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2020-02

Connet 产品小讲堂第三期——分布布拉格反射(DBR)型单频光纤激光器

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分布布拉格反射(DBR)型单频光纤激光器


1.DBR型单频光纤激光器的发展简史 

      单频激光器通常指的是单纵模输出,频谱线宽很窄的激光器。主要包括单频半导体激光器和单频光纤激光器两大类。那么多窄的频谱线宽才能够被称作单频呢?没有完全统一的标准,通常业界把线宽小于百kHz的单纵模激光称为单频激光,而线宽达到数百kHz甚至MHz以上的单纵模激光器只是被看做窄线宽激光器,例如通信领域被广泛使用的DFB型半导体激光器,和DBR型半导体激光器,线宽从几百kHz到10MHz。这样的激光器很少被叫做单频激光器。从谐振腔的构成和输出激光模式来看,这类的半导体激光器可以看做是单纵模输出,只是频谱线宽还不够窄。DBR型单频光纤激光器的出现时间久远,其受到重视并且得到快速的发展得益于高稀土离子掺杂浓度的特种玻璃光纤的发明,标志性事件是2003年美国 NP Photonics 公司的 Spiegelberg 等凭借 Er3+/Yb3+共掺磷酸盐光纤研制的 DBR 单频光纤激光器实现了大于 200mW 的有效输出,其激光线宽小于 2 kHz。可以说磷酸盐玻璃光纤的研制成功给1.5um波段的分布布拉格反射(DBR)型单频光纤激光器带来了巨大的影响,突破了传统硅酸盐基稀土掺杂光纤的掺杂浓度限制,大幅度提升了有源光纤的增益水平,从而能够使得DBR型单频光纤激光器在实现单频运转的同时提高了输出功率。而输出功率恰恰是DBR型单频光纤激光器的瓶颈。2010年,华南理工大学基于自身研发的高掺杂磷酸盐光纤获得了高达 5.2 dB/cm 的光学增益,同时在2 cm 增益光纤的基础上实现了300mW 的 1.5 μm 的单频激光输出,其线宽仅为 1.6 kHz。随后不到十年的时间里,DBR型单频光纤激光器的工作波段拓展到1.0um和2.0um,随着对高掺杂浓度增益光纤,单频光纤激光器谐振腔控制,相频噪声和强度噪声的控制和抑制水平的不断提升,DBR型单频光纤激光器在输出功率,噪声等综合性能指标有了巨大的进步。目前已经成为短直腔单频光纤激光器的代表技术之一。

2.DBR型单频光纤激光器的谐振腔结构 

       DBR是分布式布拉格反射(Distributed Bragg Reflector)的简称,从字面上理解,DBR型光纤激光器的谐振腔由光纤布拉格光栅(FBG)腔镜构成。其谐振腔结构简单,下面以NP Photonics公司和国内华南理工大学的示意图为例说明:

                   



        DBR型单频光纤激光器的谐振腔由一段高增益光纤及一对光纤布拉格光栅构成。DBR型单频光纤激光器的工作波长同样取决于光纤布拉格光栅的反射波长、掺杂光纤的增益谱宽以及谐振腔的长度。通常,DBR型单频光纤激光器是利用预先刻写好光栅的石英光纤与增益光纤熔接或者对接,在窄带光纤光栅端实现单频激光输出。

示意图中的BB-FBG指的是宽带的光纤布拉格光栅,PM-FBG或者NB-FBG指的是窄带的光纤布拉格光栅,FWHM一般必须小于0.1nm,对谐振腔中的单纵模选择起到至关重要的作用。

3.DBR型单频光纤激光器的实现原理   

      DBR型单频光纤激光器是经典的线形短直腔构型的单频光纤激光器,从激光器的基础三要素出发,其单频输出的实现原理核心在于单纵模的选取。这个重要的任务几乎完全落在了窄带的低反射率光纤布拉格光栅上。下面的示意图比较直观的说明了单纵模选取的状态。

 

示意图中的(a)表示了谐振腔中有源增益介质的增益谱,(b)表示DBR型光纤激光器谐振腔中满足驻波条件的谐振模式(纵模)序列。(c)表示经过纵模选取后的单纵模输出。

短直线腔是一种Fabry-Perot(FP)结构,其中形成稳定的驻波场后才能形成激光,即沿着腔的轴线方向形成稳定的驻波,驻波的一个波节就是该谐振腔的一个纵模。纵模的频率必需满足条件

Vq=qc/2nL

式中q是纵模序数,c是真空中光速,n是增益介质折射率,L是谐振腔长度。 谐振腔长度确定后,纵模分布也会随之确定,纵模间隔满足 Δv=c/2nL,纵模间隔也通常被称之为自由光谱范围FSR(Free Spectral Range)。

从以上简单的公式可以看出,DBR型光纤激光器想要实现单频(也就是单纵模)输出,必须从两方面入手:

1) 增大纵模间隔便于单纵模的选取:必须缩小DBR型光纤激光器的谐振腔长度。

2) 窄带光纤布拉格光栅(NB-FBG)的FWHM宽度必须小于2倍的纵模间隔。

不难看出,对于DBR型单频光纤激光器,窄带光纤布拉格光栅(NB-FBG)的重要性。一般DBR型单频光纤激光器的谐振腔总长度大约为2-5cm,以1550nm为例,光纤的折射率大约为1.5,其纵模间隔大约2-5GHz,为了能够保证单频(单纵模)输出,窄带光纤布拉格光栅(NB-FBG)的FWHM宽度需要0.016-0.04nm,这样的光栅制作难度较大。

4. DBR型单频光纤激光器的优点

和分布反馈(DFB)型单频光纤激光器相比,分布布拉格反射(DBR)型单频光纤激光器的优点主要体现在以下两个方面:

1) 高掺杂浓度的增益光纤:以1.5um和1.0um的DBR型单频光纤激光器为例,Er3+/Yb3+共掺或者Yb3+掺杂磷酸盐玻璃光纤比普通的石英稀土掺杂光纤的稀土离子掺杂浓度高很多,能够实现很高的增益。保证了单频光纤激光器的输出功率水平。

2) 影响激光输出性能的窄带光纤光栅是单独刻写在石英光纤上,故激光器运行过程中在增益光纤上的热量积累对输出激光影响减小,激光器噪 声水平相对较低;同时,这也意味着可进一步提升光纤激光的输出功率。 

5. DBR型单频光纤激光器的缺点  

DBR型单频光纤激光器的快速发展受益于高掺杂浓度的增益光纤,主要是磷酸盐玻璃光纤的发明,其缺点也和磷酸盐玻璃光纤有关,另外,DBR型单频光纤激光器的谐振腔结构也会带来一些挑战,综合起来,主要表现为以下几个方面:

1) 磷酸盐玻璃光纤的熔点只有数百摄氏度,远低于普通的石英光纤,两种光纤几乎无法实现高质量的熔接,DBR型单频光纤激光器难以实现真正的全光纤化。鉴于DBR型单频光纤激光器的谐振腔结构,高掺杂浓度的磷酸盐玻璃增益光纤和基于石英光纤的光纤光栅对之间的连接难度很大,低质量的熔接会增加谐振腔的损耗,降低单频光纤激光器的整体性能。

 

2) DBR型单频光纤激光器对用于选取单纵模的窄带光纤布拉格光栅(NB-FBG)要求极高,其FWHM往往要低于0.05nm甚至更小,这样的光栅制作困难。另外,因为光纤光栅对温度敏感,微小的温度变化都有可能导致DBR型单频光纤激光器跳模,影响单频性能。所以,DBR型单频光纤激光器对光栅的温控要求更高。

3) 磷酸盐玻璃光纤和硅酸盐基(石英)光纤制作的光纤布拉格光栅具有不同的热膨胀系数,进一步提高了整个DBR型单频光纤激光器谐振腔的温控要求。

4) DBR型单频光纤激光器因为实现全光纤化相对困难,所以实现高偏振消光比,稳定的线偏振输出的工艺难度更大。而众多的应用领域都需要线偏振工作的单频光纤激光器。

5) 磷酸盐玻璃光纤的化学性能不稳定,具有吸水性,这为基于磷酸盐玻璃光纤的DBR型单频光纤激光器的长期可靠性带来隐患。商用的DBR型单频光纤激光器需要对磷酸盐玻璃增益光纤进行特殊处理,例如使用氮气或者惰性气体对空气进行隔离封装等。