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2020-02
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CoSF-R优化行波腔型超窄线宽单频光纤激光器
1.行波腔单频光纤激光器
分布布拉格反射（DBR）型单频光纤激光器和分布反馈（DFB）型单频光纤激光器都属于短直腔设计的“驻波腔”光纤激光器，顾名思义，这样的光纤激光器都拥有两个反射腔镜，其中DBR型单频光纤激光器设计属于典型的F-P腔结构，而DFB型单频光纤激光器可以被看作是间隔只有1/4波长，布拉格波长产生π相移的极端F-P腔。
驻波（Standing Wave）的含义相当形象，代表着能够在谐振腔内往返，满足相位匹配条件，形成干涉的所有的“波”，这些“波”是谐振腔内的原住民，可以长期驻扎，他们拥有居住证和合法身份，一旦满足谐振条件，这些波就成为F-P腔中的纵模模式。
行波（Traveling Wave）指的是行进的波，和驻波不同，行波是谐振腔中的匆匆过客，像是一些旅游者，不在谐振腔的属地内长期停留生活。行波腔单频光纤激光器主要指的是单向环形腔设计，通常采用光隔离器保证满足谐振条件的模式（也就是能够谐振的波）单向行进，通过一定比例的光分路器实现激光输出。
根据谐振腔理论，驻波腔和行波腔的纵模间隔（也就是自由光谱范围FSR）都由谐振腔的长度决定，而行波腔的纵模间隔是驻波腔的一半，因为纵模（也就是波）不需要往返，只是单一方向行进。这也意味着在同等的激光器谐振腔长度下，行波腔单频光纤激光器会有更多的纵模，选取单纵模输出更加困难。驻波腔结构的单频光纤激光器，例如DBR型和DFB型，主要的目标致力于缩短谐振腔长度，例如几个厘米，增大纵模间隔。而行波腔结构的单频光纤激光器一般腔长可达几米到十几米，特殊的长腔长单频光纤激光器的谐振腔长度甚至可达几百米，例如基于受激布里渊散射的单频光纤激光器。其纵模间隔比驻波腔单频光纤激光器低2个数量级，通常为十几个MHz到几十个MHz，所以选取单纵模输出更加困难，除了需要采用更窄带的光滤波器外，还需要采取一些辅助措施例如复合腔，偏振控制，非饱和吸收体，外腔注入锁定等方法实现稳定的单纵模输出。由此可见，行波腔单频光纤激光器的结构通常比DBR型和DFB型单频光纤激光器更为复杂，成本高，易于跳模。
2.行波腔单频光纤激光器的特点
1） 消除了空间烧孔效应（Spatial Hole Burning简称SHB）
激光器谐振腔增益的空间烧孔效应是驻波腔激光器的特有福利，也就是说，行波腔单频光纤激光器不存在增益的空间烧孔效应。什么是增益空间烧孔呢？驻波腔的内因为驻波的存在，就有波幅和波节，而谐振腔能够提供给这些驻波的增益也是忽高忽低的，波腹的增益最低，波节的增益最高，这样的现象就叫做增益的空间烧孔效应，比较形象的理解，谐振腔的增益不是一条直线，有的地方有孔，像是烧出来的孔一样。
空间烧孔的坏处是当谐振腔受到的泵浦激励较强时容易导致多模震荡，不利于单纵模的输出。采用驻波腔设计的DBR和DFB型单频光纤激光器都尽可能缩短谐振腔长度，限制纵模数量，目的之一就是为了避免空间烧孔效应。行波腔单频光纤激光器因为没有驻波的存在，也就自然消除了增益空间烧孔效应。需要指出的是，尽管行波腔单频光纤激光器不存在空间烧孔效应，有利于单纵模运转，但是因为纵模数量更多，纵模间隔更小，想要选取单纵模输出，并且保持长期稳定，并不容易实现。
2）谐振腔长度长降低了单频光纤激光器的整体噪声
在同等的环境条件下，同等的电致热噪声水平和同等散粒噪声水平的情况下，单频光纤激光器的整体噪声水平和谐振腔长度息息相关，成反比！换句话说，单频光纤激光器的谐振腔长度越长，整体噪声水平越低。这是因为，更长的谐振腔长度意味着更长的谐振腔光子寿命。抛开复杂的理论推导计算，我们可以非常形象地理解这一点，就像马拉松比赛中能够完成全马的选手比能够完成半马的选手要少，而完成全马的选手都是耐力长跑的精英。谐振腔中的光子也是如此，能够跑完全程的精英不多，那些中途退场的，不能完赛的光子就被淘汰了。行波腔单频光纤激光器提高了光子寿命门槛，也就意味着单频性更好，整体噪声水平更低。
从另外一个角度，单频光纤激光器的噪声主要关心强度噪声和相位（频率）噪声，其中强度噪声一般以相对强度噪声（Relative Intensity Noise简称RIN）的形式表达，主要受到泵浦源的强度噪声影响，在今后的产品技术讲堂中会详细介绍。而相位噪声的高低和单频光纤激光器的谐振腔的结构和长度有着非常重要的关系。从相位噪声的定义以及和激光器频谱线宽之间的联系可以看出，更长的谐振腔长度意味着更长的光子寿命，更窄的频谱线宽，更低的相位噪声。在上海瀚宇的实验室，比较测试的结果也验证了行波腔型单频光纤激光器具有更窄的线宽，更低的相位噪声。
3. CoSF-R优化行波腔型超窄线宽单频光纤激光器
1） 设计方案
上海瀚宇CoSF-R优化行波腔型超窄线宽单频光纤激光器采用了经典的单向行波腔，也就是环形腔设计，实现方案示意图如下：
2） 关键技术
超长谐振腔设计：
CoSF-R单频光纤激光器的谐振腔总长度超过10米，如上文所述，CoSF-R凭借超长的谐振腔长度实现了超低的整体噪声，包括相位噪声和相对强度噪声。此外，足够长的增益介质（稀土掺杂光纤）能够保证泵浦光得到充分吸收，提高输出功率水平。
全光纤结构的超窄带光纤光栅滤波器：
基于相移布拉格光纤光栅技术或者光纤光栅F-P标准具技术，上海瀚宇独立开发制作的全光纤结构超窄带光纤光栅滤波器能够实现<15MHz的通带宽度（FWHM），这奠定了CoSF-R型优化行波腔单频光纤激光器的基础，确保选取单纵模输出。
饱和吸收体：
CoSF-R单频光纤激光器采用了相当长度的优选的稀土掺杂光纤作为饱和吸收体，用于稳定谐振腔的单纵模输出。饱和吸收体光纤配合超窄带光纤滤波器的作用相当于一个整体的具有选频功能的动态布拉格光栅，对行波腔中其它可能获得增益的纵模模式起到抑制作用，从而降低模式竞争，降低单频光纤激光器的系统噪声水平，增强单频光纤激光器的稳定性，抑制跳模的出现。
单偏振控制技术
众所周知，单频光纤激光器中由于光纤双折射效应，存在着偏振烧孔效应，通俗讲就是单纵模的模式可以被看成是两种正交的线偏振模式（LP模式）的简并，由于光纤的双折射效应，这两种线偏振模式在激光器谐振腔中所获得的增益并不相同。偏振烧孔效应导致单频光纤激光器谐振腔内的模式竞争，严重劣化单频性能，甚至会导致跳模。CoSF-R单频光纤激光器的设计方案中增加了单偏振控制单元，只有一种线偏振模式（LP）能够在优化行波腔中运转，从根本上消除了偏振烧孔效应，实现稳定的单频单偏振输出，输出偏振消光比（PER）可达23dB以上。
4. CoSF-R单频光纤激光器的优缺点和发展之路
1） CoSF-R单频光纤激光器的优点
超窄线宽
得益于超长的谐振腔设计，饱和吸收体以及一系列的辅助和控制技术，CoSF-R优化行波腔型超窄线宽单频光纤激光器的输出线宽远小于1kHz，这意味着其相干长度超过300km，受限于线宽测试手段的精度，其标称技术指标为<1kHz。上海光机所的测试结果表明，CoSF-R单频光纤激光器的本征线宽只有几十Hz的水平，甚至更窄。上海瀚宇的技术团队正在进一步压窄CoSF-R单频光纤激光器的线宽，使其能够满足超远距离相干探测系统对单频激光器的相干长度的要求。
超低相位噪声
CoSF-R优化行波腔型超窄线宽单频光纤激光器的整体噪声水平比DFB和DBR型单频光纤激光器更低，尤其是相位噪声性能极其优秀，远低于其他技术方案的单频激光器。这使得CoSF-R可以被用于相位敏感型相干探测系统以及对单频激光器相位噪声要求极为苛刻的高端应用，例如地震波，引力波探测等。
2） CoSF-R单频光纤激光器的缺点
波长稳定性差（频率漂移）
超长的谐振腔长度给CoSF-R带来了出色的低噪声性能，极窄的频谱线宽，但同时也给它的波长稳定性（频率漂移）带来了挑战。这是所有行波腔（环形腔）单频光纤激光器最致命的短板。幸运的是，上海瀚宇的技术团队历时数年逐步解决了全光纤结构超窄带光纤光栅滤波器的高稳定性封装，谐振腔整体温度和防震动控制等一系列关键工艺问题。CoSF-R单频光纤激光器的波长稳定性（频率漂移）性能已经达到DFB和DBR型短直腔单频光纤激光器的同等水平。目前，上海瀚宇正在致力于主动频率控制技术的研发和实验，有望进一步显著提升CoSF-R单频光纤激光器的波长稳定性，降低频率漂移。
光路相对复杂，小型化困难
和DFB和DBR型短直腔单频光纤激光器相比，CoSF-R单频光纤激光器使用了更多的光器件，更长的稀土掺杂光纤，光路相对复杂，小型化难度较大。这可能会限制CoSF-R的应用场合。随着敏感器件封装工艺的改善，混合功能器件的使用，CoSF-R单频光纤激光器的整体封装尺寸有望大幅降低。
3） CoSF-R单频光纤激光器的发展之路
抑制相对强度噪声（RIN）
采用合适的相对强度噪声抑制技术大幅度降低CoSF-R优化行波腔型超窄线宽单频光纤激光器的强度噪声，突出并且进一步强化其整体噪声水平低的性能优势。
主动稳频控制
借助于主动稳频技术，比较彻底地解决CoSF-R单频光纤激光器频率漂移大的缺点，进一步压窄线宽，降低频率噪声。目前，上海瀚宇已经成功开发了具有高灵敏度的全光纤型鉴频组件，通过闭环控制系统，锁定CoSF-R单频光纤激光器的频率，能够实现长期稳定的稳频输出。关于主动稳频方面的内容，我们将会在后续的产品技术小讲堂中专门介绍，敬请关注。
低噪声高功率放大
通过级联型，真正低噪声光纤放大器技术，将CoSF-R优化行波腔型超窄线宽单频光纤激光器的输出功率提升到数十瓦到数百瓦量级，保持其良好的单频性能，以期适合于例如激光原子冷却，远距离激光通信和相干探测等应用。
5. 总结
行波腔型单频光纤激光器和驻波腔型单频光纤激光器相比，有自己的特色，比如，更窄的频谱线宽，更低的相位噪声，同时也在波长稳定性（频率漂移）上付出了代价。通过优化行波腔设计，外围稳频控制技术等手段改善行波腔型单频光纤激光器的缺点，进一步强化突出其超低噪声的出色性能，使得CoSF-R单频光纤激光器鱼和熊掌能够兼得，满足高端应用的要求。
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