工作原理

图 1. DFB激光器局部结构示意图

Fig. 1. Schematic of local structure of DFB laser

下载图片 查看所有图片

通常情况下,需要在DFB半导体激光芯片中的光栅结构中引入对称的相移,但激光器解理面和镀膜的不对称性会对这种结构产生影响,使得输出波长和输出功率不稳定。针对以上不足,提出了非对称相移光栅结构,改进了DFB激光器芯片。图1为DFB激光器局部结构示意图。光栅层生长于有源层之上,光栅层采用非对称结构,在偏离光栅中心位置处引入λ/4相移,λ为输出激光波长,原光栅被分为两个长度为L₁和L₂的光栅段,其中L₁>L₂,L₁与腔长L的比值为0.55~0.7。在这种非对称结构中,相移点附近可以产生强烈的激光振荡。相移左侧的光栅段可视为高反射率的全反镜,右侧的光栅段可视为低反射率的输出镜,因此从光栅段较短的L₂端将获得更大的激光功率输出。L₁端长于L₂端的光栅部分与原对称光栅段形成自注入锁定,从而达到压窄线宽的目的^[15]。

DFB激光器的波长调谐主要通过改变电流或温度来完成。在DFB激光器中只有满足布拉格反射定律的波长才能被反射,即

mλBragg=2neff·Λ,(1)

式中λ_Bragg为布拉格波长,m为整数,n_eff为有源区有效折射率实部,Λ为光栅周期。由(1)式可以得到

Δλ=λBragg·Δnneff,(2)

式中Δn为有效折射率变化量,Δλ为对应的波长变化量。注入电流的变化会改变有源区载流子的浓度,载流子浓度的变化会改变有源区折射率,进而改变波长。激光器工作温度的变化同样会改变材料折射率,导致波长变化。

在改变电流和温度进行波长调谐的过程中,激光器的输出功率也会发生变化。电流的变化导致有源区增益系数发生改变,宏观上反应为功率的变化^[10]。注入载流子扩散能量随温度的增加而增加,导致增益随之降低,这时,为了达到阈值就需要更多的载流子,在宏观上表现为阈值电流随温度增加而增大。阈值电流可表达为

Ith=I0expT/T0,(3)

式中I_th为温度T下的阈值电流,I₀为已知温度T₀下的阈值电流。激光器输出光功率随电流与温度的变化如图2所示。由图2(a)可以看出,激光器阈值电流为20 mA,而激光器输出光功率与激光器电流是准线性相关的,在达到阈值之后,输出光功率随着电流的增大以较好的线性度增加,最大输出功率为25 mW。由图2(b)可以看出,随着温度的增加,激光器功率单调减小,这与理论分析一致。其中,输出激光功率最低为6.053 mW(7.82 dBm),最高为8.495 mW(9.27 dBm),这个功率波动幅度很接近一些气体在1550 nm附近的吸收峰透射深度。

图 2. (a)激光器模块功率随电流变化曲线; (b)功率随温度变化曲线

Fig. 2. (a) Laser power versus current; (b) laser power versus temperature

下载图片 查看所有图片

2.2 激光器伺服系统原理介绍

图 3. 激光器模块原理图

Fig. 3. Schematic of laser module

下载图片 查看所有图片

激光器伺服系统原理图如图3所示。整个激光器伺服系统包含供电部分(power supply)、温控电路(TEC control circuit)、电流驱动电路(current drive circuit)、波长与功率控制电路。采用的微控制器(MCU)为C8051F060,MCU内置16位的数模转换器(DAC)和16位的模数转换器(ADC)。通过调节控制激光器温度的DAC改变激光器温度,实现对波长的调谐。当温度变化时激光器功率会有波动,该波动可以由激光器内部背光功率探测器(PD)探测并转化为电压信号,再经ADC被MCU识别,进而对驱动电流进行微调。通过对温度与电流的优化设置实现对光波长的宽带调谐并维持输出光功率的稳定。

2.3 激光器模块频率稳定度分析

驱动电流的波动与温度漂移是造成激光器频率不稳定的两个主要因素。为了实现激光器输出光波长的稳定,良好的电流驱动电路和温控电路是必不可少的。实验中,激光器的电流驱动芯片采用AD公司的ADN8810,驱动电流量程达到300 mA。一般情况下,在波长1550 nm附近,1 mA的驱动电流变化可引起输出光频率变化300~400 MHz^[17]。图4为激光器电流驱动电路图,图中AGND表示模拟接地,U_i表示输入电压。在激光器后串联一个阻值为2 Ω的精密采样电阻。由示波器(DPO4054B)探测到的此采样电阻两端的电压纹波可知,电压抖动在20 μV以内时,对应的电流抖动为10 μA,相应的频率不稳定度为4 MHz。

图 4. 激光器电流驱动电路图

Fig. 4. Laser driving circuit diagram

下载图片 查看所有图片

激光器的温控电路采用美信公司的芯片MAX1978^[18];在14 针蝶形封装的激光器内部贴近芯片位置封装有热敏电阻(阻值为R_thm)与TEC;热敏电阻阻值具有温度敏感性,可以感知激光器芯片的工作温度;TEC由MAX1978控制改变激光器工作温度实现波长调谐。在1550 nm附近温度变化1 ℃,对应频率变化为10 GHz,波长为0.08 nm。图5为本模块温控电路的原理图,热敏电阻与一个15 kΩ的电阻串联在一起,2.5 V高精度稳定电源电压(VCC)由AD公司的AD291提供,图中GND表示接地。设定温度点(FB+)由DAC提供,通过MCU调节DAC值大小,设定不同的温度。温度的变化改变热敏电阻阻值,从而改变实际温度(FB-)处的电位。MAX1978内部主要由精密比例-积分-微分(PID)运放电路、脉宽调制(PWM)栅极驱动和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)组成。其中,PID运放电路采集设定温度点与实际温度的差值并加以放大处理,通过调节栅极驱动,由MOSFET驱动TEC进行制冷或制热。U_t为热敏电阻两端电压。U_t与R_thm之间的关系可表述为

Ut=2.5×RthmRthm+15。(4)

使用KEITHLEY公司的精密万用表对热敏电阻两端电压进行测量,测量精度达到0.000001 V。激光器温度设置为25 ℃,对应热敏电阻为10 kΩ,热敏电阻阻值与温度对应关系约为0.256 kΩ/℃。实验中测量到U_t的波动低于0.0001 V,对应R_thm的变化为0.001 kΩ,因而温度抖动低于0.004 ℃,换算成频率即40 MHz。

图 5. 激光器温控原理图

Fig. 5. Schematic of temperature controlling circuit

下载图片 查看所有图片

3 实验数据及分析讨论

不同温度下输出激光光谱如图6所示。图6(a)为温度设定在25 ℃下的激光光谱,此时输出激光边模抑制比达到52.7 dB;图6(b)为通过控制激光器工作温度,以3 ℃为间隔从7 ℃调至43 ℃,采集到不同温度下的光谱图,其输出激光波长分别为1536.275,1536.550,1536.860,1537.135,1537.440,1537.725,1538.000,1538.300,1538.580,1538.870,1539.165,1539.440,1539.780 nm。随着温度升高,激光器波长从1536.275 nm增至1539.780 nm,调谐范围超过3.5 nm。在改变温度进行调谐过程中激光器没有跳模。

图 6. (a)25 ℃时光谱图;(b)不同温度下的激光输出光谱

Fig. 6. (a) Optical spectrum at 25 ℃; (b) optical spectra at different temperatures

下载图片 查看所有图片

图7为不同温度下输出激光的功率变化,其中温度改变范围为7 ℃至43 ℃,温度改变间隔为2 ℃。红色曲线为经过反馈控制后的激光器输出功率,黑色曲线与图2(b)一致,为没有反馈控制的激光器输出功率。由图可以看出,通过对驱动电流进行控制,激光器功率波动已经得到大幅度抑制。激光器输出功率为7.432 mW时,输出光功率波动为0.2 mW。值得注意的是,随着波长的增加,PD对激光功率的响应微弱减小,使得在控制PD响应电压恒定所需的功率增大,因此经过控制后的激光功率有微弱增加的趋势。这个问题可以通过使用波长响应度更为平坦的PD解决。

图 7. 不同温度下激光器输出的功率变化

Fig. 7. Laser powers at different temperatures

下载图片 查看所有图片

基于延时自外差法测试了该半导体激光器的线宽^[19]。该激光器输出光信号经耦合器分为两路,一路经过声光调制器,另一路经过光纤延时,最后利用耦合器将两路光信号合为一路输入PD进行拍频。其中,采用的延时光纤为25 km,采用的声光调制器移频频率为110 MHz。图8为所测的不同温度下的激光器线宽,其中温度改变范围为7 ℃至43 ℃,温度改变间隔为2 ℃。由图8(a)可以看出,在整个温度变化过程中,线宽在220 kHz 附近波动,可保持相对稳定,最小为195 kHz,最大为275 kHz。图8(b)为激光器工作在25 ℃下的线宽测试图,从图中可见,25 ℃下激光器模块线宽为220 kHz。

图 8. (a)不同温度下输出激光线宽;(b)25 ℃下的线宽

Fig. 8. (a) Laser linewidths at different temperatures; (b) laser linewidth at 25 ℃

下载图片 查看所有图片

4 结论

研制了一款功率稳定、宽带波长可调谐的DFB激光器。基于非对称相移光栅结构重新设计了DFB激光器的芯片结构。基于激光器内部载流子动态特性及折射率控制,通过对激光器模块工作温度和电流的优化设置和精密控制,解决了DFB半导体激光器在波长调谐时功率不稳定的问题,实现了宽带波长调谐,并保持输出激光功率稳定。波长调谐范围超过3.5 nm,输出光功率为7.4 mW,调谐过程中,功率波动低于2%,线宽保持相对稳定,25 ℃下线宽为220 kHz。该模块可以满足TDLAS技术中对于可调谐激光器的需求。