18

2020-02

Connet 產(chǎn)品小講堂第三期——分布布拉格反射(DBR)型單頻光纖激光器

發(fā)布者： 瀏覽次數(shù)： 次

分布布拉格反射（DBR）型單頻光纖激光器

1.DBR型單頻光纖激光器的發(fā)展簡史 

      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。DBR型單頻光纖激光器的出現(xiàn)時間久遠(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，標(biāo)志性事件是2003年美國 NP Photonics 公司的 Spiegelberg 等憑借 Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽光纖研制的 DBR 單頻光纖激光器實現(xiàn)了大于 200mW 的有效輸出，其激光線寬小于 2 kHz。可以說磷酸鹽玻璃光纖的研制成功給1.5um波段的分布布拉格反射（DBR）型單頻光纖激光器帶來了巨大的影響，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現(xiàn)單頻運轉(zhuǎn)的同時提高了輸出功率。而輸出功率恰恰是DBR型單頻光纖激光器的瓶頸。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，同時在2 cm 增益光纖的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了300mW 的 1.5 μm 的單頻激光輸出，其線寬僅為 1.6 kHz。隨后不到十年的時間里，DBR型單頻光纖激光器的工作波段拓展到1.0um和2.0um，隨著對高摻雜濃度增益光纖，單頻光纖激光器諧振腔控制，相頻噪聲和強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。

2.DBR型單頻光纖激光器的諧振腔結(jié)構(gòu) 

       DBR是分布式布拉格反射（Distributed Bragg Reflector）的簡稱，從字面上理解，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)簡單，下面以NP Photonics公司和國內(nèi)華南理工大學(xué)的示意圖為例說明：

                   

        DBR型單頻光纖激光器的諧振腔由一段高增益光纖及一對光纖布拉格光柵構(gòu)成。DBR型單頻光纖激光器的工作波長同樣取決于光纖布拉格光柵的反射波長、摻雜光纖的增益譜寬以及諧振腔的長度。通常，DBR型單頻光纖激光器是利用預(yù)先刻寫好光柵的石英光纖與增益光纖熔接或者對接，在窄帶光纖光柵端實現(xiàn)單頻激光輸出。

示意圖中的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，F(xiàn)WHM一般必須小于0.1nm，對諧振腔中的單縱模選擇起到至關(guān)重要的作用。

3.DBR型單頻光纖激光器的實現(xiàn)原理   

      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)，其單頻輸出的實現(xiàn)原理核心在于單縱模的選取。這個重要的任務(wù)幾乎完全落在了窄帶的低反射率光纖布拉格光柵上。下面的示意圖比較直觀的說明了單縱模選取的狀態(tài)。

 

示意圖中的（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，駐波的一個波節(jié)就是該諧振腔的一個縱模。縱模的頻率必需滿足條件：

V_q=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是諧振腔長度。 諧振腔長度確定后，縱模分布也會隨之確定，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）。

從以上簡單的公式可以看出，DBR型光纖激光器想要實現(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度大約為2-5cm，以1550nm為例，光纖的折射率大約為1.5，其縱模間隔大約2-5GHz，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0.016-0.04nm，這樣的光柵制作難度較大。

4. DBR型單頻光纖激光器的優(yōu)點

和分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器相比，分布布拉格反射（DBR）型單頻光纖激光器的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

1） 高摻雜濃度的增益光纖：以1.5um和1.0um的DBR型單頻光纖激光器為例，Er3+/Yb3+共摻或者Yb3+摻雜磷酸鹽玻璃光纖比普通的石英稀土摻雜光纖的稀土離子摻雜濃度高很多，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的增益。保證了單頻光纖激光器的輸出功率水平。

2） 影響激光輸出性能的窄帶光纖光柵是單獨刻寫在石英光纖上，故激光器運行過程中在增益光纖上的熱量積累對輸出激光影響減小，激光器噪 聲水平相對較低；同時，這也意味著可進(jìn)一步提升光纖激光的輸出功率。 

5. DBR型單頻光纖激光器的缺點  

DBR型單頻光纖激光器的快速發(fā)展受益于高摻雜濃度的增益光纖，主要是磷酸鹽玻璃光纖的發(fā)明，其缺點也和磷酸鹽玻璃光纖有關(guān)，另外，DBR型單頻光纖激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)也會帶來一些挑戰(zhàn)，綜合起來，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

1） 磷酸鹽玻璃光纖的熔點只有數(shù)百攝氏度，遠(yuǎn)低于普通的石英光纖，兩種光纖幾乎無法實現(xiàn)高質(zhì)量的熔接，DBR型單頻光纖激光器難以實現(xiàn)真正的全光纖化。鑒于DBR型單頻光纖激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)，高摻雜濃度的磷酸鹽玻璃增益光纖和基于石英光纖的光纖光柵對之間的連接難度很大，低質(zhì)量的熔接會增加諧振腔的損耗，降低單頻光纖激光器的整體性能。

 

2） DBR型單頻光纖激光器對用于選取單縱模的窄帶光纖布拉格光柵（NB-FBG）要求極高，其FWHM往往要低于0.05nm甚至更小，這樣的光柵制作困難。另外，因為光纖光柵對溫度敏感，微小的溫度變化都有可能導(dǎo)致DBR型單頻光纖激光器跳模，影響單頻性能。所以，DBR型單頻光纖激光器對光柵的溫控要求更高。

3） 磷酸鹽玻璃光纖和硅酸鹽基（石英）光纖制作的光纖布拉格光柵具有不同的熱膨脹系數(shù)，進(jìn)一步提高了整個DBR型單頻光纖激光器諧振腔的溫控要求。

4） DBR型單頻光纖激光器因為實現(xiàn)全光纖化相對困難，所以實現(xiàn)高偏振消光比，穩(wěn)定的線偏振輸出的工藝難度更大。而眾多的應(yīng)用領(lǐng)域都需要線偏振工作的單頻光纖激光器。

5） 磷酸鹽玻璃光纖的化學(xué)性能不穩(wěn)定，具有吸水性，這為基于磷酸鹽玻璃光纖的DBR型單頻光纖激光器的長期可靠性帶來隱患。商用的DBR型單頻光纖激光器需要對磷酸鹽玻璃增益光纖進(jìn)行特殊處理，例如使用氮氣或者惰性氣體對空氣進(jìn)行隔離封裝等。