光纤激光器原理
作者：张瑞新，上海瀚宇光纤通信技术有限公司总经理
一、单频光纤激光器，光纤激光市场中的另一赛道选手
单频光纤激光器最早出现于20世纪90年代，经过近30年的发展已取得了长足进步。与材料加工领域用的高功率光纤激光器不同，这种位于光纤激光市场另一赛道上的单频激光器，因其独特的性质和特点，有着截然不同的应用场景。
单频光纤激光器往往能够实现更窄的线宽，其中一个最重要的原因是单频光纤激光器的谐振腔比单频半导体激光器的谐振腔要长很多倍。从外腔型单频半导体激光器的技术路线和思想就可以理解这一点。
更长的腔长意味着谐振腔内光子的寿命更长，我们可以把满足谐振腔震荡条件的“波”，无论是驻波还是行波，看成光子流。这些波在谐振腔内震荡或者行进的时间越长，能够满足谐振腔内相位匹配条件的光子就越少，最终输出的光波（选频得到固定的频率或者波长）相位噪声就越低，输出激光的频谱线宽也就越窄。
对于这样的现象我们可以形象地理解为：体力不支，自身条件不足够优秀的光子们在长途跋涉的谐振腔内长跑过程中逐渐掉队被淘汰了，最终能够测试合格达到终点的光子数量减少，但是都很优秀。从另外一个角度来看，单频半导体激光器的输出功率可能有几十个mW，而谐振腔直接输出未经放大的单频光纤激光器则比较难实现高功率的输出。例如：低噪声掺铒光纤的DFB型单频光纤激光器谐振腔直接输出功率通常只有几十到几百个uW。
二、商用单频光纤激光器的两大分类
商用的单频光纤激光器主要分成两大类，短直腔单频光纤激光器和复合腔或环形腔单频光纤激光器。其中短直腔单频光纤激光器主要分为DFB型（分布反馈）单频光纤激光器和DBR型（分布布拉格反射）单频光纤激光器。
1.DFB型单频光纤激光器
DFB型单频光纤激光器的原理（图1）和DFB型半导体激光器（图2）一脉相承。有源区增益介质上布满了精心制作的有合适周期的光栅，其工作波长主要受到光栅周期的影响。
图1 分布反馈（DFB）型单频光纤激光器原理图
图2 分布反馈（DFB）型半导体激光器
DFB型单频光纤激光器的增益介质是稀土掺杂光纤，不同的稀土元素决定了激光器的工作波段，例如掺镱（Yb）光纤工作在0.9-1.1 μm，掺铒（Er）光纤和铒镱共掺（ErYb）光纤工作在1.5-1.6 μm，掺铥（Tm）和掺钬（Ho）或者共掺的光纤工作在1.7-2.1 μm。
DFB型单频光纤激光器的谐振腔由刻写在稀土掺杂光纤上的相移光栅构成。所谓相移光栅，指的是两端均匀周期的光纤布拉格光栅（FBG）之间有合适的距离，形成了π/4或者π/2的相移。我们把这样的光栅称之为有源相移光栅，它不但起到了频率（波长）选择的作用，也构成了光纤激光器的谐振腔。
从激光产生的三要素出发，我们可以发现DFB型单频光纤激光器中有源相移光栅是一个及其关键的器件。制作出性能优秀的有源相移光栅并不容易，可以说这个光栅的性能决定了DFB型单频光纤激光器的综合性能。其中的技术难点包括：稀土掺杂光纤的选择、高反射率相移光栅的刻写、光栅长度、封装等。
图3 分布反馈（DFB）型单频光纤激光器
DFB型单频光纤激光器的光路结构十分简单，如图3可知其光学器件较少，因此其优点为：
1）谐振腔结构简单，其FSR自由光谱区可达GHz，易于实现单纵模输出；
2）抗干扰能力比较强；
3）成本低廉，适合于批量应用。
但是它也有相应缺点：
1） π相移型光纤光栅技术难度高；
2）需要选择合适的稀土掺杂光纤；
3）相移光栅封装难度较高。
DFB型单频光纤激光器主要在丹麦NKT Photonics、法国IxBlue、澳大利亚研发单位等十分著名。国内的科研院所主要有中科院半导体所、上海光机所、山东省科学院激光研究所，而国内其量产公司为上海瀚宇等。
2.DBR型单频光纤激光器
DBR型单频光纤激光器的出现时间久远，其受到重视并且得到快速的发展得益于高稀土离子掺杂浓度的特种玻璃光纤的发明。可以说磷酸盐玻璃光纤的研制成功给1.5 μm波段的DBR型单频光纤激光器带来了巨大的影响，突破了传统硅酸盐基稀土掺杂光纤的掺杂浓度限制，大幅度提升了有源光纤的增益水平，从而能够使得DBR型单频光纤激光器在实现单频运转的同时提高输出功率。
2010年，华南理工大学基于自身研发的高掺杂磷酸盐光纤获得了高达5.2 dB/cm的光学增益，同时在2 cm增益光纤的基础上实现了300 mW 的 1.5 μm 的单频激光输出，其线宽仅为1.6 kHz。随后不到十年的时间里，DBR型单频光纤激光器的工作波段拓展到1.0 μm和2.0 μm。随着对高掺杂浓度增益光纤、单频光纤激光器谐振腔的控制，相频噪声和强度噪声的控制和抑制水平的不断提升，DBR型单频光纤激光器在输出功率、噪声等综合性能指标有了巨大的进步。目前已经成为短直腔单频光纤激光器的代表技术之一。
DBR型光纤激光器的谐振腔由光纤布拉格光栅（FBG）腔镜构成。其谐振腔结构简单，下面以NP Photonics公司和国内华南理工大学的示意图为例说明，见图4：
图4 分布布拉格反射（DBR）型单频光纤激光器
DBR型单频光纤激光器的谐振腔由一段高增益光纤和一对光纤布拉格光栅构成。DBR型单频光纤激光器的工作波长同样取决于光纤布拉格光栅的反射波长、掺杂光纤的增益谱宽以及谐振腔的长度。通常，DBR型单频光纤激光器是利用预先刻写好光栅的石英光纤与增益光纤熔接或者对接，在窄带光纤光栅端实现单频激光输出。
图4中的BB-FBG指的是宽带的光纤布拉格光栅，PM-FBG或者NB-FBG指的是窄带的光纤布拉格光栅，半值波宽FWHM一般必须小于0.1 nm，对谐振腔中的单纵模选择起到了至关重要的作用。
DBR型单频光纤激光器是经典的线形短直腔构型的单频光纤激光器，从激光器的基础三要素出发，其单频输出的实现原理核心在于单纵模的选取。这个重要的任务几乎完全落在了窄带的低反射率光纤布拉格光栅上。图5比较直观地说明了单纵模选取的状态。
图5 （a）表示了谐振腔中有源增益介质的增益谱（b）表示DBR型光纤激光器谐振腔中满足驻波条件的谐振模式（纵模）序列（c）表示经过纵模选取后的单纵模输出
短直线腔是一种Fabry-Perot(FP)结构，其中形成稳定的驻波场后才能形成激光，即沿着腔的轴线方向形成稳定的驻波，驻波的一个波节就是该谐振腔的一个纵模。纵模的频率必须满足条件：
Vq=qc／2nL
式中q是纵模序数，c是真空中光速，n是增益介质折射率，L是谐振腔长度。谐振腔长度确定后，纵模分布也会随之确定，纵模间隔满足 Δv=c/2nL，纵模间隔也通常被称之为自由光谱范围FSR（Free Spectral Range）。
从以上简单的公式可以看出，DBR型光纤激光器想要实现单频（也就是单纵模）输出，必须从两方面入手：
1） 增大纵模间隔便于单纵模的选取：必须缩小DBR型光纤激光器的谐振腔长度。
2） 窄带光纤布拉格光栅（NB-FBG）的FWHM宽度必须小于2倍的纵模间隔。
不难看出，对于DBR型单频光纤激光器，窄带光纤布拉格光栅（NB-FBG）的重要性。一般DBR型单频光纤激光器的谐振腔总长度大约为2-5 cm，以1550 nm为例，光纤的折射率大约为1.5，其纵模间隔大约2-5 GHz，为了能够保证单频（单纵模）输出，窄带光纤布拉格光栅（NB-FBG）的FWHM宽度需要0.016-0.04 nm，这样的光栅制作难度较大。
DBR型单频光纤激光器的优点为：
1）高参杂浓度的磷酸盐玻璃光纤能够实现高的单位增益，短腔设计可以实现较高功率输出(1.0 μm & 1.5 μm波段)；
2） 短的线形腔设计，纵模间隔大，易于实现单纵模输出。
DBR型单频光纤激光器也有一些相对明显的缺点：
1）磷酸盐玻璃光纤熔点远远低于普通硅酸盐光纤，难以实现高强度的熔接，谐振腔可靠性差；
2）用于选频的光栅要求较高，不容易实现；
3）短直腔制作困难，难以适应苛刻的工作环境；
4）高掺杂磷酸盐玻璃长期可靠性存疑，光纤本身性能不能长期稳定，有导致光纤激光器性能下降的风险。
除此之外，其实还有一种“虚拟环形腔”单频光纤激光器。“虚拟环形腔”单频光纤激光器本质上为线形腔的基本结构，它通过保偏光纤光栅构成谐振腔的腔镜，并且通过控制双向传输的波的偏振，实现虚拟的行波腔。其中腔内也需要插入超窄带光纤滤波器(F-P FBG)选取单纵模，因此其本质上仍然是短直腔结构，腔长决定的FS依然是获取单纵模的关键。
“虚拟环形腔”单频光纤激光器的技术来自于美国公司Orbits Lightwave的专利技术，如图6所示。
图6 为“虚拟环形腔”单频光纤激光器结构示意图
Orbits Lightwave公司十分看重这项技术，他们能够制造低噪声的单频光纤激光器，而这项技术需要精确控制往返波的偏振态，通过光纤熔接的技术以及控制保偏光纤长度的技术获得全光纤型1/4玻片和3/4玻片，用于实现左旋或者右旋的圆偏振光，制作工艺复杂困难，并且保偏光纤的拍长不容易控制。
另外因为腔的结构特点，必须通过腔内插入窄带滤波器实现单纵模的选取和输出，因此谐振腔的损耗比较大。光纤光栅型F-P FBG滤波器的要求比较高，是获取单纵模输出的关键。虚拟环形腔的设计优点为消除了线形腔的驻波空间烧孔效应，但是其不足在于因为圆偏振光的实现困难，椭圆偏振光的存在会导致驻波并不能被真正消除。
总体来说，Orbits Lightwave公司的“虚拟环形腔”技术实现工艺难度较大，缺少可复制性，难以批量生产并且产品价格昂贵。
本文根据上海瀚宇光纤通信技术有限公司总经理张瑞新在“光言万物”系列直播中作的“单频光纤激光器技术及应用优势”报告摘编整理。更详细的简介，可点击光电汇公众号菜单栏“直播回放”中查看。
文中图片来源：丹麦NKT Photonics和上海瀚宇
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