挚感科普小课堂：激光器频率噪声

2024-07-30
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挚感光子激光测振仪

激光器频率噪声

一

什么是激光器频率噪声

激光器的频率噪声，就是激光器在发出光波时，其频率产生的微小波动。这种波动就像是音符在演奏过程中突然高了一点或低了一点，虽然这些变化可能非常微小，但在一些精密的应用中，比如光通信、光谱分析、激光测距等领域，这些微小的波动却可能产生巨大的影响。通常人们将激光器高频率的频率波动称为频率噪声，低频率的称为频率波动。

在相干测量领域，激光器的频率噪声会对测量结果产生较大的影响，因此需要对频率噪声进行控制和处理，以提高测量的精确性和稳定性。

二

激光器频率噪声的来源

激光器频率噪声的来源是多种多样的，主要可以归结为以下几个方面：

自发辐射

自发辐射是激光器噪声的重要来源之一。在理想状态下，单频单纵模激光器输出的激光全部由受激辐射产生，没有自发辐射。然而，在实际应用中，激光器总会存在自发辐射，这会导致相位和振幅的随机起伏，进而引发激光器谱线展宽和输出功率起伏，形成强度噪声和频率噪声。自发辐射的随机性是激光器噪声的根源，它使得激光器的输出频率不再是一个固定的值，而是围绕中心频率有一定的波动，这种波动就是频率噪声。半导体激光器中自发辐射产生的噪声通常表现为高斯白噪声，频率可以延伸到GHz甚至几十GHz。

技术噪声

除了自发辐射外，技术噪声也是激光器频率噪声的重要来源。技术噪声可能来自于多个方面，包括但不限于以下几个方面：

泵浦电源的附加噪声：半导体激光器依靠电流源提供泵浦的重要组成部分，其稳定性直接影响到激光器的输出特性。如果电源存在附加噪声，那么这种噪声就会通过泵浦过程传递到激光器中，进而影响到激光器的输出频率稳定性。通常电源的噪声是半导体激光器低频频率噪声的最重要的贡献因素，表现为噪声随着频率减小而迅速增大，又被称为1/f噪声

温度涨落：温度是影响激光器性能的重要因素之一。如果激光器的工作环境温度存在涨落，那么就会对激光器的内部结构和材料产生影响，进而影响到激光器的输出频率稳定性。半导体激光器通常都使用热电致冷器进行温控，温度涨落的时间尺度在秒的量级，因此温度涨落对半导体激光器频率的影响通常在Hz和亚Hz级别。

图1给出了一个线宽为300KHz的半导体激光器频率噪声的频谱分布，其中可以看到自发辐射噪声和电源噪声的贡献。

图 1 半导体激光器频率噪声分布

三

激光器频率噪声对相干测量的影响

主要表现在以下几个方面：

降低相干性

相干性是指两个或多个光波在空间某点处相互叠加时，能够形成稳定干涉图样的能力。激光器频率噪声会导致光波的频率发生随机波动，从而使得光波之间的相位关系不再稳定，进而降低相干性。在相干测量中，如干涉仪、相干多普勒测风激光雷达等系统中，光波的相干性是关键因素之一。频率噪声的增大会使得相干性降低，导致测量结果的精度和稳定性下降。因为不同频率的光传播距离越远相位差异就越大，因此相干性降低的最直接影响就是测量距离变短，特别是在长距离应用中必须要使用频率噪声极低的窄线宽激光器。

影响测量精度

由于激光器频率噪声的存在，光波的频率不再是一个固定的值，而是围绕中心频率有一定的波动范围。这种波动会引入额外的测量误差，使得测量结果偏离真实值。特别是在需要高精度测量的场合，如光谱分析、精密测距等，频率噪声的影响尤为显著。它会导致测量结果的重复性变差，无法满足高精度测量的需求。

增加噪声水平

激光器频率噪声是相干测量系统中的一个重要噪声源。它会在测量过程中引入额外的噪声，使得系统的总噪声水平提高。噪声的增加会掩盖被测信号的真实信息，使得测量结果难以准确解读。在信噪比较低的情况下，频率噪声甚至可能成为限制测量精度的主要因素。

四

如何消除激光器频率噪声的影响

1、优化激光器设计：通过改进激光器的结构和材料，增加激光器腔长、优化增益材料和掺杂减小线宽增强因子。

2、采用被动负反馈机制：通过外腔引入光学负反馈将频率噪声压制。

3、利用主动稳频技术来抑制激光器频率噪声：特别是1/f噪声，利用光学滤波器实时测量激光器频率波动，并通过光电探测器转换成反馈信号，注入到激光器驱动源，将频率变化纠正，从而减小频率噪声，这种技术又被称为光学锁相环技术。

4、频率噪声测量和实时补偿：在测量信号时候同步获得激光器频率噪声的，并且在后期数字信号处理过程中将频率噪声的测量结果的影响进行扣除，从而获得更为精确的测量结果。

挚感优势

挚感光子致力于通过光子集成芯片技术实现高精度的相干测量应用。我们的产品采用了光子集成芯片，因此可以很容易将激光器频率噪声测量的功能单元集成在光子芯片上，从而可以使用主动稳频技术，抑制激光器的频率噪声，或者利用测量获得的频率噪声，对结果进行补偿。这也是为什么我们的产品中可以使用价格低廉的无温控半导体激光器而不是昂贵的外腔窄线宽激光器的重要原因。表1展示了使用了三家供应商的半导体激光器在挚感光子产品中开启光学锁相环前后的线宽对比（线宽是表征频率噪声大小的综合指标），可以看到，开启光学锁相环之后，激光器的线宽被大大压缩了。

	激光器1	激光器2	激光器3
未开光学锁相环线宽（KHz）	182	260	105
打开光学锁相环线宽（KHz）	60	180	50
线宽压缩比	3	1.4	2

表1 使用集成芯片实现光学锁相环前后和的激光器线宽对比

挚感（苏州）光子科技有限公司成立于2018年。公司基于核心团队在光电通信领域的深厚技术积累，致力于研发基于集成光学和相干通信的高端激光传感技术，以期颠覆传统的工业高精密传感技术，成为全球领先的集成相干光学传感器企业。目前公司开发的各类高性能、小型化、低功耗、高性价比的激光传感器以及干涉式激光尺，正逐步应用于精密制造、半导体、声学与超声波、机器“听”觉、数控机床等各项领域。公司拥有完整的自主知识产权，产品实现从光电芯片到模组、算法、软件和系统应用的垂直整合。

挚感光子还在不断推出各类激光传感器，丰富产品线，并满足客户化的产品定制需求，提供专业应用与集成方案。欲了解详情，请登录我们的网站www.osphotonics.com，或联系市场部sales@osphotonics.com，热线电话：4006-899-870，感谢您的关注！

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