低噪聲超窄線寬單頻光纖激光器

1、低噪聲超窄線寬單頻光纖激光器低噪聲超窄線寬單頻光纖激光器Low Noise Ultra-narrow Linewidth Single Frequency Fiber Laser上海瀚宇光纖通信技術有限公司上海瀚宇光纖通信技術有限公司張瑞新張瑞新ILOPE 2015北京北京目錄目錄 商用單頻光纖激光器技術簡介商用單頻光纖激光器技術簡介 上海瀚宇上海瀚宇CoSF-1低噪聲單頻光纖激光器低噪聲單頻光纖激光器 CoSF-1單頻光纖激光器的關鍵技術指標單頻光纖激光器的關鍵技術指標 CoSF-1單頻光纖激光器系列產(chǎn)品單頻光纖激光器系列產(chǎn)品 單頻光纖激光器應用介紹單頻光纖激光器應用介紹 上海瀚宇單頻光纖激

2、光器的技術和產(chǎn)品藍上海瀚宇單頻光纖激光器的技術和產(chǎn)品藍圖圖 致謝致謝商用單頻光纖激光器技術商用單頻光纖激光器技術 短直腔短直腔DFB單頻光纖激光器（單頻光纖激光器（NKT Photonics） 短直腔短直腔DBR型（型（NP Photonics；Advalue Photonics; 華南理工大學等）華南理工大學等） 復合腔技術（復合腔技術（“虛擬環(huán)形腔虛擬環(huán)形腔”O(jiān)rbits Lightwave） 環(huán)形腔以及復合環(huán)形腔的技術（上海瀚宇）環(huán)形腔以及復合環(huán)形腔的技術（上海瀚宇）DFB型單頻光纖激光器型單頻光纖激光器NKT Photonics波長相移型光纖光柵；直接刻寫在稀土摻雜光纖上。波長相移型光

3、纖光柵；直接刻寫在稀土摻雜光纖上。光纖光柵長度約為光纖光柵長度約為2-10cm工作波長范圍由摻雜的光纖和相移光柵決定，工作波長范圍由摻雜的光纖和相移光柵決定，1.0um（Yb）；）；1.5um（Er、ErYb）；）；2.0um（Tm）丹麥丹麥NKT Photonics；法國；法國IxFiber；上海光機所等；上海光機所等photo-sensitive & rare earth doped fiberPump lightdlgap = lB/4Stimulated laser emission at a wavelength lBTypical length: 2 - 10 cmpass

4、ive fiberpassive fiberDFB型單頻光纖激光器型單頻光纖激光器NKT Photonics缺點：缺點：波長相移型光纖光柵要求技術難波長相移型光纖光柵要求技術難度高。度高。摻雜光纖摻雜濃度和光纖激光器的噪聲之摻雜光纖摻雜濃度和光纖激光器的噪聲之間需要平衡考慮。間需要平衡考慮。特殊波長的光纖光柵特殊波長的光纖光柵 理論上可行，但是理論上可行，但是實現(xiàn)困難。實現(xiàn)困難。噪聲偏大（光柵直接刻寫在有源光纖上）噪聲偏大（光柵直接刻寫在有源光纖上）Diode laserIsolatorWDM couplerDFB fiber laser 優(yōu)點：諧振腔結構簡單，優(yōu)點：諧振腔結構簡單，F(xiàn)SR可達

5、可達GHz，易于實現(xiàn)單，易于實現(xiàn)單縱模輸出縱模輸出DBR型單頻光纖激光器型單頻光纖激光器NP Photonics 短直腔設計，腔長幾個厘米量短直腔設計，腔長幾個厘米量級級 高摻雜濃度，高吸收磷酸鹽玻高摻雜濃度，高吸收磷酸鹽玻璃光纖作為有源介質(zhì)璃光纖作為有源介質(zhì) 無源光纖光柵對作為腔鏡無源光纖光柵對作為腔鏡 主要廠家包括主要廠家包括NP Photonics；Advalue Photonics；華南理工大；華南理工大學等學等DBR型單頻光纖激光器型單頻光纖激光器-華南理工大學華南理工大學 理論上可以通過大理論上可以通過大功率的泵浦激光實功率的泵浦激光實現(xiàn)高功率的輸出；現(xiàn)高功率的輸出；但是單縱模的輸

6、出但是單縱模的輸出功率還是會受到眾功率還是會受到眾多因素限制，例如多因素限制，例如馳豫振蕩。馳豫振蕩。 線偏振輸出的線偏振輸出的DBR激激光器對光纖熔接有光器對光纖熔接有更高的要求，不容更高的要求，不容易實現(xiàn)高的偏振消易實現(xiàn)高的偏振消光比。光比。DBR型單頻光纖激光器型單頻光纖激光器NP Photonics 優(yōu)點：優(yōu)點： 高摻雜濃度的磷酸鹽玻璃光纖能夠實現(xiàn)較高增益，短腔設高摻雜濃度的磷酸鹽玻璃光纖能夠實現(xiàn)較高增益，短腔設計可以實現(xiàn)較高功率輸出。計可以實現(xiàn)較高功率輸出。 短的線形腔設計，縱模間隔較寬，易于實現(xiàn)單縱模輸出。短的線形腔設計，縱模間隔較寬，易于實現(xiàn)單縱模輸出。 缺點：缺點： 磷酸鹽玻璃

7、光纖熔點遠遠低于普通硅酸鹽光纖，難以實現(xiàn)磷酸鹽玻璃光纖熔點遠遠低于普通硅酸鹽光纖，難以實現(xiàn)高強度的熔接，諧振腔可靠性差高強度的熔接，諧振腔可靠性差 用于選頻的光柵要求較高，不容易實現(xiàn)用于選頻的光柵要求較高，不容易實現(xiàn) 短直腔制作困難，難以適應苛刻的工作環(huán)境短直腔制作困難，難以適應苛刻的工作環(huán)境 高摻雜磷酸鹽玻璃長期可靠性偏差，導致光纖激光器性能高摻雜磷酸鹽玻璃長期可靠性偏差，導致光纖激光器性能下降下降“虛擬環(huán)形腔型虛擬環(huán)形腔型”單頻光纖激光器單頻光纖激光器-Orbits Lightwave“虛擬環(huán)形腔型虛擬環(huán)形腔型”單頻光纖激光器單頻光纖激光器-Orbits Lightwave 關鍵技術關鍵技

8、術： 線形腔的基本結構，光纖光柵構成直腔的腔鏡線形腔的基本結構，光纖光柵構成直腔的腔鏡 通過控制雙向傳輸?shù)牟ǖ钠瘢瑢崿F(xiàn)相反的圓偏振光（左通過控制雙向傳輸?shù)牟ǖ钠?，實現(xiàn)相反的圓偏振光（左旋和右旋），打破旋和右旋），打破“駐波駐波”的形成，實現(xiàn)虛擬的行波腔。的形成，實現(xiàn)虛擬的行波腔。 腔內(nèi)插入超窄帶光纖濾波器（腔內(nèi)插入超窄帶光纖濾波器（F-P FBG）選取單縱模。）選取單縱模。 本質(zhì)上仍然是短直腔結構，腔長決定的本質(zhì)上仍然是短直腔結構，腔長決定的FSR依然是獲取單依然是獲取單縱模的關鍵，要求腔長較短縱模的關鍵，要求腔長較短 使用普通的硅酸鹽摻雜增益光纖使用普通的硅酸鹽摻雜增益光纖“虛擬環(huán)形腔型

9、虛擬環(huán)形腔型”單頻光纖激光器單頻光纖激光器-Orbits Lightwave 精確控制往返波的偏振態(tài)，通過光纖熔接的技術以及控制精確控制往返波的偏振態(tài)，通過光纖熔接的技術以及控制保偏光纖長度的技術獲得全光纖型保偏光纖長度的技術獲得全光纖型1/4玻片和玻片和3/4玻片，用玻片，用于實現(xiàn)左旋或者右旋的圓偏振光，制作工藝復雜困難，不于實現(xiàn)左旋或者右旋的圓偏振光，制作工藝復雜困難，不容易實現(xiàn)；保偏光纖的拍長不容易控制。容易實現(xiàn)；保偏光纖的拍長不容易控制。 必須通過腔內(nèi)插入窄帶濾波器實現(xiàn)單縱模的選取和輸出，必須通過腔內(nèi)插入窄帶濾波器實現(xiàn)單縱模的選取和輸出，諧振腔的損耗大。諧振腔的損耗大。 光纖光柵型光纖

10、光柵型F-P FBG濾波器要求高，是獲取單縱模輸出的關濾波器要求高，是獲取單縱模輸出的關鍵。鍵。 虛擬環(huán)形腔的設計消除了線形腔的駐波空間燒孔效應，但虛擬環(huán)形腔的設計消除了線形腔的駐波空間燒孔效應，但是因為圓偏振光的實現(xiàn)困難，橢圓偏振光的存在會導致駐是因為圓偏振光的實現(xiàn)困難，橢圓偏振光的存在會導致駐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“虛擬環(huán)形腔虛擬環(huán)形腔”技術實現(xiàn)工藝難度技術實現(xiàn)工藝難度較大，缺少可復制性，難以批量生產(chǎn)，產(chǎn)品價格昂貴較大，缺少可復制性，難以批量生產(chǎn)，產(chǎn)品價格昂貴。CoSF-1單頻光纖激光器單頻光纖激光器-上海瀚宇上海瀚宇“優(yōu)化的

11、行波腔優(yōu)化的行波腔”設計，消除駐波空間燒孔效應。設計，消除駐波空間燒孔效應。長腔長的設計能夠允許較長的增益光纖，充分吸收泵浦光，實現(xiàn)高功長腔長的設計能夠允許較長的增益光纖，充分吸收泵浦光，實現(xiàn)高功率輸出。率輸出。行波運轉大幅度降低光纖激光器的相對強度噪聲和相位噪聲。行波運轉大幅度降低光纖激光器的相對強度噪聲和相位噪聲。全光纖型窄帶濾波器注入選取單縱模輸出。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。長飽和吸收體穩(wěn)定單縱模運轉。單偏振控制消除偏振燒孔效應，實現(xiàn)穩(wěn)定的單偏振輸出，偏振消光比單偏振控制消除偏振燒孔效應，實現(xiàn)穩(wěn)定的單偏振輸出，偏振消光比高達高達25dB以上。以上。

12、行波腔光纖窄帶濾波器單偏振控制單元單頻、單偏振輸出CoSF-1單頻光纖激光器單頻光纖激光器-上海瀚宇上海瀚宇 全部采用商用化光纖器件，全光纖結構一體化設計。全部采用商用化光纖器件，全光纖結構一體化設計。 獨特的行波腔設計，線偏振控制技術，單縱模選取以及穩(wěn)獨特的行波腔設計，線偏振控制技術，單縱模選取以及穩(wěn)定技術，專利技術，具有完全獨立自主知識產(chǎn)權。定技術，專利技術，具有完全獨立自主知識產(chǎn)權。 設計靈活，不需要特殊的增益光纖；沒有復雜的光纖光柵設計靈活，不需要特殊的增益光纖；沒有復雜的光纖光柵制作技術，能夠輕易實現(xiàn)各種波長的單頻光纖激光器，例制作技術，能夠輕易實現(xiàn)各種波長的單頻光纖激光器，例如如1

13、010-1200nm；1530-1650nm；1800-2100nm等等。等等。 專利的減震、抗沖擊封裝設計，滿足惡劣環(huán)境工作要求。專利的減震、抗沖擊封裝設計，滿足惡劣環(huán)境工作要求。 模塊化設計，方便多路集成，尺寸小巧堅固，外觀精美。模塊化設計，方便多路集成，尺寸小巧堅固，外觀精美。 邊摸抑制比（邊摸抑制比（SMSR）高達）高達60dB以上，超低相對強度噪聲以上，超低相對強度噪聲RIN。 超窄線寬，超窄線寬，50km延時自外差測試結果顯示線寬延時自外差測試結果顯示線寬60dBCoSF-1單頻光纖激光器單頻光纖激光器 短期時域波動值約為短期時域波動值約為3.8%相對強度噪聲（相對強度噪聲（RIN

14、） 馳豫振蕩峰值頻馳豫振蕩峰值頻率：率：59kHz 馳豫振蕩峰值強馳豫振蕩峰值強度：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聲相位噪聲Phase Noise注意：一般廠注意：一般廠家比如家比如RIO產(chǎn)品產(chǎn)品手冊上給出的手冊上給出的相位噪聲都是相位噪聲都是歸一化到歸一化到1m的的相位波動功率相位波動功率譜密度譜密度S(f)1m，不是真正的激不是真正的激光器瞬時相位光器瞬時相位噪聲噪聲S(f)。頻率噪聲頻率噪聲Frequency Noise CoSF-1單頻光纖激光器展示了優(yōu)秀單頻光纖激光器展示了優(yōu)秀的相位噪聲和頻率噪聲性能的相位噪聲

15、和頻率噪聲性能線寬線寬Linewidth 延時自外差線寬測試，延時自外差線寬測試，70MHz頻移，頻移，60km延時延時光纖，光纖，-20dB拍頻譜寬拍頻譜寬度度11.4kHz，CoSF-1單頻單頻光纖激光器的線寬為光纖激光器的線寬為570Hz。 上海瀚宇測試平臺結果上海瀚宇測試平臺結果線寬線寬Linewidth結論：結論：CoSF-1單單頻激光器的白頻激光器的白噪聲很低，所噪聲很低，所以本征線寬非以本征線寬非常窄。常窄。線寬線寬50-60HzSIOM（上海光（上海光機所）測試結機所）測試結果果CoSF-1單頻光纖激光器單頻光纖激光器-Frequency Beating拍頻測試結果的時域和頻域

16、結果顯示了較高的頻率穩(wěn)定性拍頻測試結果的時域和頻域結果顯示了較高的頻率穩(wěn)定性CoSF-1單頻光纖激光器的頻率穩(wěn)定性單頻光纖激光器的頻率穩(wěn)定性 Not GOOD!上海瀚宇已經(jīng)制定簡易穩(wěn)上海瀚宇已經(jīng)制定簡易穩(wěn)頻方案以及深度的主動穩(wěn)頻方案頻方案以及深度的主動穩(wěn)頻方案CoSF-1單頻光纖激光器功率穩(wěn)定性單頻光纖激光器功率穩(wěn)定性75min,功率穩(wěn)定性功率穩(wěn)定性0.9%,PV值值 (Pmax-Pmin)/PaveCoSF-1單頻光纖激光器單頻光纖激光器-產(chǎn)品系列產(chǎn)品系列工作波段工作波段1000-1200nm (Yb)1530-1610nm (Er)1900-2100nm (Tm)輸出功率輸出功率I.基礎模

17、塊：基礎模塊：5-100mWII.臺式單頻激光器：臺式單頻激光器：5-200mWIII.高功率臺式單頻激光器：可達高功率臺式單頻激光器：可達10W（1.5um）、）、50W（1.0um）典型工作波長典型工作波長1018nm，1030nm, 1053nm, 1064nm, 1083nm, C-band, 1940nm, 1950nm, 2050nmCoSF-1高功率單頻光纖激光器高功率單頻光纖激光器1064nm輸出功率輸出功率50W線寬：線寬：10kHz功率穩(wěn)定性：功率穩(wěn)定性：30dB輸出光隔離度：輸出光隔離度：35dB性能出色性能出色單頻光纖激光器的應用單頻光纖激光器的應用 聲波傳感器，水下和

18、邊界安全聲波傳感器，水下和邊界安全 相干激光雷達相干激光雷達LIDAR 相干通信相干通信 光譜學，氣體吸收測試光譜學，氣體吸收測試 管道監(jiān)控，泄露檢測管道監(jiān)控，泄露檢測 石油和天然氣勘探系統(tǒng)石油和天然氣勘探系統(tǒng) 計量計量 冷原子物理冷原子物理 空間通信空間通信 強激光系統(tǒng)種子源，注入種子強激光系統(tǒng)種子源，注入種子激光器激光器 微波光子學微波光子學產(chǎn)品藍圖產(chǎn)品藍圖-What we are doing now? 第二代第二代CoSF-2單頻光纖激光器單頻光纖激光器a) 注入注入/濾波技術，進一步壓窄線寬，降低噪聲濾波技術，進一步壓窄線寬，降低噪聲b) 被動穩(wěn)頻技術被動穩(wěn)頻技術c) RIN抑制技術抑制技術d) PZT調(diào)頻技術調(diào)頻技術e) 封裝技術，提升抗震動、抗沖擊、抗惡劣環(huán)境能力。封裝技術，提升抗震動、抗沖擊、抗惡劣環(huán)境能力。第三代第三代