可調光源Tunable Laser/Sweeping Laser
目錄：
1， 可調光源的定義以及原理；
2， 市場上可調光源的分類；
3， 可調光源的主要指標；
4， 可調光源的應用；
5， 可調光源的選擇；
一， 可調光源的定義以及原理
可調光源是一個波長可以調整的激光光源。它的工作原理是在激光腔內加入一個波長選擇的光學裝置（選頻器），使得只有被選的波長能形成共振，發(fā)出激光。波長的選擇，可以透過調整選頻器的參數(shù)來達成。比如調整FP-腔的長度，光柵的角度…等等的方法。取決于選頻器的設計原理，有些可調激光的波長可連續(xù)掃描（又稱掃描激光），有些則只能單點設定波長，稱為切波光源。兩種類型的光源，大家基本上把他們統(tǒng)稱為可調光源，但他們各有適合的使用場景。
二， 市場上可調光源的分類
目前市場上的可調光源，概略可以分為以下幾類：
1， 內腔式的切波光源：目前最流行的技術是 SG-DBR的波長可切換式激
光。 通信行業(yè)使用的信號發(fā)射源，ITLA，大都采用這個技術。它把所有可調激光的光學組件，都集成在一個芯片上。藉由控制流過芯片不同區(qū)域的電流值，來改變激光腔介質的折射率做波長的切換。它的每一個波長，會對應到一組電流參數(shù)。在出廠前，廠家已經建立好一組表格，把ITU格點上 （50GHz）的波長所對應的參數(shù)，存在內存里頭，供用戶取用。Finisar-II-VI, JDSU-Lumentum都有這個技術，線寬在MHz（兆赫）級別。它的調諧速度決定于控制芯片電流的切換速度。由于這種激光器已把所有的光學組件和控制都已集成在一個芯片上，適合大批量生產。這種激光已大量用于通信設備的發(fā)射器，所以價格低廉。
國內最早在通信測試和傳感領域出現(xiàn)的可調諧光源基本上就是這類的波長切換激光。二次開發(fā)的廠家，把芯片做更細密的波長校準。把原先是50 GHz 一個校準點，加密到10pm，甚或 1pm的格點上。對于步進掃描和傳感器來說，如果速度要求不高，波長范圍不大，可以應付使用。
2， 溫度調節(jié)的半導體激光器: 比如最早的Emcore/Santur –NeoPhotonics-
Lumentum. 這一類的激光器，激光腔比較長，因此形成的激光線寬較窄，通常在幾十KHz到百KHz。它的主要應用場合和第一類激光相近，都是作為通信系統(tǒng)的信號發(fā)射器。差別在于這類激光的線寬窄，適合于波分相干通信系統(tǒng)的信號發(fā)射和作為本振光源（local oscillator），也可用于光纖陀螺傳感應用。但是由于是溫度調節(jié)，速度很慢，無法應用于需要快速切換波長場域。
上面兩類激光，屬于波長可切換激光光源，波長無法連續(xù)調整。即使藉把波長間距校正到pm級別，在兩個校準點的切換之間，是不出激光的。
3， 通過光柵和反射鏡作為選頻器的外腔可調激光器：這類激光器的波長
連續(xù)可調。在掃描模式時，波長是連續(xù)變化的。工作原理大致如下：光柵使得不同波長的光衍射到不同的角度，反射鏡選擇了其中一個方向的光在激光腔里持續(xù)震蕩，這個方向的光所對應的波長，就是激光出光的波長。其他方向（波長）的光由于差損太大，無法形成激光。藉由機械裝置，改變光柵和反射鏡的相對角度，就能調節(jié)出光的波長。這個方法幾乎被用于所有的儀器類可調激光器。各個廠家的技術差別在于光路的安排和機械組件的選擇與控制。目前市場 上商用的基本都是用馬達作為驅動的機械裝置。2011年成立的EXdBm，用 MEMS來取代馬達。MEMS 和傳統(tǒng)馬達的差別在于沒有機械磨損，同時具有輕巧，調整波長的速度快等優(yōu)點。馬達的重量遠大于MEMS，加速和減速，都需要較長的時間。下圖是馬達驅動的可調激光器，速度和波長的關系圖。起動掃描和結束掃描的加速/減速區(qū)間，速度是不均勻的， 無法使用。這個時間會持續(xù)幾十個毫秒。采用MEMS的技術，大量的縮短加速/減速的時間，且很容易可以把波長調節(jié)速度做到掃描速度2000nm/s的均勻速度。
速度與波長曲線
三， 可調光源的主要指標
可調光源的主要是指標有以下幾個對于應用來說比較重要的指標：
1） 波長調節(jié)范圍：任何應用首先得確認需要用到的波長范圍，波長范
圍取決于兩個方面，第一是增益介質的波長范圍，比如半導體ITLA類型的激光器取決于激光腔本身的增益介質，一般情況波長范圍比較短（通常是C-band 或者 L-band 的40 nm），而且比較受限，完成后波長范圍是固定的，沒有微調的空間。第二是選頻器的波長調節(jié)范圍。 舉例而言，如果用溫度調節(jié)選頻器的波長，因為溫度的限制，限縮了可調激光的波長調節(jié)范圍。上一節(jié)提到的第三類激光，有較大的波長調整范圍。 把選頻器置于激光外腔，采用寬帶的激光增益介質，波長調整范圍可以達到幾百nm。目前市場上，設備等級的可調激光，比如keysight，santec，EXOF和 EXdBm，就是采用上述的做法。其中，調節(jié)范圍最大的是 GouMax 的全波段激光，可從 1250 nm 調整到 1680 nm。
2） 輸出功率：不同的應用，對于輸出功率有不同的要求。在通信領域
用于測試無源器件的可調激光，通常在10mW 以上就足夠。搭配-70dBm靈敏度的探測器，測量的動態(tài)范圍可達80 dB。 這樣的動態(tài)范圍，可以滿足絕大部分的測試需要。在這種應用，激光的功率高，可以利用光分束器把光分給多個工位同步測量，仍然維60 dB的動態(tài)范圍。有些特殊應用，需要更高的輸出功率。比如鍍超窄帶濾片監(jiān)控用的激光源。在這種應用里頭，膜片形成之前，穿透率很低。 光源的功率若不夠高，穿過濾片到達探測器的光強度一旦不足，監(jiān)控信號就會受到電噪聲的干擾會影響鍍膜的良率。
3：靜態(tài)的波長精度：波長精度取決選頻器的穩(wěn)定性。尤其當環(huán)境溫度變
化時，波長會有飄動。 對于波長精度要求高的激光器，為了達到波長精度，激光器內部都裝有波長鎖定反饋系統(tǒng)。 不同的價格，有不同的波長精度，從 50 pm 到 1 pm精度，在市場上都有相應的產品。
4：掃描模式的波長精度：，對于掃描光源來說，掃描模式下的波長精度才是應用的關鍵。這個稱為波長動態(tài)精度，是由選頻器的掃描速度穩(wěn)定性決定的。 舉例而言，如果掃描速度為 100nm/sec，從1520nm 掃描到1570nm。在起始波長1520nm時，激光會發(fā)出一個起始觸發(fā)信號，定義了時間零點。那么激光在掃描模式下，任何一刻的波長，就是 1520+Vt。V=100 nm/sec， t 是從起始觸發(fā)之后的時距, 以秒為單位。假若速度是非常均勻的，那么用上式得到的波長就是精確的。驗證動態(tài)波長的精度，必須用波長標準具。常用的為氣體吸收峰標準具。用激光掃描該標準具，然后由速度公式計算出吸收峰值的波長，再和已知的吸收峰波長位置做比對，就能知道激光動態(tài)波長的準確度。
5 靜態(tài)波長的重復性和穩(wěn)定性指標：這個指標直接和選頻器的穩(wěn)定性和重復
性直接相關，通常由波長反饋系統(tǒng)來保證。
6 輸出功率的重復性和穩(wěn)定性，這個指標也是通過功率反饋系統(tǒng)來保證，在
儀表領域，反饋是最有效的方法來保證重復性和穩(wěn)定性。
7 線寬: 在選擇激光時，對這個指標必須有深刻的了解。常見的誤區(qū)是
線寬越窄越好，事實上并非如此。線寬和激光的相干長度直接成反比, 概略的關系為
。C 為光速度，
為激光的線寬。 在相干長度內，如果有兩個以上的反射面，即使是0.1% 的反射率，光的干射效應會造成光的強度不穩(wěn)定，一般泛稱以太龍效應（etalon effect）。 以100GHz，DWDM的濾片鍍膜監(jiān)控為例，濾片的帶寬為400pm，基板的厚度大約10mm。鍍膜監(jiān)控時，如果沒有在基本的反面做適當?shù)奶幚恚ù蛎蛘吣コ尚ㄐ谓牵逭?反面的反射光會形成干射，而造成監(jiān)控信號不穩(wěn)定。比較好的解決方式是采用低相干的光源，來減少干涉噪聲。以目前這個例子而言，基板的厚度的來回光程差是30mm。如果以此為激光的相干長度，那么對應到的激光線寬大約是 3.5 GHz. 如果我們采用線寬的大于3.5 GHz的激光源來監(jiān)控鍍膜，干射噪聲會被有效的壓制。由于濾片的帶寬是400pm （50GHz）， 鍍膜監(jiān)控激光的線寬必須比濾片的帶寬小3到4倍，也就是說，從這個考慮，激光線寬應該要小于12.5GHz。 換句話說，在這個應用上，激光線寬的上限由濾片的帶寬決定，而線寬的下限則由基板的厚度決定。目前100G濾片的鍍膜監(jiān)控，最佳的激光線寬大約是 0.1nm（12.5GHz）.
可調激光的另一主要用途是用于無源器件的掃譜。在這個應用里頭，線寬必須遠小于待測物的譜寬。好比待測物體是一個50GHz的DWDM濾片，3-dB 帶寬為 200 pm， 那么激光的線寬必須小于20pm。 對于這樣的測量，線寬是 100MHz （0.8pm @1550-nm）， 1MHz 或者 100KHz，不會影響結果，因為它們都遠小于200pm。
什么情況需要KHz 級別的激光？在相干通信里頭，光的信號借由干射效應來解調，這個時候，必須是窄帶激光才能做這個應用。
用戶在選擇激光時，必須根據(jù)自己的應用來選擇一個適合的線寬，而不是越窄越好。EXdBm的激光器，可以根據(jù)客戶的應用，客制激光的線寬。這是目前在市場上，唯一提供這個選項的供應商。
8 跳模: 從激光的基本理論來說，激光腔是支持多個縱模的。每一個縱模
的波長不同，縱模與縱模之間是等頻率間隔的。測量掃譜用的可調激光，要求的線寬很窄，因此通常是單縱模激光。選頻器的功能，就是選了其中一個縱模，同時抑制了其他的縱模，而使得激光形成單模震蕩。被選上的縱模稱為主模，這個模的差損最小。其他被抑制的諸多縱模，稱為邊模。所謂的邊摸抑制比，是指主模的強度比上最強的邊模強度， 這個比值通常大過30dB。理想上，選頻器的波長會對齊主模的波長。當激光腔受到擾動（好比溫度變了），或者可調激光在調整波長過程中，主模的波長和選頻器的波長不一致時，差損最小的模在兩個或多個縱模之間變換，就會出現(xiàn)跳模的現(xiàn)象。跳模時，波長會突然換到另一個波長，在這種狀況下，對于波長精度要求高的測量，無法使用。激光在高速掃描波長的狀態(tài)下，要維持波長的精確和不跳動，是可調激光技術最大的難點之一。
9 邊模抑制比（SMSR）和信噪比（SNR）: 這兩個指標都是越高越好, 常規(guī)
的ITLA 大約在40 dB， 而設備等級的外腔可調激光可以達到 65 dB 以上。 這個參數(shù)直接影響測量的動態(tài)范圍。好比用一個掃描激光來掃DWDM濾片的譜線，如果激光的信噪比太低，就無法準確的測量濾片的隔離度。，ITLA主要的用來做數(shù)據(jù)傳輸，40 dB的信噪比已經足夠。但是用來做為測量的激光，有所不足。
10 1350-1390nm的水吸收峰的處理： 在這個波段，有很綿密的水吸收峰。
正確的設計，激光的光路必須是在沒有水分的密封盒內，以避免受到水吸收的影響。大部分的可調激光，使用馬達驅動光柵或者轉鏡來調整波長。由于體積大，密封有一定的難度。EXdBm的激光，用微機電轉鏡MEMS mirror）作為波長驅動，光路在完全密閉的干燥盒子里，完全解決了水吸收的問題。
11 掃描速度，掃描速度取決于選頻器的控制方式，以及選頻時和縱模的同步
性控制。 ITLA可以快速步進切換波長，但是信噪比差，波長范圍小，限縮了它的應用。外腔激光，用MEMS來驅動波長調整，速度可達 2000nm/s， 比馬達驅動的激光，速度快很多。
四， 可調光源的應用
根據(jù)可調光源的可調原理大概可以分為以下幾類常規(guī)的應用：
1， 定點輸出：A) 當做監(jiān)控標準光源的應用，由于需要不同的波長應
用，通信測試上面有耦合對光的應用，也有定點監(jiān)控單一波長下的功率變化的應用。 如果只是在通信的ITU通道使用，可以選擇比較便宜的切波光源，波長不能掃描，只能在幾個定點做波長切換。 這種應用要求波長和功率的穩(wěn)定性，兩者皆可通過反饋來實現(xiàn)。光纖耦合或者連接的器件，通常有連接頭以及各個光學面的反射，為了避免這些界面的些微反射光干射的結果造成功率的波動，建議用寬線寬的激光光源。鍍膜監(jiān)控的光源，要求監(jiān)控的功率穩(wěn)定性達到0.1%的水平，寬線寬的激光器是首選。B) 切波光源作為通信系統(tǒng)的信號發(fā)射器或者相干傳感的載波。在這種應用里頭，要求激光的線寬要窄，尤其是用于相干通信和傳感的光源，必須是窄線寬才攜帶相位信息。
2， 無源器件譜線的測量 （掃描速度100 nm/sec 到 1000 nm/sec）：
這種應用是利用可調激光器的高速掃描模式，搭配高動態(tài)范圍的光探測系統(tǒng)來測量器件的差損譜，比如濾片的反射或者穿透的差損譜，硅光子器件的差損譜，，，。這樣的測量，一般來說，以1秒為分水嶺。如果掃描范圍為100nm，激光的來回掃描周期必須在 1秒內完成?？紤]到回掃的時間，正掃的速度至少要達到 200nm/sec。除了激光的掃描速度，對探測器也有要求。速度高，噪聲低的功率計，通常都采用線性（TIA）放大器。TIA 的動態(tài)范圍在30 dB 左右, 而一般的器件測量，30dB的動態(tài)范圍是不夠的。因此，為了得到一組完整的數(shù)據(jù)覆蓋60dB以上的動態(tài)范圍，必須多次掃描，每次掃描針對不同的功率區(qū)間設定TIA的增益，最后把幾組數(shù)據(jù)結合起來。這就使得掃譜的時間多了好幾倍。EXdBm獨特的光學/電路設計，能夠在一次掃描的時間里他，得到70dB 動態(tài)范圍的譜線。大量的縮減測量掃譜的時間。
3， 超高速的掃描應用 （> 1000 nm/sec）：這個主要是針對傳感器的
應用。 光纖傳感是把待測量的物理參數(shù)，轉化為載具的波長，再由掃描激光來測量載具的波長。最常用的載具是光纖光柵。待測的物理參數(shù)包含溫度，壓力，位移等等。 舉例而言，如果把光纖光柵置于待測的環(huán)境，當環(huán)境的溫度有變化時，光柵的反射波長就會發(fā)生偏移。這個偏移量可由掃描激光掃描光柵的譜線得到。這種測量和無源器件的掃譜測量是一樣的，差別在于無源器件的差損譜測量，對于差損的精度有嚴格的要求，通常必須在0.03 dB以內。但是對于傳感器的掃譜，唯一需要的信息是譜線的中心波長，因此對于差損譜的功率噪聲的要求不高。在傳感的應用里他，速度越快越好。 用MEMS 來驅動的掃描激光，速度可以達到 100,000 nm/sec. 這個是馬達驅動的激光不可能達到的速度。
五， 可調光源的選擇
根據(jù)可調光源的應用以及主要參數(shù)和可調原理做出我們最合適的可調光源：
1， 定點波長切換光源，根據(jù)波長范圍和波長要求還有功率要求選擇對應的可調光源。
2， 掃描系統(tǒng)的光源，根據(jù)速度提高效率，輸出功率共享測試，掃描波長精度要求和被測試器件的隔離度或者噪聲選擇對應光源的SMSR。
3， 傳感的應用選擇，窄線寬＜30KHz的相干傳感應用，或者掃頻光源＞1000nm/s
本文僅供學習參考，需要原文檔請聯(lián)系整理者 xiaowei.lai@opeaktech.com