作者：張瑞新，上海瀚宇光纖通信技術(shù)有限公司總經(jīng)理

一、單頻光纖激光器，光纖激光市場(chǎng)中的另一賽道選手

單頻光纖激光器最早出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。與材料加工領(lǐng)域用的高功率光纖激光器不同，這種位于光纖激光市場(chǎng)另一賽道上的單頻激光器，因其獨(dú)特的性質(zhì)和特點(diǎn)，有著截然不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

單頻光纖激光器往往能夠?qū)崿F(xiàn)更窄的線寬，其中一個(gè)最重要的原因是單頻光纖激光器的諧振腔比單頻半導(dǎo)體激光器的諧振腔要長(zhǎng)很多倍。從外腔型單頻半導(dǎo)體激光器的技術(shù)路線和思想就可以理解這一點(diǎn)。

更長(zhǎng)的腔長(zhǎng)意味著諧振腔內(nèi)光子的壽命更長(zhǎng)，我們可以把滿足諧振腔震蕩條件的“波”，無(wú)論是駐波還是行波，看成光子流。這些波在諧振腔內(nèi)震蕩或者行進(jìn)的時(shí)間越長(zhǎng)，能夠滿足諧振腔內(nèi)相位匹配條件的光子就越少，最終輸出的光波（選頻得到固定的頻率或者波長(zhǎng)）相位噪聲就越低，輸出激光的頻譜線寬也就越窄。

對(duì)于這樣的現(xiàn)象我們可以形象地理解為：體力不支，自身?xiàng)l件不足夠優(yōu)秀的光子們?cè)陂L(zhǎng)途跋涉的諧振腔內(nèi)長(zhǎng)跑過(guò)程中逐漸掉隊(duì)被淘汰了，最終能夠測(cè)試合格達(dá)到終點(diǎn)的光子數(shù)量減少，但是都很優(yōu)秀。從另外一個(gè)角度來(lái)看，單頻半導(dǎo)體激光器的輸出功率可能有幾十個(gè)mW，而諧振腔直接輸出未經(jīng)放大的單頻光纖激光器則比較難實(shí)現(xiàn)高功率的輸出。例如：低噪聲摻鉺光纖的DFB型單頻光纖激光器諧振腔直接輸出功率通常只有幾十到幾百個(gè)uW。

二、商用單頻光纖激光器的兩大分類

商用的單頻光纖激光器主要分成兩大類，短直腔單頻光纖激光器和復(fù)合腔或環(huán)形腔單頻光纖激光器。其中短直腔單頻光纖激光器主要分為DFB型（分布反饋）單頻光纖激光器和DBR型（分布布拉格反射）單頻光纖激光器。

1.DFB型單頻光纖激光器

DFB型單頻光纖激光器的原理（圖1）和DFB型半導(dǎo)體激光器（圖2）一脈相承。有源區(qū)增益介質(zhì)上布滿了精心制作的有合適周期的光柵，其工作波長(zhǎng)主要受到光柵周期的影響。

圖1 分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器原理圖

圖2 分布反饋（DFB）型半導(dǎo)體激光器

DFB型單頻光纖激光器的增益介質(zhì)是稀土摻雜光纖，不同的稀土元素決定了激光器的工作波段，例如摻鐿（Yb）光纖工作在0.9-1.1 μm，摻鉺（Er）光纖和鉺鐿共摻（ErYb）光纖工作在1.5-1.6 μm，摻銩（Tm）和摻鈥（Ho）或者共摻的光纖工作在1.7-2.1 μm。

DFB型單頻光纖激光器的諧振腔由刻寫(xiě)在稀土摻雜光纖上的相移光柵構(gòu)成。所謂相移光柵，指的是兩端均勻周期的光纖布拉格光柵（FBG）之間有合適的距離，形成了π/4或者π/2的相移。我們把這樣的光柵稱之為有源相移光柵，它不但起到了頻率（波長(zhǎng)）選擇的作用，也構(gòu)成了光纖激光器的諧振腔。

從激光產(chǎn)生的三要素出發(fā)，我們可以發(fā)現(xiàn)DFB型單頻光纖激光器中有源相移光柵是一個(gè)及其關(guān)鍵的器件。制作出性能優(yōu)秀的有源相移光柵并不容易，可以說(shuō)這個(gè)光柵的性能決定了DFB型單頻光纖激光器的綜合性能。其中的技術(shù)難點(diǎn)包括：稀土摻雜光纖的選擇、高反射率相移光柵的刻寫(xiě)、光柵長(zhǎng)度、封裝等。

圖3 分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器

DFB型單頻光纖激光器的光路結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，如圖3可知其光學(xué)器件較少，因此其優(yōu)點(diǎn)為：

1）諧振腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其FSR自由光譜區(qū)可達(dá)GHz，易于實(shí)現(xiàn)單縱模輸出；

2）抗干擾能力比較強(qiáng)；

3）成本低廉，適合于批量應(yīng)用。

但是它也有相應(yīng)缺點(diǎn)：

1） π相移型光纖光柵技術(shù)難度高；

2）需要選擇合適的稀土摻雜光纖；

3）相移光柵封裝難度較高。

DFB型單頻光纖激光器主要在丹麥NKT Photonics、法國(guó)IxBlue、澳大利亞研發(fā)單位等十分著名。國(guó)內(nèi)的科研院所主要有中科院半導(dǎo)體所、上海光機(jī)所、山東省科學(xué)院激光研究所，而國(guó)內(nèi)其量產(chǎn)公司為上海瀚宇等。

2.DBR型單頻光纖激光器

DBR型單頻光纖激光器的出現(xiàn)時(shí)間久遠(yuǎn)，其受到重視并且得到快速的發(fā)展得益于高稀土離子摻雜濃度的特種玻璃光纖的發(fā)明?？梢哉f(shuō)磷酸鹽玻璃光纖的研制成功給1.5 μm波段的DBR型單頻光纖激光器帶來(lái)了巨大的影響，突破了傳統(tǒng)硅酸鹽基稀土摻雜光纖的摻雜濃度限制，大幅度提升了有源光纖的增益水平，從而能夠使得DBR型單頻光纖激光器在實(shí)現(xiàn)單頻運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)提高輸出功率。

2010年，華南理工大學(xué)基于自身研發(fā)的高摻雜磷酸鹽光纖獲得了高達(dá)5.2 dB/cm的光學(xué)增益，同時(shí)在2 cm增益光纖的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了300 mW 的 1.5 μm 的單頻激光輸出，其線寬僅為1.6 kHz。隨后不到十年的時(shí)間里，DBR型單頻光纖激光器的工作波段拓展到1.0 μm和2.0 μm。隨著對(duì)高摻雜濃度增益光纖、單頻光纖激光器諧振腔的控制，相頻噪聲和強(qiáng)度噪聲的控制和抑制水平的不斷提升，DBR型單頻光纖激光器在輸出功率、噪聲等綜合性能指標(biāo)有了巨大的進(jìn)步。目前已經(jīng)成為短直腔單頻光纖激光器的代表技術(shù)之一。

DBR型光纖激光器的諧振腔由光纖布拉格光柵（FBG）腔鏡構(gòu)成。其諧振腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，下面以NP Photonics公司和國(guó)內(nèi)華南理工大學(xué)的示意圖為例說(shuō)明，見(jiàn)圖4：

圖4 分布布拉格反射（DBR）型單頻光纖激光器

DBR型單頻光纖激光器的諧振腔由一段高增益光纖和一對(duì)光纖布拉格光柵構(gòu)成。DBR型單頻光纖激光器的工作波長(zhǎng)同樣取決于光纖布拉格光柵的反射波長(zhǎng)、摻雜光纖的增益譜寬以及諧振腔的長(zhǎng)度。通常，DBR型單頻光纖激光器是利用預(yù)先刻寫(xiě)好光柵的石英光纖與增益光纖熔接或者對(duì)接，在窄帶光纖光柵端實(shí)現(xiàn)單頻激光輸出。

圖4中的BB-FBG指的是寬帶的光纖布拉格光柵，PM-FBG或者NB-FBG指的是窄帶的光纖布拉格光柵，半值波寬FWHM一般必須小于0.1 nm，對(duì)諧振腔中的單縱模選擇起到了至關(guān)重要的作用。

DBR型單頻光纖激光器是經(jīng)典的線形短直腔構(gòu)型的單頻光纖激光器，從激光器的基礎(chǔ)三要素出發(fā)，其單頻輸出的實(shí)現(xiàn)原理核心在于單縱模的選取。這個(gè)重要的任務(wù)幾乎完全落在了窄帶的低反射率光纖布拉格光柵上。圖5比較直觀地說(shuō)明了單縱模選取的狀態(tài)。

圖5 （a）表示了諧振腔中有源增益介質(zhì)的增益譜（b）表示DBR型光纖激光器諧振腔中滿足駐波條件的諧振模式（縱模）序列（c）表示經(jīng)過(guò)縱模選取后的單縱模輸出

短直線腔是一種Fabry-Perot(FP)結(jié)構(gòu)，其中形成穩(wěn)定的駐波場(chǎng)后才能形成激光，即沿著腔的軸線方向形成穩(wěn)定的駐波，駐波的一個(gè)波節(jié)就是該諧振腔的一個(gè)縱模?？v模的頻率必須滿足條件：

Vq=qc／2nL

式中q是縱模序數(shù)，c是真空中光速，n是增益介質(zhì)折射率，L是諧振腔長(zhǎng)度。諧振腔長(zhǎng)度確定后，縱模分布也會(huì)隨之確定，縱模間隔滿足 Δv=c/2nL，縱模間隔也通常被稱之為自由光譜范圍FSR（Free Spectral Range）。

從以上簡(jiǎn)單的公式可以看出，DBR型光纖激光器想要實(shí)現(xiàn)單頻（也就是單縱模）輸出，必須從兩方面入手：

1） 增大縱模間隔便于單縱模的選取：必須縮小DBR型光纖激光器的諧振腔長(zhǎng)度。

2） 窄帶光纖布拉格光柵（NB-FBG）的FWHM寬度必須小于2倍的縱模間隔。

不難看出，對(duì)于DBR型單頻光纖激光器，窄帶光纖布拉格光柵（NB-FBG）的重要性。一般DBR型單頻光纖激光器的諧振腔總長(zhǎng)度大約為2-5 cm，以1550 nm為例，光纖的折射率大約為1.5，其縱模間隔大約2-5 GHz，為了能夠保證單頻（單縱模）輸出，窄帶光纖布拉格光柵（NB-FBG）的FWHM寬度需要0.016-0.04 nm，這樣的光柵制作難度較大。

DBR型單頻光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)為：

1）高參雜濃度的磷酸鹽玻璃光纖能夠?qū)崿F(xiàn)高的單位增益，短腔設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)較高功率輸出(1.0 μm & 1.5 μm波段)；

2） 短的線形腔設(shè)計(jì)，縱模間隔大，易于實(shí)現(xiàn)單縱模輸出。

DBR型單頻光纖激光器也有一些相對(duì)明顯的缺點(diǎn)：

1）磷酸鹽玻璃光纖熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通硅酸鹽光纖，難以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的熔接，諧振腔可靠性差；

2）用于選頻的光柵要求較高，不容易實(shí)現(xiàn)；

3）短直腔制作困難，難以適應(yīng)苛刻的工作環(huán)境；

4）高摻雜磷酸鹽玻璃長(zhǎng)期可靠性存疑，光纖本身性能不能長(zhǎng)期穩(wěn)定，有導(dǎo)致光纖激光器性能下降的風(fēng)險(xiǎn)。

除此之外，其實(shí)還有一種“虛擬環(huán)形腔”單頻光纖激光器?！疤摂M環(huán)形腔”單頻光纖激光器本質(zhì)上為線形腔的基本結(jié)構(gòu)，它通過(guò)保偏光纖光柵構(gòu)成諧振腔的腔鏡，并且通過(guò)控制雙向傳輸?shù)牟ǖ钠?，?shí)現(xiàn)虛擬的行波腔。其中腔內(nèi)也需要插入超窄帶光纖濾波器(F-P FBG)選取單縱模，因此其本質(zhì)上仍然是短直腔結(jié)構(gòu)，腔長(zhǎng)決定的FS依然是獲取單縱模的關(guān)鍵。

“虛擬環(huán)形腔”單頻光纖激光器的技術(shù)來(lái)自于美國(guó)公司Orbits Lightwave的專利技術(shù)，如圖6所示。

圖6 為“虛擬環(huán)形腔”單頻光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖

Orbits Lightwave公司十分看重這項(xiàng)技術(shù)，他們能夠制造低噪聲的單頻光纖激光器，而這項(xiàng)技術(shù)需要精確控制往返波的偏振態(tài)，通過(guò)光纖熔接的技術(shù)以及控制保偏光纖長(zhǎng)度的技術(shù)獲得全光纖型1/4玻片和3/4玻片，用于實(shí)現(xiàn)左旋或者右旋的圓偏振光，制作工藝復(fù)雜困難，并且保偏光纖的拍長(zhǎng)不容易控制。

另外因?yàn)榍坏慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，必須通過(guò)腔內(nèi)插入窄帶濾波器實(shí)現(xiàn)單縱模的選取和輸出，因此諧振腔的損耗比較大。光纖光柵型F-P FBG濾波器的要求比較高，是獲取單縱模輸出的關(guān)鍵。虛擬環(huán)形腔的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)為消除了線形腔的駐波空間燒孔效應(yīng)，但是其不足在于因?yàn)閳A偏振光的實(shí)現(xiàn)困難，橢圓偏振光的存在會(huì)導(dǎo)致駐波并不能被真正消除。

總體來(lái)說(shuō)，Orbits Lightwave公司的“虛擬環(huán)形腔”技術(shù)實(shí)現(xiàn)工藝難度較大，缺少可復(fù)制性，難以批量生產(chǎn)并且產(chǎn)品價(jià)格昂貴。

本文根據(jù)上海瀚宇光纖通信技術(shù)有限公司總經(jīng)理張瑞新在“光言萬(wàn)物”系列直播中作的“單頻光纖激光器技術(shù)及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)”報(bào)告摘編整理。更詳細(xì)的簡(jiǎn)介，可點(diǎn)擊光電匯公眾號(hào)菜單欄“直播回放”中查看。

文中圖片來(lái)源：丹麥NKT Photonics和上海瀚宇

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