低噪声超窄线宽单频光纤激光器

1、低噪声超窄线宽单频光纤激光器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上海瀚宇光纤通信技术有限公司张瑞新张瑞新ILOPE 2015北京北京目录目录 商用单频光纤激光器技术简介商用单频光纤激光器技术简介 上海瀚宇上海瀚宇CoSF-1低噪声单频光纤激光器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系列产品 单频光纤激光器应用介绍单频光纤激光器应用介绍 上海瀚宇单频光纤激

2、光器的技术和产品蓝上海瀚宇单频光纤激光器的技术和产品蓝图图 致谢致谢商用单频光纤激光器技术商用单频光纤激光器技术 短直腔短直腔DFB单频光纤激光器（单频光纤激光器（NKT Photonics） 短直腔短直腔DBR型（型（NP Photonics；Advalue Photonics; 华南理工大学等）华南理工大学等） 复合腔技术（复合腔技术（“虚拟环形腔虚拟环形腔”Orbits Lightwave） 环形腔以及复合环形腔的技术（上海瀚宇）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。波长相移型光

3、纤光栅；直接刻写在稀土掺杂光纤上。光纤光栅长度约为光纤光栅长度约为2-10cm工作波长范围由掺杂的光纤和相移光栅决定，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）丹麦丹麦NKT Photonics；法国；法国IxFiber；上海光机所等；上海光机所等photo-sensitive & rare earth doped fiberPump lightdlgap = lB/4Stimulated laser emission at a wavelength lBTypical length: 2 - 10 cmpassive

4、fiberpassive fiberDFB型单频光纤激光器型单频光纤激光器NKT Photonics缺点：缺点：波长相移型光纤光栅要求技术难波长相移型光纤光栅要求技术难度高。度高。掺杂光纤掺杂浓度和光纤激光器的噪声之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。间需要平衡考虑。特殊波长的光纤光栅特殊波长的光纤光栅 理论上可行，但是理论上可行，但是实现困难。实现困难。噪声偏大（光栅直接刻写在有源光纤上）噪声偏大（光栅直接刻写在有源光纤上）Diode laserIsolatorWDM couplerDFB fiber laser 优点：谐振腔结构简单，优点：谐振腔结构简单，FSR可达可达GH

5、z，易于实现单，易于实现单纵模输出纵模输出DBR型单频光纤激光器型单频光纤激光器NP Photonics 短直腔设计，腔长几个厘米量短直腔设计，腔长几个厘米量级级 高掺杂浓度，高吸收磷酸盐玻高掺杂浓度，高吸收磷酸盐玻璃光纤作为有源介质璃光纤作为有源介质 无源光纤光栅对作为腔镜无源光纤光栅对作为腔镜 主要厂家包括主要厂家包括NP Photonics；Advalue Photonics；华南理工大；华南理工大学等学等DBR型单频光纤激光器型单频光纤激光器-华南理工大学华南理工大学 理论上可以通过大理论上可以通过大功率的泵浦激光实功率的泵浦激光实现高功率的输出；现高功率的输出；但是单纵模的输出但是单

6、纵模的输出功率还是会受到众功率还是会受到众多因素限制，例如多因素限制，例如驰豫振荡。驰豫振荡。 线偏振输出的线偏振输出的DBR激激光器对光纤熔接有光器对光纤熔接有更高的要求，不容更高的要求，不容易实现高的偏振消易实现高的偏振消光比。光比。DBR型单频光纤激光器型单频光纤激光器NP Photonics 优点：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。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。短的线形腔设计，纵模间隔较宽，易于实现单纵模输出。 缺点：缺点： 磷酸盐玻璃光纤熔点

7、远远低于普通硅酸盐光纤，难以实现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下降“虚拟环形腔型虚拟环形腔型”单频光纤激光器单频光纤激光器-Orbits Lightwave“虚拟环形腔型虚拟环形腔型”单频光纤激光器单频光纤激光器-Orbits Lightwave 关键技术关键技术： 线

8、形腔的基本结构，光纤光栅构成直腔的腔镜线形腔的基本结构，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），打破旋和右旋），打破“驻波驻波”的形成，实现虚拟的行波腔。的形成，实现虚拟的行波腔。 腔内插入超窄带光纤滤波器（腔内插入超窄带光纤滤波器（F-P FBG）选取单纵模。）选取单纵模。 本质上仍然是短直腔结构，腔长决定的本质上仍然是短直腔结构，腔长决定的FSR依然是获取单依然是获取单纵模的关键，要求腔长较短纵模的关键，要求腔长较短 使用普通的硅酸盐掺杂增益光纤使用普通的硅酸盐掺杂增益光纤“虚拟环形腔型虚拟环形

9、腔型”单频光纤激光器单频光纤激光器-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保偏光纤长度的技术获得全光纤型1/4玻片和玻片和3/4玻片，用玻片，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。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，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。谐振腔的损耗大。 光纤光栅型光纤光栅型F

10、-P FBG滤波器要求高，是获取单纵模输出的关滤波器要求高，是获取单纵模输出的关键。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。波并不能被真正消除。 Orbits Lightwave公司的公司的“虚拟环形腔虚拟环形腔”技术实现工艺难度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单频光纤激光器单频光纤激光器-上海瀚宇上海瀚宇“优化的行波腔优

11、化的行波腔”设计，消除驻波空间烧孔效应。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。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。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。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。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，偏振消光比高达高达25dB以上。以上。行波腔光

12、纤窄带滤波器单偏振控制单元单频、单偏振输出CoSF-1单频光纤激光器单频光纤激光器-上海瀚宇上海瀚宇 全部采用商用化光纤器件，全光纤结构一体化设计。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。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，例制作技术，能够轻易实现各种波长的单频光纤激光器，例如如1010-

13、1200nm；1530-1650nm；1800-2100nm等等。等等。 专利的减震、抗冲击封装设计，满足恶劣环境工作要求。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。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（边摸抑制比（SMSR）高达）高达60dB以上，超低相对强度噪声以上，超低相对强度噪声RIN。 超窄线宽，超窄线宽，50km延时自外差测试结果显示线宽延时自外差测试结果显示线宽60dBCoSF-1单频光纤激光器单频光纤激光器 短期时域波动值约为短期时域波动值约为3.8%相对强度噪声（相对强度噪声（RIN） 驰豫

14、振荡峰值频驰豫振荡峰值频率：率：59kHz 驰豫振荡峰值强驰豫振荡峰值强度：度：-122dB/Hz 70kHz，833kHz存在尖峰存在尖峰 460kHz存在小尖存在小尖峰峰相位噪声相位噪声Phase Noise注意：一般厂注意：一般厂家比如家比如RIO产品产品手册上给出的手册上给出的相位噪声都是相位噪声都是归一化到归一化到1m的的相位波动功率相位波动功率谱密度谱密度S(f)1m，不是真正的激不是真正的激光器瞬时相位光器瞬时相位噪声噪声S(f)。频率噪声频率噪声Frequency Noise CoSF-1单频光纤激光器展示了优秀单频光纤激光器展示了优秀的相位噪声和频率噪声性能的相位噪声和频率噪

15、声性能线宽线宽Linewidth 延时自外差线宽测试，延时自外差线宽测试，70MHz频移，频移，60km延时延时光纤，光纤，-20dB拍频谱宽拍频谱宽度度11.4kHz，CoSF-1单频单频光纤激光器的线宽为光纤激光器的线宽为570Hz。 上海瀚宇测试平台结果上海瀚宇测试平台结果线宽线宽Linewidth结论：结论：CoSF-1单单频激光器的白频激光器的白噪声很低，所噪声很低，所以本征线宽非以本征线宽非常窄。常窄。线宽线宽50-60HzSIOM（上海光（上海光机所）测试结机所）测试结果果CoSF-1单频光纤激光器单频光纤激光器-Frequency Beating拍频测试结果的时域和频域结果显示

16、了较高的频率稳定性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单频光纤激光器功率稳定性75min,功率稳定性功率稳定性0.9%,PV值值 (Pmax-Pmin)/PaveCoSF-1单频光纤激光器单频光纤激光器-产品系列产品系列工作波段工作波段1000-1200nm (Yb)1530-1610nm (Er)1900-2100nm (Tm)输出功率输出功率I.基础模块：基础

17、模块：5-100mWII.台式单频激光器：台式单频激光器：5-200mWIII.高功率台式单频激光器：可达高功率台式单频激光器：可达10W（1.5um）、）、50W（1.0um）典型工作波长典型工作波长1018nm，1030nm, 1053nm, 1064nm, 1083nm, C-band, 1940nm, 1950nm, 2050nmCoSF-1高功率单频光纤激光器高功率单频光纤激光器1064nm输出功率输出功率50W线宽：线宽：10kHz功率稳定性：功率稳定性：30dB输出光隔离度：输出光隔离度：35dB性能出色性能出色单频光纤激光器的应用单频光纤激光器的应用 声波传感器，水下和边界安全

18、声波传感器，水下和边界安全 相干激光雷达相干激光雷达LIDAR 相干通信相干通信 光谱学，气体吸收测试光谱学，气体吸收测试 管道监控，泄露检测管道监控，泄露检测 石油和天然气勘探系统石油和天然气勘探系统 计量计量 冷原子物理冷原子物理 空间通信空间通信 强激光系统种子源，注入种子强激光系统种子源，注入种子激光器激光器 微波光子学微波光子学产品蓝图产品蓝图-What we are doing now? 第二代第二代CoSF-2单频光纤激光器单频光纤激光器a) 注入注入/滤波技术，进一步压窄线宽，降低噪声滤波技术，进一步压窄线宽，降低噪声b) 被动稳频技术被动稳频技术c) RIN抑制技术抑制技术d) PZT调频技术调频技术e) 封装技术，提升抗震动、抗冲击、抗恶劣环境能力。封装技术，提升抗震动、抗冲击、抗恶劣环境能力。第三代第三代