----翻譯自Mazin Alalusi等人的文章

摘要

高性價比的 1550 nm DWDM平面外腔 （PLANEX） 激光器是干涉測量、布里淵、LIDAR 和其他光傳感應用的最佳選擇。其線寬<3kHz、低相位/頻率噪聲和極低的RIN。

簡介

高性能光纖分布式傳感技術是在過去幾年中開發(fā)的，但直到現(xiàn)在才進入大規(guī)模部署階段。與軍事、安全或石油和天然氣的早期應用相比，新應用對成本更敏感。高性能、高可靠且低成本的光源是光纖傳感的重要推動因素。

外腔激光器 ECL是一種緊湊而堅固的解決方案，適用于各種光纖傳感應用。與 DFB 激光器二極管相比，它具有更低的線寬和相位噪聲，對溫度和電流變化的不敏感。與光纖激光器相比，ECL 具有成本更低、外形小、高可靠性和環(huán)境穩(wěn)定性以及寬頻調諧等特點?；诓祭窆鈻诺幕旌?ECL 已經(jīng)被研究并與其他低噪激光器進行了比較 [1]。

窄線寬、低頻率噪聲、低 RIN的 1550 nm DWDM 平面外腔激光器 （PLANEX） 基于硅基二氧化硅平面光波電路 （PLC） 波導布拉格光柵。這種腔體結構具有低相位噪聲和窄線寬，可在各種環(huán)境條件下與長腔光纖激光器相媲美。PLANEX 激光器具有高可靠性，適用于干涉測量、布里淵光纖傳感、相干多普勒 LIDAR 和微波光子學應用。激光器可用于多種產(chǎn)品平臺，允許即插即用。

PLANEX 激光器設計

PLANEX 激光器如圖 1 所示。該腔體是通過將 InP 增益芯片GainChip 的抗反低增透AR涂層與 PLC 上的波導布拉格光柵之間的光耦合而構成的。

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PLANEX 激光器封裝在熱電致冷器 TEC 頂部上并封裝在標準 14 引腳蝶形封裝中，設計確保在-10oC 至 75oC 的寬外殼溫度范圍內運行，光輸出還包括隔離器和標準或保偏單模光纖。PLANEX 激光器采用經(jīng)過驗證類半導體激光器的的方法設計和組裝。ORION 驅動模塊包括了低噪聲偏置電流源、TEC 控制器和標準數(shù)字接口等及部分，可實現(xiàn)簡單的設置、控制和集成。高功率 RIO GRANDE 模塊包括一個 PLANEX 激光器和一個低噪聲 EDFA，在不降低相干和噪聲特性情況下，可提供高達 2W 的輸出功率。

性能

通過優(yōu)化 GC、PLC 布拉格光柵光譜設計以及 GC 和 PLC 波導之間的耦合，確保低腔內損耗，從而優(yōu)化激光腔降低相位噪聲。激光器噪聲性能與與最好的半導體 DFB 和光纖激光器對比如圖 2 所示。

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使用 50 km 光纖的自延遲外差方法測量FWHM 洛倫茲線寬大約2 kHz 。頻率為 1 kHz 時，RIN <為-145dB/Hz>，散粒噪聲限制為 >500 kHz。不存在光纖激光器典型的 RIN 峰值，更適合聲學和地震傳感干涉測量。與基于 FBG 的激光器（ECL 和光纖激光器）相比，PLANEX 腔堅固耐用且本質穩(wěn)定，激光器的可靠性已通過 Telcordia 認證，集成模塊設計用于在惡劣的環(huán)境條件和振動下運行。

PLANEX 激光器應用

PLANEX 激光器經(jīng)過測試并應用于各種分布式光纖和自由空間光纖傳感系統(tǒng)，包括干涉測量、布里淵溫度/應力測試和相干多普勒激光雷達。相位噪聲足以滿足大多數(shù)干涉光纖傳感應用的需求，包括 TDM/DWDM 和相干瑞利。低 RIN 通過避免從高頻 RIN 到聲頻率范圍的噪聲混疊來提供額外的有效相位噪聲降低 [2]。成本效益高、外形小巧、環(huán)境穩(wěn)定性和可靠性高，使其成為復雜聲學/地震傳感系統(tǒng)的最佳光源，包括用于石油和天然氣海上和下井傳感系統(tǒng)的多通道系統(tǒng)，以及其他動態(tài)傳感，包括水聽器、周界和管道入侵檢測、基礎設施結構健康監(jiān)測。

基于光學鎖相環(huán)（OPLL） 的 布里淵BOTDA/R 是一種很有前景的長距離和高分辨率分布式溫度和應力系統(tǒng)（DTSS） 技術。以前開發(fā) OPLL 的嘗試受到激光性能的限制。半導體 DFB 受到波長的低相干性和對電流和腔體溫度偏差的高靈敏度的限制。光纖激光器參數(shù)的環(huán)境敏感性也限制了 OPLL 的性能和長期穩(wěn)定性。

PLANEX 激光器特別適用于高性價比、可商業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)場部署的 OPLL 系統(tǒng)解決方案。我們開發(fā)了封裝的 OPLL，包含兩個 PLANEX 激光器、高頻光電探測器和 PLL 電路。OPLL 性能足以滿足分布式傳感要求，具有以下特性：

兩個光輸出之間的可調波長偏移高達 15 GHz

調諧范圍高達 5 GHz

連續(xù)調諧范圍高達 1 GHz

調諧步長從 100 kHz 到 10 MHz。

步進調諧速度 0.2-0.5 毫秒

鎖定激光器的線寬< 1 kHz

長期拍頻穩(wěn)定性優(yōu)于 10 kHz。

相干多普勒激光雷達是針對各種應用（包括風能渦輪機計量）的快速發(fā)展技術。PLANEX 激光器在廣泛的惡劣環(huán)境條件（包括沖擊和振動）下具有頻率穩(wěn)定性，因此在風電激光雷達中表現(xiàn)出最佳的性價比。PLANEX 和 ORION 模塊的低功耗和小尺寸使其成為 MOPA 的理想種子激光器。

結論

PLANEX 激光器結合了光纖/固態(tài)激光器的高性能以及半導體激光器的小尺寸高穩(wěn)定性、高可靠性和成本效益的優(yōu)點。該激光器已在各種光纖傳感干涉測量、應用、包括溫度/應變傳感在內的布里淵應用和相干多普勒激光雷達中得到驗證。基于 PLANEX 的 OPLL 表現(xiàn)出高性能和長期穩(wěn)定性，并且可以集成到緊湊的封裝中。OPLL 作為子系統(tǒng)產(chǎn)品，可以方便地開發(fā)和適應新一代光纖傳感技術，如布里淵分布式傳感、相干多普勒傳感和射頻光子學。

參考文獻

[1] . Mazin Alalusi et al. “Low noise planar external cavity laser for interferometric fiber optic sensors”. Proc. of SPIE Vol. 7316, 73160X (2009)

[2]. C. K. Kirkendall et al, “Sensitivity Limitations Due to Aliased High Frequency Phase Noise in High Channel-Count TDM Interferometric Arrays”, 11th OFS Conference, Japan Soc. App. Phys., p. 678 (1996)

注：本文由天津見合八方光電科技有限公司挑選并翻譯，旨在推廣和分享相關半導體光放大器SOA基礎知識，助力SOA技術的發(fā)展和應用。特此告知，本文系經(jīng)過人工翻譯而成，雖本公司盡最大努力保證翻譯準確性，但不排除存在誤差、遺漏或語義解讀導致的不完全準確性，建議讀者閱讀原文或對照閱讀，也歡迎指出錯誤，共同進步。見合八方提供全系列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)。

審核編輯 黃宇