1 引言

可调谐激光器是光谱分析和光纤光栅解调系统中的核心器件,具有较好的应用前景^[1-5]。半导体可调谐激光器主要有分布式反馈(DFB)激光器^[6-7]、取样光栅分布式布拉格反射(SG-DBR)激光器^[8]以及调制光栅Y分支(MGY)激光器^[9]。MGY激光器利用Y状双光栅的游标效应对输出波长进行调谐^[10],调谐时光功率稳定,输出功率可超过10 dBm,边模抑制比R_SMSR大于30 dB,调谐范围大于40 nm,调谐时间达到纳秒量级^[11-12],广泛应用于光通信、光谱分析和光纤光栅解调等领域。目前,国内外研究者针对MGY调谐技术进行大量研究。Müller等^[13]采用等间距电流扫描的调谐方式对MGY激光器进行调谐,其调谐范围为40 nm,调谐步长为5~10 pm。杜泽翰等^[14]采用调谐区电流扫描标定的方法对SG-DBR激光器进行调谐,其调谐范围为40 nm,调谐步长为8 pm。崔巍等^[4]采用电流和温度共同调谐的方法对V型腔激光器进行调谐,其调谐步长达到1 pm,但是调谐范围仅为12 nm。目前,相关的研究主要集中在调谐范围和步长两个参数上,鲜有对于在大范围温度变化条件下如何保证调谐波长准确性的研究。光谱在线分析和光纤传感器的广泛应用,对扫描激光器在现场工作条件下调谐波长的精度和准确度提出了更高的要求。

为满足不同环境现场应用对高精(精密)准(准确)扫描激光器的要求,本文以MGY可调谐激光器为对象,构建了可调谐激光器高精度扫描、标定系统,对MGY激光器输出特性和温度稳定性进行系统的实验研究和分析,在此基础上,研究了基于乙炔气体吸收基准的高精密度、高准确度波长扫描和校准技术,并进行了宽温范围实验测试,实现了高精准波长调谐。

2 MGY激光器调谐原理及温度稳定性

2.1 MGY激光器调谐原理

MGY激光器是一种新型的半导体可调谐激光器,管芯结构如图1所示,由光栅反射区、多模干涉耦合器(MMI)、相位区、增益区、集成前向反射器、半导体光放大器(SOA)组成。激光器的输出波长由左、右光栅反射区和相位区进行联合控制,两个光栅反射区产生间距不等的梳状反射谱,通过调节反射区参数控制重合峰的位置,保证某一时刻的反射光波长为一对重合峰的反射波长,再由相位区控制输出光的相位谐振条件,实现波长的细调,得到不同波长的输出光。改变激光器的光栅反射区和相位区的注入电流会引起该区半导体材料的自由载流子浓度发生变化,从而改变材料的有效折射率,实现对激光器输出波长的调谐和控制。通过大量的测试、标定和数据处理获取电流-波长查找表,以实现波长的精确调谐和控制。

2.2 MGY激光器高精度扫描标定系统

利用LabVIEW虚拟仪器平台、可调谐精密电流源、波长计、数字万用表等设备搭建了一套可调谐激光器高精度扫描标定系统,如图2所示。扫描标定系统主要由计算机(PC)主控、激光器驱动、信息采集三部分组成。计算机作为整个系统的主控设备,向各个驱动器发出控制命令并收集信息采集部分的测量信息,基于LabVIEW平台,编写了自动测试程序,实现自动标定测试。电流驱动采用精密电流源(6211,Keithley,美国)提供增益区电流I_G、左反射区电流I_L、右反射区电流I_R和相位区电流I_P,电流驱动精度为1 μA;激光器驱动器(LPA9082,ILX Lightwave,美国)提供SOA电流I_SOA以及半导体制冷器电流I_TEC。利用波长计(86122A,Keysight,美国)测量输出激光的波长λ,精度为0.3 pm;使用数字万用表(34970A,Agilent,美国)测量激光器光电探测器(PD)管脚电流I_PD和法布里-珀罗(F-P)标准具管脚电流I_Ref,电流测量精度为1 μA。

图 1. MGY激光器。(a)管芯结构示意图;(b)调谐原理

Fig. 1. MGY laser. (a) Structural diagram of laser diode; (b) tuning principle

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2.3 MGY激光器调谐特性测试

利用上述波长扫描标定系统对MGY激光器(ATSL7503,奥新科技,中国)进行调谐特性测试。首先对激光器左、右反射区的调谐特性进行研究,室温条件下,通过激光器控制仪提供的I_TEC将激光器的工作温度控制在25 ℃。由于所用波长计的最大输入功率为10 mW,因此将MGY激光器的I_G设置为98 mA,I_SOA设置为30 mA,此时激光器的输出功率约为9 mW,且由图1(a)可知,调谐特性由反射区和相位区决定,增益区和SOA区只影响输出功率。将相位区电流设置为0,左、右反射区的电流扫描范围均为33 mA,扫描步长设为0.2 mA。图3(a)和图3(b)分别为MGY激光器输出光的波长和R_SMSR随左、右反射区电流变化的热图。可以看到,激光器输出波长覆盖范围为1525~1575 nm,波长总跨度达50 nm,并且R_SMSR大于30 dB的区域主要集中在1528~1568 nm范围。

图 2. 波长扫描标定系统结构图

Fig. 2. Structural diagram of wavelength scanning and calibration system

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图 3. 左、右反射区的调谐特性。(a)电流-波长热图;(b)电流-R_SMSR热图

Fig. 3. Tuning characteristics at left and right reflection regions. (a) Heat map of current-wavelength; (b) heat map of current-R_SMSR

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对激光器相位区的调谐特性进行研究,相同条件下,固定左、右反射区电流,改变相位区电流进行波长扫描,可实现兴趣点附近波长细扫描。图4(a)和图4(b)所示分别为1540 nm和1560 nm处相位区的典型扫描结果,扫描电流为7.5 mA,扫描步长为0.01 mA。可以看到,相位区电流扫描可以实现约0.3 nm的波长周期性变化,且在图4所示的红色方框范围具有很好的线性度,利用这一小段线性区域可以对输出波长进行亚皮米步长的精确线性调谐。

图 4. 不同波长处相位区的扫描结果。(a) 1540 nm;(b) 1560 nm

Fig. 4. Scanning results at phase region under different wavelengths. (a) 1540 nm; (b) 1560 nm

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为保证激光波长的大范围、精密调谐,利用MGY激光器相位区电流与输出波长分段的线性特性,提出一种反射区粗扫描结合相位区细扫描的高精度波长扫描标定方法。标定的流程如图5所示。首先,以0.2 mA的电流间隔分别对左反射区和右反射区进行扫描,并自动采集激光器的输出波长以及探测器和F-P标准具的电流。接着利用软件自动对得到的初始数据按照波长进行升序排列,并且以R_SMSR大于30 dB以及附近各无模式跳变点为依据进行波长点筛选,制作较大波长间距的初始查找表。然后,在初始查找表中各个波长点处对相位区以0.01 mA的电流间隔进行精细扫描,得到精细查找表,并利用相位区电流与输出波长具有分段线性相关的特点,在每个波长点的相位扫描区域内选择一段大范围高线性度区间以1 pm波长间隔进行线性插值,之后将不同区间进行首尾相连,并在重复波长区域中选取平均R_SMSR较大的区域,得到最终的电流-波长查找表(波长范围为1527.9~1568.1 nm,数据点数为40201 个)。通过调用该查找表就可以实现对激光器输出波长的精确扫描和控制,采用该技术,实现了皮米级的波长扫描。

图 5. 波长标定流程

Fig. 5. Flow of wavelength calibration

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精密度和准确度是表征测量结果的两个重要指标。为了得到系统的精密度和准确度,在常温下,根据上述电流-波长查找表控制MGY激光器波长扫描的参数,总共进行5次扫描测试,得到全范围扫描曲线如图6(a)所示,其横坐标为基于查找表的设定波长,纵坐标为波长计测得的输出波长,系统和被测激光器稳定性和重复性非常好[图6(b)],5次测量结果几乎完全重合。由于电流-波长查找表通过多次标定后获得波长值,在此将设定波长视作波长真实值,各次扫描结果为实测值。计算得到系统在常温下的调谐精密度(误差曲线峰峰值)为0.20 pm,调谐准确度(平均测试值与真实值之差)为0.14 pm。

图 6. 常温下波长调谐性能。(a)扫描曲线;(b)误差曲线

Fig. 6. Wavelength tuning performance at normal temperature. (a) Scanning curves; (b) bias curve

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2.4 MGY激光器温度特性测试

MGY激光器最初的设计目的是作为波分复用通信系统的光源,负责提供动态波长分配和波长路由^[11-12]。图7所示为MGY激光器封装后的内部结构^[15]。激光器芯片与热敏电阻集成在第一块载体上,第一块载体与内部光学组件集成在第二块载体上,并通过集成在器件内部的半导体制冷器对整个器件进行一体化温度控制。器件中,F-P标准具的频率间隔设置为50 GHz,并且透射峰峰值波长与国际电信联盟(ITU)标准波长相对应。将F-P标准具透射光谱作为参考曲线,可以判定激光器输出波长是否偏离ITU标准波长并进行校准,其温度稳定性可反映对应输出波长的稳定性。为确定MGY激光器的温度特性,对MGY激光器的输出波长和F-P标准具的温度特性进行测试。实验时,将MGY激光器置于恒温箱中,此时激光器的热电制冷模块正常工作,恒温箱温度从-25 ℃升至+75 ℃(温度范围根据MGY激光器的标称工作温度-5~+75 ℃进行扩展得到),温度步进为25 ℃,在每个温度点保温2 h后进行测试。根据2.3节测试获得的波长-电流数据表进行全程扫描,得到F-P标准具归一化透射谱(图8)和MGY激光器设定波长-输出波长曲线(图9)。可以看到,随着温度的变化,F-P标准具的透射光谱波长和激光器管芯的输出波长都发生了漂移。从图8的局部放大曲线可以看出,F-P标准具透射峰峰值波长随温度单调变化,通过数据处理提取相应峰值波长并进行线性拟合, 得到拟合曲线的斜率为0.53 pm/℃,线性度为0.999。将图9曲线头中尾三段放大,可以看出,激光器输出波长曲线中每个温度点的线性度较好,而且不同温度的测试曲线互相平行。对设定波长-输出波长曲线进行线性拟合,结果如表1所示,线性斜率相同,与理想值1很接近,截距整体变化11.05 pm。对表1中截距-温度曲线进行拟合,可得到截距b随温度T变化的线性模型:

b=0.1104×T-2.68,(1)

表明温度的变化只会导致响应曲线的平移,不影响斜率。当温度变化100 ℃时,F-P标准具的透射光谱波长和激光器输出波长的漂移分别为53 pm和11 pm,其温度系数分别为0.53 pm/℃和0.11 pm/℃,F-P标准具的温度稳定性相对较差。

图 7. MGY激光器封装后内部结构

Fig. 7. Internal structure of MGY laser after package

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图 8. F-P标准具的归一化透射光谱

Fig. 8. Normalized transmittance of F-P etalon

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图 9. 激光器设定波长-输出波长曲线

Fig. 9. Set wavelength-output wavelength of laser

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3 MGY激光器高精准调谐方法及实验研究

3.1 高精准波长调谐方法

测试实验表明,由于F-P标准具温度稳定性较差,以它为基准在不同温度条件下难以获得高精准的激光波长。但激光器的输出波长与温度具有很好的线性关系,而且输出曲线的线性系数不变,只是截距随温度线性变化。基于实验测试结果,研究了基于标准乙炔气体吸收腔的高精准波长调谐方法。图10所示为乙炔气体吸收腔的P分支,其在C波段具有20多条强吸收谱线,这些吸收谱线的波长精度小于±0.1 pm,且随温度的漂移小于0.01 pm/℃^[16]。

图 10. 乙炔气体的吸收光谱

Fig. 10. Absorption spectrum of C₂H₂ gas

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图11所示为基于外部乙炔气体吸收腔(C2H2-12-2000,Wavelength References,美国)的高精准波长调谐系统结构。激光器的输出光通过耦合器将一小部分光耦合到乙炔气室之后,由PD接收。在波长扫描时,通过采集PD的电流可以得到乙炔气体吸收腔的扫描光谱。取光谱中的P₉谱线作为绝对波长参考,对激光器输出的相对波长进行校准。2.4节实验结果表明,在不同条件下,设定波长-输出波长直线互相平行,截距不同,因此只需要校准P₉位置的波长偏差,并以此直接校准截距,便可实现整个光谱范围的波长校准,校准周期为波长扫描周期的整数倍。

图 11. 高精准波长调谐系统

Fig. 11. High precision and accuracy wavelength tuning system

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基于图11所示的系统,对乙炔气体吸收腔的温度稳定性进行测试,测试结果如图12所示,将P₉参考谱线放大,在所设置的测试条件下,其谷值在100 ℃范围内没有变化,具有很好的稳定性。

图 12. 乙炔气体的吸收光谱

Fig. 12. Absorption spectra of C₂H₂ gas

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3.2 高精准波长调谐实验研究

为了对高精准波长调谐系统的性能进行测试,在不同温度下进行波长调谐实验。实验时,将MGY激光器和乙炔气体吸收腔共同置于恒温箱中,控制温度从-25 ℃升至+75 ℃,步进为25 ℃,在每个温度点保温2 h后进行测试。在不同温度点下利用图11所示的高精准波长调谐系统控制MGY激光器进行多次波长扫描和校准,得到各个温度点的平均扫描曲线,并将25 ℃下经过校准后的扫描曲线作为标准曲线。图13(a)所示为各个温度点下平均扫描曲线与标准曲线的偏差,图13(b)所示为各个温度点下的精密度曲线和准确度曲线,可以看到,全温范围下系统的精密度为0.18 pm,准确度为0.12 pm。扫描激光器全温精准度优于常温下无吸收腔基准的指标。

图 13. 波长调谐实验结果。(a)扫描曲线与标准曲线的偏差;(b)精密度曲线和准确度曲线

Fig. 13. Experimental results of wavelength tuning. (a) Bias between scanning and standard curves; (b) precision and correctness curves

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4 结论

为满足光通信、光谱分析和光纤光栅解调等领域的高精度可调谐光源需求,搭建了MGY可调谐激光器高精度波长调谐系统,实现了粗扫描结合细扫描的高精度波长扫描标定,常温下系统的调谐精密度为0.26 pm,调谐准确度为0.2 pm。利用此系统测试考察了MGY激光器输出波长以及内置F-P标准具的温度漂移特性,发现MGY激光器输出激光波长与温度具有良好的线性关系,而且斜率不变,截距随温度线性变化;F-P标准具的温度稳定性相对较差,不适合作为波长基准。在此基础上,研究了基于外部气体吸收基准的高精度波长校准方法,并进行温度实验测试。结果表明,在-25~+75 ℃温度范围内,40 nm波长扫描范围内调谐曲线的线性度优于0.9999,调谐波长精度优于0.18 pm,准确度优于0.12 pm。所搭建系统实现了扫描激光器在宽温度范围的高精准扫描,为工业应用提供了高精准且实用的激光基准。