Tunable laser可调激光器的锁波长方案
激光器锁波长技术是指通过各种手段将激光器的输出波长稳定在某一特定值或范围内，以满足高精度应用的需求。这些技术包括Etalon、波长计/光谱仪反馈、波长参考源、温度控制、电流控制、锁相环（PLL）技术、外腔元件调节和非线性光学元件等。每种技术都有其独特的优点和适用场景，选择合适的技术取决于具体的应需求和激光器类型。通过这些技术，可以显著提高激光器的性能、可靠性和精度，广泛应用于科学研究、工业生产、通信系统、医疗健康等多个领域。
1 etalon（法布里-珀罗标准具 ）基本原理
Etalon（法布里-珀罗标准具）锁波长的原理基于光的多光束干涉效应，通过精确控制腔长来选择性地增强或抑制特定波长的光。
假设一束单色光以垂直入射的方式进入Etalon，如图1所示。设两反射面之间的距离为 𝐿，光在真空中的波长为 𝜆，折射率为 𝑛。光在两次反射之间传播的距离为 2𝑛𝐿。如果光在腔内往返一次后与原始光波产生相位差为整数倍的 2𝜋，则会发生干涉导致透射增强；反之，若相位差为奇数倍的 𝜋，则会发生破坏性干涉，即透射减弱。
图1光通过etalon示意图
对于透射增强的情况，相位差 Δ𝜙 应满足以下条件：
Δϕ=2πm m=1.2.3…（1）
其中m 是整数，表示光在腔内往返的次数。根据光程差公式，可以得到：
2nL=m 𝜆 L=m 𝜆/2n （2）
这意味着，只有当腔长 𝐿 等于波长 𝜆 的整数倍的一半时，特定波长的光才能透过 Etalon。(2) 式子进行变换得到
ν=mC/2nL （3）
其中C为光速，ν为光频率。
为了更精确地描述 Etalon 的透射特性，我们需要引入反射系数𝑟 和透射系数 𝑡。设反射面的反射率为 𝑅=∣𝑟∣2 ，透射率为 𝑇=∣𝑡∣2 ，则总的透射率 𝑇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 可以通过无限级数求和得出。对于理想情况下的高反射率镜面（𝑅≈1），透射率可以简化为：
Ttotal (λ)= T /(1+4R(1−T)sin2 (πd/λ)) （4）
其中 𝑑=2𝑛𝐿 是光程差。当 sin2(𝜋𝑑/𝜆)=0 时，即 𝑑/𝜆=𝑚/2，透射率达到最大值。如下图对光谱与透射率作图可以得到
图2 etalon透过率与频率关系
从图上也可以看到FSR= C/2nL 为两个透过率最大值的频率差。定义了 Etalon 的自由光谱范围（FSR），即相邻两个透射峰之间的波长间隔。
2nL=△ν=𝜆2/2nL （5）
假设我们有一个 Etalon，其腔长为𝐿=10 mm，折射率为 𝑛=1.5，工作波长为 𝜆=1550nm。根据上述公式，我们可以计算出 FSR：
FSR= (1550×10 −9 ) 2 /(2×1.5×10×10 −3) ≈7.85GHz
这表明相邻两个透射峰之间的频率间隔约为 7.85 GHz，对应于大约 0.06 nm 的波长间隔。通过调整elalon 温度（折射率n），改变入射角θ 或是改变腔长 L，都可以改变滤波器的中心波长，达到调谐的目的。
在密集波分复用（DWDM）系统中，Etalon 用于确保每个信道的波长准确无误。通过精确控制 TEC，可以使 Etalon 的透射峰与 DWDM 信道的中心波长对齐，从而实现波长锁定。此外，还可以利用压电换能器（PZT）直接调节腔长，提供更快的响应速度。
2 Tunable laser的锁波器的原理
为了实现DWDM系统所需的信道稳定性，必须将激光器锁定在ITU网格上的特定信道上。可调谐激光器的发展导致了对覆盖多个通道的反馈/锁定系统的需求。基于F-P滤波器的外部锁波系统上满足了这一需求，但激光制造商越来越多地将etalon锁波器集成到激光器的封装中，实现实时的反馈和锁定激光器的输出波长。
一个标准的波长锁定器通常由两个光电探测器、分束器（平板式或立方体型）、一个etalon标准具以及衬底或载体组成。当输入波长发生变化时，它会产生周期性的干涉图样。标准具的长度决定了自由光谱范围（FSR）或周期性，其设计要与波分复用（WDM）系统的信道间隔（即 200 GHz、100 GHz、50 GHz等）相对应。图4为一个etalon的透射光与频率之间的关系，其中峰值之差为25GHz。
图3 Etalon Filter透射光与频率之间的关系
Etalon 一般由熔融石英制成。由于它们是固体，其折射率和热膨胀系数会受温度影响，这两者都会改变器件内的光程长度，进而改变自由光谱范围。这可能导致波长以每摄氏度 1.3 GHz的量级发生漂移。气隙标准具可使这种漂移问题最小化，但它比固体标准具的尺寸要大得多。波长锁定器的示意图4如下所示。
平行光被分束器分成两部分，其中一部分反射穿过Etalon，然后被Etalon PD 接收，该光PD起着波长监测器的作用。透射光则被Reference PD接收，Reference PD起着功率监测器的作用。
图4 Wavelocker Schematic
Etalon锁波器是反馈系统中的传感器，它能使可调谐激光器中的波长保持稳定。Etalon锁波器的功能是提供一个会随波长变化而进行调制的电信号。Etalon锁波器还能检测激光的输出功率。通过对比这两个信号，就可以检测出波长和功率的变化情况。在激光器封装时对激光器的波长进行校正，通过调节Etalon的位置或者TEC的温度将激光器的输出波长正确的卡在Etalon的Lock range 中间点，即可记录下激光输出波长和与两个PD之间的比例关系。当激光器的输出波长发生变化时，此图中Etalon PD signal就发生变化，Etalon PD和Reference PD的比例关系发生变化。
A(𝜆)=(Etalon PD -αRe-PD)/ (Etalon PD+αRe-PD) （6）
波长差函数如式（6）所示，其中α为Reference PD的增益系数。该参数决定了（波长）在其中一个栅格上的锁定点，而分母是一个输出功率归一化因子。
图4 Wavelocker PD 输出的两个电信号
通过将etalon的角度调谐至 1541.75 纳米（这是国际电信联盟电信标准化部门（ITU - T）所规定信道之一），且精度控制在 4 - 10 pm范围内，能够调整波长差函数的锁定点，这样就获得了大于 ±0.12 nm的捕捉范围以及正确的波长反馈响应。
3 Tunable laser的锁波结构
Tunable laser封装设计中，如果按照锁波结构在出光方向的前后进行分类，可以分为前向锁波长结构和后向锁波长结构。如下图5所以
a 前向锁波结构
图5. a 前向锁波结构；b后向锁波结构
从上面也可以看到前向锁波和后向锁波的区别主要在锁波的结构是从激光前向出光口发射光分出来的光进行激光器监控还是从激光器的后向出光口发射出来的光进行波长监控。这个在激光器芯片的设计阶段就好考虑，不同的结构激光器的后端口镀膜反射率不同。在JDSU的ITLA激光器采用的是a结构，Oclaro ITLA激光器采用的是b结构。其中a结构在前向光能量上经过前面多次分光，输出光能量有所损失。
基于以上的基本结构也发展出多中形式，如下图激光模块的结构设计如图 6 所示。这种设计这种后向锁波结构，后向光通过准直后被棱镜进行分光到etalon PD和reference PD，整体结构封装在同一个TEC上面，如图 6（b）的侧视图所示。
图6 Schematic view for laser module
图7为一个前向锁波结构，准直光前面通过一个分光棱镜将光分成两束分别反射到两个PD上。这是Finisar的一种结构。
图7． Integrated wavelength locker in front-facet configuration
玻璃结构的etalon容易受到温度的影响，所以有不同的方案把etalon进行一个温度隔离。有的采用分离的TEC结构。有的采用etalon 隔热悬空结构。如图8结构采用两个TEC，这样可以使得etalon温度不受到干扰，并且可以进行单独调节，实现更精细的调节,超稳定的波长稳定性。
图8 双TEC激光器结构 (a) 1–TEC design. (b) 2–TEC design.
图9 热隔离激光器 etalon封装结构
标准具悬挂在PD 模块上，在热电制冷器（TEC）与etalon之间留有 500 微米的气隙，以此来降低热敏电阻的功耗（即热电制冷器所承受的热负载），并且为实现etalon的无热效应运行和封装外壳到etalon之间的热传导链路被隔开。
参考
[1] A Highly Stable and Reliable Wavelength Monitor Integrated Laser Module Design
[2] Wavelength Monitor Integrated Laser Modules for 25-GHz-Spacing Tunable Applications
[3] Finisar.Controlling the S7500 CW Tunable Laser
[4] 50 GHz spacing, multi-wavelength tunable locker integrated in a transmitter module with a monolithic-modulator and a DFB-laser
[5] Thermally Controlled Wavelength Locker Integrated in Widely Tunable SGDBR-LD Module
[6] Mitsubishi Electric to Ship Samples of Tunable Laser-diode Chip for Optical-fiber Communication
[7] Mitsubishi Electric to Ship Samples of Tunable Laser-diode Chip for Optical-fiber Communication
[8] integrated Wavelength Locker for Tunable Laser Applications
[9] 40mW over DFB laser module with integrated wavelength monitor for SOGHz channel spacing DWDM application
[10] Highly Reliable 40-mW 25-GHz × 20-ch Thermally Tunable DFB Laser Module, Integrated with Wavelength Monitor
[11] Wavelength Monitor Integrated CW DFB Laser Module for DWDM Applications
[12] Fabry-Perot interferometers.MIT 2.71/2.710 Optics 10/24/05 wk8-a-2
[13] Fabry-Perot Interferometer.Department of Physics, Indiana University (HOM 12/21/99)
[14] Wavelength Locking and Determination in Tunable Lasers by Gain Voltage Measurement
[15] Highly-Reliable Operation of DFB Laser Modules with Integrated Wavelength Monitor'
