超窄线宽（~ kHz）激光器是激光技术领域长期以来重要的研究热点之一^[1-2]。光学精密测量、光学传感、相干光通信、原子光钟等诸多领域对超窄线宽激光器有着迫切的需求^[3-4]。线宽直接影响这些系统的测量精度、检测灵敏度或通信距离等性能参数。

目前，光纤系统中普遍使用的超窄线宽激光器主要有固体激光器、半导体激光器(LD)和掺铒光纤激光器（EDFL）。受限于增益介质，固体激光器的输出波长通常为1.0 μm或1.3 μm，难以应用于C波段光通信/传感系统中^[5]。由于分布布拉格光栅反射或分布式反馈技术的发展应用，半导体激光器的线宽从最初的几十MHz降低至数十kHz量级^[6-7]。特别是外腔式半导体激光器成功实现了~3 kHz的线宽^[8]，可以与光纤激光器的线宽媲美。但是，基于电流调谐的半导体激光器的快速调谐稳定性较差，非常不利于在基于相位产生载波技术（PGC）的干涉型光纤传感系统中的应用。掺铒光纤激光器的线宽在kHz量级，而且具有激光转换效率大、功率高、易与光纤系统兼容的特点，在各种光纤系统中得到广泛应用^[9-12]。掺铒光纤的增益谱较宽（~40 nm），需要各种线宽压缩技术以抑制跳模，实现单频输出，如Pound-Drever-Hall主动控制法^[13]、饱和吸收体法^[14]和缩短腔长法^[15]等。但是主动控制电路会引入额外的噪声，短腔长结构需要高掺杂特种光纤，基于饱和吸收体的EDFL的中心频率稳定性较差。EDFL的线宽很容易达到kHz量级，若想进一步实现Hz量级的线宽，则需要十分复杂精密的技术与条件。比如采用电路反馈/前馈控制结构^[16-17]，将激光频率锁定于一个高精度Fabry-Perot腔的谐振频率^[18]。或者通过光学频率梳与稳腔激光器进行相位锁定^[19]。这些技术各自具有一定局限性：受限于反馈环路稳定性，电路反馈/前馈控制技术的工作带宽较窄；基于超稳Fabry-Perot腔的稳频技术需要腔具有极好的隔热隔振能力，要求精细设计和实现腔的对称性和稳定性。

光纤中受激布里渊散射（SBS）是一种重要的光纤非线性效应，可用于窄带光放大或者是产生超窄线宽激光^[20]。基于光纤SBS的布里渊光纤激光器（BFL），具有独特的线宽压缩特性，产生的超窄线宽激光可窄至Hz甚至亚Hz量级。1976年首台BFL被报道，至今经过了近50年的发展，取得了一系列进展。超窄线宽布里渊光纤激光器的发展过程主要经历了三个阶段。最初的BFL，基于单模光纤组成的谐振腔，要么需要高泵浦功率（几百mW甚至上W）^[21-22]要么需要反馈控制电路以保证泵浦光精确满足耦合谐振条件^[23-24]。为了克服泵浦耦合条件，且不增加布里渊泵浦（BP）阈值，研究人员在腔内引入掺铒光纤放大器，构造了布里渊掺铒光纤激光器（BEFL）^[25-28]，即布里渊光纤激光器发展的第二个阶段。BEFL克服了泵浦耦合谐振条件，且具有低阈值（~mW）与较高功率（~10 mW）的优势。但是BEFL腔长较长（超过百米），容易导致激光跳模。采用高掺杂特种光纤缩短腔长，又导致激光器阈值较高（>100 mW）和功率较低（~mW）等其他问题^[29-31]。如何在克服泵浦耦合条件的条件下实现短腔（<10 m）、低阈值（~mW）的超窄线宽BFL成为限制其进一步发展的瓶颈。研究人员针对这个问题开展深入研究，提出了几种解决方案，攻克了相关技术难题。最终在无需复杂的电路反馈控制技术或精密的温度隔离封装措施条件下，实现了Hz量级的超窄线宽布里渊光纤激光器，即基于普通掺铒光纤的紧凑型BEFL^[32-35]。这种基于普通掺铒光纤同时提供布里渊增益与线性增益的紧凑型BEFL是超窄线宽布里渊光纤激光器发展的第三个阶段，也是目前的研究前沿与热点之一，有望在各种高相干光学领域发挥重要的作用。

文中对超窄线宽布里渊光纤激光器的研究进展进行总结，按照三个阶段梳理其发展过程，阐述各发展阶段布里渊光纤激光器的结构、机理与特性，重点分析了紧凑型布里渊掺铒光纤激光器，概述了这种新型布里渊光纤激光器的应用，并对它的未来发展方向进行了展望。

SBS过程是一个增益过程，利用SBS可以构建布里渊放大器与布里渊激光器。1976年，K. O. Hill等人报道了首台BFL^[21]。结构如图1所示，它采用环形腔结构，利用9.5 m单模光纤作为布里渊增益介质，实现了单纵模布里渊激光输出。受限于当时的光纤元器件技术和光纤熔接技术，这台BFL不完全是全光纤结构，包含了部分的空间光传输结构。

图  1  首台布里渊光纤环形激光器结构原理图^[21]

Figure 1.  Schematic of the first Brillouin ring laser^[21]

光纤的布里渊增益谱宽通常在10~30 MHz之间，典型值为20 MHz。这台BFL采用9.5 m单模光纤作为布里渊增益介质，布里渊增益谱内仅存在1个纵模，保证激光器为单纵模状态。但是短增益介质需要高的布里渊泵浦功率。其BFL的布里渊阈值为250 mW。较高的布里渊泵浦不利于BFL的应用。

由于单模光纤的布里渊增益系数较小，布里渊泵浦光单次通过单模光纤激发SBS的效率不高，导致布里渊泵浦阈值较大。如果满足泵浦耦合谐振条件，泵浦光能够在谐振腔内谐振。布里渊泵浦光在腔内反复循环多次放大布里渊Stokes光，布里渊泵浦光的利用效率得到提高，相应地泵浦阈值就得以降低^[23,36]。实现泵浦耦合谐振需要满足下列两个条件其中之一^[36]：

式中：β为光纤中光波的传输常数；L为光纤谐振腔长度；q为任意整数；k_r为耦合系数；γ₀为耦合器的耦合强度系数；α为2倍光纤振幅损耗系数。根据上述两个公式可知，为了满足泵浦耦合谐振条件，可以通过调制泵浦光频率或者调节谐振腔长度，也可以通过使用耦合系数可变的耦合器改变腔的输出耦合系数。通常采用反馈控制电路对谐振腔长度或者泵浦光频率进行实时调节。

1991年，S. P. Smith等人报道了一个本征线宽小于30 Hz的布里渊光纤激光器，结构如图2所示^[23]。它使用反馈控制电路调节泵浦光的频率，使得布里渊泵浦光频率位于腔的谐振中心，即布里渊泵浦光在腔内谐振。由于满足泵浦耦合谐振条件，泵浦光反复通过单模光纤对布里渊Stokes光进行布里渊放大，因此该BFL需要很低的泵浦光功率，布里渊阈值仅为120 μW。

图  2  基于泵浦光频率调制的BFL结构原理简图^[23]

Figure 2.  Simplified schematic of narrow-linewidth BFL with pump frequency tracking circuit^[23]

1994年，J. Boschung等人报道了一个对腔长进行调节以实现泵浦耦合谐振条件的布里渊光纤环形激光器。结构如图3所示^[24]，通过使用电路控制压电陶瓷环调节腔长，保证泵浦光在腔内谐振。此BFL的泵浦阈值为400 μW，线宽为3 Hz。

图  3  基于腔长调制的BFL结构原理简图^[24]

Figure 3.  Simplified schematic of narrow-linewidth BFL with resonance tracking circuit^[24]

综上所述，泵浦耦合谐振的BFL泵浦阈值很低，仅为百μW量级。相比首台BFL数百毫瓦的泵浦阈值，满足泵浦耦合谐振条件能使BFL的泵浦阈值大幅减小。但是额外的控制电路增加了BFL的复杂度和实现难度，同时电路系统也会向BFL引入额外的附加噪声。这是泵浦耦合谐振条件对BFL的不利影响。

另外，需要说明的是BFL不仅可以作为单频激光源，也可以实现多波长激光输出。随着泵浦功率的增加，当一阶Stokes光功率超过一定阈值，二阶Stokes光会被激发。如果泵浦功率足够高，激发级联SBS，会产生更高阶的Stokes光， BFL即可实现频率间隔相等的多波长激光输出，各相邻波长之间的频率间隔为布里渊频移。多波长布里渊光纤激光器也是一个非常重要的研究方向，几十年来吸引了大量研究关注，取得了很多的研究成果^[37-39]。文中仅讨论单波长布里渊激光器。

BFL具有独特的超窄线宽特性，布里渊泵浦光转换为布里渊激光后，线宽被大幅压缩。例如图2中的BFL线宽为30 Hz，它的布里渊泵浦光线宽为120 kHz。图3中的BFL线宽为3 Hz，它的泵浦线宽为100 kHz。线宽压缩系数四五个数量级。

2000年，Alexis Debut等人利用SBS的动态耦合波模型进行推导，并建立了布里渊光纤激光器的线宽压缩理论。分析结果表明，布里渊光纤激光器的线宽压缩是由于声子的衰荡和腔的反馈两者共同作用的结果。布里渊泵浦线宽与布里渊Stokes线宽之间的关系式如下^[40-41]：

式中：Δν_s和Δν_p是布里渊激光线宽和布里渊泵浦线宽；γ_A为声子衰荡速率，由布里渊增益谱宽Δν_B决定，等于πΔν_B；Г_c为腔的损耗率，表达式是–clnr/nL，c/n是光在光纤中的速率，r是腔的光振幅反馈系数，L是光纤长度。由公式（3）可知，布里渊光纤激光器的线宽压缩能力是由声子的衰荡和腔的反馈共同决定。声子寿命由光纤材料本身决定，腔反馈系数则可以通过人为控制。腔的反馈系数越高（即精细度越大），越能实现强烈的线宽压缩。对于一个全光纤谐振腔，精细度很容易达到100的量级，线宽压缩系数很容易达到10⁴量级^[40]。

美国NP光电子公司于2006~2007年相继报道了基于Pound-Drever-Hall主动稳频技术的BFL激光器，输出功率可达100 mW，线宽为200 Hz^[42-43]。其结构原理如图4所示。该激光器是一台泵浦耦合谐振的BFL。为了避免腔长调制可能导致的激光器线宽恶化，NP公司采取泵浦频率调制的方式。基于Pound-Drever-Hall主动稳频技术，使用快速反馈电路将泵浦激光器频率锁定在腔的谐振频率中心。该BFL的腔长为20 m左右，考虑到光纤布里渊增益谱谱宽在10~30 MHz范围之间，这样BFL的自由光谱程与增益谱宽相当，可以保证单纵模运转。同时整个光纤激光腔进行了温度控制与防震封装，可以防止激光器中心频率的慢漂和外界振动导致的突然跳模。

图  4  主动稳频布里渊光纤激光器^[42]

Figure 4.  Actively stabilized Brillouin fiber ring laser^[42]

此激光器做成产品投入市场，受泵浦耦合谐振条件的限制，激光器尺寸较大（471 mm×362 mm×204 mm），一定程度上限制了其应用范围。与其它的商业化激光器相比，比如RIO公司的半导体超窄线宽激光器模块（线宽~3 kHz）^[8]和NKT公司的超窄线宽掺铒光纤激光器模块（线宽~1 kHz）的应用范围更广泛。如何实现低阈值且无需泵浦耦合谐振条件的BFL是布里渊光纤激光器进一步发展的方向。

受限于其结构和固有机理，最初的BFL发展进入瓶颈阶段。随着布里渊掺铒光纤激光器的出现，布里渊光纤激光器进入到了一个新的发展阶段。

为了克服泵浦耦合谐振条件，降低布里渊光纤激光器的实现难度，研究人员做了大量研究工作。1996年，G. J. Cowle等人提出了一种新型的布里渊光纤激光器，结构原理如图5所示，并相继发表一系列的研究成果^[25-28]。在传统BFL腔内引入一个掺铒光纤放大器（EDFA）补偿腔损，从而可以克服泵浦耦合谐振条件，这种新型的布里渊激光器被命名为布里渊掺铒光纤激光器。它结合了掺铒光纤中的线性增益和单模光纤中的布里渊增益，同时具有传统布里渊光纤激光器的超窄线宽特性以及掺铒光纤激光器阈值低、功率高、易于实现的优势。

图  5  布里渊掺铒光纤激光器结构原理图^[26]

Figure 5.  Configuration of Brillouin/erbium fiber laser^[26]

它的具体工作原理是布里渊泵浦光首先注入腔内的单模光纤上，在单模光纤上激发SBS并产生后向布里渊Stokes光；布里渊Stokes光经单模光纤的布里渊增益放大后，一部分经耦合器输出，一部分进入掺铒光纤中被线性放大，经布里渊增益和线性增益这两种增益作用放大后，布里渊Stokes光又进入单模光纤中继续被布里渊增益放大；布里渊Stokes光在腔内反复受到两种增益的放大作用，最终形成谐振产生激光。BEFL的波长由布里渊增益谱决定，与布里渊泵浦光波长相差约0.086 nm，如图6（a）所示。激光功率由掺铒光纤增益决定，超过阈值后，BEFL功率随980 nm泵浦功率线性增加，如图6（b）所示。980 nm泵浦阈值功率用来克服腔损，由于全光纤腔的腔损很小，980 nm泵浦阈值仅为几mW。布里渊泵浦阈值也很低，实验表明2.6 mW的布里渊泵浦光即可使得BEFL稳定运转。

图  6  不同980 nm泵浦功率下的布里渊掺铒光纤激光器，（a）光谱，（b）输出功率^[26]

Figure 6.  (a) Optical spectra and (b) Output power of Brillouin/erbium fiber laser with different 980 nm pump power^[26]

BEFL相比BFL更易实现，不需要苛刻的泵浦耦合谐振条件，且泵浦光阈值很低。但是由于单模光纤的布里渊增益系数较小（~2×10⁻¹¹ m/W），BEFL需要较长的单模光纤（100 m）以保证足够的布里渊增益。长单模光纤导致布里渊增益谱远大于腔的自由光谱程，增益谱内存在较多的纵模模式。虽然布里渊增益的均匀展宽特性可以保证激光器主要运转于单纵模状态，但是不可避免地受到环境扰动而跳模。研究人员相继开展单纵模BEFL的研究。

2008年，中国科学院半导体所的陈伟等人报道了一种单纵模BEFL，其结构如图7所示^[44]。采用500 m单模光纤作为布里渊增益介质，产生布里渊激光。腔长为0.4 m和3.2 m的两个辅环形腔用于增大激光腔的自由光谱范围，实现大于布里渊增益谱宽的模式间隔。跳模被有效抑制，实现了线宽为1.5 kHz的单纵模BEFL。

图  7  多环形腔单纵模布里渊掺铒光纤激光器^[44]

Figure 7.  Single-mode multi-resonance-cavity BEFL^[44]

这种方案虽然可以抑制跳模，但是它需要结合光纤布拉格光栅可调谐滤波器和窄带布里渊增益选模以及多级环形腔增加谐振腔模式间隔几种手段，还要对布里渊抽运波长进行精细调节使其与BEFL的腔长相匹配，结构较为复杂，需要控制的参量过多，不利于实际应用。

要实现单纵模BEFL，最直接有效的方法是缩短腔长。由于单模光纤的增益系数较小，研究人员首先考虑使用高非线性系数的特种光纤，比如光子晶体光纤、As₂Se₃光纤和掺铋掺铒光纤，将这些特种光纤作为布里渊增益介质，可以缩短增益介质长度，实现短腔BEFL。

2008年，马来西亚的S. W. Harun等人利用20 m的光子晶体光纤作为布里渊增益介质，有效缩短了BEFL的腔长^[45]。2009年，该团队利用长度仅为2.15 m的高掺杂（铒离子浓度3200 ppm）、高非线性系数（60（W·km）⁻¹）的掺铋掺铒光纤同时作为布里渊增益和线性增益介质，实现了紧凑型BEFL，其结构原理如图8所示^[46]。采用这些特殊光纤的BEFL腔长得到大幅缩短，但是由于这些光纤本身的损耗以及与其它光纤熔接的损耗较大，相应的导致BEFL输出功率较低（2 dBm）、泵浦阈值功率较高（>100 mW）。同年，该团队将掺铋掺铒光纤的长度进一步缩短至49 cm^[47]。但是仅有光谱与功率特性的报道，未见线宽或相位噪声等性能的研究报道。

图  8  基于掺铋掺铒光纤的紧凑型BEFL结构原理图^[46]

Figure 8.  Configuration of compact BEFL based on Bi-based erbium-doped fiber^[46]

采用高非线性特种光纤的BEFL具有实现较难、输出功率较低、光信噪比不高等不足，因此迫切需要实现基于常规光纤的超短腔BEFL。如何利用常规光纤实现低阈值、短腔BEFL成为研究者面临的难题。

2011年，国防科技大学的周会娟等人另辟蹊径，利用泵浦预放大技术实现了低阈值、超短腔BEFL，结构如图9所示^[48]。作为布里渊增益介质的单模光纤长度仅为5 m，考虑掺铒光纤放大器中的铒纤以及连接光纤的长度，激光器总腔长小于10 m。泵浦预放大BEFL的特别之处在于腔内的掺铒光纤放大器位于单模光纤之前。进入腔内的布里渊泵浦光首先经EDFA放大，再进入单模光纤激发SBS。虽然外部布里渊泵浦光功率较低，但是经EDFA放大后实际注入到单模光纤上的功率增高，从而产生较大的布里渊增益。此BEFL全部基于常规光纤，且具有低阈值和较高输出功率的优良特性。实验结果证明该激光器具有单纵模、低阈值（~20 mW）和高功率（>10 mW）的特性。

图  9  基于泵浦预放大的单纵模BEFL结构示意图^[48]

Figure 9.  Configuration of single-mode BEFL based on BP pre-amplification^[48]

2012年，该团队进一步大胆提出使用一段普通掺铒光纤同时提供布里渊增益与线性增益的新方法构造超短环形腔BEFL，其结构如图10所示^[49]。利用4 m的掺铒光纤作为混合增益介质，实现了低980 nm泵浦阈值（<20 mW）、高输出功率（>10 mW）的单频BEFL。相比基于泵浦预放大的BEFL，这种BEFL结构更简单且紧凑。虽然文献中未针对其线宽进行测量，但其稳定的单纵模特性得到验证。该BEFL的实现是单频、超窄线宽BEFL研究的一个十分重要的发展节点，它使得低阈值、超窄线宽、超短腔、紧凑型BEFL成为现实。

图  10  超短环形腔、紧凑型BEFL结构示意图^[49]

Figure 10.  Configuration of ultra-short-ring-cavity compact BEFL^[49]

基于一段数米普通掺铒光纤的紧凑型BEFL突破了传统BEFL难以同时具有超短腔与低阈值的限制，成为了超窄线宽布里渊光纤激光器发展的第三阶段。自问世以后，其独特的机理、优良的特性使其成为超窄线宽BEFL研究的热点与前沿。近10年来，超窄线宽BEFL的研究主要围绕此类型的BEFL展开。

2013年，国防科技大学在之前的研究基础上进一步提出了全保偏结构的紧凑型BEFL，结构如图11所示^[32]。针对这种结构的超窄线宽激光器的功率、线宽、噪声、快速调谐等特性开展了一系列理论与实验研究。

图  11  全保偏、超短环形腔、紧凑型BEFL结构图^[32]

Figure 11.  Configuration of all-polarization-maintained ultra-short-ring-cavity compact BEFL^[32]

2014年开始，国防科技大学对紧凑型BEFL的超窄线宽特性开展研究。采用25 km延时自外差方法测量并估算得到紧凑型BEFL的线宽为950 Hz^[33]。延时自外差技术的测量精度有限，外差法的精度不受限于延时光纤，但是外差法需要与被测激光线宽相当的参考光。实际中较难找到一台线宽和BEFL接近的本地参考光源。

2015年，该研究团队设计了如图12所示的实验系统，使用外差法对紧凑型BEFL的线宽进行测量^[34]。布里渊泵浦光经耦合器分束，并分别经25 km延时光纤进行延时以及声光调制器（AOM）进行移频。两束不相关且具有300 MHz频移的光通过耦合器合束后，进入BEFL腔内作为布里渊泵浦光并产生两束不相关的布里渊激光。由于激发这两束布里渊激光的泵浦光来自于同一台激光器，且这两束布里渊激光在同一个谐振腔内产生，因此它们的线宽相同。这两束激光经过输出耦合器合束后进入光电探测器得到拍频信号，并经电谱分析仪进行分析，得到拍频信号如图13所示。拍频信号的20 dB线宽为800 Hz，因此得到BEFL的线宽为40 Hz。

图  12  紧凑型BEFL的外差法线宽测试系统示意图^[34]

Figure 12.  Heterodyne setup for compact BEFL linewidth measurement^[34]

图  13  紧凑型BEFL的外差拍频信号谱^[34]

Figure 13.  Heterodyne beat spectrum of compact BEFL^[34]

同年，研究团队还研究了Voigt拟合的超窄线宽测量法以估算BEFL的超窄线宽^[35]。理论上延时自外差技术中的延时光纤越长，线宽测量的分辨率越高，越有利于超窄线宽的准确测量。实际上，测量得到的拍频谱是激光器的洛伦兹谱与1/f噪声的高斯谱的卷积。自外差谱受1/f噪声影响被明显展宽，且延时光纤越长1/f噪声的影响越严重。Voigt拟合法可以分离自外差谱中的高斯谱成分与洛伦兹谱成分，有效去除1/f噪声对谱的展宽作用，充分发挥长延时光纤提高测量精度的作用。

图14为紧凑型BEFL的25 km延时光纤自外差谱和Voigt拟合谱。洛伦兹谱宽为50 Hz的Voigt线型能很好地拟合自外差谱线，即BEFL的洛伦兹线宽为50 Hz，与图13中外差法测量得到结果吻合的较好。当延时光纤为100 km时，延时自外差谱能被高斯线型很好拟合，说明此时谱线中几乎不含洛伦兹成分。从数学上可以认为洛伦兹线宽~0 Hz；从实际上可推断出BEFL的线宽远小于50 Hz。

图  14  紧凑型BEFL的25 km延时自外差谱及拟合曲线^[35]

Figure 14.  25-km-delayed self-heterodyne spectrum of compact BEFL and the fitting curves^[35]

2017年，该研究团队更进一步使用同一布里渊泵浦光分束后泵浦两台紧凑型BEFL的方案测量BEFL的超窄线宽，实验系统如图15所示^[50]。采用相同的掺铒光纤作为增益介质，两台BEFL具有相同的布里渊频移，且具有接近的超窄线宽。一台半导体激光器经耦合器分束后分别作为泵浦光对两台BEFL进行泵浦，其中一台BEFL的输出经AOM产生300 MHz的移频后与另一台BEFL的输出合束产生拍频信号，经光电探测和电谱分析仪后如图16所示。拍频信号的3 dB谱宽为6 Hz，因此紧凑型BEFL的洛伦兹线宽为3 Hz。该结果也验证了100 km延时光纤自外差谱的Voigt拟合分析结果。

图  15  两台紧凑型BEFL的外差测试系统^[50]

Figure 15.  Heterodyne setup of two compact BEFLs^[50]

图  16  两台紧凑型BEFL的拍频信号^[50]

Figure 16.  Heterodyne beat note of two compact BEFLs^[50]

紧凑型BEFL的超窄线宽输出均是在较大的布里渊泵浦线宽条件下实现的。比如图13的结果是在20 MHz的布里渊泵浦条件下，图16是在360 kHz的布里渊泵浦条件下，BEFL相比布里渊泵浦光线宽被压缩了5个数量级。

BEFL具有强烈的线宽压缩特性，它能够将相干性能较低的布里渊泵浦光转化为高相干的布里渊Stokes激光。这种强烈的线宽压缩是布里渊光纤激光器天然具有的能力，它是由声子的寿命和腔的反馈共同决定。BEFL的线宽压缩系数如下^[34]：

式中：Δν_s和Δν_p为布里渊激光线宽和布里渊泵浦线宽；Δν_B为布里渊增益谱宽；c/n为光在光纤中的速率；r为腔的光振幅反馈系数；g为由线性增益引起的光振幅增益；L为光纤长度。公式（4）与公式（3）几乎相同，仅腔的损耗率Г_c含义不同。因为BEFL腔内还有线性增益的作用，要考虑线性放大导致的振幅增益g，因此Г_c等于–cln(rg)/nL。

理想的情况下，当BEFL发生激光谐振时光损耗等于增益，即理论上线宽压缩系数为∞。由于自发辐射噪声等影响，不可能达到无穷，但仍可达到较高的量级。以rg=0.994为例，增益光纤长4 m，布里渊增益谱宽为35 MHz，计算可得~10⁵的线宽压缩系数。与BFL相比，传统BFL提高腔的精细度要在一定程度上牺牲激光输出功率。而BEFL由于腔内的线性增益的作用，提高布里渊Stokes光功率的同时提高腔的精细度，因此能在保证较高输出功率的同时具有更高的线宽压缩能力。

值得指出的是，理论上布里渊光纤激光器能够实现亚Hz量级的超窄线宽，但是如何测量亚Hz的线宽本身也是一个问题。由于布里渊激光的频率会由于泵浦光和环境原因产生慢漂，导致拍频信号频率产生漂移，因此难以测量得到亚Hz的超窄线宽^[24]。

在某些领域，比如干涉型光纤传感系统中，激光器的相位噪声特性更受关注。激光器的线宽与相位噪声具有正相关的关系，BEFL的超窄线宽表明其具有超低相位噪声，国防科技大学针对紧凑型BEFL的相位噪声进行了研究。

BEFL的线宽压缩特性反映到相位噪声上就是布里渊泵浦光转换为BEFL激光后，相位噪声谱线得到显著地平滑，相位噪声大小得到明显地抑制，激光相干性得到大幅提升。采用1 m光程差的干涉仪对布里渊泵浦光及其产生的BEFL进行测量，结果如图17所示^[51]。布里渊泵浦光的相位噪声谱在800 Hz、1600 Hz和2400 Hz处有三个明显凸起。与布里渊泵浦光相比，BEFL的相位噪声谱比较平滑，相位噪声最大被抑制20 dB。

图  17  紧凑型BEFL及其BP的相位噪声谱^[51]

Figure 17.  Phase noise spectra of compact BEFL and BP^[51]

将紧凑型BEFL与代表目前商用超窄线宽激光器最高水平之一的RIO外腔式激光器模块（~3 kHz线宽）^[52]进行比较。考虑到测试系统本身的背景噪声影响，使用185 m大光程差的干涉仪测量两台激光器的相位噪声，以充分区分它们的相位噪声谱线。测试结果如图18所示^[50]，BEFL的相位噪声谱整体比超窄线宽RIO半导体激光器的噪声谱低。以1 kHz频点为例，BEFL的相位噪声比RIO激光器低23 dB。在5 kHz的高频处，BEFL的相位噪声比RIO激光器低30 dB。

图  18  紧凑型BEFL和RIO激光器的相位噪声谱^[50]

Figure 18.  Phase noise spectra of compact BEFL and RIO laser diode^[50]

使用Optiphase公司的OPD-4000光相位解调仪和1 m光程差的干涉仪，对BEFL的相位噪声进行测量。该光相位解调仪本身集成了低噪声光电探测器、A/D采集卡以及基于PGC解调技术的信号解调处理软件，本底噪声极低（μrad/Hz^1/2）^[53]。得到BEFL（增益光纤长度是1.5 m）的相位噪声谱如图19所示^[32]。在1 kHz频率处，该超窄线宽BEFL的相位噪声低至−125 dB（re 1 rad/Hz^1/2）。如此低的相位噪声使得紧凑型BEFL在干涉型光纤传感等其他相干光学领域具有十分重要的应用价值。

图  19  紧凑型BEFL的超低相位噪声^[32]

Figure 19.  Ulta-low phase noise of compact BEFL^[32]

传统单频BFL存在布里渊泵浦阈值，超过阈值后，BFL功率随布里渊泵浦功率线性增加。传统BEFL，当布里渊泵浦超过阈值后，其输出功率不随布里渊泵浦功率发生变化。对于紧凑型BEFL，布里渊泵浦功率对其输出功率特性的影响和BFL或者传统BEFL均不同。紧凑型BEFL对于布里渊泵浦光的要求非常低，1 mW或者几百μW的光功率即可保证BEFL稳定运转。增加布里渊泵浦光反而会导致BEFL输出功率的线性降低和980 nm泵浦阈值的增加，如图20和图21所示^[33]。

图  20  紧凑型BEFL的功率随BP功率变化曲线^[33]

Figure 20.  Optical power of compact BEFL versus BP power^[33]

图  21  紧凑型BEFL功率随980 nm光功率变化曲线^[33]

Figure 21.  Optical power of compact BEFL versus 980 nm pump power^[33]

紧凑型BEFL输出功率特性与布里渊泵浦功率之间的关系是由其本身结构与机理决定。布里渊泵浦光入射到掺铒光纤上，既作为泵浦光向布里渊Stokes光提供非线性增益，同时作为信号光消耗掺铒光纤的线性增益。布里渊泵浦光功率越大，消耗的线性增益越多，相应的布里渊Stokes光受到的线性增益减小，因此紧凑型BEFL的输出功率随布里渊泵浦功率增加而线性降低。放大布里渊Stokes的线性增益减小也导致激光器需要更高的980 nm泵浦阈值以克服腔损。

虽然实验发现紧凑型BEFL对布里渊泵浦功率要求非常低，即布里渊阈值很低，但是一直没有理论模型对其进行解释。光纤的SBS阈值表达式如下^[20]：

式中：A_eff为光纤的有效截面积；g_B为光纤的布里渊增益系数；有效光纤长度L_eff=[1−exp(−αL)]/α，α是光纤损耗，当光纤长度L较短时L_eff≈L。

掺铒光纤的有效截面积A_eff为19 μm²，布里渊增益系数g_B为5×10⁻¹¹ m/W。根据公式（5），在4 m的增益光纤上激发SBS需要W量级的布里渊泵浦光。实际上紧凑型BEFL仅需要mW量级的布里渊泵浦光。

2017年，国防科技大学研究团队建立理论模型并分析了线性增益对降低SBS阈值的作用^[50]。仿真结果如图22所示，相比未泵浦的掺铒光纤，线性增益能有效降低SBS阈值，且增益越大，降低阈值的作用越大。特别是当掺铒光纤位于谐振腔内，由于存在腔的反馈作用，SBS阈值将更进一步得到大幅降低。假设谐振腔的功率反馈系数是R，SBS阈值的解析表达式为：

图  22  不同线性增益时EDF的SBS阈值随光纤长度变化曲线^[50]

Figure 22.  SBS threshold of EDF against fiber length at different linear gain^[50]

公式（6）与公式（5）相似，区别仅在于公式（5）的系数是常数21，而公式（6）的系数与腔反馈和掺铒光纤线性增益有关。根据前面计算线宽压缩的结果，掺铒光纤为4 m，R=0.5， RG=0.988，得到公式（6）的系数为0.008，紧凑型BEFL的布里渊泵浦阈值功率估算为0.8 mW，与实际情况基本符合。

综上可见掺铒光纤的线性增益对于紧凑型BEFL具有十分重要的作用，一方面可以克服泵浦耦合谐振条件，另一方面可以提高腔的精细度，使得BEFL具有强烈的线宽压缩特性，同时极大地降低了SBS阈值。

在基于相位产生载波（PGC）技术的干涉型光纤传感系统中，光源除了需要具有低噪声、超窄线宽的特性，还需要具有稳定的快速调谐性能。

光纤激光器通常通过压电陶瓷环（PZT）对腔长的调制实现激光器频率的调制。传统的BFL需要满足泵浦耦合谐振条件，不能随意对腔长进行大幅的调制。传统的BEFL腔长过长，很难实现高效的频率调制。紧凑型BEFL不受泵浦耦合谐振条件的限制，且腔长很短，可以利用PZT调制腔长实现高效的激光频率调制。

2014年，国防科技大学报道了低噪声的快速调谐BEFL，结构原理如图23所示^[54-55]。采用4 m掺铒光纤作为布里渊增益与线性增益介质，一部分掺铒光纤缠绕在PZT上，通过对PZT施加正弦调制电压，利用PZT的伸缩效应对激光器的频率进行调制。激光调制幅度与PZT调制电压之间的关系如图24所示。快速调谐BEFL最高可实现60 MHz的频率调谐范围，调谐速率最高可达48 kHz。快速调谐BEFL的相位噪声在1 kHz频率处为−124 dB（re 1 rad/Hz^1/2，归一化至1 m光程差）^[55]。

图  23  快速调谐BEFL结构示意图^[54]

Figure 23.  Configuration of fast tuning BEFL^[54]

图  24  BEFL快速调谐幅度与调制电压的关系 ^[55]

Figure 24.  Frequency modulating amplitude of the BEFL against the modulation voltage amplitude ^[55]

值得说明的是，光纤的布里渊频移与应力有关，PZT调制腔长的同时会改变掺铒光纤的应力并影响掺铒光纤的布里渊频移大小^[56]。但是同一个电压条件下，PZT调制腔长导致的腔本征模式频率变化远大于应力变化导致的布里渊频移变化（相差3个数量级），因此可以认为布里渊增益谱位置不变，如图25所示。PZT的伸缩效应仅对腔的本征模式进行调制，BEFL的频率调谐范围受限于布里渊增益谱宽。

图  25  不同调制电压下EDF的布里渊增益谱^[55]

Figure 25.  Brillouin gain spectra of the EDF with different driving voltages ^[55]

快速调谐激光器的一个重要性能指标是快速调谐稳定性。半导体激光器的快速调谐基于工作电流的调制，工作较不稳定。光纤激光器的快速调谐基于PZT对腔长的调制作用，PZT的调制较为稳定，因此使得激光器的快速调谐很稳定。测试超窄线宽半导体激光器和紧凑型BEFL在45 min内的快速调谐稳定性，结果如图26所示。纵坐标C表示2πDΔf/c，它反映频率调谐幅度Δf的变化趋势，其中D是干涉仪的光程差，c是光速。BEFL的C值保持平坦，表明它具有稳定的快速调谐。半导体激光器的C值呈喇叭状发散，快速调谐稳定性较差。因此相比半导体激光器，BEFL具有稳定的快速调谐，更有利于在干涉型光纤传感系统的应用。

图  26  （a）紧凑型BEFL和（b）超窄线宽LD的快速调谐稳定性

Figure 26.  Fast-tuning stabilities of (a) compact BEFL and (b) narrow-linewidth LD

BEFL输出频率相比布里渊泵浦光频率下移一个布里渊频移，频移大小由掺铒光纤本身性质决定，同时与环境温度和光纤应力有关^[56]。当掺铒光纤的温度、应力保持不变时，BEFL的频率由布里渊泵浦光频率决定。通常半导体激光器具有良好的中心频率稳定性，它作为布里渊泵浦光，产生的BEFL相比泵浦光具有稳定的布里渊频移，因此BEFL也具有较好的中心频率稳定性。

2013年，国防科技大学对一台紧凑型BEFL的中心频率稳定性进行了研究^[32]。在实验室环境下，用扫描F-P干涉仪记录BEFL的中心频率相对变化量。2 h内BEFL和布里渊泵浦光的频率漂移分别为25 MHz和20 MHz。掺铒光纤激光器，特别是基于饱和吸收体的掺铒光纤激光器受环境影响较大，中心频率慢漂比较严重，1 h能漂移250 MHz左右。因此相比掺铒光纤激光器，BEFL具有稳定的中心频率，这是它在光纤传感系统中应用的优势之一。

铒镱共掺光纤通过铒离子与镱离子之间的能量转换，可以提供更有效的直接泵浦机制。相比掺铒光纤，它具有更高的泵浦光子吸收效率和更高的增益系数。基于铒镱共掺光纤的紧凑型布里渊光纤激光器有望实现更高的输出功率。2023年，国防科技大学研究团队报道了基于80 cm铒镱共掺光纤作为布里渊增益和线性增益介质的布里渊铒镱共掺光纤激光器^[57]。相比较BEFL毫瓦量级的输出功率，该激光器的输出功率可达200 mW。它的线宽为140 Hz，1 kHz处的相位噪声为−107 dB re 1 rad/Hz^1/2（1 m光程差）。

经过理论与实验研究，紧凑型BEFL克服了BFL苛刻的泵浦耦合谐振条件，又保留了传统BEFL低阈值和较高输出功率的优势。不需要额外的激光稳频技术或专门的控温隔振条件，紧凑型BEFL即可实现超窄线宽（~3 Hz）、超低相位噪声（−125 dB re 1 rad/Hz^1/2@1 kHz，1 m光程差）的高相干激光输出。其快速调谐稳定性优于目前的超窄线宽半导体激光器，其稳定的中心频率优于基于饱和吸收体的超窄线宽掺铒光纤激光器。这些优异的激光特性使其在诸多相干光学领域具有十分广阔的应用前景。

基于PGC技术的干涉型光纤传感系统对光源具有非常高的要求。理想的光源需要同时具有低相位噪声、稳定的快速调谐和稳定的中心频率这3个特性。目前，国内干涉型光纤传感系统中普遍使用的光源主要为超窄线宽掺铒光纤激光器或者进口外腔式半导体激光器。这两种激光器均可达到~3 kHz的超窄线宽，都能够满足系统对光源线宽的要求。但是掺铒光纤激光器存在中心频率慢漂的问题，不利于光纤水听器系统长期工作的稳定性；外腔式半导体激光器高频调制性能不稳定性限制了干涉型光纤传感系统探测信号带宽。

2018年，国防科技大学报道了紧凑型BEFL在光纤水听器系统中应用的初步研究结果^[58]。对一只光程差为5 m的光纤水听器探头的声压灵敏度频率响应曲线和系统本底相位噪声进行标定，实验系统如图27所示。分别使用紧凑型BEFL和外腔式半导体激光器作为水听器系统的光源，所测得的水听器探头声压灵敏度频响曲线如图28（a）所示，使用两种光源均可测得光纤水听器探头灵敏度为−145.5 dB。

图  27  光纤水听器标定测试系统^[58]

Figure 27.  Experimental setup for calibrating fiber-optic hydrophone^[58]

图  28  光纤水听器的（a）声压灵敏度和（b）系统本底相位噪声^[58]

Figure 28.  (a) Frequency response of acoutic pressure sensitivity and (b) phase noise spectra of the fiber-optic hydrophone^[58]

分别测试水听器系统的本底相位噪声，结果如图28（b）所示。从图中可见，使用BEFL作为光源的系统相位噪声整体上比使用RIO半导体激光器时的系统相位噪声水平更低。以1 kHz频点为例，使用BEFL的系统相位噪声（−98 dB）比使用RIO半导体激光器的系统相位噪声（−93 dB）低5 dB。这表明，相比使用商用半导体激光器的水听器系统，使用超窄线宽BEFL作为光源可以进一步有效抑制水听器系统的本底噪声，提升水听器系统的探测性能。

BEFL同时具有超窄线宽、快速调谐稳定和中心频率稳定的特点，是光纤水听器系统的理想光源。同时该光纤激光器具有完全自主知识产权，对于水听器系统的国产化十分有利。

BEFL的输出光与其布里渊泵浦光相比下移了布里渊频移，且这个布里渊频移值取决于布里渊泵浦光波长和BEFL腔内所用的布里渊增益光纤。因此可将BEFL用在布里渊光纤传感系统中作为探测光。

紧凑型BEFL在布里渊光时域分析仪（BOTDA）中应用的系统原理图如图29所示^[58]。半导体激光器的输出经耦合器分束，一束经声光调制器（AOM）后成为脉冲光，再经过扰偏器（PS）扰偏和掺铒光纤放大器（EDFA）放大后作为BOTDA的脉冲泵浦光；另一束进入BEFL作为布里渊泵浦光产生布里渊激光，经EDFA放大之后作为BOTDA的连续探测光。待测光纤长度为24.8 km，探测光和泵浦光在待测光纤中相向传输，探测光功率随时间的演化，经光电探测器（D）转换之后，经高速示波器进行数据采集，再进入电脑进行数据处理。得到的BOTDA时域信号波形如图30所示。初步的实验结果表明BEFL用作BOTDA探测光具有可行性，若要进一步实现分布式的温度应变传感，还需对泵浦光或探测光进行扫频。

图  29  采用BEFL的BOTDA系统结构示意图^[59]

Figure 29.  Configuration of BOTDA based on BEFL^[59]

图  30  采用BEFL的BOTDA时域信号^[59]

Figure 30.  Time-domain signals of BOTDA using BEFL^[59]

目前普遍采用微波电光移频技术产生具有一阶布里渊频移的光信号。电光强度调制器（EOIM）的电光转换效率不高，且高阶边带会引入噪声，同时EOIM需要进行复杂的工作点控制才能保证稳定工作在输出一阶边带强度最大的状态 ^[60]。使用BEFL替代EOIM可以有效降低系统成本。其次，由于BEFL的布里渊泵浦光和布里渊传感系统的泵浦光来自于同一光源，两者具有稳定的光频差，可以避免光源频率不稳定导致的测量误差。另外，紧凑型BEFL的Hz量级超窄线宽，可以进一步提升系统分辨率。所以，BEFL在分布式布里渊光纤传感系统中具有重要的应用价值。

超窄线宽布里渊光纤激光器经过几十年的发展，已经取得了长足的进步。特别的，基于普通掺铒光纤的紧凑型BEFL具有优异的超窄线宽特性，在诸多应用领域具有潜在的重要的应用价值，有望进一步提升系统的性能。未来的发展方向，一是可以进一步提升其激光性能，比如发展窄线宽、高功率的布里渊光纤激光器；二是需要向模块化、工程化方向发展，以便真正实现大规模的应用。

基于光纤中SBS的布里渊光纤激光器具有优异的超窄线宽的特性，能够实现Hz量级的超窄线宽激光输出。布里渊光纤激光器的发展大致可分为3个阶段：最初的BFL到传统的BEFL再到紧凑型BEFL。传统BFL腔长短（10~20 m）、线宽超窄（Hz量级），但是通常需要苛刻的泵浦耦合谐振条件，因此较难实现。传统BEFL克服了泵浦耦合谐振条件，易于实现，且阈值低、功率较高。但是它需要长增益光纤，容易跳模。基于普通掺铒光纤的紧凑型BEFL，不需要泵浦耦合谐振条件，同时具有腔长短、阈值低、功率较高、线宽超窄的特点。它克服了BFL和BEFL各自的缺点，集中了两者的优点，同时还具有稳定的中心频率和快速调谐特性，在光纤传感等诸多应用领域具有潜在的十分重要的应用前景。特别的，在基于PGC技术的干涉型光纤传感系统中，要求光源同时具备超窄线宽、快速调谐稳定、中心频率稳定的特性。现有的超窄线宽掺铒光纤激光器和超窄线宽半导体激光器均无法同时满足上述3个条件，不利于传感系统的长期工作稳定性。紧凑型BEFL的特性使其成为基于PGC技术的光纤传感系统的理想光源。经初步实验验证，相比超窄线宽外腔式半导体激光器，使用紧凑型BEFL能够进一步降低传感系统的本底相位噪声，提高传感系统的性能。未来紧凑型BEFL将向模块化与工程化的方向发展，以广泛地应用到各种高相干光学领域，充分发挥其优异的超窄线宽特性。