1 引言

光纖傳感技術是伴隨著光纖技術和光纖通信技術發展起來的一種傳感技術，其已成為光電技術中發展最活躍的分支之一。光纖傳感系統主要由激光器、傳輸光纖、傳感元件或調制區、光檢測等部分組成。描述光波特征的參量有光強、波長、相位、偏振態等，這些參量在光纖傳輸中都可能受外界影響而發生改變。如當溫度、應變、壓力、電流、位移、振動、轉動、彎曲以及化學量等對光路產生影響時，這些參量發生相應變化。光纖傳感就是根據這些參量隨外界因素的變化關系來檢測各相應物理量大小。

光纖傳感系統使用的光源種類很多，可分為相干光源和非相干光源兩大類，非相干光源主要有白熾光與發光二極管，相干光源包括固體激光器、液體激光器、氣體激光器、半導體激光器以及光纖激光器。下面主要針對近幾年在光纖傳感領域應用廣泛的激光光源進行分析：窄線寬單頻激光器、單波長掃頻激光器以及白光激光器。

1.1 對窄線寬激光光源的需求

光纖傳感系統離不開激光光源，作為被測量信號載體的光波，激光光源本身的性能，如功率穩定性、激光線寬、相位噪聲等參數對光纖傳感系統的探測距離、探測精度、靈敏度以及噪聲特性起決定性的作用。近年來，隨著長距離超高分辨率光纖傳感系統的發展，學術界和工業界對激光器小型化后的線寬性能提出了更加苛刻的要求，主要表現在：相干光頻域反射(optical frequency domain reflection, OFDR)技術通過相干檢測技術對光纖的后向瑞利散射信號進行頻域分析，具有覆蓋范圍廣(數千米)，分辨率高(毫米級的分辨率)、靈敏度高(可達-100 dBm)等優點，已成為分布式光纖測量和傳感技術中具有廣泛應用前景的技術之一[4]。OFDR技術的核心是采用可調諧光源實現對光頻進行調諧，因此激光源的性能決定了OFDR探測范圍、靈敏度以及分辨率等關鍵因素，當反射點距離接近相干長度時，其拍頻信號的強度將以系數τ/τc呈指數衰減。對于頻譜形狀為高斯型的光源，若要保證拍頻有90%以上的可見度，光源線寬與系統可達到的最大傳感長度之間的關系為Lmax~0.04vg/f，這意味著對于長度為80 km的光纖，需要光源的線寬小于100 Hz。此外，其它應用研究的開展對光源的線寬也提出了較高要求，例如：在光纖水聽器系統中，光源的線寬決定了系統噪聲，也決定了系統的最小可測信號;在布里淵光時域反射儀(Brillouin optical time domain reflector, BOTDR)中，溫度和應力的測量分辨率主要由光源的線寬決;在諧振腔光纖陀螺中，壓縮光源線寬能提高光波的相干長度，從而提高諧振腔的精細度和諧振深度，降低諧振線寬，保證光纖陀螺的測量精度。

1.2 對掃頻激光光源的需求

單波長掃頻激光器具有靈活的波長調諧性能，可替代多個輸出固定波長的激光器，降低系統的搭建成本，是光纖傳感系統中不可或缺的部分。例如，在痕量氣體光纖傳感中，不同種類的氣體具有不同的氣體吸收峰。為了保證測量氣體足夠時的光吸收效率，實現更高的測量靈敏度，需要將傳感激光源的波長對準氣體分子的吸收峰。能夠探測的氣體種類本質上是由傳感光源的波長決定的。因此具有穩定寬帶調諧性能的窄線寬激光器在此類傳感系統中具有更高的測量靈活性。又例如在一些基于光頻域反射分布式光纖傳感系統中，需要將激光器進行快速的周期性掃頻，實現光信號的高精度相干探測解調，因此對激光光源的調制速率有比較高的要求，通常需要可調激光器的掃頻速度達到10 pm/μs。除此之外，波長可調諧窄線寬激光器還可廣泛應用于激光雷達、激光遙感以及高分辨率光譜分析等傳感領域。為了滿足光纖傳感領域對單波長激光器調諧帶寬、調諧精度以及調諧速度的高性能參數要求，近年來，研究可調諧窄線寬光纖激光器的總體目標是在追求激光線寬超窄、相位噪聲超低、輸出頻率和功率超穩的基礎上，還要在更大的波長范圍內實現高精度調諧。

1.3 對白光激光光源的需求

在光學傳感領域，高質量的白光激光對系統性能的提升具有重要意義，白光激光器的光譜覆蓋范圍越寬，其在光纖傳感系統的應用就越廣泛。例如，利用光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)構建傳感網絡時，可以采用光譜分析法或者可調諧濾波器匹配法進行解調，前者是利用光譜儀直接對網絡中的每個FBG諧振波長進行測試，后者是利用參考濾波器跟蹤和校準傳感中的FBG，這兩種方法均需要寬帶光源作為FBG的測試光源。由于每個FBG接入網絡均會產生一定的插入損耗，而且具有0.1 nm以上的帶寬，因此對多個FBG進行同時解調需要功率高、帶寬大的寬帶光源。又例如，利用長周期光纖光柵(long period fiber grating, LPFG)進行傳感時，由于其單個損耗峰的帶寬在10 nm量級，為了準確表征其諧振峰特性，需要帶寬足夠寬且光譜較為平坦的寬譜光源。尤其是利用聲光效應構建的聲致光纖光柵(acoustic fiber grating，AIFG)，可以利用電調諧方式實現諧振波長的調諧范圍達到1000 nm，那么對這種超寬調諧范圍的光纖光柵進行動態測試就對寬譜光源的帶寬范圍提出了極大的挑戰。與此類似，近年來，傾斜布拉格光纖光柵在光纖傳感領域也得到了廣泛應用，由于其多峰損耗譜特性，波長分布范圍通常可達到40 nm，其傳感機制通常是需要比較多個透射峰間的相對移動，因此需要對其透射譜進行完整測量，對寬譜光源的帶寬和功率均提出了較高的要求。

2 國內外研究現狀

2.1 窄線寬激光光源

2.1.1 窄線寬半導體分布式反饋激光器

2006年，Cliche等人利用電學反饋的方法將MHz量級的半導體分布式反饋激光器(distributed feedback laser，DFB)降低到kHz量級;2011年，Kessler等人利用低溫高穩單晶腔結合有源反饋控制獲得40 MHz的超窄線寬激光輸出;2013年，Peng等人利用腔外法珀腔(Fabry-Perot, FP)反饋調節的方法獲得15 kHz線寬的半導體激光輸出，電學反饋方法主要利用的是Pond-Drever-Hall穩頻反饋使得光源激光線寬得到壓縮。2010年，Bernhardi等人在氧化硅基底上制作1 cm的摻鉺氧化鋁FBG，獲得線寬約為1.7 kHz的激光輸出。同年，Liang等人針對半導體激光器利用高Q回音壁諧振腔形成的后向瑞利散射自注入反饋進行線寬壓縮，如圖 1所示，最終獲得160 Hz的窄線寬激光輸出。

圖 1 (a) 基于回音壁微腔自注入瑞利反饋的激光器線寬壓縮示意圖;(b)線寬為8 MHz的半導體激光器頻譜;(c)線寬為160 Hz窄線寬激光器頻譜

Fig. 1 (a) Diagram of semiconductor laser linewidth compression based on the self-injection Rayleigh scattering of external whispering gallery mode resonator; (b) Frequency spectrum of the free running semiconductor laser with linewidth of 8 MHz; (c) Frequency spectrum of the laser with linewidth compressed to 160 Hz

2017年，本文課題組研究了基于雙腔反饋的DFB線寬壓縮方式，將常用MHz量級DFB激光器壓縮至kHz量級，如圖 2所示，為廣泛應用的DFB激光提供了一種簡單、有效、低成本的線寬壓縮方式，對于特定波長激光器也可以直接用1或2支FBG替換雙環，其基本原理是一樣的。

圖 2 (a) 雙腔反饋系統原理圖;(b)有(實線)無(虛線)雙腔反饋結構輸出功率譜

Fig. 2 (a) Schematic diagram of DFB dual-cavity self-feedback structure; (b) Output power spectra with (red line) or without (blue line) dual-cavity feedback structure

2.1.2 窄線寬光纖激光器

對于線形腔光纖激光器，基本采用縮短諧振腔長度以增大縱模間隔來獲取單縱模窄線寬激光輸出。2004年，Spiegelberg等人利用DBR短腔法得到線寬為2 kHz的單縱模窄線寬激光輸出。2007年，Shen等人使用2 cm的重摻鉺硅光纖，在Bi-Ge共摻的光敏光纖上刻寫FBG，并將其與有源光纖熔接構成了一個緊湊線形腔，使得其激光輸出線寬小于1 kHz。2010年，Yang等人利用2 cm高摻雜短線形腔結合窄帶FBG濾波器，得到線寬小于2 kHz的單縱模激光輸出，該團隊在2014年利用短線形腔(虛擬折疊環形諧振腔)結合FBG-FP濾波器得到了更窄線寬的激光輸出，如圖 3所示。2012年，Cai等人采用1.4 cm短腔結構獲得了輸出功率大于114 mW，中心波長在1540.3 nm的保偏激光輸出，其線寬為4.1 kHz。2013年，Meng等人利用全保偏器件短環形腔的保偏摻鉺光纖的布里淵散射獲得輸出功率為10 mW的單縱模、低相位噪聲激光輸出;2015年，該團隊利用45 cm摻鉺光纖構成的環形腔作為布里淵散射增益介質，獲得低閾值、窄線寬激光輸出。

圖 3 (a) 虛擬折疊形諧振腔原理圖;(b)延遲光纖長度為97.6 km的自外差線型

Fig. 3 (a) Schematic drawing of the SLC fiber laser; (b) Lineshape of the heterodyne signal measured with 97.6 km fiber delay

通過對能帶結構和能級斯塔克分裂的深入分析，本文課題組指出由于某能級電子消耗之后，其余能級電子會快速弛豫到消耗能級，如果能改變激光每次循環諧振時激光的線度就可以使激光中心頻率處每次都獲得最大程度的相干放大，而旁邊頻率信號逐漸弱化從而達到深入窄化激光線寬的作用。2010年，朱濤教授在渥太華大學通過測試單模光纖(SMF-28e)、大有效面積光纖(large effective area fiber, LEAF)和保偏光纖(polarization maintaining optical fibre, PMF)在不同泵浦功率下的瑞利散射，發現瑞利散射具有壓縮激光線寬的作用。2012年，利用非均勻光纖制作窄線寬環形激光器，研究發現在環形腔光纖激光器中，瑞利散射效應如同一個窄帶濾波器，利用這種非線性效應可以進行縱模的選擇從而實現自增益的窄線寬激光器，其3 dB線寬為4 kHz。2013年，本文課題組采用微拉錐的方式改變單模光纖纖芯與包層的形狀、尺寸，從而限制聲波的傳播，極大地抑制了光纖中的橫向聲模，提高了受激布里淵的閾值，并將其用于超窄線寬光纖激光器中。最終激光輸出邊模抑制比可達50 dB，激光線寬低至800 Hz。2014年，本文課題組利用高瑞利散射結構結合光自注入的方式獲得線寬為130 Hz以及邊模抑制比為75 dB的超窄線寬激光輸出(圖 4)。Bao等人在2011~2014年期間，亦是利用后向瑞利散射技術獲得窄線寬激光輸出。通過理論分析和系列實驗研究結果可見，累積的瑞利散射信號就是實現激光器頻率線寬深入窄化的有效物理方法之一。

圖 4 (a) 基于瑞利射結合自注入反饋系統結構圖;(b)輸出功率譜以及其對應洛侖茲擬合線寬

Fig. 4 (a) Schematic diagram of fiber ring laser combing RBS and self-injection feedback; (b) The output power spectrum and its Lorentz fitting linewidth for the narrowest laser linewidth

2.2 單波長掃頻激光光源

實現激光器單波長掃頻本質上是對激光腔內器件的物理性能(通常是運行帶寬的中心波長)的調控，從而實現對腔內的震蕩縱模進行控制和選擇，以達到對輸出波長進行調諧的目的。基于此原理，早在上世紀80年代，可調諧光纖激光器的實現主要通過將激光器的一個反射端面換成反射式衍射光柵，通過衍射光柵的手動旋轉調諧實現激光腔模式的選擇。1990年，Lwatsuki等人在自由運行的光纖環形激光腔中加入光纖窄帶寬濾波器件，首次真正意義上實現了單波長輸出的摻鉺光纖激光器。在此基礎上，Madea等人利用液晶的法珀標準具作為激光模式選擇的濾波器，用電調的方式改變液晶濾波器的運行帶寬，實現了輸出激光在1523 nm~1568 nm范圍的波長調諧，而且輸出激光的線寬小于100 kHz。1991年，Smith等人首次利用集成的聲光可調濾波器，基于聲場調控的方式，在中心波長為1545 nm處實現了40 nm的調諧范圍，并且單縱模的瞬時線寬僅為10 kHz。同年，美國的Zyskind課題組利用雙F-P濾波器在摻鉺光纖激光腔中實現了寬帶可調諧窄線寬激光輸出，輸出激光的線寬小于5.5 kHz。2006年，Lin等人改變激光腔輸出耦合器的耦合比，在L波段實現了輸出激光波長調諧。2013年，Zhang等人利用FP-LD的自注入反饋結構得到線寬為13 kHz的激光輸出，該結構用可調諧濾波器將FP-LD形成的多波長中的某個波長選出來然后經過環形腔的循環放大再注入FP-LD，使得選出的這個波長獲得高增益，抑制FP-LD其它波長，獲得可調諧激光輸出。

2011年，Zhu等人利用可調諧濾波器實現單波長的窄線寬可調諧激光輸出，并于2016年將瑞利線寬壓縮機制用于雙波長的壓縮，即對FBG施加應力實現雙波長激光的調諧，同時對其輸出的激光線寬進行監測，獲得了波長調諧范圍為3 nm，線寬約為700 Hz的雙波長穩定輸出。2017年，Zhu等人利用石墨烯和微納光纖布拉格光柵制成全光可調諧濾波器，并結合布里淵激光壓窄技術，在1550 nm附近利用石墨烯的光熱效應實現了激光線寬低至750 Hz，在3.67 nm波長范圍內700 MHz/ms的光控快速精確掃描，如圖 5所示。以上的波長調控手段基本上通過直接或間接改變激光腔內器件的通帶中心波長以實現激光模式的選擇。

圖 5 (a) 光控波長可調諧窄線寬激光器的實驗裝置圖及其輸出測試系統;(b)隨著控制光功率的增加輸出光譜的變化

Fig. 5 (a) Experimental setup of the optical-controllable wavelength-tunable fiber laser and the measurement system; (b) Output spectra at output 2 with the enhancement of the controlling pump

窄線寬激光波長調諧技術亦可通過飛秒激光的選模機制獲得。飛秒激光的形成是由于許多的激光縱模之間的相位鎖定。但是對于其中的某一縱模而言，它本身的線寬遠遠小于自由運行的激光縱模，可以小到MHz量級。因此如果能在飛秒頻率梳中選出其中的單一縱模，便可獲得極窄線寬激光輸出，而且飛秒激光的寬光譜還可以為激光波長調諧提供很寬的自由度。基于這一思想，2014年，如圖 6所示，Al-Taiy等人利用受激布里淵散射的偏振誘導的窄帶寬效應成功從重復頻率為100 MHz，20 dB光譜寬度為90 nm的光纖鎖模激光器中選出了單一縱模，將腔內泵浦激光器的波長偏移作為粗調環節，利用腔外的載波抑制單邊帶調制器作為精調環節，在整個飛秒頻率梳范圍內實現了波長的精密調諧，而且實現的激光輸出線寬小于100 Hz。2016年，Wang等人利用半導體非線性光放大器中的反向四波混頻效應實現了激光的單模運轉，并將此放大器與光纖激光腔相結合，通過可調諧濾波器成功輸出線寬低于10.1 kHz的窄線寬激光，實現了48 nm范圍的波長調諧，其實驗裝置如圖 7所示。隨著更多種類的特種摻雜光纖以及更寬帶的光纖器件的出現，如摻銩光纖、摻鐿光纖等，可調光纖激光器的調諧范圍可以得到極大拓寬，已經不僅僅局限于C波段，而且以上所闡述的波長調控以及線寬壓縮機制，在其它波段依然適用。例如，Li課題組提出了將摻銩光纖激光腔與全光纖濾波器相結合，在2 μm波段實現了超過200 nm的寬帶調諧。

圖 6 (a) 基于飛秒頻率梳選頻的可調諧窄線寬激光器; (b)調諧輸出光譜

Fig. 6 (a) The tunable narrow-linewidth fiber laser based on the frequency-selection from femtosecond frequency combs; (b) The tuning output spectrum

圖 7 (a) 基于反向四波混頻的可調諧窄線寬激光器;(b)，(c)調諧輸出光譜

Fig. 7 (a) The tunable narrow-linewidth fiber laser based on the reversed four-wave mixing; (b), (c) The tuning output spectrum

2.3 白光激光光源

白光光源的發展經歷了鹵鎢燈、氘燈、半導體激光器、超連續譜光源等各個階段。特別是超連續譜光源，在具有超強瞬態功率的飛秒或者皮秒脈沖的激勵下，波導中產生各階非線性效應，頻譜被極大地展寬，能夠覆蓋從可見光到近紅外波段，且具有很強的相干性。此外，通過調控特種光纖的色散和非線性值，其光譜甚至可以延展到中紅外波段。此類激光光源在諸多領域得到了極大的應用，如光學相干斷層掃描、氣體探測、生物成像等。受光源和非線性介質的限制，早期超連續譜主要由固體激光器泵浦光學玻璃，產生可見光范圍內的超連續譜。此后，光纖以其極大的非線性系數和極小的傳輸模場，逐漸成為產生寬帶超連續譜的優良介質。其中的主要非線性效應包括四波混頻、調制不穩定、自相位調制、交叉相位調制、孤子分裂、拉曼散射、孤子自頻移等，且根據激勵脈沖的脈寬和光纖的色散不同，各個效應所占比重也各不相同。總的來說，現在超連續譜光源主要朝著提高激光功率和拓展光譜范圍發展，且注重對其相干性控制。

圖 8為基于飛秒脈沖泵浦光子晶體光纖產生超連續譜的相關結果。圖 8(a)為75 cm光子晶體光纖端面，其中纖芯直徑大約2.6 μm，非線性系數是2.210-19 m2/W，損耗約為1 dB/m，1550 nm波段色散約為-30 ps/(nm·km)，零色散波長約為1300 nm。激勵源脈寬為100 fs，中心波長為1550 nm，重頻為80 MHz，平均功率為200 mW。將泵浦飛秒脈沖注入光子晶體光纖之后，產生的超連續譜波長從350 nm延伸到2200 nm，如圖 8(b)所示。

圖 8 (a) 光子晶體光纖截面圖;(b)對應超連續譜

Fig. 8 (a) Cross section of the PCF; (b) Corresponding super-continuum

同理，利用多模光纖可以激發更為復雜的超連續譜，通過適當摻雜，其光譜寬度甚至可以從可見波段延伸到6.0 μm。圖 9所示為利用500 fs激光激勵1 m漸變多模光纖產生的超連續譜理論值。其中脈沖能量為300 nJ，中心波長1550 nm。該多模光纖的纖芯直徑約為62.5 μm，數值孔徑為0.275。在實際測試中，受測量設備限制，其各個波段的光譜如圖 10所示。從中可知，超連續譜生成過程中分別包括色散波、拉曼孤子以及低階重頻。此時，受復雜的相位匹配條件影響，各橫模的能量能夠發生耦合，這為高能量、寬范圍的超連續譜光源提供了可靠的產生途徑。

圖 9 1 m多模光纖的光譜演變圖

Fig. 9 Total spectrum evolution through the 1 m fiber

圖 10 泵浦能量為120 nJ (a)和180 nJ (b)時對應的光譜：(c)~(e)通過調整初始條件，光譜平整度和帶寬被優化(泵浦能量為150 nJ);(f)~(l)不同初始條件下可見光波段的光譜分布(泵浦能量為150 nJ)

Fig. 10 (a), (b) Typical behavior for increasing energy (120 nJ to 180 nJ); (c)~(e) By adjusting the initial spatial excitation, we optimize the spectral uniformity and bandwidth (the energy for each plot is ~150 nJ). (f)~(l) Visible spectra (all ~150 nJ)

3 現狀分析

上一節中主要介紹了用于光纖傳感的激光光源的發展狀況，主要包含窄線寬激光器，單頻可調諧激光器以及白光激光器。

為了提高光學傳感系統的測量范圍、精度等，需要獲得相干長度(表征激光線寬)更長，相位噪聲(表征激光頻率穩定性)以及強度噪聲(表征激光功率穩定性)更低的窄線寬激光光源，故對于窄線寬激光器，其發展趨勢應是利用新方法或新機制來獲取超穩(噪聲超低)、超純(線寬超窄)的激光光源。為了提高傳感系統測量移植性、探測范圍和精度(相干探測解調、激光雷達等)，在獲得低噪聲窄線寬激光器輸出的前提下還需要實現激光器波長的可調諧。故對于單頻可調諧激光器，其發展趨勢應是拓展其頻率的調諧范圍，提高頻率的調諧精度，以及縮短其頻率調諧時間。為了拓展可調諧激光器的調諧范圍，必須增大激光器本身的增益譜寬，故白光激光器的發展趨勢主要是利用非線性效應進一步拓展其光譜寬度，覆蓋其光學傳感所需的光譜。

4 總結

本文總結回顧了用于支撐光纖傳感技術的激光光源，主要包括窄線寬激光器、單頻可調諧激光器以及寬帶白光激光器。詳細介紹了這幾種激光器在光纖傳感領域的應用需求及其發展現狀，通過分析其需求以及其發展狀況，總結出用于光纖傳感所需的理想激光光源是在任意波段、任意時刻都能實現超窄、超穩的激光輸出。故我們分別從窄線寬激光器、可調諧窄線寬激光器以及增益帶寬較寬的白光激光器入手，通過分析其發展脈絡從而找出一條實現光纖傳感所需理想激光光源的有效途徑。

出處《光纖傳感用激光光源技術》，本文作者：Iroegbu Paul Ikechukwu, 黃仕宏, 李雨佳, 李阜徽, 黃禮剛, 高磊, 白永忠, 屈定榮, 邱楓, 黃賢濱, 朱濤