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2020-02

Connet 產(chǎn)品小講堂第四期——CoSF-R優(yōu)化行波腔型超窄線寬單頻光纖激光器

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CoSF-R優(yōu)化行波腔型超窄線寬單頻光纖激光器 

1.行波腔單頻光纖激光器 

    分布布拉格反射（DBR）型單頻光纖激光器和分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器都屬于短直腔設(shè)計的“駐波腔”光纖激光器，顧名思義，這樣的光纖激光器都擁有兩個反射腔鏡，其中DBR型單頻光纖激光器設(shè)計屬于典型的F-P腔結(jié)構(gòu)，而DFB型單頻光纖激光器可以被看作是間隔只有1/4波長，布拉格波長產(chǎn)生π相移的極端F-P腔。
    駐波（Standing Wave）的含義相當(dāng)形象，代表著能夠在諧振腔內(nèi)往返，滿足相位匹配條件，形成干涉的所有的“波”，這些“波”是諧振腔內(nèi)的原住民，可以長期駐扎，他們擁有居住證和合法身份，一旦滿足諧振條件，這些波就成為F-P腔中的縱模模式。
    行波（Traveling Wave）指的是行進(jìn)的波，和駐波不同，行波是諧振腔中的匆匆過客，像是一些旅游者，不在諧振腔的屬地內(nèi)長期停留生活。行波腔單頻光纖激光器主要指的是單向環(huán)形腔設(shè)計，通常采用光隔離器保證滿足諧振條件的模式（也就是能夠諧振的波）單向行進(jìn)，通過一定比例的光分路器實現(xiàn)激光輸出。
    根據(jù)諧振腔理論，駐波腔和行波腔的縱模間隔（也就是自由光譜范圍FSR）都由諧振腔的長度決定，而行波腔的縱模間隔是駐波腔的一半，因為縱模（也就是波）不需要往返，只是單一方向行進(jìn)。這也意味著在同等的激光器諧振腔長度下，行波腔單頻光纖激光器會有更多的縱模，選取單縱模輸出更加困難。駐波腔結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器，例如DBR型和DFB型，主要的目標(biāo)致力于縮短諧振腔長度，例如幾個厘米，增大縱模間隔。而行波腔結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器一般腔長可達(dá)幾米到十幾米，特殊的長腔長單頻光纖激光器的諧振腔長度甚至可達(dá)幾百米，例如基于受激布里淵散射的單頻光纖激光器。其縱模間隔比駐波腔單頻光纖激光器低2個數(shù)量級，通常為十幾個MHz到幾十個MHz，所以選取單縱模輸出更加困難，除了需要采用更窄帶的光濾波器外，還需要采取一些輔助措施例如復(fù)合腔，偏振控制，非飽和吸收體，外腔注入鎖定等方法實現(xiàn)穩(wěn)定的單縱模輸出。由此可見，行波腔單頻光纖激光器的結(jié)構(gòu)通常比DBR型和DFB型單頻光纖激光器更為復(fù)雜，成本高，易于跳模。 

2.行波腔單頻光纖激光器的特點  

1） 消除了空間燒孔效應(yīng)（Spatial Hole Burning簡稱SHB）
     激光器諧振腔增益的空間燒孔效應(yīng)是駐波腔激光器的特有福利，也就是說，行波腔單頻光纖激光器不存在增益的空間燒孔效應(yīng)。什么是增益空間燒孔呢？駐波腔的內(nèi)因為駐波的存在，就有波幅和波節(jié)，而諧振腔能夠提供給這些駐波的增益也是忽高忽低的，波腹的增益最低，波節(jié)的增益最高，這樣的現(xiàn)象就叫做增益的空間燒孔效應(yīng)，比較形象的理解，諧振腔的增益不是一條直線，有的地方有孔，像是燒出來的孔一樣。

    空間燒孔的壞處是當(dāng)諧振腔受到的泵浦激勵較強時容易導(dǎo)致多模震蕩，不利于單縱模的輸出。采用駐波腔設(shè)計的DBR和DFB型單頻光纖激光器都盡可能縮短諧振腔長度，限制縱模數(shù)量，目的之一就是為了避免空間燒孔效應(yīng)。行波腔單頻光纖激光器因為沒有駐波的存在，也就自然消除了增益空間燒孔效應(yīng)。需要指出的是，盡管行波腔單頻光纖激光器不存在空間燒孔效應(yīng)，有利于單縱模運轉(zhuǎn)，但是因為縱模數(shù)量更多，縱模間隔更小，想要選取單縱模輸出，并且保持長期穩(wěn)定，并不容易實現(xiàn)。

2）諧振腔長度長降低了單頻光纖激光器的整體噪聲
    在同等的環(huán)境條件下，同等的電致熱噪聲水平和同等散粒噪聲水平的情況下，單頻光纖激光器的整體噪聲水平和諧振腔長度息息相關(guān)，成反比！換句話說，單頻光纖激光器的諧振腔長度越長，整體噪聲水平越低。這是因為，更長的諧振腔長度意味著更長的諧振腔光子壽命。拋開復(fù)雜的理論推導(dǎo)計算，我們可以非常形象地理解這一點，就像馬拉松比賽中能夠完成全馬的選手比能夠完成半馬的選手要少，而完成全馬的選手都是耐力長跑的精英。諧振腔中的光子也是如此，能夠跑完全程的精英不多，那些中途退場的，不能完賽的光子就被淘汰了。行波腔單頻光纖激光器提高了光子壽命門檻，也就意味著單頻性更好，整體噪聲水平更低。
    從另外一個角度，單頻光纖激光器的噪聲主要關(guān)心強度噪聲和相位（頻率）噪聲，其中強度噪聲一般以相對強度噪聲（Relative Intensity Noise簡稱RIN）的形式表達(dá)，主要受到泵浦源的強度噪聲影響，在今后的產(chǎn)品技術(shù)講堂中會詳細(xì)介紹。而相位噪聲的高低和單頻光纖激光器的諧振腔的結(jié)構(gòu)和長度有著非常重要的關(guān)系。從相位噪聲的定義以及和激光器頻譜線寬之間的聯(lián)系可以看出，更長的諧振腔長度意味著更長的光子壽命，更窄的頻譜線寬，更低的相位噪聲。在上海瀚宇的實驗室，比較測試的結(jié)果也驗證了行波腔型單頻光纖激光器具有更窄的線寬，更低的相位噪聲。

 

3. CoSF-R優(yōu)化行波腔型超窄線寬單頻光纖激光器

1） 設(shè)計方案

上海瀚宇CoSF-R優(yōu)化行波腔型超窄線寬單頻光纖激光器采用了經(jīng)典的單向行波腔，也就是環(huán)形腔設(shè)計，實現(xiàn)方案示意圖如下：

 

2） 關(guān)鍵技術(shù)

超長諧振腔設(shè)計：

CoSF-R單頻光纖激光器的諧振腔總長度超過10米，如上文所述，CoSF-R憑借超長的諧振腔長度實現(xiàn)了超低的整體噪聲，包括相位噪聲和相對強度噪聲。此外，足夠長的增益介質(zhì)（稀土摻雜光纖）能夠保證泵浦光得到充分吸收，提高輸出功率水平。

        

全光纖結(jié)構(gòu)的超窄帶光纖光柵濾波器：

基于相移布拉格光纖光柵技術(shù)或者光纖光柵F-P標(biāo)準(zhǔn)具技術(shù)，上海瀚宇獨立開發(fā)制作的全光纖結(jié)構(gòu)超窄帶光纖光柵濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)<15MHz的通帶寬度（FWHM），這奠定了CoSF-R型優(yōu)化行波腔單頻光纖激光器的基礎(chǔ)，確保選取單縱模輸出。

飽和吸收體：

CoSF-R單頻光纖激光器采用了相當(dāng)長度的優(yōu)選的稀土摻雜光纖作為飽和吸收體，用于穩(wěn)定諧振腔的單縱模輸出。飽和吸收體光纖配合超窄帶光纖濾波器的作用相當(dāng)于一個整體的具有選頻功能的動態(tài)布拉格光柵，對行波腔中其它可能獲得增益的縱模模式起到抑制作用，從而降低模式競爭，降低單頻光纖激光器的系統(tǒng)噪聲水平，增強單頻光纖激光器的穩(wěn)定性，抑制跳模的出現(xiàn)。

單偏振控制技術(shù)

眾所周知，單頻光纖激光器中由于光纖雙折射效應(yīng)，存在著偏振燒孔效應(yīng)，通俗講就是單縱模的模式可以被看成是兩種正交的線偏振模式（LP模式）的簡并，由于光纖的雙折射效應(yīng)，這兩種線偏振模式在激光器諧振腔中所獲得的增益并不相同。偏振燒孔效應(yīng)導(dǎo)致單頻光纖激光器諧振腔內(nèi)的模式競爭，嚴(yán)重劣化單頻性能，甚至?xí)?dǎo)致跳模。CoSF-R單頻光纖激光器的設(shè)計方案中增加了單偏振控制單元，只有一種線偏振模式（LP）能夠在優(yōu)化行波腔中運轉(zhuǎn)，從根本上消除了偏振燒孔效應(yīng)，實現(xiàn)穩(wěn)定的單頻單偏振輸出，輸出偏振消光比（PER）可達(dá)23dB以上。

 

4. CoSF-R單頻光纖激光器的優(yōu)缺點和發(fā)展之路

1） CoSF-R單頻光纖激光器的優(yōu)點

超窄線寬

得益于超長的諧振腔設(shè)計，飽和吸收體以及一系列的輔助和控制技術(shù)，CoSF-R優(yōu)化行波腔型超窄線寬單頻光纖激光器的輸出線寬遠(yuǎn)小于1kHz，這意味著其相干長度超過300km，受限于線寬測試手段的精度，其標(biāo)稱技術(shù)指標(biāo)為<1kHz。上海光機所的測試結(jié)果表明，CoSF-R單頻光纖激光器的本征線寬只有幾十Hz的水平，甚至更窄。上海瀚宇的技術(shù)團隊正在進(jìn)一步壓窄CoSF-R單頻光纖激光器的線寬，使其能夠滿足超遠(yuǎn)距離相干探測系統(tǒng)對單頻激光器的相干長度的要求。

超低相位噪聲

CoSF-R優(yōu)化行波腔型超窄線寬單頻光纖激光器的整體噪聲水平比DFB和DBR型單頻光纖激光器更低，尤其是相位噪聲性能極其優(yōu)秀，遠(yuǎn)低于其他技術(shù)方案的單頻激光器。這使得CoSF-R可以被用于相位敏感型相干探測系統(tǒng)以及對單頻激光器相位噪聲要求極為苛刻的高端應(yīng)用，例如地震波，引力波探測等。

2） CoSF-R單頻光纖激光器的缺點

波長穩(wěn)定性差（頻率漂移）

超長的諧振腔長度給CoSF-R帶來了出色的低噪聲性能，極窄的頻譜線寬，但同時也給它的波長穩(wěn)定性（頻率漂移）帶來了挑戰(zhàn)。這是所有行波腔（環(huán)形腔）單頻光纖激光器最致命的短板。幸運的是，上海瀚宇的技術(shù)團隊歷時數(shù)年逐步解決了全光纖結(jié)構(gòu)超窄帶光纖光柵濾波器的高穩(wěn)定性封裝，諧振腔整體溫度和防震動控制等一系列關(guān)鍵工藝問題。CoSF-R單頻光纖激光器的波長穩(wěn)定性（頻率漂移）性能已經(jīng)達(dá)到DFB和DBR型短直腔單頻光纖激光器的同等水平。目前，上海瀚宇正在致力于主動頻率控制技術(shù)的研發(fā)和實驗，有望進(jìn)一步顯著提升CoSF-R單頻光纖激光器的波長穩(wěn)定性，降低頻率漂移。

光路相對復(fù)雜，小型化困難

和DFB和DBR型短直腔單頻光纖激光器相比，CoSF-R單頻光纖激光器使用了更多的光器件，更長的稀土摻雜光纖，光路相對復(fù)雜，小型化難度較大。這可能會限制CoSF-R的應(yīng)用場合。隨著敏感器件封裝工藝的改善，混合功能器件的使用，CoSF-R單頻光纖激光器的整體封裝尺寸有望大幅降低。

3） CoSF-R單頻光纖激光器的發(fā)展之路

抑制相對強度噪聲（RIN）

采用合適的相對強度噪聲抑制技術(shù)大幅度降低CoSF-R優(yōu)化行波腔型超窄線寬單頻光纖激光器的強度噪聲，突出并且進(jìn)一步強化其整體噪聲水平低的性能優(yōu)勢。

主動穩(wěn)頻控制

借助于主動穩(wěn)頻技術(shù)，比較徹底地解決CoSF-R單頻光纖激光器頻率漂移大的缺點，進(jìn)一步壓窄線寬，降低頻率噪聲。目前，上海瀚宇已經(jīng)成功開發(fā)了具有高靈敏度的全光纖型鑒頻組件，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)，鎖定CoSF-R單頻光纖激光器的頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)長期穩(wěn)定的穩(wěn)頻輸出。關(guān)于主動穩(wěn)頻方面的內(nèi)容，我們將會在后續(xù)的產(chǎn)品技術(shù)小講堂中專門介紹，敬請關(guān)注。

低噪聲高功率放大

通過級聯(lián)型，真正低噪聲光纖放大器技術(shù)，將CoSF-R優(yōu)化行波腔型超窄線寬單頻光纖激光器的輸出功率提升到數(shù)十瓦到數(shù)百瓦量級，保持其良好的單頻性能，以期適合于例如激光原子冷卻，遠(yuǎn)距離激光通信和相干探測等應(yīng)用。

 

5. 總結(jié) 

     行波腔型單頻光纖激光器和駐波腔型單頻光纖激光器相比，有自己的特色，比如，更窄的頻譜線寬，更低的相位噪聲，同時也在波長穩(wěn)定性（頻率漂移）上付出了代價。通過優(yōu)化行波腔設(shè)計，外圍穩(wěn)頻控制技術(shù)等手段改善行波腔型單頻光纖激光器的缺點，進(jìn)一步強化突出其超低噪聲的出色性能，使得CoSF-R單頻光纖激光器魚和熊掌能夠兼得，滿足高端應(yīng)用的要求。