单频窄线宽光纤激光器研究

高质量种子源光纤激光器技术发展与研究现状连续光种子源光纤激光器的性能决定了高功率全光纤MOPA激光系统的激

光输出光谱、线宽和频率稳定性等特性。作为高质量的种子光源必须首先具有

窄线宽、高稳定性和高信噪比，然后再追求可以满足不同应用需要的其他功能

特性，如波长可调谐、单/双波长可切换以及双波长间隔可调谐等。在过去的二

十多年时间里，研究者们一直在寻求可以实现单频窄线宽激光输出的方法，也

陆续提出了基于不同技术的单频窄线宽光纤激光器，尤其是在1.5μm波段的掺

铒光纤激光器，因为其所在波段为光纤通信低损耗窗口，考虑到长距离通信和

传感的需求，对于激光输出相干特性要求很高，需要激光具有较窄的线宽，使

得掺铒光纤激光器在窄线宽方面发展比较迅速，线宽也达到了kHz量级的水平。在近几年，研究者们开始对具有不同性能的单频窄线宽光纤激光器进行研究，

也开始不断追求输出激光的高稳定性和高信噪比等特性。

1.1单频窄线宽光纤激光器研究与发展

早在1986年，Jauncey等人就已经提出了窄线宽的概念，他们使用掺钕光

纤结合光纤Bragg光栅在1084nm处得到了激光输出，经过使用Fourier转换Michelson干涉仪测量，得到激光输出线宽为16GHz；然而，由于只是使用了线腔结构，腔长较长，激光器没有实现单频运转。

直到1990年，Iwatsuki才首次真正地得到了单频窄线宽的激光输出，使用

的是环形腔结构，配合一个1 nm谱宽带通滤波器，使用15m长掺饵光纤作为

增益介质，成功得到了单频激光输出，并且首次使用延迟自外差干涉仪(Delayed Self-Heterodyne Interferometer, DSHI)对激光线宽进行了测量，线宽达

到1.4 kHz，是截至当时线宽最窄的激光器，而且该激光器还提供2.8nm的波长

可调谐范围。

1991年，Gowle等人提出了一种新型的环行腔光纤激光器，通过使用分布Bragg反射镜作为波长初选滤波器，在1552nm波长处得到了稳定的单频激光输出，使用延迟自外差法测量得到激光线宽小于10 Hz，测量分辨率受限于使用

的25km延迟线长度。

同年，Park等人也提出了基于环形腔结构的单频激光器，在谐振腔内使用

了两个Fabry-Perot (F-P)滤波器，该激光器输出具有当时最高的稳定性，阈值仅

为1OmW，而且具有宽达30nm的可调谐范围;然而，激光器的输出信噪比较低，仅为35dB，而且研究者们并没有对激光器的线宽特性进行测量。

1992年，Laporta等人利用铒/镱共掺磷酸盐玻璃光纤制作了腔长仅为

2.5mm长的超短腔光纤激光器，在1532.2nm波长处得到了15mW的激光输出，测得的线宽小于lOkHz。

同年，Zyskind等人也报道了短腔光纤激光器，通过在掺铒光纤上直接写入

一对Bragg光栅制作了腔长仅为2cm的谐振腔，利用F-P干涉仪测量激光器处

于单频运转状态，由于分辨率限制，他们只是证明了激光的线宽小于6MHz，

没有对其实际线宽进行进一步的研究。

1993年，Chernikov等人分别提出了单波长和双波长短腔光纤激光器，两种

激光器都可以运行在单频状态;提出的单波长激光器输出线宽为30kHz，双波长

激光器输出线宽为16kHz，频率间隔为59GHz。

1994年，Horowitz等人首先报道了使用未泵浦掺铒光纤作为饱和吸收体进

行多纵模抑制，经验证模式抑制效果显著:基于线形腔结构实现了单频窄线宽激

光输出，线宽仅为几kHz。同年，Kringlebotn等人通过在铒/镱共掺光纤上写入

相移Bragg光栅首次制作了DFB单频光纤激光器，使用的有源光纤长度为2cm，输出功率为2mW，但是没有对激光器的线宽特性进行研究。

1995年，Cheng等人报道了基于饱和吸收体的环形腔单频掺铒光纤激光器，在1535nm处得到了6.2mW的激光输出，线宽小于950Hz，但是激光器的长期

稳定性较差。同年，Guy等人通过在环形腔中加入相移Bragg光栅作为超窄带

滤波器制作了光纤激光器，在1550 nm波长处得到了线宽小于2kHz的激光输出，这也是世界上首个使用光纤Bragg光栅作为窄带滤波器的报道。

1996年，Gloag等人报道了使用光纤Bragg光栅作为波长初选滤波器的Sagnac型环形腔光纤激光器，在1530nm处得到了1.6mW的单频激光输出，受

测量分辨率限制，线宽小于37kHz。

同年，Chang等人首次报道了使用扭模技术实现单频激光输出，提出的激

光器使用了三个偏振控制器(PC)，输出波长为1534nm，线宽小于l0 kHz。

1998年，Lee等人首次报道了基于多环形复合腔结构的光纤激光器，使用

三个长度不等的短环形子腔，复合腔结构具有良好的纵模选择能力，激光器输

出波长为1533nm，消光比达到51dB，最高输出功率为23mW，线宽约为2kHz。

同年，Takushima等人首次利用非保偏光纤制作光纤激光器得到了单频单偏

振激光输出，并且实验证明了此激光器具有和使用全保偏器件得到的激光相同

的偏振模稳定性;经测量，激光输出线宽小于1MHz。

1999年，Kishi和Yazaki首次提出了利用外部光源注入进行纵模锁定得到单频激光输出的方法，结合使用饱和吸收体，得到了线宽为7.5kHz的激光输出。

同年Yamashita等人证明了使用外部光源注入和自注入进行模式锁定都可以

得到稳定的单频单偏振激光输出，并制作了相关的DFB光纤激光器。

到了2000年以后，单频窄线宽光纤激光器便开始了向多元化的发展，各种

功能和特性的单频光纤激光器陆续被报道。

2000年，Chang等人报道了宽调谐的线形腔单频光纤激光器，腔长为21m，腔内使用了全光纤移频器和饱和吸收体，得到的激光边模抑制比高于50 dB，

波长可调谐范围达40nm以上。

2001年，Song等人提出了一种基于环形腔结构的超窄线宽和宽调谐的单频

掺饵光纤激光器，激光器中使用了一个宽调谐的光纤Bragg光栅(写制在使用化