行业知识|了解激光线宽及其重要性-凡亿课堂

导言

可调谐激光器与密集波分复用技术（DWDM）的结合，使数据通信和电信行业能够在不增加现有光纤基础设施的情况下扩大网络容量。此外，将相干技术微型化为可插拔收发器模块，使 DWDM 解决方案 IP 化得以广泛实施。通过简化安装和维护，自调整算法也使 DWDM 解决方案得到了更广泛的应用。因此，许多应用案例--城域传输、数据中心互联等--都在向可调谐插拔式解决方案过渡。

可调谐激光器是所有这些可调谐通信系统（包括直接检测系统和相干系统）的核心部件。激光器产生的光信号经调制后通过光纤发送。因此，该信号的纯度和强度将对通信系统的带宽和覆盖范围产生巨大影响。这就是激光线宽成为关键因素的原因[1]。

了解激光线宽

理想的、完全纯净的光源可以产生单一、精确的光色。然而，现实生活中的激光并不纯净，会产生超出预期颜色的光。这种偏差的大小就是我们所说的激光线宽。换句话说，线宽描述了激光束波长光谱中的波长范围。

激光器的线宽可以根据使用的具体标准以不同的方式定义。下面是几个例子：

- 半最大全宽（FWHM）：常见且简单明了的定义。它指的是强度为最大值一半时的激光光谱宽度。

- 高斯线宽：在某些情况下，线宽可以用适合激光输出光谱轮廓的高斯分布的标准偏差来表征。

- Schawlow-Townes 线宽：该定义与激光器的量子噪声有关。您可以将其视为 "理想 "激光器可能具有的最基本、最小的线宽。

- 洛伦兹线宽：洛伦兹线宽基于洛伦兹分布，常用于模拟某些激光器的光谱线。

- 频率或波长范围：与使用 FWHM 这样的特定标准不同，某些应用可能通过指定频率或波长范围来定义线宽，在此范围内，总功率的某个百分比（如 95%）被包含在内。

这些不同的定义可能更适合特定的环境或应用，具体取决于相关激光系统的要求和特性。

线宽对相干传输的影响

激光是一种非常精确的光信号发生器。相位噪声就象是这些信号在时间上的微小随机摆动或不稳定。这就好比激光无法准确决定何时开始和停止光输出，从而在时间上产生了少量的不确定性。对于通信应用来说，精确的定时至关重要。

如图 1 所示，具有较大线宽的不纯激光会产生较不稳定的相位，从而在传输数据中传播误差。这意味着它的传输速度将低于预期。

图 1：激光线宽对相干传输过程中相位噪声的影响。图中显示了相干系统在不同激光线宽（按频率测量）下传输的点。激光线宽越大，传输的点就越模糊，以至于无法相互区分。

在相干系统中，信息是通过光的相位编码的，光源越纯，所能传输的信息就越多。激光线宽越窄，相位越稳定，相位噪声越小，信号质量越高。相反，较宽的线宽会导致相位噪声增加，从而降低信号质量，限制通信系统的可实现数据传输速率和覆盖范围。

减少激光线宽和噪声的方法

改善半导体激光器线宽的最直接方法之一是在第二个更大的谐振器内使用激光器。这种设置被称为外腔激光器（ECL），因为新的谐振器或腔将使用原激光器外部的额外光学元件。

图 2：外腔激光器示意图。典型的半导体激光器是 "基本激光器"（甚至可以是 DFB 或 DBR）。围绕基底激光器的外腔由透镜、反射镜或光栅等附加元件组成，以实现额外的波长调谐。

新的外部谐振器还为激光器的调谐提供了更多的自由度。ECL 已成为电信行业最先进的解决方案：它们使用 DFB（分布式反馈）或 DBR（分布式布拉格反射镜）激光器作为 "基本激光器"，并使用外部光栅作为滤波元件，以实现额外的调谐。这些激光器可以提供低噪声、窄线宽和宽调谐范围的高质量激光束。但是，它们也要付出代价：制造的复杂性。

EFFECT Photonics 采用截然不同的方法制造激光器。大多数开发商使用线性谐振器制造激光器，激光在两个反射镜之间来回反弹。然而，EFFECT Photonics 使用的是环形谐振器，这种谐振器采用了不同的反馈方法：光在包含活性介质的环内循环多次。环通过波导与光路的其他部分耦合。

图 3：(a) 线性激光器和 (b) 环形激光器之间的比较。这两张图都显示了电子 p- 和 n- 触点。