可调光源Tunable Laser/Sweeping Laser相关技术
目录：
- 可调光源的定义以及原理；
- 市场上可调光源的分类；
- 可调光源的主要指标；
- 可调光源的应用；
- 可调光源的选择；
- 可调光源的未来；
一、可调光源的定义以及原理
可调光源是一个波长可以调整的激光光源。它的工作原理是在激光腔内加入一个波长选择的光学装置（选频器），使得只有被选的波长能形成共振，发出激光。波长的选择，可以透过调整选频器的参数来达成。比如调整FP-腔的长度，光栅的角度…等等的方法。取决于选频器的设计原理，有些可调激光的波长可连续扫描（又称扫描激光），有些则只能单点设定波长，称为切波光源。两种类型的光源，大家基本上把他们统称为可调光源，但他们各有适合的使用场景。
二、市场上可调光源的分类
目前市场上的可调光源，概略可以分为以下几类：
1. 内腔式的切波光源：目前最流行的技术是 SG-DBR的波长可切换式激光。 通信行业使用的信号发射源，ITLA，大都采用这个技术。它把所有可调激光的光学组件，都集成在一个芯片上。藉由控制流过芯片不同区域的电流值，来改变激光腔介质的折射率做波长的切换。它的每一个波长，会对应到一组电流参数。在出厂前，厂家已经建立好一组表格，把ITU格点上 （50GHz）的波长所对应的参数，存在内存里头，供用户取用。Finisar-II-VI, JDSU-Lumentum都有这个技术，线宽在MHz（兆赫）级别。它的调谐速度决定于控制芯片电流的切换速度。由于这种激光器已把所有的光学组件和控制都已集成在一个芯片上，适合大批量生产。这种激光已大量用于通信设备的发射器，所以价格低廉。
国内最早在通信测试和传感领域出现的可调谐光源基本上就是这类的波长切换激光。二次开发的厂家，把芯片做更细密的波长校准。把原先是50 GHz 一个校准点，加密到10pm，甚或 1pm的格点上。对于步进扫描和传感器来说，如果速度要求不高，波长范围不大，可以应付使用。
2. 温度调节的半导体激光器: 比如最早的Emcore/Santur –NeoPhotonics-Lumentum. 这一类的激光器，激光腔比较长，因此形成的激光线宽较窄，通常在几十KHz到百KHz。它的主要应用场合和第一类激光相近，都是作为通信系统的信号发射器。差别在于这类激光的线宽窄，适合于波分相干通信系统的信号发射和作为本振光源（local oscillator），也可用于光纤陀螺传感应用。但是由于是温度调节，速度很慢，无法应用于需要快速切换波长场域。
上面两类激光，属于波长可切换激光光源，波长无法连续调整。即使藉把波长间距校正到pm级别，在两个校准点的切换之间，是不出激光的。
3. 通过光栅和反射镜作为选频器的外腔可调激光器：这类激光器的波长连续可调。在扫描模式时，波长是连续变化的。工作原理大致如下：光栅使得不同波长的光衍射到不同的角度，反射镜选择了其中一个方向的光在激光腔里持续震荡，这个方向的光所对应的波长，就是激光出光的波长。其他方向（波长）的光由于差损太大，无法形成激光。藉由机械装置，改变光栅和反射镜的相对角度，就能调节出光的波长。这个方法几乎被用于所有的仪器类可调激光器。各个厂家的技术差别在于光路的安排和机械组件的选择与控制。目前市场 上商用的基本都是用马达作为驱动的机械装置。2011年成立的EXdBm，用 MEMS来取代马达。MEMS 和传统马达的差别在于没有机械磨损，同时具有轻巧，调整波长的速度快等优点。马达的重量远大于MEMS，加速和减速，都需要较长的时间。下图是马达驱动的可调激光器，速度和波长的关系图。起动扫描和结束扫描的加速/减速区间，速度是不均匀的， 无法使用。这个时间会持续几十个毫秒。采用MEMS的技术，大量的缩短加速/减速的时间，且很容易可以把波长调节速度做到扫描速度2000nm/s的均匀速度。
速度与波长曲线
三、可调光源的主要指标
可调光源的主要是指标有以下几个对于应用来说比较重要的指标：
1.波长调节范围：任何应用首先得确认需要用到的波长范围，波长范
围取决于两个方面，第一是增益介质的波长范围，比如半导体ITLA类型的激光器取决于激光腔本身的增益介质，一般情况波长范围比较短（通常是C-band 或者 L-band 的40 nm），而且比较受限，完成后波长范围是固定的，没有微调的空间。第二是选频器的波长调节范围。 举例而言，如果用温度调节选频器的波长，因为温度的限制，限缩了可调激光的波长调节范围。上一节提到的第三类激光，有较大的波长调整范围。 把选频器置于激光外腔，采用宽带的激光增益介质，波长调整范围可以达到几百nm。目前市场上，设备等级的可调激光，比如keysight，santec，EXOF和 EXdBm，就是采用上述的做法。其中，调节范围最大的是 EXdBm 的全波段激光，可从 1250 nm 调整到 1680 nm。
2.输出功率：不同的应用，对于输出功率有不同的要求。在通信领域
用于测试无源器件的可调激光，通常在10mW 以上就足够。搭配-70dBm灵敏度的探测器，测量的动态范围可达80 dB。 这样的动态范围，可以满足绝大部分的测试需要。在这种应用，激光的功率高，可以利用光分束器把光分给多个工位同步测量，仍然维60 dB的动态范围。有些特殊应用，需要更高的输出功率。比如镀超窄带滤片监控用的激光源。在这种应用里头，膜片形成之前，穿透率很低。 光源的功率若不够高，穿过滤片到达探测器的光强度一旦不足，监控信号就会受到电噪声的干扰会影响镀膜的良率。
3.静态的波长精度：波长精度取决选频器的稳定性。尤其当环境温度变
化时，波长会有飘动。 对于波长精度要求高的激光器，为了达到波长精度，激光器内部都装有波长锁定反馈系统。 不同的价格，有不同的波长精度，从 50 pm 到 1 pm精度，在市场上都有相应的产品。
4.扫描模式的波长精度：，对于扫描光源来说，扫描模式下的波长精度才是应用的关键。这个称为波长动态精度，是由选频器的扫描速度稳定性决定的。 举例而言，如果扫描速度为 100nm/sec，从1520nm 扫描到1570nm。在起始波长1520nm时，激光会发出一个起始触发信号，定义了时间零点。那么激光在扫描模式下，任何一刻的波长，就是 1520+Vt。V=100 nm/sec， t 是从起始触发之后的时距, 以秒为单位。假若速度是非常均匀的，那么用上式得到的波长就是精确的。验证动态波长的精度，必须用波长标准具。常用的为气体吸收峰标准具。用激光扫描该标准具，然后由速度公式计算出吸收峰值的波长，再和已知的吸收峰波长位置做比对，就能知道激光动态波长的准确度。
5.静态波长的重复性和稳定性指标：这个指标直接和选频器的稳定性和重复性直接相关，通常由波长反馈系统来保证。
6.输出功率的重复性和稳定性，这个指标也是通过功率反馈系统来保证，在仪表领域，反馈是最有效的方法来保证重复性和稳定性。
7.线宽: 在选择激光时，对这个指标必须有深刻的了解。常见的误区是线宽越窄越好，事实上并非如此。线宽和激光的相干长度直接成反比, 概略的关系为 Lc≈C/3.143Δν, C 为光速度，
为激光的线宽。 在相干长度内，如果有两个以上的反射面，即使是0.1% 的反射率，光的干射效应会造成光的强度不稳定，一般泛称以太龙效应（etalon effect）。 以100GHz，DWDM的滤片镀膜监控为例，滤片的带宽为400pm，基板的厚度大约10mm。镀膜监控时，如果没有在基本的反面做适当的处理（打毛或者磨成楔形角），基板正/反面的反射光会形成干射，而造成监控信号不稳定。比较好的解决方式是采用低相干的光源，来减少干涉噪声。以目前这个例子而言，基板的厚度的来回光程差是30mm。如果以此为激光的相干长度，那么对应到的激光线宽大约是 3.5 GHz. 如果我们采用线宽的大于3.5 GHz的激光源来监控镀膜，干射噪声会被有效的压制。由于滤片的带宽是400pm （50GHz）， 镀膜监控激光的线宽必须比滤片的带宽小3到4倍，也就是说，从这个考虑，激光线宽应该要小于12.5GHz。 换句话说，在这个应用上，激光线宽的上限由滤片的带宽决定，而线宽的下限则由基板的厚度决定。目前100G滤片的镀膜监控，最佳的激光线宽大约是 0.1nm（12.5GHz）.
可调激光的另一主要用途是用于无源器件的扫谱。在这个应用里头，线宽必须远小于待测物的谱宽。好比待测物体是一个50GHz的DWDM滤片，3-dB 带宽为 200 pm， 那么激光的线宽必须小于20pm。 对于这样的测量，线宽是 100MHz （0.8pm @1550-nm）， 1MHz 或者 100KHz，不会影响结果，因为它们都远小于200pm。
什么情况需要KHz 级别的激光？在相干通信里头，光的信号借由干射效应来解调，这个时候，必须是窄带激光才能做这个应用。
用户在选择激光时，必须根据自己的应用来选择一个适合的线宽，而不是越窄越好。EXdBm的激光器，可以根据客户的应用，客制激光的线宽。这是目前在市场上，唯一提供这个选项的供应商。
8.跳模: 从激光的基本理论来说，激光腔是支持多个纵模的。每一个纵模
的波长不同，纵模与纵模之间是等频率间隔的。测量扫谱用的可调激光，要求的线宽很窄，因此通常是单纵模激光。选频器的功能，就是选了其中一个纵模，同时抑制了其他的纵模，而使得激光形成单模震荡。被选上的纵模称为主模，这个模的差损最小。其他被抑制的诸多纵模，称为边模。所谓的边摸抑制比，是指主模的强度比上最强的边模强度， 这个比值通常大过30dB。理想上，选频器的波长会对齐主模的波长。当激光腔受到扰动（好比温度变了），或者可调激光在调整波长过程中，主模的波长和选频器的波长不一致时，差损最小的模在两个或多个纵模之间变换，就会出现跳模的现象。跳模时，波长会突然换到另一个波长，在这种状况下，对于波长精度要求高的测量，无法使用。激光在高速扫描波长的状态下，要维持波长的精确和不跳动，是可调激光技术最大的难点之一。
9.边模抑制比（SMSR）和信噪比（SNR）: 这两个指标都是越高越好, 常规的ITLA 大约在40 dB， 而设备等级的外腔可调激光可以达到 65 dB 以上。 这个参数直接影响测量的动态范围。好比用一个扫描激光来扫DWDM滤片的谱线，如果激光的信噪比太低，就无法准确的测量滤片的隔离度。，ITLA主要的用来做数据传输，40 dB的信噪比已经足够。但是用来做为测量的激光，有所不足。
10.1350-1390nm的水吸收峰的处理： 在这个波段，有很绵密的水吸收峰。正确的设计，激光的光路必须是在没有水分的密封盒内，以避免受到水吸收的影响。大部分的可调激光，使用马达驱动光栅或者转镜来调整波长。由于体积大，密封有一定的难度。EXdBm的激光，用微机电转镜MEMS mirror）作为波长驱动，光路在完全密闭的干燥盒子里，完全解决了水吸收的问题。
11.扫描速度，扫描速度取决于选频器的控制方式，以及选频时和纵模的同步性控制。 ITLA可以快速步进切换波长，但是信噪比差，波长范围小，限缩了它的应用。外腔激光，用MEMS来驱动波长调整，速度可达 2000nm/s， 比马达驱动的激光，速度快很多。
四、可调光源的应用
根据可调光源的可调原理大概可以分为以下几类常规的应用：
- 定点输出：A) 当做监控标准光源的应用，由于需要不同的波长应用，通信测试上面有耦合对光的应用，也有定点监控单一波长下的功率变化的应用。 如果只是在通信的ITU通道使用，可以选择比较便宜的切波光源，波长不能扫描，只能在几个定点做波长切换。 这种应用要求波长和功率的稳定性，两者皆可通过反馈来实现。光纤耦合或者连接的器件，通常有连接头以及各个光学面的反射，为了避免这些界面的些微反射光干射的结果造成功率的波动，建议用宽线宽的激光光源。镀膜监控的光源，要求监控的功率稳定性达到0.1%的水平，宽线宽的激光器是首选。B) 切波光源作为通信系统的信号发射器或者相干传感的载波。在这种应用里头，要求激光的线宽要窄，尤其是用于相干通信和传感的光源，必须是窄线宽才携带相位信息。
2.无源器件谱线的测量 （扫描速度100 nm/sec 到 1000 nm/sec）： 这种应用是利用可调激光器的高速扫描模式，搭配高动态范围的光探测系统来测量器件的差损谱，比如滤片的反射或者穿透的差损谱，硅光子器件的差损谱，，，。这样的测量，一般来说，以1秒为分水岭。如果扫描范围为100nm，激光的来回扫描周期必须在 1秒内完成。考虑到回扫的时间，正扫的速度至少要达到 200nm/sec。除了激光的扫描速度，对探测器也有要求。速度高，噪声低的功率计，通常都采用线性（TIA）放大器。TIA 的动态范围在30 dB 左右, 而一般的器件测量，30dB的动态范围是不够的。因此，为了得到一组完整的数据覆盖60dB以上的动态范围，必须多次扫描，每次扫描针对不同的功率区间设定TIA的增益，最后把几组数据结合起来。这就使得扫谱的时间多了好几倍。EXdBm独特的光学/电路设计，能够在一次扫描的时间里他，得到70dB 动态范围的谱线。大量的缩减测量扫谱的时间。
3.超高速的扫描应用 （> 1000 nm/sec）：这个主要是针对传感器的应用。 光纤传感是把待测量的物理参数，转化为载具的波长，再由扫描激光来测量载具的波长。最常用的载具是光纤光栅。待测的物理参数包含温度，压力，位移等等。 举例而言，如果把光纤光栅置于待测的环境，当环境的温度有变化时，光栅的反射波长就会发生偏移。这个偏移量可由扫描激光扫描光栅的谱线得到。这种测量和无源器件的扫谱测量是一样的，差别在于无源器件的差损谱测量，对于差损的精度有严格的要求，通常必须在0.03 dB以内。但是对于传感器的扫谱，唯一需要的信息是谱线的中心波长，因此对于差损谱的功率噪声的要求不高。在传感的应用里他，速度越快越好。 用MEMS 来驱动的扫描激光，速度可以达到 100,000 nm/sec. 这个是马达驱动的激光不可能达到的速度。
五、可调光源的选择
根据可调光源的应用以及主要参数和可调原理做出我们最合适的可调光源：
- 定点波长切换光源，根据波长范围和波长要求还有功率要求选择对应的可调光源。
- 扫描系统的光源，根据速度提高效率，输出功率共享测试，扫描波长精度要求和被测试器件的隔离度或者噪声选择对应光源的SMSR。
- 传感的应用选择，窄线宽＜30KHz的相干传感应用，或者扫频光源＞1000nm/s
六、可调光源的未来
综上所述，连续高速扫描的可调激光，在测量和传感的应用上，有巨大的潜力。配合高速，高动态范围的数据采集系统，更能发挥它的效用。目前由于价位高，使得他的应用场景受到限制。未来的发展，应该朝低成本，小型化，易于集成的方向前进。
切波式的可调光源，用目前大量生产的 ITLA可以满足基本要求，价钱也在可以接受的范围，但是波长范围小，切波速度慢，信躁比，使其只能在应用在有限的范围。
