单频窄线宽光纤激光器研究

高质量种子源光纤激光器技术发展与研究现状连续光种子源光纤激光器的性能决定了高功率全光纤MOPA激光系统的激光输出光谱、线宽和频率稳定性等特性。作为高质量的种子光源必须首先具有窄线宽、高稳定性和高信噪比，然后再追求可以满足不同应用需要的其他功能特性，如波长可调谐、单/双波长可切换以及双波长间隔可调谐等。在过去的二十多年时间里，研究者们一直在寻求可以实现单频窄线宽激光输出的方法，也陆续提出了基于不同技术的单频窄线宽光纤激光器，尤其是在1.5μm波段的掺铒光纤激光器，因为其所在波段为光纤通信低损耗窗口，考虑到长距离通信和传感的需求，对于激光输出相干特性要求很高，需要激光具有较窄的线宽，使得掺铒光纤激光器在窄线宽方面发展比较迅速，线宽也达到了kHz量级的水平。在近几年，研究者们开始对具有不同性能的单频窄线宽光纤激光器进行研究，也开始不断追求输出激光的高稳定性和高信噪比等特性。1.1单频窄线宽光纤激光器研究与发展早在1986年，Jauncey等人就已经提出了窄线宽的概念，他们使用掺钕光纤结合光纤Bragg光栅在1084nm处得到了激光输出，经过使用Fourier转换Michelson干涉仪测量，得到激光输出线宽为16GHz；然而，由于只是使用了线腔结构，腔长较长，激光器没有实现单频运转。直到1990年，Iwatsuki才首次真正地得到了单频窄线宽的激光输出，使用的是环形腔结构，配合一个1nm谱宽带通滤波器，使用15m长掺饵光纤作为增益介质，成功得到了单频激光输出，并且首次使用延迟自外差干涉仪(DelayedSelf-HeterodyneInterferometer,DSHI)对激光线宽进行了测量，线宽达到1.4kHz，是截至当时线宽最窄的激光器，而且该激光器还提供2.8nm的波长可调谐范围。1991年，Gowle等人提出了一种新型的环行腔光纤激光器，通过使用分布Bragg反射镜作为波长初选滤波器，在1552nm波长处得到了稳定的单频激光输出，使用延迟自外差法测量得到激光线宽小于10Hz，测量分辨率受限于使用的25km延迟线长度。同年，Park等人也提出了基于环形腔结构的单频激光器，在谐振腔内使用了两个Fabry-Perot(F-P)滤波器，该激光器输出具有当时最高的稳定性，阈值仅为1OmW，而且具有宽达30nm的可调谐范围;然而，激光器的输出信噪比较低，仅为35dB，而且研究者们并没有对激光器的线宽特性进行测量。1992年，Laporta等人利用铒/镱共掺磷酸盐玻璃光纤制作了腔长仅为2.5mm长的超短腔光纤激光器，在1532.2nm波长处得到了15mW的激光输出，测得的线宽小于lOkHz。同年，Zyskind等人也报道了短腔光纤激光器，通过在掺铒光纤上直接写入一对Bragg光栅制作了腔长仅为2cm的谐振腔，利用F-P干涉仪测量激光器处于单频运转状态，由于分辨率限制，他们只是证明了激光的线宽小于6MHz，没有对其实际线宽进行进一步的研究。1993年，Chernikov等人分别提出了单波长和双波长短腔光纤激光器，两种激光器都可以运行在单频状态;提出的单波长激光器输出线宽为30kHz，双波长激光器输出线宽为16kHz，频率间隔为59GHz。1994年，Horowitz等人首先报道了使用未泵浦掺铒光纤作为饱和吸收体进行多纵模抑制，经验证模式抑制效果显著:基于线形腔结构实现了单频窄线宽激光输出，线宽仅为几kHz。同年，Kringlebotn等人通过在铒/镱共掺光纤上写入相移Bragg光栅首次制作了DFB单频光纤激光器，使用的有源光纤长度为2cm，输出功率为2mW，但是没有对激光器的线宽特性进行研究。1995年，Cheng等人报道了基于饱和吸收体的环形腔单频掺铒光纤激光器，在1535nm处得到了6.2mW的激光输出，线宽小于950Hz，但是激光器的长期稳定性较差。同年，Guy等人通过在环形腔中加入相移Bragg光栅作为超窄带滤波器制作了光纤激光器，在1550nm波长处得到了线宽小于2kHz的激光输出，这也是世界上首个使用光纤Bragg光栅作为窄带滤波器的报道。1996年，Gloag等人报道了使用光纤Bragg光栅作为波长初选滤波器的Sagnac型环形腔光纤激光器，在1530nm处得到了1.6mW的单频激光输出，受测量分辨率限制，线宽小于37kHz。同年，Chang等人首次报道了使用扭模技术实现单频激光输出，提出的激光器使用了三个偏振控制器(PC)，输出波长为1534nm，线宽小于l0kHz。1998年，Lee等人首次报道了基于多环形复合腔结构的光纤激光器，使用三个长度不等的短环形子腔，复合腔结构具有良好的纵模选择能力，激光器输出波长为1533nm，消光比达到51dB，最高输出功率为23mW，线宽约为2kHz。同年，Takushima等人首次利用非保偏光纤制作光纤激光器得到了单频单偏振激光输出，并且实验证明了此激光器具有和使用全保偏器件得到的激光相同的偏振模稳定性;经测量，激光输出线宽小于1MHz。1999年，Kishi和Yazaki首次提出了利用外部光源注入进行纵模锁定得到单频激光输出的方法，结合使用饱和吸收体，得到了线宽为7.5kHz的激光输出。同年Yamashita等人证明了使用外部光源注入和自注入进行模式锁定都可以得到稳定的单频单偏振激光输出，并制作了相关的DFB光纤激光器。到了2000年以后，单频窄线宽光纤激光器便开始了向多元化的发展，各种功能和特性的单频光纤激光器陆续被报道。2000年，Chang等人报道了宽调谐的线形腔单频光纤激光器，腔长为21m，腔内使用了全光纤移频器和饱和吸收体，得到的激光边模抑制比高于50dB，波长可调谐范围达40nm以上。2001年，Song等人提出了一种基于环形腔结构的超窄线宽和宽调谐的单频掺饵光纤激光器，激光器中使用了一个宽调谐的光纤Bragg光栅(写制在使用化学方法剥离涂覆的同位素氖载光纤上)和一段4m长的未泵浦掺饵光纤饱和吸收体，得到的激光输出可调谐范围为1522nm-1562nm，输出线宽仅为750Hz；激光器性能优良，但是却没有对激光器的长期稳定性做进一步的研究。2002年，Libatique等人报道了一种离散可调谐单纵模光纤激光器，波长调谐间隔满足ITU标准建议的波分复用系统所使用的波长间隔;激光器采用环形腔结构，使用了饱和吸收体和一个玻璃标准具(Etalon)滤波器，实现了8个通道的可调谐，通道间隔为50GHz，激光输出边模抑制比大于50dB，估计线宽小于10kHz。2003年，Xu等人报道了在环形腔光纤激光器中加入半导体光放大器((SOA)可以有效抑制拍频噪声，在此处SOA相当于一个高通滤波器，通过实验证明了使用SOA后拍频噪声抑制效果显著，可以明显提高信号输出质量。2005年，Chien等人报道了一种工作在S波段的高稳定性单频可调谐掺铒光纤激光器，该激光器基于典型的环形腔结构，但是使用F-P滤波器进行滤波，并且通过使用压电陶瓷调节F-P滤波器的透射波长来实现激光波长的可调谐;波长调谐范围为1482nm-1812nm，功率和波长波动分别小于0.02dB和0.01nm，但是激光器的信噪比较低，仅为31dB。2006年，多个研究小组对单频双波长光纤激光器进行了报道，标志着单频双波长光纤激光器开始引起广泛关注；Sun等人提出了一种基于非对称相移光纤Bragg光栅的双波长单频DFB光纤激光器，通过在均匀Bragg光栅中引入两个不一样的相移实现了波长间隔仅为52pm的双波长输出，并通过拍频得到了6.62G的微波信号，然而，研究者们并没有对激光器的其他特性进行更多研究;同年，他们还提出了一种基于重叠相移光纤Bragg光栅的单频双波长DFB光纤激光器，通过在光纤同一位置写入两个在空间上独立但具有不同透射波长相移光栅，得到了间隔为0.312nm的双波长运行，并通过拍频得到了线宽仅为6kHz的38.67GHz微波信号；Dai等人提出了一种简单的线形腔双波长单频光纤激光器，主要的滤波器件为具有两个超窄透射通道的相移光纤Bragg光栅，使用环行器作为一个腔镜，并且用于实现相移光栅的透射性滤波，最后得到的双波长运行波长间隔为27pm，通过拍频得到了线宽小于20kHz的微波信号。后来的几年里，又有多个研究小组报道了具有类似输出特性的单频双波长激光器，但是，基于的结构和滤波器件各有不同。2009年，Feng等人又报道了关于单/双波长可切换的单频掺铒光纤激光器，使用的是偏振保持光纤Bragg光栅进行双波长的纵模选择，结合饱和吸收体得到单频运行。自此开始，单频窄线宽光纤激光器又多了单/双波长可切换的研究方向，并产生了诸多此方面的报道。2010年，Tang等人又提出了高稳定型的波长间隔宽调谐单频双波长光纤激光器，调谐范围从0.8nm到17nm输出功率波动小于0.37dB。此激光器还可以用于THz波的产生。2012年，Kim也提出了类似功能的单频双波长激光器，波长间隔调谐范围为3.46nm-13.2nm。1.2单频窄线宽光纤激光器实现技术方案纵观单频窄线宽光纤激光器的发展，研究者们提出了各种实现窄线宽输出的技术方案，主要包括DFB、超短腔、线形腔+饱和吸收体、环形腔+窄带滤波器件以及复合腔结构，各种实现方案又有各自的优缺点:1、DFB光纤激光器。此类激光器并非利用传统的反射腔镜，而是通过相位掩膜法直接在高浓度掺杂光纤上写入具有π/2相移的光纤Bragg光栅制得。DFB光纤激光器中没有熔接点，结构紧凑，具有很好的选频特性，很容易实现单频运转，而且整个激光器只包含一个Bragg光栅，激光器稳定性很好，输出线宽在1OkHz左右。但是，DFB激光器通常需要较高浓度的光敏增益光纤，价格昂贵，输出激光功率也很难提升，而且输出性能单一。2、超短腔光纤激光器。此类激光器通常使用两个窄带光纤Bragg光栅作为反射腔镜，一小段高浓度掺杂光纤作为增益介质(通常为5cm以下)，构成分布Bragg反射式(DBR)光纤激光器。超短腔光纤激光器是通过缩短腔长增加纵模间隔的方式选单纵模的，当纵模间隔大小和反射腔镜的反射带宽相当时，可以实现激光器的单频运转。此类激光器制作简单，稳定性好，线宽一般要略优于DFB光纤激光器，在几kHZ量级，但是仍然存在和DFB光纤激光器同样的缺点。3、线形腔+饱和吸收体的光纤激光器。此类激光器通常为一个腔长较长的DBR光纤激光器，腔内加入未泵浦掺杂光纤饱和吸收体。饱和吸收体可以形成自追踪超窄带动态滤波器，使得激光器较容易实现单频运转。腔内还可以通过加入偏振控制器、起偏器等，实现单偏振激光输出，此类激光器的线宽也可以达到kHz量级。但是，由于腔长较长，激光器的稳定性稍差，光光转换效率较低。4、环形腔+窄带滤波器件的光纤激光器。此类光纤激光器通常采用一个比较长的有源环形腔，腔内加入超窄带滤波器件，如:未泵浦掺杂光纤饱和吸收体、光纤Bragg光栅F-P滤波器、相移Bragg光栅滤波器等。由于超窄带滤波器件的存在，激光器很容易实现单频运转，而且通过使用不同的滤波器件还可以实现激光波长可调谐、多波长运行等功能。此类激光器的线宽可以达到很小，通过合理控制震动和噪声，线宽甚至可以达到kHz以下。但是，同上述激光器，此类激光器腔长也较长，激光器的长期稳定性稍差，容易出现跳模，光光转换效率低，而且超窄带滤波器件制作困难、成本高。5、复合腔结构光纤激光器。此类激光器包括线形复合腔、环形复合腔和混合型复合腔结构。由于复合腔结构可以显著增大激光器的自由光谱范围也就是纵模间隔，可以在不使用超窄带滤波器件的情况下实现激光器的单频运转，制作成本较低，而且此类激光器的线宽一般可以达到2kHz以下。尤其是使用长有源主腔和短无源子腔的形式可以实现良好的选模和线宽压窄效果，被认为是较好的窄线宽实现方案。然而，此类激光器有源主腔的腔长一般较长，使得激光器的长期稳定性较差，但是可以通过合理的隔振和温控措施得到改善。综合来看，使用长腔结构结合超窄带滤波器或者复合腔结构实现的单频光纤激光器可以达到比较窄的线宽，因为相对于短腔，长腔激光器的纵模间隔小，单个纵模线宽