自1960年首臺(tái)紅寶石激光器問世以來，激光技術(shù)經(jīng)歷了多次變革，目前已成為覆蓋工業(yè)加工、通信、醫(yī)療、軍事等多個(gè)領(lǐng)域的重要技術(shù)。而近年來最為人熟知的便是光纖激光器。

光纖激光器市場概況

眾所周知，按工作介質(zhì)不同，可將激光器分為固體激光器、氣體激光器、染料激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器和自由電子激光器6種。與其他激光器相比，光纖激光器擁有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、維護(hù)成本低、散熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前光纖激光器已經(jīng)成為金屬切割、焊接等傳統(tǒng)工業(yè)制造領(lǐng)域的主流光源。

據(jù)OFweek產(chǎn)業(yè)研究中心數(shù)據(jù)顯示，2018年全球激光器市場規(guī)模達(dá)137.54億美元，同比增長5.3％；其中光纖激光器占比51.4％，同比增長6.1％。由于今年受經(jīng)濟(jì)環(huán)境波動(dòng)的影響，行業(yè)發(fā)展有所放緩，預(yù)計(jì)2019年光纖激光器市場規(guī)模增速將與去年基本持平，在6.5％以內(nèi)。

盡管光纖激光器是當(dāng)前激光器市場里的最大玩家，但近年來中國光纖激光器市場同質(zhì)化競爭嚴(yán)重，尋找差異化優(yōu)勢成了各企業(yè)重視的課題。我們今天要討論的主角，便是除了具有激光本身良好的單色性和方向性外，還有著普通激光器難以達(dá)到的長相干長度、窄譜線寬度優(yōu)點(diǎn)的單頻光纖激光器。

何為單頻光纖激光器？

所謂單頻激光器，即單縱模激光器，是一種基于半導(dǎo)體激光器泵浦，稀土摻雜光纖作為增益介質(zhì)，結(jié)合相對復(fù)雜的控制技術(shù)的高精密單縱模超窄線寬激光光源。這種激光器能提供低的相位噪聲和相對強(qiáng)度噪聲，極窄的頻譜線寬和長相干長度。

單頻光纖激光器

圖片來源：上海瀚宇

單頻光纖激光器最早出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過近30年的發(fā)展已取得了長足進(jìn)步。與材料加工領(lǐng)域用的高功率光纖激光器不同，這種位于光纖激光市場另一賽道上的單頻激光器，因其獨(dú)特的性質(zhì)和特點(diǎn)，有著截然不同的應(yīng)用場景。

由于單頻激光器線寬窄、噪聲低，這意味著它對高精密的震動(dòng)較為敏感，且較長的相干長度確保了長距離傳感的精度，因此單頻激光器在高精度／高靈敏度／遠(yuǎn)距離傳感系統(tǒng)、下一代通信技術(shù)、相干技術(shù)、遙感技術(shù)、相干激光雷達(dá)等多個(gè)領(lǐng)域有著突出優(yōu)勢。

單頻激光器四大關(guān)鍵性能指標(biāo)

單頻光纖激光器的主要性能指標(biāo)包括相位噪聲、相對強(qiáng)度噪聲（RIN）、線寬、波長穩(wěn)定性和頻率漂移。

所謂相位噪聲，即單頻激光器所發(fā)激光的頻譜譜線不再是單一的線條，而是有一定的寬度，這個(gè)寬度的大小即反映單頻激光器相位噪聲的高低。相位噪聲的具體表現(xiàn)為：以觀測點(diǎn)為基準(zhǔn)，光波隨著時(shí)間變化在相位上隨機(jī)起伏或延遲。相位噪聲是衡量單頻激光器最重要的參數(shù)之一，對單頻激光的線寬有著重要影響。

相對強(qiáng)度噪聲是指激光器的輸出平均功率和某個(gè)頻率下的噪聲的比值。在實(shí)際應(yīng)用中，單頻激光器的相對強(qiáng)度噪聲往往會(huì)作為重要的噪聲源，影響相干探測系統(tǒng)（如連續(xù)工作的相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)、相位敏感型OTDR系統(tǒng)解調(diào)系統(tǒng)）的本底噪聲水平。

單頻激光器的線寬是一種頻域的概念，可以理解為頻譜的譜線寬度。從單頻激光器的相位噪聲描述中可以得出，相位噪聲能夠直觀反映單頻激光器的線寬。對單頻激光器的線寬測試通常通過延時(shí)自外差非平衡M－Z干涉儀的方式進(jìn)行，其線寬測試和積分時(shí)間（或者說延時(shí)光纖長度）相關(guān)。

波長穩(wěn)定性和頻率漂移是單頻激光器性能的直觀體現(xiàn)。由于單頻光纖激光器具有較長的諧振腔長度，采用了對溫度和應(yīng)變及振動(dòng)敏感的關(guān)鍵器件－光纖光柵，其波長穩(wěn)定性或者頻率漂移是一種挑戰(zhàn)。

四種主流單頻光纖激光器優(yōu)缺點(diǎn)對比

據(jù)OFweek激光網(wǎng)了解，目前主流的單頻光纖激光器主要分為短直腔型和環(huán)形腔型兩大類。其中，短直腔結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器包括分布反饋（DFB）型和分布布拉格反射（DBR）型；而環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器構(gòu)型較多，目前比較成熟能夠商用的技術(shù)包括“虛擬環(huán)形腔”技術(shù)（以美國Obits Lightwave公司為代表）以及 “優(yōu)化行波腔”技術(shù)（以上海瀚宇為代表）兩種。

分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易實(shí)現(xiàn)單縱模輸出；抗干擾能力強(qiáng)；成本低廉，適合于批量應(yīng)用。其核心技術(shù)是在稀土摻雜的有源光纖纖芯內(nèi)部刻寫相移型光纖光柵，兩段均勻周期的光纖布拉格光柵之間有一定的距離，用來實(shí)現(xiàn)特定的相移，例如1／4波長或者1／2波長。通過泵浦光的激勵(lì)，獲取單頻激光的輸出。相移型有源光纖光柵即作為諧振腔的增益介質(zhì)，又同時(shí)作為超窄帶的濾波器選取單縱模輸出。

DFB型單頻光纖激光器原理圖

圖片來源：上海瀚宇

而這種方案缺點(diǎn)也很明顯，包括1／4波長相移型光纖光柵要求技術(shù)難度高、需要選擇合適的稀土摻雜光纖、且相移光柵封裝要求較高等。主要廠家包括丹麥NKT Photonics、法國IxBlue、中科院半導(dǎo)體所、上海光機(jī)所、山東省科學(xué)院激光研究所、上海瀚宇（上海科乃特激光）。

分布布拉格反射（DBR）型單頻光纖激光器，通過高摻雜濃度的磷酸鹽玻璃光纖實(shí)現(xiàn)較高增益，短直腔設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)較高功率輸出。但較難實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的熔接，諧振腔可靠性差，且對選頻的光柵要求較高。此外，短直腔制作困難，難以適應(yīng)苛刻的工作環(huán)境。主要廠家包括NP Photonics、Advalue Photonics、華南理工大學(xué)等。

虛擬環(huán)形腔技術(shù)又稱為“復(fù)合腔技術(shù)”，具備線形腔的基本結(jié)構(gòu)，由光纖光柵構(gòu)成直腔的腔鏡，本質(zhì)上仍然是短直腔結(jié)構(gòu)，腔長決定的FSR依然是獲取單縱模的關(guān)鍵，要求腔長較短。虛擬環(huán)形腔技術(shù)結(jié)合了短直腔和環(huán)形腔的思想，在駐波腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了行波運(yùn)轉(zhuǎn)，從技術(shù)角度看屬于目前來說比較優(yōu)秀的一項(xiàng)技術(shù)，但是技術(shù)工藝實(shí)現(xiàn)難度大，缺少可復(fù)制性且成本昂貴。代表企業(yè)為美國Obits Lightwave。

優(yōu)化行波腔技術(shù)特點(diǎn)在于，在消除駐波空間燒孔效應(yīng)的同時(shí)，通過長腔長的設(shè)計(jì)使較長的增益光纖充分吸收泵浦光，實(shí)現(xiàn)高功率輸出。同時(shí)，行波運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能大幅度降低光纖激光器的相對強(qiáng)度噪聲和相位噪聲，實(shí)現(xiàn)＜1kHz的超窄線寬，并通過全光纖型窄帶濾波器注入選取單縱模輸出，長飽和吸收體穩(wěn)定單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，單偏振控制消除偏振燒孔效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單偏振輸出，偏振消光比高達(dá)25dB以上。典型代表為上海瀚宇的CoSF－R型系列產(chǎn)品。

各類單頻激光器關(guān)鍵性能指標(biāo)對比

前文提到了單頻光纖激光器的四個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)，那么各類單頻激光器在四個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上又有怎樣的表現(xiàn)呢？

影響單頻激光器相位噪聲的因素很多，通俗的角度來說，單頻激光器內(nèi)的增益介質(zhì)的長度和形狀，光波導(dǎo)的精細(xì)程度，諧振腔的長短能夠客觀反映單頻光纖激光器相位噪聲的高低。單頻光纖激光器和半導(dǎo)體激光器相比，諧振腔長度要長的多，以短直腔結(jié)構(gòu)的分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器為例，諧振腔長度大約為2－10cm，而單頻半導(dǎo)體激光器的諧振腔大約為百um到mm量級，而上海瀚宇的CoSF－R“優(yōu)化行波腔型”的單頻光纖激光器腔長高達(dá)10米以上，具有極低的相位噪聲。

決定單頻激光器在中低頻段的相對強(qiáng)度噪聲水平的指標(biāo)是馳豫振蕩峰值。單頻半導(dǎo)體激光器得益于有源增益介質(zhì)和諧振腔的構(gòu)成，電極和增益介質(zhì)的“重疊”程度高，展現(xiàn)出極其優(yōu)秀的相對強(qiáng)度噪聲（RIN）性能，馳豫振蕩峰通常高達(dá)GHz量級。而光纖激光器本質(zhì)上屬于端面泵浦，有源介質(zhì)在長度上受到的泵浦激勵(lì)不均勻，同時(shí)，因?yàn)橹C振腔較長而具有馳豫振蕩峰值頻率較低的特性，分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器的馳豫振蕩峰值頻率通常在幾百kHz到1MHz附近。

單頻光纖激光器因?yàn)轳Y豫振蕩峰值頻率較低，需要對單頻光纖激光器的相對強(qiáng)度噪聲（RIN）進(jìn)行抑制，經(jīng)典的手段包括：電流負(fù)反饋型，飽和放大，外腔注入鎖定等。上海瀚宇研制的CoSF－D型分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器經(jīng)過相對強(qiáng)度噪聲（RIN）抑制，得到了較好的結(jié)果，如下圖所示。

圖片來源：上海瀚宇

從圖中可見，經(jīng)過抑制的CoSF－D型分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器在低頻段的相對強(qiáng)度噪聲低于－145dBc／Hz，馳豫振蕩峰值低于－140dBc／Hz，高頻段的相對強(qiáng)度噪聲低于－150dBc／Hz，接近于散粒噪聲水平。可以說，經(jīng)過抑制的CoSF－D型分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器相對強(qiáng)度噪聲水平已經(jīng)優(yōu)于單頻半導(dǎo)體激光器，同時(shí)兼具了低相位噪聲和低相對強(qiáng)度噪聲的特點(diǎn)，可進(jìn)行穩(wěn)定的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)，單頻、單偏振、單縱模輸出。

前文提到，線寬可以理解為頻譜的譜線寬度，而相位噪聲能夠直觀反映單頻激光器的線寬。與單頻半導(dǎo)體激光器相比，單頻光纖激光器具有更低的相位噪聲，因此單頻光纖激光器的本征線寬遠(yuǎn)比單頻半導(dǎo)體激光器窄，這是由單頻激光器的諧振腔構(gòu)型，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及諧振腔長度決定的。目前單頻半導(dǎo)體激光器還沒有出現(xiàn)線寬低于1kHz的產(chǎn)品，而NKT Photonics公司的Koheras E15型DFB單頻光纖激光器標(biāo)稱線寬＜0.1kHz，本征線寬只有數(shù)十Hz；上海瀚宇的CoSF－D－ER型分布反饋（DFB）單頻光纖激光器的本征線寬只有幾十Hz，和NKT公司的E15非常接近，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單頻半導(dǎo)體激光器。

由于單頻光纖激光器具有較長的諧振腔長度，而關(guān)鍵器件－光纖光柵又對溫度和振動(dòng)非常敏感，這對波長穩(wěn)定性和頻率漂移的控制是一種挑戰(zhàn)。據(jù)悉，上海瀚宇的CoSF－D系列分布反饋（DFB）單頻光纖激光器通過合理設(shè)計(jì)激光器中有源相移光纖光柵的封裝，精細(xì)控制TEC電路，使得波長穩(wěn)定性得到較好的控制，波長穩(wěn)定性在10pm左右。

此外，為了能夠滿足主動(dòng)波長鎖定和對頻率漂移有苛刻要求的應(yīng)用，CoSF－D型分布反饋（DFB）單頻光纖激光器的有源相移光纖光柵可以安裝在壓電陶瓷換能器（PZT）上，用于調(diào)節(jié)單頻光纖激光器的腔長，實(shí)現(xiàn)對單頻光纖激光器的波長鎖定或者快速調(diào)制。CoSF－D型分布反饋（DFB）單頻光纖激光器選取的PZT能夠在200V的電壓驅(qū)動(dòng)情況下，實(shí)現(xiàn)接近20GHz的波長調(diào)諧范圍，快速波長調(diào)制的線性響應(yīng)頻率可達(dá)20kHz，能夠很好滿足諸如固定差頻鎖定，外注入鎖定穩(wěn)頻的需求。

單頻激光器市場現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展后，單頻光纖激光器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展相對成熟且完善，作為一種重要的高精密光源，單頻光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。盡管與主流材料加工市場的大功率光纖激光器相比，單頻激光器市場體量較小，但憑借獨(dú)特的性能以及特殊領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將成為激光技術(shù)隊(duì)伍里的重要補(bǔ)充。

目前，單頻激光器主要用于分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)、周界安全、水聽、用于相干激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度的成像、速度和距離的遙感探測。此外，石油和天然氣勘探系統(tǒng)、管道監(jiān)控、氣體泄露檢測、冷原子物理、空間激光通信以及微波光子學(xué)等領(lǐng)域，單頻激光器也將發(fā)揮重要作用。