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2019-12

Connet 產(chǎn)品小講堂第二期——分布反饋(DFB)型窄線寬單頻光纖激光器

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分布反饋（DFB）型窄線寬單頻光纖激光器 

1.什么是單頻激光器？ 

      單頻激光器通常指的是單縱模輸出，頻譜線寬很窄的激光器。主要包括單頻半導(dǎo)體激光器和單頻光纖激光器兩大類。那么多窄的頻譜線寬才能夠被稱作單頻呢？沒(méi)有完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通常業(yè)界把線寬小于百kHz的單縱模激光稱為單頻激光，而線寬達(dá)到數(shù)百kHz甚至MHz以上的單縱模激光器只是被看做窄線寬激光器，例如通信領(lǐng)域被廣泛使用的DFB型半導(dǎo)體激光器，和DBR型半導(dǎo)體激光器，線寬從幾百kHz到10MHz。這樣的激光器很少被叫做單頻激光器。從諧振腔的構(gòu)成和輸出激光模式來(lái)看，這類的半導(dǎo)體激光器可以看做是單縱模輸出，只是頻譜線寬還不夠窄。
      業(yè)內(nèi)認(rèn)可的單頻半導(dǎo)體激光器都采用了腔內(nèi)或者腔外的線寬壓窄技術(shù)，例如外腔型半導(dǎo)體激光器就是典型的單頻半導(dǎo)體激光器，外腔的技術(shù)包括采用制作在平面光波導(dǎo)（PLC）上面的窄帶光柵，窄帶光纖布拉格光柵（FBG），體光柵（VBG）等等，其核心思想是加長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的諧振腔長(zhǎng)度，窄帶低反射率光柵將選頻的激光頻率注入諧振腔從而“鎖定”諧振腔的輸出頻率，降低頻率噪聲和相位噪聲，獲取更窄線寬的單頻激光輸出。下面的示意圖展示了美國(guó)RIO公司的PLANEX外腔單頻半導(dǎo)體激光器的技術(shù)。

 

       增益芯片是普通的F-P腔設(shè)計(jì)，多縱模輸出，其典型的光譜寬度達(dá)到及格nm，平面光波導(dǎo)（PLC）由Silica-on-Si材料構(gòu)成，上面制作的窄帶的光柵（Bragg Grating），和增益芯片相比，相當(dāng)長(zhǎng)的光柵形成的外腔（ECL）對(duì)激光器的線寬壓窄起到了關(guān)鍵的作用。

      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，我們可以感受到這一點(diǎn)，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。

2. 單頻光纖激光器如何實(shí)現(xiàn)？

       單頻光纖激光器的諧振腔構(gòu)成和單頻半導(dǎo)體激光器在原理上沒(méi)有區(qū)別，只是增益介質(zhì)變成了稀土摻雜光纖。其諧振腔的結(jié)構(gòu)分為短直腔型和環(huán)形腔型。其中，短直腔型單頻光纖激光器的經(jīng)典結(jié)構(gòu)包括分布反饋（DFB）型，和分布布拉格反射（DBR）型。下圖展示了兩種結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器的原理圖：

                             

                       分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器                                                       分布布拉格反射（DBR）型單頻光纖激光器

         上海瀚宇的CoSF-D型窄線寬單頻光纖激光器就是分布反饋（DFB）型結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器。而CoSF-R型“優(yōu)化行波腔”型超窄線寬單頻光纖激光器就是基于環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器，我們將在后續(xù)的產(chǎn)品技術(shù)講堂中進(jìn)行介紹。

分布反饋（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0.9-1.1um，摻鉺（Er）光纖和鉺鐿共摻（ErYb）光纖工作在1.5-1.6um，摻銩（Tm）和摻鈥（Ho）或者共摻的光纖工作在1.7-2.1um。
       分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器的諧振腔由刻寫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。

                                                                         分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器     

      分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器的原理和DFB型半導(dǎo)體激光器一脈相承。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。 

                     分布反饋（DFB）型半導(dǎo)體激光器    

       從激光產(chǎn)生的三要素出發(fā)，我們可以發(fā)現(xiàn)分布反饋（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)光柵的性能決定了分布反饋（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，光柵長(zhǎng)度，封裝等等。上海瀚宇歷時(shí)多年的艱苦研發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)全面掌握了有源相移光柵制作的所有關(guān)鍵技術(shù)，形成了獨(dú)立自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，成功推出CoSF-D系列分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器產(chǎn)品。綜合性能指標(biāo)已經(jīng)無(wú)限接近丹麥NKT Photonics公司的Koheras系列分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器，取得了良好的市場(chǎng)反響和廣泛贊譽(yù)，并于近期獲得了由武漢光博會(huì)執(zhí)行承辦方--上海意桐光電科技有限公司發(fā)起，聯(lián)合中國(guó)激光雜志社共同主辦的，專注于中國(guó)光電子行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展和光電子企業(yè)品牌的大型評(píng)選活動(dòng) 首屆“光環(huán)獎(jiǎng)”中的科研激光產(chǎn)品獎(jiǎng)。

3.分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)

      分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)很突出，其諧振腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光路器件很少，在抗環(huán)境干擾能力和成本控制方面和其他結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器相比有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
      上海瀚宇CoSF-D系列分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器產(chǎn)品技術(shù)成熟，波長(zhǎng)覆蓋范圍廣泛，產(chǎn)品經(jīng)歷了苛刻的可靠性實(shí)驗(yàn)，例如GJB艦載、機(jī)載和車載環(huán)境下的震動(dòng)沖擊等，適合惡劣的工作環(huán)境。產(chǎn)品線涵蓋1.0um波段，1.5um波段，輸出功率從mW量級(jí)到數(shù)百瓦量級(jí)，產(chǎn)品性能優(yōu)秀。
      在保持分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器及其優(yōu)秀的相位噪聲性能的同時(shí)，上海瀚宇采用特有的相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）抑制技術(shù)，配合低噪聲多級(jí)光纖放大器，使得CoSF-D系列產(chǎn)品成為相干多普勒激光雷達(dá)，基于干涉儀的分布式光纖傳感，相干激光通信，高功率光譜合成以及相干合成激光器系統(tǒng)，精密測(cè)試測(cè)量，振動(dòng)和聲波探測(cè)，冷原子物理研究等重要應(yīng)用的理想光源。