半導(dǎo)體激光器電流調(diào)制實(shí)現(xiàn)短相干光源

馮 勇，張文喜*，伍 洲，李 楊，郭曉麗

（1.中國科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京100094；2.中國科學(xué)院大學(xué) 光電學(xué)院，北京100049）

1 引 言

傳統(tǒng)的干涉儀采用激光光源，由于激光的相干性較高，在平行平板、棱鏡等特殊光學(xué)元件測量時(shí)串?dāng)_嚴(yán)重，無法直接進(jìn)行測量［1］。而LED、鎢燈等光源由于準(zhǔn)直性較差、光強(qiáng)穩(wěn)定性和相干長度較短等特點(diǎn)，同樣不適合作為特殊光學(xué)元件檢測干涉儀的光源。短相干激光光源具有方向性好、亮度高和相干長度適中等優(yōu)點(diǎn)，是特殊元件檢測干涉儀的理想光源［2］。

短相干光源的實(shí)現(xiàn)以及優(yōu)化主要是從半導(dǎo)體激光器自身結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電路和輻射光路3個(gè)方面展開［3］。在半導(dǎo)體激光器自身結(jié)構(gòu)上，把納米材料摻到增益介質(zhì)之中，雖然可以把半導(dǎo)體激光器的相干長度降低到LED數(shù)量級(jí)，但這種方法的電光轉(zhuǎn)換效率極低，離實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離；改變激光器的腔體結(jié)構(gòu)，確實(shí)從根源上降低了相干長度，但腔體的設(shè)計(jì)還需要綜合考慮工藝、成本等因素［4］。通過調(diào)節(jié)光路改變半導(dǎo)體激光器的相干性，把散射器件插到光路之中，雖然可以顯著降低相干性，但光束質(zhì)量會(huì)下降，使得光束聚焦困難；用光學(xué)反饋法進(jìn)行相干裁剪，對(duì)于相干長度的降低效果十分顯著，但激光器的壽命會(huì)受到影響，該技術(shù)需要進(jìn)一步完善才能應(yīng)用于工業(yè)界［5］。通過電路對(duì)半導(dǎo)體激光器的相干性進(jìn)行調(diào)節(jié)，加入射頻調(diào)制之后，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，操作簡單，便于調(diào)節(jié)，并且電流調(diào)制有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的微型化、集成化，滿足業(yè)界對(duì)于短相干光源的需求，也是未來一段時(shí)間短相干光源的主要發(fā)展方向［6］。

現(xiàn)有的電流調(diào)制短相干光源采用小信號(hào)調(diào)制，輸出光功率可達(dá)15 mW。本文采用大信號(hào)電流調(diào)制半導(dǎo)體激光器來產(chǎn)生短相干光源。該光源采用中心波長為637 nm的半導(dǎo)體激光器，在偏置電流供電的同時(shí)，疊加電流調(diào)制信號(hào)，最終達(dá)到降低其輸出光相干性的目的。相較于現(xiàn)有的短相干光源，功率提升可以達(dá)到100%，為短相干光源應(yīng)用于大口徑干涉測量提供了可能。

2 理論模型

2.1 半導(dǎo)體激光器的相干函數(shù)

短相干光源相干長度的表達(dá)式為：

其中：λ為中心波長，Δλ為譜線寬度。降低相干長度的首要任務(wù)是對(duì)光源的頻譜進(jìn)行展寬［7］。其次，在干涉測量領(lǐng)域，得到的干涉信號(hào)如果不能對(duì)除主峰以外的旁瓣進(jìn)行抑制，采樣精度會(huì)大大降低，直接影響到測量的準(zhǔn)確性［8］。在平行平板的測量中，當(dāng)平板厚度與兩個(gè)相干峰間隔有倍數(shù)關(guān)系的時(shí)候，平行平板的前后表面同時(shí)干涉，強(qiáng)烈的串?dāng)_會(huì)大幅度降低測量精度。因此，旁瓣的抑制直接關(guān)系到短相干光源在斐索干涉儀中的應(yīng)用效果［9］。

圖1 所示為本文使用的半導(dǎo)體激光器的增益曲線。增益曲線的線型為高斯線型，實(shí)際測得的半高寬約為1.25 nm，用Δλg表示；每個(gè)模式為洛倫茲線型，半高寬約為0.01 nm，用Δλms表示；每個(gè)模式之間的距離用Δλms表示，模式間距是一個(gè)與激光二極管腔長有關(guān)的函數(shù)，即：

圖1 激光器增益曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser gain curve

其中：c為光速，L為激光二極管的腔長，n為二極管的折射率［10］。

光源的相干函數(shù)由功率譜密度的傅里葉變換給出［11］，即：

其中：m(OPD)表示時(shí)間相干函數(shù)，OPD為干涉測量兩臂的光程差，S(ν)是光源的功率譜密度。假設(shè)所有模式都是有源的，光源光譜可以表示為：［12］

其中：ν表示相對(duì)中心頻率的偏移量，G(ν，Δνg)代表半高寬為Δνg的高斯增益曲線，其表達(dá)式為：L(ν，Δνm)代表半高寬為Δνm的洛倫茲線型，其表達(dá)式為：是一個(gè)采樣函數(shù)，其表達(dá)式為：

其中?(ν)是一個(gè)狄拉克函數(shù)。所以，光源的相干函數(shù)為［13］：

式（8）中，相干函數(shù)是由高度指數(shù)衰減的等間距高斯曲線和組成的指的是高斯線型的半高寬，每一個(gè)高斯線型與零光程差的距離為同 時(shí) 有 一 個(gè) 權(quán) 重 因 子代表從中心向兩邊數(shù)的旁瓣編號(hào)，n=0，±1，±2，±3，…。旁瓣強(qiáng)度的表達(dá)式為：

為了減少除中心瓣之外其他旁瓣的強(qiáng)度，必須增加單個(gè)縱模寬度與模式間距的比值在半導(dǎo)體激光器中，模式間距由激光器的腔長決定，模式寬度由輻射展寬決定。所以，頻譜展寬可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)相干度的降低與旁瓣抑制。

2.2 輸出光的譜線展寬

半導(dǎo)體激光器的P-I特性曲線如圖2所示。對(duì)激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行調(diào)制，注入電流由一個(gè)直流分量I0和一個(gè)震蕩頻率為ωm、幅度大小為Im的交流分量共同組成，注入電流可以表示為［14］：

圖2 半導(dǎo)體激光器的P-I特性曲線Fig.2 P-I charactetistic curves of semiconductor laser

激光二極管的輸出功率與注入電流直接相關(guān)，所以對(duì)激光二極管電流的調(diào)制最終會(huì)轉(zhuǎn)換為對(duì)激光二極管輸出功率的調(diào)制。因?yàn)榧す舛O管的增益介質(zhì)折射率和腔長隨著激光二極管電流的變化而變化，所以激光輻射光譜的頻率和振幅調(diào)制同時(shí)發(fā)生。在激光二極管的電流調(diào)制中，將ΔPΔI稱為斜率效能，選用斜率效能更高的激光二極管，有助于實(shí)現(xiàn)更好的調(diào)制效果。

對(duì)激光二極管進(jìn)行小信號(hào)頻率調(diào)制，此時(shí)輸出的調(diào)頻光波的電場可以表示為：

其中：ωm表示調(diào)制頻率，ω0表示光頻，β表示調(diào)制指數(shù)，其表達(dá)式為：

式中Δω代表最大頻率偏移。經(jīng)過頻率調(diào)制后，在基模ω0兩側(cè)產(chǎn)生了無窮多個(gè)邊模，每一個(gè)邊模的間距均為ωm。在這眾多邊模中，只有一階、二階邊模較為明顯，其大小與β有直接關(guān)系，也正是這些新產(chǎn)生的邊模使得譜線展寬［15］。

對(duì)調(diào)頻光波的電場進(jìn)行傅里葉變換，便可以得到調(diào)頻光波的光譜。其光譜可以用一階貝塞爾函數(shù)J1(β)表示：

式中，正弦函數(shù)系數(shù)的平方表示該頻率分量所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，n代表頻率分量的階數(shù)。

圖3 （a）為原始輸出 光頻率 分布，圖3（b）為調(diào)頻輸出光頻率分布，光譜寬度在頻域內(nèi)得到延展，在時(shí)域上的相干長度相應(yīng)地被壓 縮［16］。

圖3 調(diào)制前后的光頻率分布Fig.3 Optical frequency distribution before and after modulation

在小信號(hào)調(diào)頻的基礎(chǔ)上加入振幅調(diào)制，此時(shí)輸出光波的電場可以表示為：

式中：M表示調(diào)制深度，M值越大，振幅調(diào)制強(qiáng)度越大，即調(diào)制所采用的射頻強(qiáng)度越大。對(duì)調(diào)制后的輸出光進(jìn)行傅里葉變換，可以得到輸出光的光譜，該光譜用一階貝塞爾函數(shù)表示為：

當(dāng)調(diào)制深度M足夠大，即射頻強(qiáng)度較大時(shí)，輸出光的頻譜充分展寬，其旁瓣與相干長度均大幅度降低，可以實(shí)現(xiàn)短相干光輸出。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

短相干光源實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。半導(dǎo)體激光器安裝在LDM 9LP激光二極管驅(qū)動(dòng)器上，該驅(qū)動(dòng)器的最大驅(qū)動(dòng)電流為1 A，最大射頻輸入功率為500 mW，調(diào)制頻率為200 kHz~1 GHz，最大溫度控制電流為4.5 A，最大溫度控制電壓為3 V，加熱/冷卻能力可達(dá)7 W。驅(qū)動(dòng)控制裝置與TED200C溫度控制器、LDC202C恒流源以及N 5181A射頻源相連接。TED200C溫度控制器的最大輸出電流可達(dá)±2 A，最高輸出功率為12 W，溫度分辨率為0.01℃，溫度波動(dòng)≤0.002℃，通過調(diào)整控制回路的P，I和D值，可以精確控制激光二極管的溫度。LDC202C恒流源有著可靠的激光二極管保護(hù)功能，其電流波動(dòng)低至0.2μA，電流為0~200 mA。N5181A射頻源的輸出頻率為100 kHz~6 GHz，幅度為-120~30 d Bm，1 GHz偏置時(shí)相位噪聲≤-121 d Bc/Hz@20 k Hz。同時(shí)，使用橫河AQ6370D光譜儀對(duì)不同調(diào)制參數(shù)下的譜線寬度進(jìn)行測量，在600~1 700 nm波段，其先進(jìn)的單色鏡結(jié)構(gòu)可以分離相近的頻譜信號(hào)并進(jìn)行精確測量，測量精度為±10 pm，波長分辨率最高可達(dá)20 pm。

圖4 短相干光源實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Schematic diagram of short-coherent light source experimental devices

由半導(dǎo)體激光器輸出的光束通過光纖傳播，經(jīng)過光束準(zhǔn)直鏡后射向50∶50非偏振分光棱鏡，由分光棱鏡分為兩束，分別射向互相垂直的兩個(gè)角錐。其中一個(gè)角錐固定，另一個(gè)角錐搭載在PI公司的N-565位移臺(tái)上，當(dāng)角錐位于中心位置時(shí)，兩角錐與分光棱鏡的距離相等。N-565位移臺(tái)由E-861控制器控制，通過PID調(diào)控，控制精度可達(dá)1 nm。經(jīng)過兩個(gè)角錐反射后，干涉光束被DET 10A 2光電探測器采集，DET 10A 2光電探測器的最快上升時(shí)間為1 ns，有著極高的響應(yīng)速度。實(shí)驗(yàn)開始后，位移臺(tái)由-6.5 mm位置向6.5 mm位置移動(dòng)。在光程差-13~+13 mm內(nèi)，每隔10 nm采集一次干涉信號(hào)，光電探測器將所采集到的干涉信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，該信號(hào)由高速采集卡采集存儲(chǔ)，經(jīng)軟件處理后輸出調(diào)制信號(hào)圖像。

4 測量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

圖5 為半導(dǎo)體光纖激光器調(diào)制前后的對(duì)比圖像。在O點(diǎn)處，兩束光的光程差為零時(shí)，輸出光的相干性最好。由圖5可知，調(diào)制后光源旁瓣抑制比由0.7降低至0.31，次極大峰值的降低減少了主峰信號(hào)提取時(shí)的干擾，大大提高了干涉測量中主峰信號(hào)的提取精度。圖中主峰的半高寬L即為此時(shí)激光器的相干性，由于探測器暗電流噪聲、雜散光等的影響，相干長度的測量存在著較大誤差。因此，在實(shí)驗(yàn)中采用由光譜儀測得的譜線寬度描述半導(dǎo)體激光器的相干性。

圖5 半導(dǎo)體激光器的調(diào)制效果Fig.5 Modulation effect of semiconductor laser

4.1 調(diào)制頻率對(duì)光源相干性的影響

在實(shí)驗(yàn)中，選用固定的偏置電流和調(diào)制強(qiáng)度，測量調(diào)制頻率變化對(duì)于半導(dǎo)體激光器光源相干性的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 調(diào)制頻率對(duì)光源相干性的影響Fig.6 Influence of modulation frequency on coherence of light source

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著調(diào)制頻率的增加，3種實(shí)驗(yàn)條件下光源的譜線寬度均實(shí)現(xiàn)展寬，光源相干性大幅度降低。當(dāng)調(diào)制頻率為850 MHz時(shí)，相干長度最低可降低至65μm。從調(diào)制頻率選定的角度為斐索光源實(shí)現(xiàn)短相干提供了依據(jù)，通過提高調(diào)制頻率，光源的短相干特性得到了大幅提升。

4.2 調(diào)制強(qiáng)度對(duì)光源相干性的影響

在實(shí)驗(yàn)中，選用固定的偏置電流和調(diào)制頻率，測量調(diào)制強(qiáng)度的變化對(duì)于半導(dǎo)體激光器光源相干性的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7 調(diào)制強(qiáng)度對(duì)光源相干性的影響Fig.7 Influence of modulation intensity on coherence of light source

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著射頻強(qiáng)度的增加，3種實(shí)驗(yàn)條件下譜線寬度均實(shí)現(xiàn)大幅度展寬，半導(dǎo)體激光器相干性大大降低。當(dāng)射頻強(qiáng)度為25 dBm時(shí)，相干長度最低可降低至65μm。從調(diào)制強(qiáng)度選定的角度為斐索光源實(shí)現(xiàn)短相干提供了依據(jù)，隨著調(diào)制強(qiáng)度的增加，光源相干性大幅度降低。

4.3 偏置電流對(duì)光源相干性的影響

在實(shí)驗(yàn)中，選用固定的調(diào)制強(qiáng)度和調(diào)制頻率，測量偏置電流的變化對(duì)于半導(dǎo)體激光器光源相干性的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 偏置電流對(duì)光源相干性的影響Fig.8 Influence of bias current on coherence of light source

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著偏置電流的增加，3種實(shí)驗(yàn)條件下光源的譜線寬度均變窄，光源相干性增強(qiáng)。在偏置電流為140 mA時(shí)，輸出功率可達(dá)40 mW，但此時(shí)光源相干性較高。半導(dǎo)體激光器的相干性與偏置電流呈負(fù)相關(guān)。從偏置電流選定的角度為斐索光源實(shí)現(xiàn)短相干提供了依據(jù)，選用比半導(dǎo)體激光器閾值略大的電流有利于短相干特性的實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，當(dāng)調(diào)制頻率為700 MHz、射頻強(qiáng)度為27 dBm、偏置電流為130 mA時(shí)，光源的相干長度為80μm，輸出光功率可達(dá)30 mW，光源旁瓣抑制比下降至0.31。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)測量非接觸、高精度、抗串?dāng)_的要求，提出了一種基于半導(dǎo)體激光器電流調(diào)制實(shí)現(xiàn)的短相干光源，并給出了短相干光源實(shí)現(xiàn)的理論模型。基于理論分析搭建了短相干光源測試系統(tǒng)，并通過該系統(tǒng)驗(yàn)證了調(diào)制頻率、調(diào)制強(qiáng)度和偏置電流對(duì)于光源相干性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著調(diào)制頻率和調(diào)制強(qiáng)度的增加，偏置電流的降低，半導(dǎo)體激光器的相干性下降。在一定的調(diào)制參數(shù)下，光源的相干長度為80μm，輸出光功率可達(dá)30 mW，光源旁瓣抑制比下降至0.31，基本滿足工業(yè)場合對(duì)于短相干光源的要求。在保證輸出光強(qiáng)度的前提下，隨著相干長度的減小，斐索干涉儀系統(tǒng)的串?dāng)_得到極大的抑制。