DFB窄线宽单频激光器详解

1.什么是单频激光器？ 

      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。
      业内认可的单频半导体激光器都采用了腔内或者腔外的线宽压窄技术，例如外腔型半导体激光器就是典型的单频半导体激光器，外腔的技术包括采用制作在平面光波导（PLC）上面的窄带光栅，窄带光纤布拉格光栅（FBG），体光栅（VBG）等等，其核心思想是加长半导体激光器的谐振腔长度，窄带低反射率光栅将选频的激光频率注入谐振腔从而“锁定”谐振腔的输出频率，降低频率噪声和相位噪声，获取更窄线宽的单频激光输出。下面的示意图展示了美国RIO公司的PLANEX外腔单频半导体激光器的技术。

       增益芯片是普通的F-P腔设计，多纵模输出，其典型的光谱宽度达到及格nm，平面光波导（PLC）由Silica-on-Si材料构成，上面制作的窄带的光栅（Bragg Grating），和增益芯片相比，相当长的光栅形成的外腔（ECL）对激光器的线宽压窄起到了关键的作用。

      单频光纤激光器往往能够实现更窄的线宽，其中一个最重要的原因是单频光纤激光器的谐振腔比单频半导体激光器的谐振腔要长很多倍。从外腔型单频半导体激光器的技术路线和思想就可以理解这一点。更长的腔长意味着谐振腔内光子的寿命更长，我们可以把满足谐振腔震荡条件的“波”，无论是驻波还是行波，看成光子流。这些波在谐振腔内震荡或者行进的时间越长，能够满足谐振腔内相位匹配条件的光子就越少，最终输出的光波（选频得到固定的频率或者波长）相位噪声就越低，输出激光的频谱线宽也就越窄。对于这样的现象我们可以形象地理解为：体力不支，自身条件不足够优秀的光子们在长途跋涉的谐振腔内长跑过程中逐渐掉队被淘汰了，最终能够测试合格达到终点的光子数量减少，但是都很优秀。从另外一个角度，我们可以感受到这一点，单频半导体激光器的输出功率可能有几十个mW，而谐振腔直接输出未经放大的单频光纤激光器则比较难实现高功率的输出。例如：低噪声掺铒光纤的DFB型单频光纤激光器谐振腔直接输出功率通常只有几十到几百个uW。

2. 单频光纤激光器如何实现？

       单频光纤激光器的谐振腔构成和单频半导体激光器在原理上没有区别，只是增益介质变成了稀土掺杂光纤。其谐振腔的结构分为短直腔型和环形腔型。其中，短直腔型单频光纤激光器的经典结构包括分布反馈（DFB）型，和分布布拉格反射（DBR）型。下图展示了两种结构的单频光纤激光器的原理图：

分布反馈型DFB窄线宽单频激光器 

分布布拉格反射（DBR）型单频光纤激光器

分布反馈型DFB窄线宽单频激光器 的增益介质是稀土掺杂光纤，不同的稀土元素决定了激光器的工作波段，例如掺镱（Yb）光纤工作在0.9-1.1um，掺铒（Er）光纤和铒镱共掺（ErYb）光纤工作在1.5-1.6um，掺铥（Tm）和掺钬（Ho）或者共掺的光纤工作在1.7-2.1um。
       分布反馈型DFB窄线宽单频激光器 的谐振腔由刻写在稀土掺杂光纤上的相移光栅构成。所谓相移光栅，指的是两端均匀周期的光纤布拉格光栅（FBG）之间有合适的距离，形成了π/4或者π/2的相移。我们把这样的光栅称之为有源相移光栅，它不但起到了频率（波长）选择的作用，也构成了光纤激光器的谐振腔。

分布反馈型DFB窄线宽单频激光器

      分布反馈型DFB窄线宽单频激光器 的原理和DFB激光器一脉相承。有源区增益介质上布满了精心制作的有合适周期的光栅，其工作波长主要受到光栅周期的影响。 

分布反馈型DFB半导体激光器    

      从激光产生的三要素出发，我们可以发现分布反馈型DFB窄线宽单频激光器 中有源相移光栅是一个及其关键的器件。制作出性能优秀的有源相移光栅并不容易，可以说这个光栅的性能决定了分布反馈型DFB窄线宽单频激光器 的综合性能。其中的技术难点包括：稀土掺杂光纤的选择，高反射率相移光栅的刻写，光栅长度，封装等等。

3.分布反馈型DFB窄线宽单频激光器的优点

      分布反馈型DFB窄线宽单频激光器 的优点很突出，其谐振腔结构简单，光路器件很少，在抗环境干扰能力和成本控制方面和其他结构的单频光纤激光器相比有不可比拟的优势。
      在保持分布反馈型DFB窄线宽单频激光器 及其优秀的相位噪声性能的同时，配合低噪声多级光纤放大器，是相干多普勒激光雷达，基于干涉仪的分布式光纤传感，相干激光通信，高功率光谱合成以及相干合成激光器系统，精密测试测量，振动和声波探测，冷原子物理研究等重要应用的理想光源。