低噪声超窄线宽单频光纤激光器 Low Noise Ultra-narrow Linewidth Single Frequency Fiber Laser 上海瀚宇光纤通信技术有限公司 张瑞新 ILOPE 2015北京 目录 • 商用单频光纤激光器技术简介 • 上海瀚宇CoSF-1低噪声单频光纤激光器 • CoSF-1单频光纤激光器的关键技术指标 • CoSF-1单频光纤激光器系列产品 • 单频光纤激光器应用介绍 • 上海瀚宇单频光纤激光器的技术和产品蓝 图 • 致谢 商用单频光纤激光器技术 • 短直腔DFB单频光纤激光器（NKT Photonics ） • 短直腔DBR型（NP Photonics；Advalue Photonics; 华南理工大学等） • 复合腔技术（“虚拟环形腔”Orbits Lightwave ） • 环形腔以及复合环形腔的技术（上海瀚宇 ） DFB型单频光纤激光器NKT Photonics •波长相移型光纤光栅；直接刻写在稀土掺杂光纤上 •光纤光栅长度约为2-10cm •工作波长范围由掺杂的光纤和相移光栅决定，1.0um（ Yb）；1.5um（Er、ErYb）；2.0um（Tm） •丹麦NKT Photonics；法国IxFiber；上海光机所等 photo-sensitive & rare earth doped fiber Pump light dlgap = lB/4 Stimulated laser emission at a wavelength lB Typical length: 2 - 10 cm passive fiberpassive fiber DFB型单频光纤激光器NKT Photonics •缺点：波长相移型光纤光栅要求技术难 度高。
•掺杂光纤掺杂浓度和光纤激光器的噪声之 间需要平衡考虑 •特殊波长的光纤光栅 理论上可行，但是 实现困难 •噪声偏大（光栅直接刻写在有源光纤上） Diode laser Isolator WDM couple r DFB fiber laser • 优点：谐振腔结构简单， FSR可达GHz，易于实现单 纵模输出 DBR型单频光纤激光器NP Photonics • 短直腔设计，腔长几个厘米量 级 • 高掺杂浓度，高吸收磷酸盐玻 璃光纤作为有源介质 • 无源光纤光栅对作为腔镜 • 主要厂家包括NP Photonics； Advalue Photonics；华南理工大 学等 DBR型单频光纤激光器-华南理工大学 • 理论上可以通过大 功率的泵浦激光实 现高功率的输出； 但是单纵模的输出 功率还是会受到众 多因素限制，例如 驰豫振荡 • 线偏振输出的DBR激 光器对光纤熔接有 更高的要求，不容 易实现高的偏振消 光比 DBR型单频光纤激光器NP Photonics • 优点： • 高掺杂浓度的磷酸盐玻璃光纤能够实现较高增益，短腔设 计可以实现较高功率输出 • 短的线形腔设计，纵模间隔较宽，易于实现单纵模输出。
• 缺点： • 磷酸盐玻璃光纤熔点远远低于普通硅酸盐光纤，难以实现 高强度的熔接，谐振腔可靠性差 • 用于选频的光栅要求较高，不容易实现 • 短直腔制作困难，难以适应苛刻的工作环境 • 高掺杂磷酸盐玻璃长期可靠性偏差，导致光纤激光器性能 下降 “虚拟环形腔型”单频光纤激光器-Orbits Lightwave “虚拟环形腔型”单频光纤激光器-Orbits Lightwave • 关键技术： • 线形腔的基本结构，光纤光栅构成直腔的腔镜 • 通过控制双向传输的波的偏振，实现相反的圆偏振光（左 旋和右旋），打破“驻波”的形成，实现虚拟的行波腔 • 腔内插入超窄带光纤滤波器（F-P FBG）选取单纵模 • 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 • 使用普通的硅酸盐掺杂增益光纤 “虚拟环形腔型”单频光纤激光器-Orbits Lightwave • 精确控制往返波的偏振态，通过光纤熔接的技术以及控制 保偏光纤长度的技术获得全光纤型1/4玻片和3/4玻片，用 于实现左旋或者右旋的圆偏振光，制作工艺复杂困难，不 容易实现；保偏光纤的拍长不容易控制。
• 必须通过腔内插入窄带滤波器实现单纵模的选取和输出， 谐振腔的损耗大 • 光纤光栅型F-P FBG滤波器要求高，是获取单纵模输出的关 键 • 虚拟环形腔的设计消除了线形腔的驻波空间烧孔效应，但 是因为圆偏振光的实现困难，椭圆偏振光的存在会导致驻 波并不能被真正消除 • Orbits Lightwave公司的“虚拟环形腔”技术实现工艺难度较 大，缺少可复制性，难以批量生产，产品价格昂贵 CoSF-1单频光纤激光器-上海瀚宇 •“优化的行波腔”设计，消除驻波空间烧孔效应 •长腔长的设计能够允许较长的增益光纤，充分吸收泵浦光，实现高功率 输出 •行波运转大幅度降低光纤激光器的相对强度噪声和相位噪声 •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 •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 行波腔光纤窄带滤波器 单偏振控制单元 单频、单偏振输出 CoSF-1单频光纤激光器-上海瀚宇 • 全部采用商用化光纤器件，全光纤结构一体化设计 • 独特的行波腔设计，线偏振控制技术，单纵模选取以及稳 定技术，专利技术，具有完全独立自主知识产权。
• 设计灵活，不需要特殊的增益光纤；没有复杂的光纤光栅 制作技术，能够轻易实现各种波长的单频光纤激光器，例 如1010-1200nm；1530-1650nm；1800-2100nm等等 • 专利的减震、抗冲击封装设计，满足恶劣环境工作要求 • 模块化设计，方便多路集成，尺寸小巧坚固，外观精美 • 边摸抑制比（SMSR）高达60dB以上，超低相对强度噪声 RIN • 超窄线宽，50km延时自外差测试结果显示线宽60dB CoSF-1单频光纤激光器 • 短期时域波动值约为3.8% 相对强度噪声（RIN） • 驰豫振荡峰值频 率：59kHz • 驰豫振荡峰值强 度：-122dB/Hz • 70kHz，833kHz 存在尖峰 • 460kHz存在小尖 峰 相位噪声Phase Noise •注意：一般厂 家比如RIO产品 手册上给出的 相位噪声都是 归一化到1m的 相位波动功率 谱密度 SΔφ(f)@1m， 不是真正的激 光器瞬时相位 噪声Sφ(f) 频率噪声Frequency Noise • CoSF-1单频光纤激光器展示了优秀 的相位噪声和频率噪声性能 线宽Linewidth • 延时自外差线宽测试， 70MHz频移，60km延时 光纤，-20dB拍频谱宽 度11.4kHz，CoSF-1单频 光纤激光器的线宽为 570Hz。
• 上海瀚宇测试平台结果 线宽Linewidth •结论：CoSF-1单 频激光器的白 噪声很低，所 以本征线宽非 常窄 •线宽50-60Hz •SIOM（上海光 机所）测试结 果 CoSF-1单频光纤激光器-Frequency Beating •拍频测试结果的时域和频域结果显示了较高的频率稳定性 CoSF-1单频光纤激光器的频率稳定性 • Not GOOD!!上海瀚宇已经制定简易稳 频方案以及深度的主动稳频方案 CoSF-1单频光纤激光器功率稳定性 •>75min,功率稳定性0.9%,PV值 (Pmax-Pmin)/Pave CoSF-1单频光纤激光器-产品系列 •工作波段 1000-1200nm (Yb) 1530-1610nm (Er) •1900-2100nm (Tm) •输出功率 I.基础模块：5-100mW II.台式单频激光器：5-200mW III.高功率台式单频激光器：可达10W （1.5um）、50W（1.0um） 典型工作波长 1018nm，1030nm, 1053nm, 1064nm, 1083nm, C-band, 1940nm, 1950nm, 2050nm… CoSF-1高功率单频光纤激光器 •1064nm •输出功率>50W •线宽：<10kHz •功率稳定性： 30dB •输出光隔离度： >35dB •性能出色 单频光纤激光器的应用 • 声波传感器，水下和边界安全 • 相干激光雷达LIDAR • 相干通信 • 光谱学，气体吸收测试 • 管道监控，泄露检测 • 石油和天然气勘探系统 • 计量 • 冷原子物理 • 空间通信 • 强激光系统种子源，注入种子 激光器 • 微波光子学 产品蓝图-What we are doing now? • 第二代CoSF-2单频光纤激光器 a) 注入/滤波技术，进一步压窄线宽，降低噪声 b) 被动稳频技术 c) RIN抑制技术 d) PZT调频技术 e) 封装技术，提升抗震动、抗冲击、抗恶劣环境能力。
第三代CoSF-3单频光纤激光器 a)锁定稳频技术 b)小型化 c)多路集成 d) … 感谢 • 上海光机所蔡海文研究员以及小组成员杨 飞先生为CoSF-1单频光纤激光器关键指标测 试提供的切实帮助和建议！ • CoSF-1一些关键技术指标的测试结果选自上 海光机所提供的测试报告！ • 本文中光纤激光器的应用部分借用了NKT Photonics公司选用的一些图片！ 。