自1960年首臺紅寶石激光器問世以來，激光技術(shù)經(jīng)歷了多次變革，目前已成為覆蓋工業(yè)加工、通信、醫(yī)療、軍事等多個領(lǐng)域的重要技術(shù)。而近年來最為人熟知的便是光纖激光器。

光纖激光器市場概況

眾所周知，按工作介質(zhì)不同，可將激光器分為固體激光器、氣體激光器、染料激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器和自由電子激光器6種。與其他激光器相比，光纖激光器擁有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、維護成本低、散熱性能好等優(yōu)點，因此，目前光纖激光器已經(jīng)成為金屬切割、焊接等傳統(tǒng)工業(yè)制造領(lǐng)域的主流光源。

據(jù)OFweek產(chǎn)業(yè)研究中心數(shù)據(jù)顯示，2018年全球激光器市場規(guī)模達137.54億美元，同比增長5.3％；其中光纖激光器占比51.4％，同比增長6.1％。由于今年受經(jīng)濟環(huán)境波動的影響，行業(yè)發(fā)展有所放緩，預(yù)計2019年光纖激光器市場規(guī)模增速將與去年基本持平，在6.5％以內(nèi)。

盡管光纖激光器是當前激光器市場里的最大玩家，但近年來中國光纖激光器市場同質(zhì)化競爭嚴重，尋找差異化優(yōu)勢成了各企業(yè)重視的課題。我們今天要討論的主角，便是除了具有激光本身良好的單色性和方向性外，還有著普通激光器難以達到的長相干長度、窄譜線寬度優(yōu)點的單頻光纖激光器。

何為單頻光纖激光器？

所謂單頻激光器，即單縱模激光器，是一種基于半導(dǎo)體激光器泵浦，稀土摻雜光纖作為增益介質(zhì)，結(jié)合相對復(fù)雜的控制技術(shù)的高精密單縱模超窄線寬激光光源。這種激光器能提供低的相位噪聲和相對強度噪聲，極窄的頻譜線寬和長相干長度。

單頻光纖激光器

圖片來源：上海瀚宇

單頻光纖激光器最早出現(xiàn)于20世紀90年代，經(jīng)過近30年的發(fā)展已取得了長足進步。與材料加工領(lǐng)域用的高功率光纖激光器不同，這種位于光纖激光市場另一賽道上的單頻激光器，因其獨特的性質(zhì)和特點，有著截然不同的應(yīng)用場景。

由于單頻激光器線寬窄、噪聲低，這意味著它對高精密的震動較為敏感，且較長的相干長度確保了長距離傳感的精度，因此單頻激光器在高精度／高靈敏度／遠距離傳感系統(tǒng)、下一代通信技術(shù)、相干技術(shù)、遙感技術(shù)、相干激光雷達等多個領(lǐng)域有著突出優(yōu)勢。

單頻激光器四大關(guān)鍵性能指標

單頻光纖激光器的主要性能指標包括相位噪聲、相對強度噪聲（RIN）、線寬、波長穩(wěn)定性和頻率漂移。

所謂相位噪聲，即單頻激光器所發(fā)激光的頻譜譜線不再是單一的線條，而是有一定的寬度，這個寬度的大小即反映單頻激光器相位噪聲的高低。相位噪聲的具體表現(xiàn)為：以觀測點為基準，光波隨著時間變化在相位上隨機起伏或延遲。相位噪聲是衡量單頻激光器最重要的參數(shù)之一，對單頻激光的線寬有著重要影響。

相對強度噪聲是指激光器的輸出平均功率和某個頻率下的噪聲的比值。在實際應(yīng)用中，單頻激光器的相對強度噪聲往往會作為重要的噪聲源，影響相干探測系統(tǒng)（如連續(xù)工作的相干多普勒測風(fēng)激光雷達、相位敏感型OTDR系統(tǒng)解調(diào)系統(tǒng)）的本底噪聲水平。

單頻激光器的線寬是一種頻域的概念，可以理解為頻譜的譜線寬度。從單頻激光器的相位噪聲描述中可以得出，相位噪聲能夠直觀反映單頻激光器的線寬。對單頻激光器的線寬測試通常通過延時自外差非平衡M－Z干涉儀的方式進行，其線寬測試和積分時間（或者說延時光纖長度）相關(guān)。

波長穩(wěn)定性和頻率漂移是單頻激光器性能的直觀體現(xiàn)。由于單頻光纖激光器具有較長的諧振腔長度，采用了對溫度和應(yīng)變及振動敏感的關(guān)鍵器件－光纖光柵，其波長穩(wěn)定性或者頻率漂移是一種挑戰(zhàn)。

四種主流單頻光纖激光器優(yōu)缺點對比

據(jù)OFweek激光網(wǎng)了解，目前主流的單頻光纖激光器主要分為短直腔型和環(huán)形腔型兩大類。其中，短直腔結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器包括分布反饋（DFB）型和分布布拉格反射（DBR）型；而環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器構(gòu)型較多，目前比較成熟能夠商用的技術(shù)包括“虛擬環(huán)形腔”技術(shù)（以美國Obits Lightwave公司為代表）以及 “優(yōu)化行波腔”技術(shù)（以上海瀚宇為代表）兩種。

分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)單縱模輸出；抗干擾能力強；成本低廉，適合于批量應(yīng)用。其核心技術(shù)是在稀土摻雜的有源光纖纖芯內(nèi)部刻寫相移型光纖光柵，兩段均勻周期的光纖布拉格光柵之間有一定的距離，用來實現(xiàn)特定的相移，例如1／4波長或者1／2波長。通過泵浦光的激勵，獲取單頻激光的輸出。相移型有源光纖光柵即作為諧振腔的增益介質(zhì)，又同時作為超窄帶的濾波器選取單縱模輸出。

DFB型單頻光纖激光器原理圖

圖片來源：上海瀚宇

而這種方案缺點也很明顯，包括1／4波長相移型光纖光柵要求技術(shù)難度高、需要選擇合適的稀土摻雜光纖、且相移光柵封裝要求較高等。主要廠家包括丹麥NKT Photonics、法國IxBlue、中科院半導(dǎo)體所、上海光機所、山東省科學(xué)院激光研究所、上海瀚宇（上?？颇颂丶す猓?

分布布拉格反射（DBR）型單頻光纖激光器，通過高摻雜濃度的磷酸鹽玻璃光纖實現(xiàn)較高增益，短直腔設(shè)計可以實現(xiàn)較高功率輸出。但較難實現(xiàn)高強度的熔接，諧振腔可靠性差，且對選頻的光柵要求較高。此外，短直腔制作困難，難以適應(yīng)苛刻的工作環(huán)境。主要廠家包括NP Photonics、Advalue Photonics、華南理工大學(xué)等。

虛擬環(huán)形腔技術(shù)又稱為“復(fù)合腔技術(shù)”，具備線形腔的基本結(jié)構(gòu)，由光纖光柵構(gòu)成直腔的腔鏡，本質(zhì)上仍然是短直腔結(jié)構(gòu)，腔長決定的FSR依然是獲取單縱模的關(guān)鍵，要求腔長較短。虛擬環(huán)形腔技術(shù)結(jié)合了短直腔和環(huán)形腔的思想，在駐波腔內(nèi)實現(xiàn)了行波運轉(zhuǎn)，從技術(shù)角度看屬于目前來說比較優(yōu)秀的一項技術(shù)，但是技術(shù)工藝實現(xiàn)難度大，缺少可復(fù)制性且成本昂貴。代表企業(yè)為美國Obits Lightwave。

優(yōu)化行波腔技術(shù)特點在于，在消除駐波空間燒孔效應(yīng)的同時，通過長腔長的設(shè)計使較長的增益光纖充分吸收泵浦光，實現(xiàn)高功率輸出。同時，行波運轉(zhuǎn)時能大幅度降低光纖激光器的相對強度噪聲和相位噪聲，實現(xiàn)＜1kHz的超窄線寬，并通過全光纖型窄帶濾波器注入選取單縱模輸出，長飽和吸收體穩(wěn)定單縱模運轉(zhuǎn)。此外，單偏振控制消除偏振燒孔效應(yīng)，實現(xiàn)穩(wěn)定的單偏振輸出，偏振消光比高達25dB以上。典型代表為上海瀚宇的CoSF－R型系列產(chǎn)品。

各類單頻激光器關(guān)鍵性能指標對比

前文提到了單頻光纖激光器的四個關(guān)鍵性能指標，那么各類單頻激光器在四個關(guān)鍵指標上又有怎樣的表現(xiàn)呢？

影響單頻激光器相位噪聲的因素很多，通俗的角度來說，單頻激光器內(nèi)的增益介質(zhì)的長度和形狀，光波導(dǎo)的精細程度，諧振腔的長短能夠客觀反映單頻光纖激光器相位噪聲的高低。單頻光纖激光器和半導(dǎo)體激光器相比，諧振腔長度要長的多，以短直腔結(jié)構(gòu)的分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器為例，諧振腔長度大約為2－10cm，而單頻半導(dǎo)體激光器的諧振腔大約為百um到mm量級，而上海瀚宇的CoSF－R“優(yōu)化行波腔型”的單頻光纖激光器腔長高達10米以上，具有極低的相位噪聲。

決定單頻激光器在中低頻段的相對強度噪聲水平的指標是馳豫振蕩峰值。單頻半導(dǎo)體激光器得益于有源增益介質(zhì)和諧振腔的構(gòu)成，電極和增益介質(zhì)的“重疊”程度高，展現(xiàn)出極其優(yōu)秀的相對強度噪聲（RIN）性能，馳豫振蕩峰通常高達GHz量級。而光纖激光器本質(zhì)上屬于端面泵浦，有源介質(zhì)在長度上受到的泵浦激勵不均勻，同時，因為諧振腔較長而具有馳豫振蕩峰值頻率較低的特性，分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器的馳豫振蕩峰值頻率通常在幾百kHz到1MHz附近。

單頻光纖激光器因為馳豫振蕩峰值頻率較低，需要對單頻光纖激光器的相對強度噪聲（RIN）進行抑制，經(jīng)典的手段包括：電流負反饋型，飽和放大，外腔注入鎖定等。上海瀚宇研制的CoSF－D型分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器經(jīng)過相對強度噪聲（RIN）抑制，得到了較好的結(jié)果，如下圖所示。

圖片來源：上海瀚宇

從圖中可見，經(jīng)過抑制的CoSF－D型分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器在低頻段的相對強度噪聲低于－145dBc／Hz，馳豫振蕩峰值低于－140dBc／Hz，高頻段的相對強度噪聲低于－150dBc／Hz，接近于散粒噪聲水平?？梢哉f，經(jīng)過抑制的CoSF－D型分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器相對強度噪聲水平已經(jīng)優(yōu)于單頻半導(dǎo)體激光器，同時兼具了低相位噪聲和低相對強度噪聲的特點，可進行穩(wěn)定的單縱模運轉(zhuǎn)，單頻、單偏振、單縱模輸出。

前文提到，線寬可以理解為頻譜的譜線寬度，而相位噪聲能夠直觀反映單頻激光器的線寬。與單頻半導(dǎo)體激光器相比，單頻光纖激光器具有更低的相位噪聲，因此單頻光纖激光器的本征線寬遠比單頻半導(dǎo)體激光器窄，這是由單頻激光器的諧振腔構(gòu)型，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及諧振腔長度決定的。目前單頻半導(dǎo)體激光器還沒有出現(xiàn)線寬低于1kHz的產(chǎn)品，而NKT Photonics公司的Koheras E15型DFB單頻光纖激光器標稱線寬＜0.1kHz，本征線寬只有數(shù)十Hz；上海瀚宇的CoSF－D－ER型分布反饋（DFB）單頻光纖激光器的本征線寬只有幾十Hz，和NKT公司的E15非常接近，均遠遠低于單頻半導(dǎo)體激光器。

由于單頻光纖激光器具有較長的諧振腔長度，而關(guān)鍵器件－光纖光柵又對溫度和振動非常敏感，這對波長穩(wěn)定性和頻率漂移的控制是一種挑戰(zhàn)。據(jù)悉，上海瀚宇的CoSF－D系列分布反饋（DFB）單頻光纖激光器通過合理設(shè)計激光器中有源相移光纖光柵的封裝，精細控制TEC電路，使得波長穩(wěn)定性得到較好的控制，波長穩(wěn)定性在10pm左右。

此外，為了能夠滿足主動波長鎖定和對頻率漂移有苛刻要求的應(yīng)用，CoSF－D型分布反饋（DFB）單頻光纖激光器的有源相移光纖光柵可以安裝在壓電陶瓷換能器（PZT）上，用于調(diào)節(jié)單頻光纖激光器的腔長，實現(xiàn)對單頻光纖激光器的波長鎖定或者快速調(diào)制。CoSF－D型分布反饋（DFB）單頻光纖激光器選取的PZT能夠在200V的電壓驅(qū)動情況下，實現(xiàn)接近20GHz的波長調(diào)諧范圍，快速波長調(diào)制的線性響應(yīng)頻率可達20kHz，能夠很好滿足諸如固定差頻鎖定，外注入鎖定穩(wěn)頻的需求。

單頻激光器市場現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展后，單頻光纖激光器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展相對成熟且完善，作為一種重要的高精密光源，單頻光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。盡管與主流材料加工市場的大功率光纖激光器相比，單頻激光器市場體量較小，但憑借獨特的性能以及特殊領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將成為激光技術(shù)隊伍里的重要補充。

目前，單頻激光器主要用于分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)、周界安全、水聽、用于相干激光雷達系統(tǒng)實現(xiàn)高精度的成像、速度和距離的遙感探測。此外，石油和天然氣勘探系統(tǒng)、管道監(jiān)控、氣體泄露檢測、冷原子物理、空間激光通信以及微波光子學(xué)等領(lǐng)域，單頻激光器也將發(fā)揮重要作用。