单频光纤激光器：具有长相干、窄线宽优势 在诸多特殊领域发挥重要作用 —— 文章正文2020-02-11

自1960年首台红宝石激光器问世以来，激光技术经历了多次变革，目前已成为覆盖工业加工、通信、医疗、军事等多个领域的重要技术。而近年来最为人熟知的便是光纤激光器。

众所周知，按工作介质不同，可将激光器分为固体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器、光纤激光器和自由电子激光器6种。与其他激光器相比，光纤激光器拥有结构简单、转换效率高、光束质量好、维护成本低、散热性能好等优点，因此，目前光纤激光器已经成为金属切割、焊接等传统工业制造领域的主流光源。

据OFweek产业研究中心数据显示，2018年全球激光器市场规模达137.54亿美元，同比增长5.3％；其中光纤激光器占比51.4％，同比增长6.1％。由于今年受经济环境波动的影响，行业发展有所放缓，预计2019年光纤激光器市场规模增速将与去年基本持平，在6.5％以内。

尽管光纤激光器是当前激光器市场里的最大玩家，但近年来中国光纤激光器市场同质化竞争严重，寻找差异化优势成了各企业重视的课题。我们今天要讨论的主角，便是除了具有激光本身良好的单色性和方向性外，还有着普通激光器难以达到的长相干长度、窄谱线宽度优点的单频光纤激光器。

所谓单频激光器，即单纵模激光器，是一种基于半导体激光器泵浦，稀土掺杂光纤作为增益介质，结合相对复杂的控制技术的高精密单纵模超窄线宽激光光源。这种激光器能提供低的相位噪声和相对强度噪声，极窄的频谱线宽和长相干长度。

单频光纤激光器

图片来源：上海瀚宇

单频光纤激光器最早出现于20世纪90年代，经过近30年的发展已取得了长足进步。与材料加工领域用的高功率光纤激光器不同，这种位于光纤激光市场另一赛道上的单频激光器，因其独特的性质和特点，有着截然不同的应用场景。

由于单频激光器线宽窄、噪声低，这意味着它对高精密的震动较为敏感，且较长的相干长度确保了长距离传感的精度，因此单频激光器在高精度／高灵敏度／远距离传感系统、下一代通信技术、相干技术、遥感技术、相干激光雷达等多个领域有着突出优势。

单频光纤激光器的主要性能指标包括相位噪声、相对强度噪声（RIN）、线宽、波长稳定性和频率漂移。

所谓相位噪声，即单频激光器所发激光的频谱谱线不再是单一的线条，而是有一定的宽度，这个宽度的大小即反映单频激光器相位噪声的高低。相位噪声的具体表现为：以观测点为基准，光波随着时间变化在相位上随机起伏或延迟。相位噪声是衡量单频激光器最重要的参数之一，对单频激光的线宽有着重要影响。

相对强度噪声是指激光器的输出平均功率和某个频率下的噪声的比值。在实际应用中，单频激光器的相对强度噪声往往会作为重要的噪声源，影响相干探测系统（如连续工作的相干多普勒测风激光雷达、相位敏感型OTDR系统解调系统）的本底噪声水平。

单频激光器的线宽是一种频域的概念，可以理解为频谱的谱线宽度。从单频激光器的相位噪声描述中可以得出，相位噪声能够直观反映单频激光器的线宽。对单频激光器的线宽测试通常通过延时自外差非平衡M－Z干涉仪的方式进行，其线宽测试和积分时间（或者说延时光纤长度）相关。

波长稳定性和频率漂移是单频激光器性能的直观体现。由于单频光纤激光器具有较长的谐振腔长度，采用了对温度和应变及振动敏感的关键器件－光纤光栅，其波长稳定性或者频率漂移是一种挑战。

据OFweek激光网了解，目前主流的单频光纤激光器主要分为短直腔型和环形腔型两大类。其中，短直腔结构的单频光纤激光器包括分布反馈（DFB）型和分布布拉格反射（DBR）型；而环形腔结构的单频光纤激光器构型较多，目前比较成熟能够商用的技术包括“虚拟环形腔”技术（以美国Obits Lightwave公司为代表）以及 “优化行波腔”技术（以上海瀚宇为代表）两种。

分布反馈（DFB）型单频光纤激光器，优点是结构简单，易实现单纵模输出；抗干扰能力强；成本低廉，适合于批量应用。其核心技术是在稀土掺杂的有源光纤纤芯内部刻写相移型光纤光栅，两段均匀周期的光纤布拉格光栅之间有一定的距离，用来实现特定的相移，例如1／4波长或者1／2波长。通过泵浦光的激励，获取单频激光的输出。相移型有源光纤光栅即作为谐振腔的增益介质，又同时作为超窄带的滤波器选取单纵模输出。

DFB型单频光纤激光器原理图

图片来源：上海瀚宇

而这种方案缺点也很明显，包括1／4波长相移型光纤光栅要求技术难度高、需要选择合适的稀土掺杂光纤、且相移光栅封装要求较高等。主要厂家包括丹麦NKT Photonics、法国IxBlue、中科院半导体所、上海光机所、山东省科学院激光研究所、上海瀚宇（上海科乃特激光）。

分布布拉格反射（DBR）型单频光纤激光器，通过高掺杂浓度的磷酸盐玻璃光纤实现较高增益，短直腔设计可以实现较高功率输出。但较难实现高强度的熔接，谐振腔可靠性差，且对选频的光栅要求较高。此外，短直腔制作困难，难以适应苛刻的工作环境。主要厂家包括NP Photonics、Advalue Photonics、华南理工大学等。

虚拟环形腔技术又称为“复合腔技术”，具备线形腔的基本结构，由光纤光栅构成直腔的腔镜，本质上仍然是短直腔结构，腔长决定的FSR依然是获取单纵模的关键，要求腔长较短。虚拟环形腔技术结合了短直腔和环形腔的思想，在驻波腔内实现了行波运转，从技术角度看属于目前来说比较优秀的一项技术，但是技术工艺实现难度大，缺少可复制性且成本昂贵。代表企业为美国Obits Lightwave。

优化行波腔技术特点在于，在消除驻波空间烧孔效应的同时，通过长腔长的设计使较长的增益光纤充分吸收泵浦光，实现高功率输出。同时，行波运转时能大幅度降低光纤激光器的相对强度噪声和相位噪声，实现＜1kHz的超窄线宽，并通过全光纤型窄带滤波器注入选取单纵模输出，长饱和吸收体稳定单纵模运转。此外，单偏振控制消除偏振烧孔效应，实现稳定的单偏振输出，偏振消光比高达25dB以上。典型代表为上海瀚宇的CoSF－R型系列产品。

前文提到了单频光纤激光器的四个关键性能指标，那么各类单频激光器在四个关键指标上又有怎样的表现呢？

影响单频激光器相位噪声的因素很多，通俗的角度来说，单频激光器内的增益介质的长度和形状，光波导的精细程度，谐振腔的长短能够客观反映单频光纤激光器相位噪声的高低。单频光纤激光器和半导体激光器相比，谐振腔长度要长的多，以短直腔结构的分布反馈（DFB）型单频光纤激光器为例，谐振腔长度大约为2－10cm，而单频半导体激光器的谐振腔大约为百um到mm量级，而上海瀚宇的CoSF－R“优化行波腔型”的单频光纤激光器腔长高达10米以上，具有极低的相位噪声。

决定单频激光器在中低频段的相对强度噪声水平的指标是驰豫振荡峰值。单频半导体激光器得益于有源增益介质和谐振腔的构成，电极和增益介质的“重叠”程度高，展现出极其优秀的相对强度噪声（RIN）性能，驰豫振荡峰通常高达GHz量级。而光纤激光器本质上属于端面泵浦，有源介质在长度上受到的泵浦激励不均匀，同时，因为谐振腔较长而具有驰豫振荡峰值频率较低的特性，分布反馈（DFB）型单频光纤激光器的驰豫振荡峰值频率通常在几百kHz到1MHz附近。

单频光纤激光器因为驰豫振荡峰值频率较低，需要对单频光纤激光器的相对强度噪声（RIN）进行抑制，经典的手段包括：电流负反馈型，饱和放大，外腔注入锁定等。上海瀚宇研制的CoSF－D型分布反馈（DFB）型单频光纤激光器经过相对强度噪声（RIN）抑制，得到了较好的结果，如下图所示。

图片来源：上海瀚宇

从图中可见，经过抑制的CoSF－D型分布反馈（DFB）型单频光纤激光器在低频段的相对强度噪声低于－145dBc／Hz，驰豫振荡峰值低于－140dBc／Hz，高频段的相对强度噪声低于－150dBc／Hz，接近于散粒噪声水平。可以说，经过抑制的CoSF－D型分布反馈（DFB）型单频光纤激光器相对强度噪声水平已经优于单频半导体激光器，同时兼具了低相位噪声和低相对强度噪声的特点，可进行稳定的单纵模运转，单频、单偏振、单纵模输出。

前文提到，线宽可以理解为频谱的谱线宽度，而相位噪声能够直观反映单频激光器的线宽。与单频半导体激光器相比，单频光纤激光器具有更低的相位噪声，因此单频光纤激光器的本征线宽远比单频半导体激光器窄，这是由单频激光器的谐振腔构型，波导结构以及谐振腔长度决定的。目前单频半导体激光器还没有出现线宽低于1kHz的产品，而NKT Photonics公司的Koheras E15型DFB单频光纤激光器标称线宽＜0.1kHz，本征线宽只有数十Hz；上海瀚宇的CoSF－D－ER型分布反馈（DFB）单频光纤激光器的本征线宽只有几十Hz，和NKT公司的E15非常接近，均远远低于单频半导体激光器。

由于单频光纤激光器具有较长的谐振腔长度，而关键器件－光纤光栅又对温度和振动非常敏感，这对波长稳定性和频率漂移的控制是一种挑战。据悉，上海瀚宇的CoSF－D系列分布反馈（DFB）单频光纤激光器通过合理设计激光器中有源相移光纤光栅的封装，精细控制TEC电路，使得波长稳定性得到较好的控制，波长稳定性在10pm左右。

此外，为了能够满足主动波长锁定和对频率漂移有苛刻要求的应用，CoSF－D型分布反馈（DFB）单频光纤激光器的有源相移光纤光栅可以安装在压电陶瓷换能器（PZT）上，用于调节单频光纤激光器的腔长，实现对单频光纤激光器的波长锁定或者快速调制。CoSF－D型分布反馈（DFB）单频光纤激光器选取的PZT能够在200V的电压驱动情况下，实现接近20GHz的波长调谐范围，快速波长调制的线性响应频率可达20kHz，能够很好满足诸如固定差频锁定，外注入锁定稳频的需求。

经历了几十年的发展后，单频光纤激光器技术已经发展相对成熟且完善，作为一种重要的高精密光源，单频光纤激光器的应用领域非常广泛。尽管与主流材料加工市场的大功率光纤激光器相比，单频激光器市场体量较小，但凭借独

自1960年首台红宝石激光器问世以来，激光技术经历了多次变革，目前已成为覆盖工业加工、通信、医疗、军事等多个领域的重要技术。而近年来最为人熟知的便是光纤激光器。

众所周知，按工作介质不同，可将激光器分为固体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器、光纤激光器和自由电子激光器6种。与其他激光器相比，光纤激光器拥有结构简单、转换效率高、光束质量好、维护成本低、散热性能好等优点，因此，目前光纤激光器已经成为金属切割、焊接等传统工业制造领域的主流光源。

据OFweek产业研究中心数据显示，2018年全球激光器市场规模达137.54亿美元，同比增长5.3％；其中光纤激光器占比51.4％，同比增长6.1％。由于今年受经济环境波动的影响，行业发展有所放缓，预计2019年光纤激光器市场规模增速将与去年基本持平，在6.5％以内。

尽管光纤激光器是当前激光器市场里的最大玩家，但近年来中国光纤激光器市场同质化竞争严重，寻找差异化优势成了各企业重视的课题。我们今天要讨论的主角，便是除了具有激光本身良好的单色性和方向性外，还有着普通激光器难以达到的长相干长度、窄谱线宽度优点的单频光纤激光器。

所谓单频激光器，即单纵模激光器，是一种基于半导体激光器泵浦，稀土掺杂光纤作为增益介质，结合相对复杂的控制技术的高精密单纵模超窄线宽激光光源。这种激光器能提供低的相位噪声和相对强度噪声，极窄的频谱线宽和长相干长度。

单频光纤激光器

图片来源：上海瀚宇

单频光纤激光器最早出现于20世纪90年代，经过近30年的发展已取得了长足进步。与材料加工领域用的高功率光纤激光器不同，这种位于光纤激光市场另一赛道上的单频激光器，因其独特的性质和特点，有着截然不同的应用场景。

由于单频激光器线宽窄、噪声低，这意味着它对高精密的震动较为敏感，且较长的相干长度确保了长距离传感的精度，因此单频激光器在高精度／高灵敏度／远距离传感系统、下一代通信技术、相干技术、遥感技术、相干激光雷达等多个领域有着突出优势。

单频光纤激光器的主要性能指标包括相位噪声、相对强度噪声（RIN）、线宽、波长稳定性和频率漂移。

所谓相位噪声，即单频激光器所发激光的频谱谱线不再是单一的线条，而是有一定的宽度，这个宽度的大小即反映单频激光器相位噪声的高低。相位噪声的具体表现为：以观测点为基准，光波随着时间变化在相位上随机起伏或延迟。相位噪声是衡量单频激光器最重要的参数之一，对单频激光的线宽有着重要影响。

相对强度噪声是指激光器的输出平均功率和某个频率下的噪声的比值。在实际应用中，单频激光器的相对强度噪声往往会作为重要的噪声源，影响相干探测系统（如连续工作的相干多普勒测风激光雷达、相位敏感型OTDR系统解调系统）的本底噪声水平。

单频激光器的线宽是一种频域的概念，可以理解为频谱的谱线宽度。从单频激光器的相位噪声描述中可以得出，相位噪声能够直观反映单频激光器的线宽。对单频激光器的线宽测试通常通过延时自外差非平衡M－Z干涉仪的方式进行，其线宽测试和积分时间（或者说延时光纤长度）相关。

波长稳定性和频率漂移是单频激光器性能的直观体现。由于单频光纤激光器具有较长的谐振腔长度，采用了对温度和应变及振动敏感的关键器件－光纤光栅，其波长稳定性或者频率漂移是一种挑战。

据OFweek激光网了解，目前主流的单频光纤激光器主要分为短直腔型和环形腔型两大类。其中，短直腔结构的单频光纤激光器包括分布反馈（DFB）型和分布布拉格反射（DBR）型；而环形腔结构的单频光纤激光器构型较多，目前比较成熟能够商用的技术包括“虚拟环形腔”技术（以美国Obits Lightwave公司为代表）以及 “优化行波腔”技术（以上海瀚宇为代表）两种。

分布反馈（DFB）型单频光纤激光器，优点是结构简单，易实现单纵模输出；抗干扰能力强；成本低廉，适合于批量应用。其核心技术是在稀土掺杂的有源光纤纤芯内部刻写相移型光纤光栅，两段均匀周期的光纤布拉格光栅之间有一定的距离，用来实现特定的相移，例如1／4波长或者1／2波长。通过泵浦光的激励，获取单频激光的输出。相移型有源光纤光栅即作为谐振腔的增益介质，又同时作为超窄带的滤波器选取单纵模输出。

DFB型单频光纤激光器原理图

图片来源：上海瀚宇

而这种方案缺点也很明显，包括1／4波长相移型光纤光栅要求技术难度高、需要选择合适的稀土掺杂光纤、且相移光栅封装要求较高等。主要厂家包括丹麦NKT Photonics、法国IxBlue、中科院半导体所、上海光机所、山东省科学院激光研究所、上海瀚宇（上海科乃特激光）。

分布布拉格反射（DBR）型单频光纤激光器，通过高掺杂浓度的磷酸盐玻璃光纤实现较高增益，短直腔设计可以实现较高功率输出。但较难实现高强度的熔接，谐振腔可靠性差，且对选频的光栅要求较高。此外，短直腔制作困难，难以适应苛刻的工作环境。主要厂家包括NP Photonics、Advalue Photonics、华南理工大学等。

虚拟环形腔技术又称为“复合腔技术”，具备线形腔的基本结构，由光纤光栅构成直腔的腔镜，本质上仍然是短直腔结构，腔长决定的FSR依然是获取单纵模的关键，要求腔长较短。虚拟环形腔技术结合了短直腔和环形腔的思想，在驻波腔内实现了行波运转，从技术角度看属于目前来说比较优秀的一项技术，但是技术工艺实现难度大，缺少可复制性且成本昂贵。代表企业为美国Obits Lightwave。

优化行波腔技术特点在于，在消除驻波空间烧孔效应的同时，通过长腔长的设计使较长的增益光纤充分吸收泵浦光，实现高功率输出。同时，行波运转时能大幅度降低光纤激光器的相对强度噪声和相位噪声，实现＜1kHz的超窄线宽，并通过全光纤型窄带滤波器注入选取单纵模输出，长饱和吸收体稳定单纵模运转。此外，单偏振控制消除偏振烧孔效应，实现稳定的单偏振输出，偏振消光比高达25dB以上。典型代表为上海瀚宇的CoSF－R型系列产品。

前文提到了单频光纤激光器的四个关键性能指标，那么各类单频激光器在四个关键指标上又有怎样的表现呢？

影响单频激光器相位噪声的因素很多，通俗的角度来说，单频激光器内的增益介质的长度和形状，光波导的精细程度，谐振腔的长短能够客观反映单频光纤激光器相位噪声的高低。单频光纤激光器和半导体激光器相比，谐振腔长度要长的多，以短直腔结构的分布反馈（DFB）型单频光纤激光器为例，谐振腔长度大约为2－10cm，而单频半导体激光器的谐振腔大约为百um到mm量级，而上海瀚宇的CoSF－R“优化行波腔型”的单频光纤激光器腔长高达10米以上，具有极低的相位噪声。

决定单频激光器在中低频段的相对强度噪声水平的指标是驰豫振荡峰值。单频半导体激光器得益于有源增益介质和谐振腔的构成，电极和增益介质的“重叠”程度高，展现出极其优秀的相对强度噪声（RIN）性能，驰豫振荡峰通常高达GHz量级。而光纤激光器本质上属于端面泵浦，有源介质在长度上受到的泵浦激励不均匀，同时，因为谐振腔较长而具有驰豫振荡峰值频率较低的特性，分布反馈（DFB）型单频光纤激光器的驰豫振荡峰值频率通常在几百kHz到1MHz附近。

单频光纤激光器因为驰豫振荡峰值频率较低，需要对单频光纤激光器的相对强度噪声（RIN）进行抑制，经典的手段包括：电流负反馈型，饱和放大，外腔注入锁定等。上海瀚宇研制的CoSF－D型分布反馈（DFB）型单频光纤激光器经过相对强度噪声（RIN）抑制，得到了较好的结果，如下图所示。

图片来源：上海瀚宇

从图中可见，经过抑制的CoSF－D型分布反馈（DFB）型单频光纤激光器在低频段的相对强度噪声低于－145dBc／Hz，驰豫振荡峰值低于－140dBc／Hz，高频段的相对强度噪声低于－150dBc／Hz，接近于散粒噪声水平。可以说，经过抑制的CoSF－D型分布反馈（DFB）型单频光纤激光器相对强度噪声水平已经优于单频半导体激光器，同时兼具了低相位噪声和低相对强度噪声的特点，可进行稳定的单纵模运转，单频、单偏振、单纵模输出。

前文提到，线宽可以理解为频谱的谱线宽度，而相位噪声能够直观反映单频激光器的线宽。与单频半导体激光器相比，单频光纤激光器具有更低的相位噪声，因此单频光纤激光器的本征线宽远比单频半导体激光器窄，这是由单频激光器的谐振腔构型，波导结构以及谐振腔长度决定的。目前单频半导体激光器还没有出现线宽低于1kHz的产品，而NKT Photonics公司的Koheras E15型DFB单频光纤激光器标称线宽＜0.1kHz，本征线宽只有数十Hz；上海瀚宇的CoSF－D－ER型分布反馈（DFB）单频光纤激光器的本征线宽只有几十Hz，和NKT公司的E15非常接近，均远远低于单频半导体激光器。

由于单频光纤激光器具有较长的谐振腔长度，而关键器件－光纤光栅又对温度和振动非常敏感，这对波长稳定性和频率漂移的控制是一种挑战。据悉，上海瀚宇的CoSF－D系列分布反馈（DFB）单频光纤激光器通过合理设计激光器中有源相移光纤光栅的封装，精细控制TEC电路，使得波长稳定性得到较好的控制，波长稳定性在10pm左右。

此外，为了能够满足主动波长锁定和对频率漂移有苛刻要求的应用，CoSF－D型分布反馈（DFB）单频光纤激光器的有源相移光纤光栅可以安装在压电陶瓷换能器（PZT）上，用于调节单频光纤激光器的腔长，实现对单频光纤激光器的波长锁定或者快速调制。CoSF－D型分布反馈（DFB）单频光纤激光器选取的PZT能够在200V的电压驱动情况下，实现接近20GHz的波长调谐范围，快速波长调制的线性响应频率可达20kHz，能够很好满足诸如固定差频锁定，外注入锁定稳频的需求。

经历了几十年的发展后，单频光纤激光器技术已经发展相对成熟且完善，作为一种重要的高精密光源，单频光纤激光器的应用领域非常广泛。尽管与主流材料加工市场的大功率光纤激光器相比，单频激光器市场体量较小，但凭借独特的性能以及特殊领域的广泛应用，将成为激光技术队伍里的重要补充。

目前，单频激光器主要用于分布式光纤声波传感系统、周界安全、水听、用于相干激光雷达系统实现高精度的成像、速度和距离的遥感探测。此外，石油和天然气勘探系统、管道监控、气体泄露检测、冷原子物理、空间激光通信以及微波光子学等领域，单频激光器也将发挥重要作用。

特的性能以及特殊领域的广泛应用，将成为激光技术队伍里的重要补充。

目前，单频激光器主要用于分布式光纤声波传感系统、周界安全、水听、用于相干激光雷达系统实现高精度的成像、速度和距离的遥感探测。此外，石油和天然气勘探系统、管道监控、气体泄露检测、冷原子物理、空间激光通信以及微波光子学等领域，单频激光器也将发挥重要作用。