深度解析:光纖隨機雷射器及其應用研究進展!

本文作者饒雲江，電子科技大學信息與通信工程學院，光纖傳感與通信教育部重點實驗室，光纖光學研究中心，僅供交流學習之用，感謝分享！

引言

自從2010年分布反饋式光纖隨機雷射器的概念提出以來，光纖隨機雷射器(Random Fiber Laser， RFL) 得到了長足的發展，取得了系列研究成果，涵蓋光纖通信、傳感、成像等研究領域。光纖隨機雷射器不同於常規光纖雷射器，激射過程不依賴於傳統的諧振腔結構，因而具有結構更簡單、轉換效率更高、相位噪聲更低、穩定性更好、可靠性更高、壽命更長、維護更簡單等突出優點，有望形成新一代的光纖雷射器，因此，開展光纖隨機雷射技術的研究具有重要的科學意義與應用價值。

根據反饋類型分類，光纖隨機雷射器可以主要分為基於瑞利散射分布反饋的光纖隨機雷射器、填充型光纖隨機雷射器和基於隨機光柵的光纖隨機雷射器三大類別。根據增益類型分類，光纖隨機雷射器則可以主要分為基於非線性增益( 如拉曼增益和布裡淵增益) 的光纖隨機雷射器基於稀土摻雜離子增益的光纖隨機雷射器及基於混合增益的光纖隨機雷射器。其中瑞利散射型和隨機光柵型光纖隨機雷射器均為實心光纖中實現，其發展歷程也從最早的採用通信用標準單模光纖逐漸拓展到各種特種光纖，從早期的光譜特性、結構探索的研究逐漸拓展到新機理、新現象的解釋，在發掘光纖隨機雷射研究潛力的同時，也催生出了許多極具特色的研究方向。

本文首先回顧傳統隨機雷射器的起源和發展歷程，然後介紹光纖隨機雷射器早期的發展及分類，並著重基於瑞利散射反饋類型的光纖隨機雷射器，綜述了近幾年發展最熱門的高功率/高效率光纖隨機雷射器、窄線寬光纖隨機雷射器、寬譜發射光纖隨機雷射器和多模光纖隨機雷射器等方向最新的研究進展，並介紹了光纖隨機雷射器在分布式光纖傳感、光纖通信中的應用，最後對光纖隨機雷射器的發展提出展望。

1、光纖隨機雷射器的發展歷程

隨機雷射現象涉及光與物質相互作用、光子散射、光幹涉和非線性光學等諸多領域的科學問題，其概念最早出現在 20 世紀 60 年代，由 BASOV N G 及其合作者提出。ANDERSON P W 等關於電子在無序介質中安德森局域化現象的研究啟迪了人們對光子局域化機制的探索。之後，1994 年 LAWANDY N M 等在 Nature 上報導了第一個基於粉末強散射的隨機雷射器，通過脈衝泵浦在TiO2微粒和羅丹明的膠體溶液中觀測到了雷射輻射現象，這一發現激發了對隨機雷射器的探索熱情，極大地推動了隨機雷射的研究，多種形式的隨機雷射器被相繼發現，如π-共軛聚合物、懸浮染料、隨機微腔結構、摻雜染料向列液晶、生物組織等。此外，美國耶魯大學的CAO H 等基於環形腔理論很好地解釋了隨機雷射的產生，在此基礎上，研究人員又提出了準態模型等理論，對隨機雷射的產生機理、工作特性、模式特性等進行了深入研究，傳統雷射器與隨機雷射器結構對比如圖1所示。2012年，CAO H 等論證了基於粉末的隨機雷射具有較低的空間相干性， 是進行無散斑全場成像系統的理想的光源。儘管隨機雷射器具有許多有趣的特性，但通常缺少方向性發射，激射閾值高需要高能脈衝泵浦，隨機結構在微米乃至納米級因此產生的隨機雷射能量極低，這些都限制了其實用化程度。

在隨機雷射器的基礎上，又發展出填充型光纖隨機雷射器，這是最早提出的一維隨機雷射器的實現形式。2007 年，MATOS 等利用在空芯光子晶體光纖內填充羅丹明 6 G 溶液作為增益介質，並在溶液中混入直徑為 250 nm 的 TiO2納米顆粒作為散射介質來實現對隨機雷射激射的定向輸出，在側向泵浦下得到非相干光纖隨機雷射，其結構圖如圖 2 ( a) 所示。2012 年，HU Z 等將多面體齊聚倍半矽氧烷( Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes，POSS) 納米顆粒與吡咯597( Pyrromethene 597，PM597) 雷射染料混合注入空芯光纖內，通過 纖芯泵浦的方式得到在弱散射系統中的相干型隨機雷射，如圖2(b)所示。2016年，ZHANG W L 等將隨機包層概念引入到圓柱波導隨機雷射研究中［26］，如圖 2( c) 所示，利用在包層中注入散射顆粒的方法，將光束縛在波導結構中，同時纖芯的增益介質控制輸出在光纖軸向，實現了隨機雷射的較低閾值和具有一定方向性的雷射發射，其輸出特性如圖 2( d) 所示。此外，基於光子晶體結構的填充型光纖隨機雷射器也得到了廣泛研究和關注。雖然填充型光纖隨機雷射器可以實現方向性良好的隨機雷射輸出，且其泵浦閾值較塊狀隨機雷射器明顯降低，但其結構實現依舊比較複雜，需要特種空芯光纖及合適的增益及散射介質填充，而且由於腔體損耗較大，輸出雷射效率很低，與商用光纖的光學系統兼容性差，限制了其實用化程度。

另一種常見的實現光纖隨機雷射的反饋方式是利用光纖上隨機刻寫的光纖光柵( Fiber Bragg Grating， FBG) 陣列。這一類光纖隨機雷射是由在普通單模光纖或有源增益光纖上寫入的一組隨機分布的弱反 FBG 構成的。基於該激射機理的隨機光纖雷射器最早提出於 2009 年，其實驗結構如圖 3( a) 所示。在摻餌光纖中隨機間隔刻寫多個長度不同的 FBG，且陣列中任意兩個 FBG 間具有隨機相位差，隨機 FBG 反射光能得到光纖中的摻鉺增益，從而實現隨機雷射激射。同理，也可以在無源光纖中隨機刻寫 FBG，利用光纖中的拉 曼增益實現基於隨機 FBG 陣列的拉曼光纖隨機雷射器。該類光纖隨機雷射器由於隨機反饋強度較高，因而具有低閾值、所需光纖長度短等特點，但該類雷射器輸出效率和功率一般很低，且輸出多為相干隨機雷射，存在較強的模式競爭，輸出雷射光譜和強度較不穩定，隨機分布光纖光柵陣列典型的反射譜如圖 3( b) 所示，可以看出具有隨機的諧振尖峰結構，這一隨機反射特性導致了輸出光譜強烈的模式競爭及光譜不穩定。為了穩定該相干反饋光纖隨機雷射器的輸出特性，可以通過注入控制光的方式引入局部增益微擾或引入局部溫度調控，有效穩定輸出並通過改變控制位置調節激射波長。此外，由於該類型結構具有豐富的隨機諧振頻率成分，因此有利於開展關於隨機模式鎖定的基礎研究，基於該類相干光纖隨機雷射器可以實現準鎖模輸 出的脈衝光隨機雷射，研究大量隨機諧振腔存在下的脈衝諧振頻率特性。

2010 年，英國學者 TURITSYN S 等在 Nature Photonics 上報導了一種全新的基於標準單模光纖的新型隨機雷射器，光纖纖芯材料的不均勻性會導致其軸向折射率的隨機分布，進而產生瑞利散射並為隨機雷射的產生提供光學反饋，同時，矽基光纖也可作為增益介質，通過受激拉曼散射放大提供足夠增益，其工作原理如圖4所示。與傳統隨機雷射介質相比，單模光纖波導結構可很好地限制光的徑向散射，並嚴格控制輸出光在光纖軸向上，所以這樣的光纖隨機雷射器能實現很好的方向性和很高的輸出功率，從根本上克服傳統隨機雷射器的缺陷。分布反饋式光纖隨機雷射( Distributed Feedback Random Fiber Laser，DFB-RFL) 極為獨特的光學屬性為雷射物理、非線性光學研究提供了新的平臺，並為其在光纖通信、光纖傳感等領域的應用開闢了新的道路。

自從 DFB-RFL 概念被提出以來，研究人員在其實現方式、多波長、可調諧、多階雷射產生以及混合增益機制下的隨機雷射產生等方面做了進一步的探索，並取得了很好的研究進展。國際上，英國阿斯頓大學和俄羅斯新西伯利亞州立大學在隨機光纖雷射的理論建模、特性分析、新的調諧研究等方面開展了深入廣泛的工作。西班牙和葡萄牙等國家的學者在隨機光纖雷射器調製方式、多波長輸出、相對強度噪聲轉移以及噪聲特性分析等方面開展了系列研究，並探索了其在光信息領域的應用。加拿大渥太華大學利用被布裡淵斯託克斯光誘發和放大的光纖隨機瑞利散射實現了 kHz 量級的窄線寬隨機雷射輸出。國內各高校團隊也開展了隨機光纖雷射器的基礎研究。中國科技大學利用特殊溶液在空心光纖中實現了一種弱反饋機制下的相干隨機光纖雷射器; 北京化工大學實現了一種波長在 1 115 nm 的隨機光纖雷射器; 深圳大學利用20W摻鐿光纖雷射器實現了一種四級級聯的拉曼光纖雷射器; 中國計量大學在摻餌光纖隨機雷射方向實現了很低閾值的激射;國防科技大學在高功率光纖隨機雷射器方面取得系列突破性進展，持續刷新光纖隨機雷射器輸出功率的世界紀錄，獲得了千瓦級光纖隨機雷射輸出，清華大學、中國科學院上海光學精密機械研究所也先後開展了大功率光纖隨機雷射器的研究。

作者所在的電子科技大學光纖傳感與雷射團隊為國內最早開展全光纖隨機雷射器研究的團隊。2012年，報導了基於FBG的半開放腔結構的二階光纖隨機雷射器和超長光纖環形腔結構的光纖隨機雷射器; 首次發現光纖隨機雷射的溫度不敏感特性，並提出了光纖隨機雷射點式傳感概念。2013年，首次提出基於光纖隨機雷射的拉曼光放大概念，並將其應用於基於布裡淵光時域分析儀( Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA) 的光纖分布式應變、溫度傳感系統中; 提出了單模光纖與其他特種光纖混合增益以實現優化或特定波長的光纖隨機雷射輸出。2014 年，發現點式反射鏡和短光纖構成的半開腔 DFB- RFL 結構是實現大功率輸出的有效途徑，從理論仿真和實驗驗證兩方面論證了該結構實現高功率隨機雷射輸出的可行性，為大功率 DFB-RFL 的設計提供了理論指導; 首次將基於光纖隨機雷射的光放大技術與布裡淵和拉曼光放大技術相結合，並應用於基於相位敏感型光時域反射儀( Phase-sensitive Optical Time-Domain Reflectometry，φ-OTDR) 的光纖振動分布式傳感系統中。2015年，提出了基於摻雜石墨烯偏振飽和吸收特性的強度調製器思路，實現了 DFB-RFL 的單偏振脈衝產生，調製的光脈衝寬度達到亞 ns 量級。2016 年， 充分利用輸出光功率與偏振態相關的特性，提出通過偏振調控產生脈衝型光纖隨機雷射。2017年，採用摻鐿光纖與標準單模光纖混合的共腔光纖隨機雷射結構，產生了1115 nm 的摻鐿和受激拉曼混合增益的隨機雷射，為產生高功率隨機雷射提供了一個更簡單、低成本的方案。2018 年，系統研究了基於光纖隨機雷射泵浦的超連續譜產生並開展了多模光纖隨機雷射特性的研究。2019 年，研究了拉曼增益隨機光纖雷射器光譜強度波動的統計特性。表 1 列舉了分布式反饋隨機光纖雷射器的主要研究重點及團隊信息。

2 光纖隨機雷射器研究進展

自2010年基於瑞利散射型光纖隨機雷射概念提出以來，經歷了前幾年各個研究方向雨後春筍般的蓬勃發展，光纖隨機雷射的研究逐漸沉澱在少數幾個熱門領域，如高功率/高效率光纖隨機雷射器、窄線寬光纖隨機雷射器等。這些熱門研究方向的實現及指標提升充分利用光纖隨機雷射器獨特的結構特性，既深入挖掘了光纖隨機雷射器的科學意義和發展潛能，又極大豐富了各自領域的研究形式，為各研究方向在特定性能、指標上的提升注入強大的動能，實現了諸多傳統技術路線無法企及的優異特性，滿足特定應用的需求。此外，光纖隨機雷射器的發展也逐漸由起初的簡單結構，如基於單模光纖的研究，逐漸拓展到少模、多模研究領域，推動了如光纖型無散斑成像照明技術的發展。本節將逐點介紹近幾年光纖隨機雷射器的熱門研究方向。

2.1 高功率/高效率光纖隨機雷射器

相比於稀土摻雜光纖雷射器，拉曼光纖雷射器的激射波長由泵浦波長和光纖的拉曼頻移決定，可實現任意波長的雷射輸出，是獲得特殊波長雷射的最重要手段。此外，拉曼光纖雷射器具有量子虧損小、自發背景噪聲低、無光子暗化等優點，是實現高功率、高亮度雷射的重要途徑之一。傳統的拉曼光纖雷射器為了得到高功率的輸出，需要仔細優化雷射器腔體長度以及光纖兩端反射鏡的反射率和反射帶寬。DFB-RFL 由於不含有傳統光纖雷射器的點式反饋器件( 如 FBG) ，因而結構非常簡單，性能穩定，具有十分重要的潛在應用價值。

通常，由於單模光纖後向瑞利散射係數相對較低，所以由較長單模光纖(＞40km) 構成的 DFB-RFL 的激射效率明顯低於傳統的拉曼光纖雷射器。因此，DFB-RFL 的一個重要研究方向就是提高其激射效率。2014年，研究人員在基於短腔高功率、高效率 RFL 的研究上取得重要突破，研究結果表明，通過採用由一段較短單模光纖和靠近泵浦輸入端的點式反射鏡構成的半開腔結構，在泵浦端點式反饋鏡和短光纖中的隨機分布瑞利散射的共同作用下，可以產生高效率、高功率的一階隨機雷射，如圖 5( a) 所示。實驗中採用 10 W 的 1090 nm 泵浦和 1 km 標準單模光纖獲得了較高輸出功率( 7 W) 和較高光轉換效率( 70% ) 的隨機雷射，如圖 5( b) 所示。

進一步理論計算表明，採用更短的光纖時，最大的光光轉化效率會更高，二階隨機雷射的閾值也會更高( 圖 6) ，獲得的一階隨機雷射的最大輸出功率會隨光纖長度的降低而迅速增大，如採用 100 m 光纖時，在 240 W泵浦作用下，有望得到 226 W 的一階隨機雷射輸出，光光轉化效率為 94% ，逼近量子極限 95%。國防科技大學利用強泵浦，用摻鐿光纖雷射器泵浦 120 m 長無源光纖和 FBG 構成的半開腔 DFB-RFL，將隨機光纖雷射功率輸出記錄提高到了 193． 5 W( 泵浦功率 221． 4 W) ，光光轉化效率約為 89% ，這一實驗結果與 2014 年電子科技大學的理論預測吻合得很好。俄羅斯課題組 VATNIK I D 等論證了在高於閾值時光纖隨機雷射的光光轉換效率接近 100%。上述研究成果表明: 短腔 DFB-RFL 具有結構簡單、性能穩定、可靠性高、壽命長等顯著優點，可望實現比傳統拉曼光纖雷射器更高的輸出效率和功率，從而為高功率光纖雷射器的發展提供新的發展思路，被美國光學學會( Optical Society of America，OSA) 會刊 Optics ＆ Photonics News 評為 2014 年度全球 30 項重要光學進展之一: 「Random fiber laser: Simpler and Brighter」( 圖 7) 。可以期待，高功 率隨機光纖雷射器有望在雷射加工、雷射武器、光學成像、光學測量等領域獲得重要應用。

近年來，基於上述短腔高功率光纖隨機雷射器實驗和理論的指導，各個研究團隊不斷推進高功率光纖隨機雷射器的輸出功率和轉換效率。國防科技大學在高功率光纖隨機雷射領域成果豐碩，2015年，採用主振蕩器功率放大器( Master Oscillator Power-Amplifier，MOPA) 結構放大基於光纖隨機雷射器的種子光，獲得了千 瓦級的放大光纖隨機雷射輸出，並發現了在放大過程中光譜帶寬不展寬的特性，對維持雷射器高光譜密度具有重要意義，該特性得到了廣泛的研究和論證;2017 年，為了進一步提升輸出光功率，採用 20 /130 μm 的少模光纖實現了超過 400 W 的光纖隨機雷射輸出，並保持遠場光斑的準高斯分布;首次提出採用高功率自發輻射( Amplified Spontaneous Emission，ASE) 光源作為泵浦激發光纖隨機雷射的產生，在全保偏光纖中實現了百瓦級的線偏振光纖隨機雷射，ASE泵浦對於獲得具有低噪聲特性的光纖隨機雷射具有重要意義; 2019年，通過優化光纖結構，該團隊採用 90 m 的少模摻鍺光纖實現了近千瓦的光纖隨機雷射輸出，為 目前單級光纖隨機雷射器輸出功率的世界紀錄。其他團隊也相繼在該領域發力，2015 年，俄羅斯課題組 ZLOBINA E A 等採用全保偏光纖及器件實現了泵浦到一階斯託克斯光 87% 的光光轉換效率; 2019 年，中國科學院上海光學精密機械研究所採用光纖隨機雷射作為種子源的 MOPA 結構，實現了0． 22 nm帶寬光纖隨機雷射 1． 36 kW 最大輸出功率，並通過改變種子源結構中無源光纖的長度，優化放大後光譜帶寬。2019 年，清華大學採用同代泵浦在 MOPA 裝置中實現了 4 kW 的光纖隨機雷射輸出，3 dB 帶寬從 6． 88 W 種子光的 0． 783 nm 經過放大到最大功率只展寬到 0． 99 nm。表 2 匯總了高功率 DFB-RFL 發展過程中代表性的研究進展。

2.2 窄線寬光纖隨機雷射器

窄線寬光纖隨機雷射器是光纖隨機雷射器研究領域另一個有特色的方向。眾所周知，窄線寬光源在傳感系統裡面具有重要地位，對傳感性能的提升具有重要意義，一直以來都是傳統雷射器的熱門方向，而基於光纖隨機雷射的窄線寬雷射器，由於具有結構簡單、低噪聲、超窄線寬等優勢，近年來得到了廣泛的研究與關注。通常來講，根據實現形式的不同，窄線寬光纖隨機雷射器主要包含兩種線寬壓縮機制: 1) 利用光纖隨機雷射開放腔結構，通過引入窄帶濾波器，對激射波長、帶寬進行選擇和調控; 2) 利用分布式瑞利散射，或隨機光柵結構對隨機激射光進行線寬壓縮，並可以實現低噪聲、穩定的發射。

對於第一種窄線寬光纖隨機雷射器實現形式，2013 年，SUGAVANAM S 等提出在全開放光纖隨機雷射器中引入窄帶 FBG 實現了 0． 05 nm 的激射帶寬，進而引入光纖法布裡-珀羅腔( Fiber Fabry-Perot，FFP) ，實現了多波長的窄帶寬激射，結構如圖8( a) 所示。2015年，LEANDROD等通過採用帶寬更窄的相移光 纖光柵( Phase Shifted Fiber Bragg Grating，PS-FBG) ，實現了 3． 2 pm 的激射帶寬，裝置如圖 8( b) 所示，並通過 引入多個不同中心波長的 PS-FBG 實現窄線寬多波長激射。這一類型窄線寬光纖隨機雷射器的研究充分利用了光纖隨機雷射器的開放結構，易於通過引入點式的選擇器件對隨機激射特性進行調節，具有結構簡單、容易實現的優勢。其激射帶寬完全取決於濾波器件，並通過對濾波器件中心波長的調節實現激射波長的調諧。然而，相比傳統單模窄線寬雷射器，其帶寬仍然較高。

採用隨機反饋壓縮線寬的方式可以實現具有極窄線寬的光纖隨機雷射，該方向的研究以加拿大渥太華大學 BAO X 課題組的工作最具代表性。2013 年，其團隊 PANG M 等在布裡淵光纖隨機雷射器結構中，發現分布式瑞利散射具有對激射線寬顯著的壓窄效應，並觀察到 10 Hz 級的隨機尖峰結構，該類型線寬壓縮典型的裝置及原理示意圖如圖 9 所示。

2014 年，利用飛秒雷射器在光纖中刻寫的隨機光柵結構，實現了具有低噪聲的約 2.1 kHz 的窄線寬隨機激射，為隨機激射線寬壓窄提供了新技術路線。在這兩種實施方案的指導下，該團隊對窄線寬光纖隨機雷射器進行了系統的論證和研究。2016 年，採用瑞利增強型的錐形光纖提供分布式散射，實現了具有低相對強度噪聲的 1． 17 kHz 窄線寬光纖隨機雷射。2017 年，在全保偏光纖結構中實現了轉換效率 25% 的高效率布裡淵光纖隨機雷射器，其激射線寬小於 1 kHz 且保持低噪聲的特點。2018 年，通過將產生的窄線寬布裡淵激射重新注入雷射器結構中作為泵浦，實現了多階布裡淵激射的多波 長窄線寬雷射器，每一階雷射線寬約為 1 kHz，且不同波長之間的功率差波動小於 1． 8 dB。採用類似的結構，結合隨機光柵提供隨機反饋，同樣實現了多波長窄線寬的隨機激射，相比於隨機瑞利散射，隨機光柵降低了激射閾值，支持更多階波長激射。國內重慶大學 ZHU T 團隊也對瑞利散射壓窄線寬進行了相關研究，包括採用在摻鉺光纖環形結構中採用瑞利壓窄實現雙波長、可調諧的窄線寬雷射，每個波長的線寬約為700 Hz。武漢理工大學採用全光柵光纖實現了 1． 25 kHz、光信噪比為 75 dB 的超窄線寬光纖隨機雷射器。北京交通大學研究了瑞利增強光纖用於實現單模窄線寬隨機雷射器，得到了線寬約 3． 5 kHz、對比度近 50 dB 的單模雷射輸出。

2.3 寬譜發射光纖隨機雷射器

光纖隨機雷射器結構最大的特點是開放腔，不受限於諧振結構及波長選擇器件，因而適用於寬譜發射、多階級聯、寬譜可調諧雷射器的研究，近年來這一領域也湧現出一系列優秀成果。2016 年，俄羅斯 BABIN S A 等在全保偏光纖結構中實現了三階拉曼隨機雷射，每一階雷射波長保持相對窄帶寬的同時，都達到了約 80% 的轉換效率。中國計量大學 DONG X 團隊在半開放結構中實現了多波長、可調諧光纖隨機雷射器輸出。中國科學院上海光學精密機械研究所 FENG Y 團隊在寬譜可調諧隨機雷射發射方面進行了出色的研究，2016 年，採用可調諧的摻鐿雷射器泵浦源以及配合高階拉曼激射，實現了 1 070 ～ 1 370 nm 的寬譜可調諧發射。2017 年，為了進一步拓寬發射範圍，他們採用具有更長波長色散零點的拉曼光纖，實現了從 1 ～ 1． 9 μm的超寬譜隨機雷射可調諧發射，其實驗結構及發射光譜如圖 10 所示。2018 年，該團隊在產生高階 拉曼隨機雷射的同時，獲得了第九階隨機雷射約 115 W 的高功率輸出，驗證了該結構可以同時實現寬譜可 調諧和高功率輸出的特性。南京郵電大學研究了多倍布裡淵頻移的多波長布裡淵摻鉺光纖雷射器，輸出 波長可以在 60 nm 範圍內調諧。

此外，為了充分利用開放結構寬譜反饋的特性，通過引入非線性光纖，電子科技大學 MA R 等實現了光纖隨機雷射全開放結構中的超連續譜產生，光纖隨機雷射作為橋梁，將正常色散區的泵浦源通過產生的隨機雷射激發超連續譜產生，在全開放結構中獲得了 10 dB 帶寬、172 nm 的寬譜發射，在半開放及全開放結構中實現的光纖隨機雷射泵浦的超連續譜如圖 11 所示。後續研究中，在後向散射增強的光纖結構中首次發現後向超連續譜產生，該後向超連續譜具有相對強度噪聲低的特點，為寬譜低噪聲光源的研製提供了新思路。2019 年，國防科技大學 CHEN L 等基於光纖隨機雷射泵浦在 1 km 無源雙包層單模光纖中實現了 20 dB帶寬、高達 500 nm 的超連續譜，論證了光纖隨機雷射可以成為一種新穎、簡單、低成本、低相干、具有魯 棒性的近紅外超連續譜生成方法。

2. 4 多模隨機光纖雷射器無散斑成像研究

光纖隨機雷射器的研究主要集中在單模光纖結構中，這是因為在單模光纖結構中具有較高的非線性效應，因此激射閾值相對較低，容易在開放結構的光纖隨機雷射器中實現隨機激射。光纖隨機雷射器的不斷發展，逐漸衍生出基於少模、多模光纖隨機雷射的研究。在 2013 年，俄羅斯的 BABIN S A 團隊通過高功率雷射二極體( Laser Diode，LD) 直接泵浦漸變折射率多模光纖( Graded Refractive Index，GRIN，62． 6 /125μm) 組成 的開放結構實現了多模光纖中的隨機雷射激射，其閾值也高達 40 W，閾值之上的隨機雷射具有類似傳統 GRIN 光纖中拉曼自淨化帶來的光束質量提升。2015 年，國防科學技術大學 DU X 等通過結合基於單模光纖的隨機雷射器結構與少模光纖光柵( Few Mode Fiber Bragg Grating，FM-FBG) ，實現了輸出雷射空間模式的可調。2019 年，英國阿斯頓大學 ZULKIFLI M Z 等基於 17 km 少模光纖實現了少模光纖隨機雷射激射。傳統隨機雷射器由於具有低空間相干性而適合用於無散斑成像照明系統，本文作者所在團隊充分發 揮光纖隨機雷射器方向性好、平均功率高、結構簡單、泵浦要求低等優勢，開展了基於大芯徑階躍多模光纖隨機雷射空間相干性的研究。2018 年，該團隊系統對比了單模、多模光纖隨機雷射器以及寬譜 ASE 光源、傳統 窄線寬雷射器( Narrow Linewidth Laser，NLL) 在照明成像系統中的散斑特性，不同機制下的散斑對比度如圖 12( a) 所示，成像效果如圖 12( b) 所示，論證了多模光纖隨機雷射不僅具有與傳統多模非相干光可比擬的低空間相干性，同時得益於雷射激射過程具有高光譜密度的優勢，對於透過強散射介質進行成像具有重要意義。為了滿足光學相干斷層掃描( Optical Coherence Tomography，OCT) 等系統關於寬譜光源的需求，課題組還開展了光纖超連譜在多模光纖中退相干特性的研究，揭示了光譜帶寬、光纖芯徑及多模光纖長度對空 間相干性及散斑特性的影響。2019 年，基於 MOPA 結構的高功率光纖隨機雷射器，研究了高功率多模光纖隨機雷射的散斑特性，結果表明雷射器的功率對於散斑對比度的降低也有重要貢獻，功率的增加能激發多模光纖中更多的有效模式，模式數的增加能有效降低光束的空間相干性。

多模隨機光纖雷射器的研究目前尚屬於起步階段，其諸多特性仍有待深入發掘完善。例如，空間相干性可調多模隨機光纖雷射器有較好的研究前景，以滿足不同應用對空間相干性靈活的需求，如自由空間光通信、鬼成像等領域。其次，針對多模隨機光纖雷射與實際成像系統的結合，對生物成像的影響等，根據特定成像系統對光源的要求對隨機雷射結構的優化等仍有大量工作值得開展論證。除了將其利用到無散斑成像等應用領域，多模隨機光纖雷射本身的雷射特性，特別是在多模光纖中直接產生多模激射、相關的非線性效應、模式穩定性、多模激射熱管理效應等都需進一步研究。

3 光纖隨機雷射器應用進展

光纖隨機雷射器因其獨特的結構、低噪聲輸出特性等，在分布式光纖傳感、光通信等應用領域得到了重要的應用，本節將重點介紹光纖隨機雷射在光纖分布式傳感、超長距離點式傳感及長距離光通信中的應用。

3.1 光纖隨機雷射器在分布式傳感中的應用

相對於分立式的光纖放大技術，分布式拉曼放大(Distributed Raman Amplification，DRA) 技術在噪聲指數、非線性損傷、增益帶寬等諸多方面展現出明顯優勢，在光纖通信與傳感領域得到了廣泛應用。高階 DRA 可使增益深入鏈路內部以實現準無損光傳輸( 即光信噪比與非線性損傷的最佳平衡) ，顯著改善光纖傳輸/傳感全程均衡性。與常規高階 DRA 相比，基於超長光纖雷射器的 DRA 簡化了系統結構，且具有增益鉗製作用，展示出很強的應用潛力。但是，該放大方法尚面臨泵浦-探測相對強度噪聲轉移、光信噪比有待提升等制約其應用於長距離光纖傳輸/傳感的瓶頸問題。

2013 年，基於高階 DFB-RFL 泵浦的 DRA 新概念被提出並得到實驗驗證。由於 DFB-RFL 獨有的半開 放腔結構，其反饋機制僅僅依賴於光纖中隨機分布的瑞利散射，產生的高階隨機雷射的光譜結構、輸出功率均展現出優異的溫度不敏感特性，所以高階 DFB-RFL 能形成一個非常穩定的低噪聲全分布式泵浦源。圖 13( a) 所 示實驗驗證了基於高階 DFB-RFL 的分布式拉曼放大概念，圖 13( b) 為不同泵浦功率下，透明傳輸狀態下的增益分布情況。比較可知，雙向二階泵浦最佳，其增益平坦度為 2． 5 dB，後向二階隨機雷射泵浦次之( 3． 8 dB) ，而前向隨機雷射泵浦與一階雙向泵浦接近，分別為 5． 5 dB 及 4． 9 dB，後向 DFB-RFL 泵浦的表現為較低的平均增益和增益波動。同時，該實驗中前向 DFB-RFL 泵浦在透明傳輸窗口的有效噪聲係數比雙向一階泵浦的低 2． 3 dB， 比雙向二階泵浦低 1． 3 dB。該方案相比於常規 DRA 在抑制相對強度噪聲轉移、實現全程均衡傳輸/傳感等方面綜合優勢明顯，且隨機雷射對溫度不敏感，穩定性好，因此，基於高階 DFB-RFL 的 DRA 可為長距離光纖傳輸/傳感提供低噪聲、穩定的分布式均衡放大，具有實現超長距離無中繼傳輸與傳感的潛力。

分布式光纖傳感( Distributed Fiber Sensing，DFS) 作為光纖傳感技術領域的重要分支，具有以下突出優勢: 光纖本身就是傳感器，集傳感與傳輸於一體; 可連續感知光纖路徑上各點的溫度、應變等物理參量的空間分布和變化信息; 一根光纖能獲得多達數十萬點的傳感信息，可構成目前距離最長、容量最大的傳感網絡。DFS 技術在輸電線纜、油氣管道、高速鐵路、橋梁隧道等關係國計民生的重大設施安全監測領域具有廣闊的應用前景。但是要實現長距離、高空間解析度與測量精度的DFS，尚面臨光纖損耗所致的大範圍低精度區域、非線性所致的譜展寬、非局域化所致的系統誤差等挑戰。

基於高階 DFB-RFL 的 DRA 技術具有增益平坦、噪聲較低、穩定性好等獨特性質，可在 DFS 應用中扮演重要的角色。首先，其被應用於 BOTDA，用於測量施加在光纖上的溫度或應變。實驗裝置如圖 14( a) 所 示，這裡採用了二階隨機雷射與一階低噪聲 LD 的混合泵浦方式。實驗結果表明，長達 154． 4 km 的 BOTDA系統具有5 m 的空間解析度和 ± 1． 4 ℃的溫度精度，如圖14( b) 、( c) 所示。此外，高階 DFB-RFL 的 DRA 技術 被應用於提升用於探測振動/擾動的相位敏感型光時域反射儀( Φ-OTDR) 的傳感距離，創紀錄的 175 km 傳 感距離中實現了 25 m 的空間解析度。2019 年，通過前向二階 RFLA 和後向三階光纖隨機雷射放大的混合，FU Y 等將無中繼器 BOTDA 的感應範圍擴展到 175 km，據我們所知，該系統已經是迄今為止報導的無中 繼器 BOTDA 的最長距離和最高品質因數( Figure of Merit，FoM) 。這是三階光纖隨機雷射放大首次應用於分布式光纖傳感系統． 該系統的實現證實，高階光纖隨機雷射放大可以提供高且平坦的增益分布，並具有可容 忍的噪聲水平。

3. 2 光纖隨機雷射器在超長距離點式傳感中的應用

基於拉曼增益的隨機分布反饋式光纖雷射，其輸出光譜已經被證實在不同的環境條件下較寬且穩定，而半開腔 DFB-RFL 的激射光譜位置和帶寬與所添加的點式反饋器件的光譜高度相關 。如果點式反射鏡( 如 FBG) 的光譜特性隨外界環境變化，則光纖隨機雷射器的激射光譜也會發生變化。基於此原理，光纖隨機雷射器可以用於實現超長距離點式傳感功能。

在 2012 年報導的研究工作中，通過一個 DFB-RFL 光源和 FBG 反射，可以在 100 km 長光纖中產生隨機雷射。通過不同的結構設計，可以分別實現一階和二階雷射輸出，如圖 15( a) 所示。對於一階結構，泵浦源是 1 365 nm 雷射器，與一階斯託克斯光波長( 1 455 nm) 匹配的 FBG 傳感器放在光纖另外一端。二階結構包含一個 1 455 nm 點式 FBG 反射鏡，反射鏡放在泵浦端使之更容易產生激射，而 1 560 nm FBG 傳感器放置在光纖遠端。產生的激射光在泵浦端輸出，通過測量出射光的波長變化量就可以實現溫度傳感。激射波長隨 FBG 溫度變化的典型關係如圖 15( b) 所示。

該方案在實際應用方面極具吸引力的原因是: 首先，傳感元件是純無源器件，而且可做到離解調儀很遠 ( 超過 100 km) ，這一點在許多超長距離應用環境( 如電力線路、油氣管道、高鐵軌道等的安全監測) 是必須要具備的; 另外，待測信息體現在波長域，它只由 FBG 傳感器的中心波長決定，使得系統在泵浦源功率或光 纖損耗變化時也可穩定傳感; 最後，一階、二階激射光譜的信噪比分別高達 20 dB、35 dB，表明該系統可傳感的極限距離遠超過100 km。因此，良好的熱穩定性和超長距離傳感使 DFB-RFL 成為高性能的光纖傳感系統。

利用類似於上述方法的 200 km 點式傳感系統也已經實現，如圖 16 所示。研究結果表明，由於該系統傳感距離較長，反射回的傳感信號在最好情況下的信噪比為 17 dB，較差情況下為 10 dB，溫度靈敏度為 11． 3 pm /℃ ． 該系統可實現多波長測量，為同時測量 11 個點的溫度信息提供了可能。而且這個數字還可增加，如文獻中提到的，一個基於 22 個 FBG 的光纖隨機雷射器能夠在 22 個不同波長上工作。但方案需要一對等長的光纖，對光纖資源的需求相比前述方法增加了一倍。

2016年，借鑑於光纖通信中的光學遙泵技術( Remote Optical Pumping Amplifier，ROPA) ，利用有源光纖中有源增益和單模光纖中拉曼增益的混合增益，全面理論分析並通過實驗驗證實現了一種基於有源光纖的1． 5 μm 波段的長距離 RFL，如圖 17( a) 所示。另外該隨機雷射系統在長距離點式傳感中也有良好的表現。以點式溫度傳感為例，該結構的隨機雷射輸出端的峰值波長與加在FBG上的溫度呈線性變化關係，並且該傳感系統具有波分復用功能，如圖 17( b) 和( c) 所示。特別要指出的是，相比於之前的結構，該方案具有更低的閾值和更高的信噪比。

在未來的研究中，通過不同泵浦方式和反射鏡的設計，有望實現性能更為優越的超長距離光纖隨機雷射器點式傳感系統。

3.3 光纖隨機雷射器在光纖通信中的應用

超長距離無中繼光傳輸一直是光纖通信領域的研究熱點，新型光放大技術的探索是進一步延伸無中繼光傳輸距離的關鍵科學問題。基於 DFB-RFL 的 DRA 技術為長距離無中繼光傳輸提供了一種新的光放大方法。2015 年，ROSA P 等研究了基於 DFB-RFL 的 DRA 應用于波分復用( Wavelength Division Multiplexing， WDM) 傳輸系統中的特性。圖 18 為該放大方案的結構示意圖，採用 1 365 nm 雙端泵浦結構，僅在信號接收端加一個 1 455 nm 的 FBG，從而使得激射的 1 455 nm 隨機雷射主要能量分布方向和信號光傳輸方向相 反，這樣可有效減小隨機雷射拉曼泵浦光轉移到信號光的相對強度噪聲。另一方面，採用雙端泵浦結構，使得 信號光沿光纖的功率分布相對平坦很多( 圖 18) ，從而提高系統的信噪比． 對 25 GHz 信道間隔的 100 信道、 50 km 長的 WDM 光傳輸系統的仿真結果表明( 圖 19) ，採用該放大方案時，各信道間的最大的信噪比差僅為 0． 5 dB，該放大方案在 DWDM 系統中具有優異的表現。

2016 年，TAN M 等將圖 18 所示的基於 DFB-RFL 的 DRA 技術應用於 10 × 116 Gb /s DP-QPSK WDM 中，並比較了該方案與基於傳統拉曼雷射器( 光纖兩端均放置 1 455 nm FBG) 的 DRA 方案以及傳統二階拉曼放大方案( 光纖一端同時注入 1 365 nm 和 1 455 nm 泵浦) 的傳輸性能。結果表明，採用 DFB-RFL 的 DRA 技術能獲得最長的傳輸距離，達到 7 915 km。圖 20 為採用 DFB-RFL 的 DRA 技術，信號光傳輸7 915 km 後的光學信噪比( Optical Signal to Noise Ratio，OSNR) 和光譜圖，可以看出各信道間的 OSNR 波動較小，且均 在 Q 值閾值之上。以上實驗結果均表明，基於 DFB-RFL 的 DRA 技術在超長距離無中繼光傳輸中具有較大的潛力和優勢。

4 結論

光纖隨機雷射器經歷了近十年的高速發展，研究領域涵蓋了傳統光纖雷射器的主流方向，並在高功率/ 高效率、窄線寬、寬譜發射、分布式光放大、長距離光纖傳感與通信等領域取得了突破性的進展，帶動了相關領域核心技術指標的顯著提升，同時也為光纖隨機雷射器領域的發展注入了持久的動力。

回顧過去幾年光纖隨機雷射器整體的發展歷程，其研究已經從簡單的結構實現、激射特性的研究，逐漸轉向更深層次的探索，如從傳統商用單模光纖為主的結構開始向基於少模、多模光纖以及特種新型光纖結構的拓展; 在光纖隨機雷射模式特性及新機理研究方面，從早期基於受激拉曼散射、受激布裡淵散射的研究，逐漸拓展到調製不穩定、二次諧波產生等非線性光學效應的研究; 進一步，關注的激射波長也從早期的近紅外通信波段為主，逐漸涵蓋可見光到中紅外的寬波段發射。

儘管如此，光纖隨機雷射器的研究仍有大量值得繼續深入探討的科學技術問題。目前針對少模、多模機制下的光纖隨機雷射器研究尚屬於起步階段，隨機激射在該領域的新特性仍有待挖掘; 光纖隨機雷射器的研究主要集中在連續光機制下，對於其在脈衝產生、模式鎖定、孤子特性等超快領域的研究仍比較匱乏，光纖隨機雷射器寬譜發射、寬帶反饋的特性與超窄脈衝產生之間的聯繫仍有待揭示和發展; 光纖隨機雷射器在中紅外領域的發展仍相對很少，由於隨機激射不受限于波長選擇器件，極有利於新波段雷射器的研製，且開放腔結構高功率/高效率激射的特性，對於發展高功率中紅外雷射器具有重要借鑑意義; 此外，光纖隨機雷射在超長距離傳感、分布式放大、無散斑成像等應用領域仍具有很大的發展潛力和應用前景。

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