FBG 光纤布拉格光栅窄线宽激光器
光纤布拉格光栅FBG（Fiber Bragg Grating）是通过在光纤芯中创建周期性的折射率变化来实现的，这使得它能反射特定波长的光而透射其他波长。当用作激光器的一部分时，FBG可以作为腔内或腔外的反射镜，用于选择和稳定激光输出的波长。由于FBG的高度选择性，只有满足布拉格条件的特定波长的光能够在腔内放大并最终输出，从而实现了窄线宽的激光发射。
图1 光纤布拉格光栅工作基本结构图
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布拉格反射条件
光纤布拉格光栅通过在光纤芯中引入周期性的折射率变化来实现。当光线穿过这样的光栅时，只有满足布拉格条件的特定波长会被强烈反射，而其他波长则被允许通过。布拉格条件可以用以下公式表示：
(1)
其中：λB 是布拉格波长，neff是光纤芯的有效折射率。这与芯材的折射率不同，它代表了光纤中导模所反应的有效折射率，Λ是光栅周期（折射率变化之间的物理间隔）。
当光通过光纤光栅传播时，每个折射率的变化（相当于两种介质界面）都起到部分反射器的作用。如果来自每个光栅周期的反射光产生建设性干涉，则会发生强反射。布拉格条件本质上是一种干涉条件；从连续光栅周期反射的光相互加强。光栅周期和光纤的有效折射率决定了哪些波长会被强烈反射。
2窄线宽激光器的基本原理
图2为光纤布拉格光栅窄线宽激光器的基本原理图，图中左边为激光器芯片，激光器的出光口镀有高透膜，背光口镀有高反射膜，激光器出光后进入光纤布拉格光栅，满足布拉格反射条件的光波被反射会激光器内部与激光器形成一个外腔反馈的谐振腔。反射的激光在激光器内部形成正反馈，光能量得到放大，透过的光能量由于耗散作用而消失，最终激光二极管输出无噪声的窄带光谱。
图2 光纤布拉格光栅激光器基本结构
3 FBG 光栅反射率
光纤光栅的反射率(R)是测量有多少光能被反射回激光腔体内。这取决于几个因素：
a)光栅长度(L)：通常光栅越长，反射率越高。b)折射率调制 (Δn)：折射率调制越强，反射率越高。c)光栅轮廓：折射率调制的变化方式（例如，均匀、切趾）会影响反射率。d)波长：在布拉格波长处反射率最强，在其他波长处反射率下降。
可以使用一个（针对均匀光纤布拉格光栅的）简化公式：
(2)
其中：κ是耦合系数，与Δn相关。L是光栅长度。这个简化方程仅在低反射率情况下有效，但其对长度和耦合强度的依赖关系仍然是有用的。对于实际的光纤布拉格光栅（FBG）器件，其长度、折射率调制以及光栅轮廓各不相同，精确计算其反射率较为复杂，需通过数值计算来完成。
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FBG 的带宽（Δλ）光纤布拉格光栅（FBG）反射光的带宽Δλ，是指发生显著反射的波长范围。带宽越窄，波长选择性越高。对于均匀光纤布拉格光栅带宽的一个简化近似公式如下：
(3)
式中：Δλ 是半高宽（FWHM）带宽，λB 是布拉格波长，neff是光纤芯的有效折射率，L是光栅长度。这个简化近似公式并未考虑折射率调制的影响。折射率变化更强的光栅会有更宽的带宽。
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激光器的模式选择在激光腔内，特定频率（或纵模）可以发生谐振。这些模式由腔长和波长决定。这些模式之间的频率间隔Δν由下式给出
(4)
c是真空中的光速，ng是光纤的群折射率（光传播速度所对应的有效折射率），Lcav是激光腔的长度。
为了实现窄线宽，我们需要迫使激光器在单模或至少少数几个模式下工作。这可以通过各种机制来实现。
1)FBG 波长选择性：通过使用带宽较窄的 FBG，谐振腔仅在有限的频率范围内具有反射性，因此只有特定模式会被放大。
2)短腔长：如果腔足够短，模式间隔就会很大，这可以减少同时存在的模式数量。
3)腔内滤波：可以插入具有窄带滤波能力的元件来实现单频工作。
4)外腔反馈：通过使用更复杂的外腔配置，有可能设计出仅在一个纵模下工作的激光器。
5)模式竞争：如果只有一个模式具有足够的增益来克服激光腔内的损耗，那么该模式将占主导地位。
6 激光器增益和阈值
增益：激光介质（掺杂光纤）的增益必须足够高，以克服腔损耗（包括输出耦合损耗）。
阈值：实现激光发射所需的泵浦功率称为阈值。当增益超过损耗时，激光器将开始发光。
增益饱和：在高功率水平下，增益介质放大光的能力会减弱，在构建高功率窄线宽光纤激光器时需要考虑这一点。
7 激光器增益和阈值
即使进行了模式选择，各种因素仍可能导致线宽展宽，包括：
1）自发辐射：这导致了基本的线宽限制。
2）热波动：温度变化会影响折射率和腔长，从而引起波长波动。
3）机械振动：振动会改变腔长并导致频率波动。
4）非线性效应：在高功率下，光纤内的非线性效应会使线宽展宽。
例如，考虑一个简化的基于 FBG 的激光器：期望的激光波长：1550 nm，光纤纤芯的有效折射率（neff）：1.45，光栅周期（Λ）：根据布拉格条件计算
如果我们选择一个长度10mm的光栅，我们可以计算近似带宽：
为了实现更窄的线宽，我们需要使用更长的光栅，并添加额外的腔设计或模式选择元件。
8 FBG 激光器的封装
光纤布拉格光栅（FBG）激光二极管所采用的封装类型。通常，FBG 激光二极管有蝶形（BTF）、迷你蝶形、晶体管外形（TO - Can）、底座上芯片、C-mount、chip以及双列直插式组件（DIL）等封装形式。图3为激光器的基本结构。
图3 FBG激光器封装结构
该FBG激光器由一个斜端面磷化铟（InP）增益芯片和一个单模光纤布拉格光栅（FBG）组成，该 FBG 尖端集成有抛光锥形透镜。增益芯片具有斜端面和增透膜（AR coating），以将反射率保持在极低水平（<0.01%）。该光纤布拉格光栅的峰值反射率为 60%，3 dB带宽为 0.1 纳米，光栅长度为 10 毫米，光纤被嵌入基于 V 形槽的基板中，基板顶面填充胶水并固化。图4为FBG光纤与激光器的耦合结构，光纤通过胶水固定在V形槽内，并对准激光器的出光口。
图4 FBG激光器封装结构
图5为金属化光纤FBG 激光器封装结构
9 光纤光栅窄线宽激光器的应用
光纤光栅窄线宽激光器由于其独特的性能特点，如极窄的线宽、高频率稳定性、低噪声等，在多个领域有着广泛的应用。下面将详细介绍这些应用及其背后的原理。
9.1光谱学
光谱学旨在通过分析光与物质的相互作用，来确定物质的成分、结构及特性。窄线宽激光器能够提供高分辨率光谱学所需的精确、可调且相干的光。
1）高分辨率原子与分子光谱学
原子和分子会在特定波长（光谱线）处吸收或发射光，这些谱线极为狭窄。窄线宽激光器可在这些光谱线上进行扫描，从而生成高分辨率的吸收光谱或荧光光谱。
2）拉曼光谱学
拉曼散射指的是光子与分子发生非弹性散射，进而导致光的波长改变，这种波长位移与分子振动相关。利用窄线宽激光器激发样本，随后对散射光进行分析。
3）吸收光谱学
让窄线宽激光器扫描样本的吸收带，以获取清晰的吸收图谱。测量样本在特定波长下吸收的光量。
4）频率梳产生
窄线宽激光器可作为光频梳的种子源，光频梳是一系列等间距的频率，可用于精确测量，如同 “尺子” 一般。借助非线性光学过程，利用窄线宽激光器产生一系列等间距的频率。
9.2 计量学
计量学主要涉及对长度、位移、折射率和时间等物理量的精确测量。窄线宽激光器凭借其相干性、稳定性及精确的波长，助力实现这些测量。
1）干涉测量法
干涉测量法依据光波的干涉现象，来测量极微小的距离、位移以及光路的变化。将窄线宽激光束一分为二，其中一束光从被测样本反射回来，两束光重新合并后测量干涉图样。
2）激光测距与距离测量（激光雷达，LIDAR）
通过测量光脉冲到达目标并反射回来所需的时间（飞行时间）来确定距离。窄线宽激光器可用于生成高质量的光脉冲，以进行激光雷达测量。
9.3 传感
光学传感器借助光的强度、波长、相位或偏振等特性的变化，来检测环境的改变。窄线宽激光器能够提升传感器的灵敏度和性能。
1）光纤传感器（压力、温度、应变、化学传感）
这些传感器基于外部因素引起的光纤或光纤光栅（FBG）光学特性的变化来工作。使用窄线宽激光器对传感器进行询问，测量 FBG 反射光谱的变化（波长位移、反射率变化），并将其与物理或化学参数相关联。能够高精度地测量 FBG 反射特性的细微变化，提高传感器的分辨率和灵敏度。
2）生物传感
通过窄线宽激光器测量生物样本折射率的变化。来检测生物分子、细胞或病原体。有助于提高检测过程的信噪比。
9.4 电信领域
高速光通信系统利用光来传输信息。窄线宽激光器使高效、大容量的数据传输成为可能。
1）密集波分复用（DWDM）
在 DWDM 系统中，使用窄线宽激光器生成每个载波波长，减少信道干扰（串扰），并允许更紧密排列的波长信道，从而增加数据容量。在单根光纤上实现多种不同波长的光传输多个信号。
2）相干通信系统
利用光信号的幅度和相位对数据进行编码和传输。相干接收器在窄线宽激光器的支持下，对接收光信号的相位和幅度进行分析。在长距离链路中实现更高的数据传输速率和更高效的信号处理。
9.5量子技术
这些技术依赖于诸如叠加、纠缠和量子测量等量子力学现象。窄线宽激光器对于控制和操纵量子态至关重要。
1）量子计算与模拟
使用量子比特（qubits）进行计算并解决复杂问题。窄线宽激光器操纵构成量子比特的离子、原子或光子的量子态。实现对量子态的精确控制和操纵。
2）量子通信与密码学
窄线宽激光器生成单光子或纠缠光子，用于构建安全的量子通信信道。利用量子力学实现安全通信。提供高质量的单光子源，确保可靠的量子通信。
3）原子钟与频率标准
将窄线宽激光器锁定到特定的原子跃迁，用原子的稳定频率精确测量时间。现世界上最精确时钟所需的极高稳定性和精度。
光纤光栅窄线宽激光器的应用广泛且多样。它们得益于对激光波长和线宽的精确控制、光的高相干性与稳定性以及高功率谱密度。每项应用都依赖于激光器的特定属性，以实现精确测量、获得高分辨率结果或实现先进的技术功能。这些激光器无疑是现代科学技术中不可或缺的工具。
