Ultra-low noise 2 μm high power single-frequency fiber laser for next generation gravitational-wave detector (Invited)

2 μm波段单频光纤激光器(SFFL)凭借光谱线宽窄、相干长度长、噪声低、波长可调谐、结构紧凑等优点，在非线性光学^[1]、大气传感^[2]、高分辨率光谱学^[3]、相干多普勒激光雷达^[4]、引力波探测^[5]等领域都得到了广泛应用。

在下一代引力波探测领域，以LIGO Voyager为例，计划将熔融石英腔镜替换为低温单晶硅腔镜^[6]。选择低温单晶硅是因为单晶硅的热膨胀系数曲线穿过零点，这将消除热噪声中的热弹性分量，可以有效降低热噪声，并使得温度梯度引起的曲率变化半径最小^[7]。此外，低温单晶硅可以允许更高的激光功率(3 MW)，高激光功率可以降低高频量子噪声(shot noise)。由于单晶硅对波长在1100 nm以下的波长不透明，因此选择1.5~2 µm波长区域的激光光源更合适。此外，相比于1.5 µm波段，单晶硅的吸收损耗和散射损耗在2 µm波段更低，从而可以获得高腔内循环光功率，进而探测器可实现高灵敏度^[8]。而激光器的噪声水平则是关乎整个探测装置灵敏度的另一个关键指标，其决定了系统的整体噪声水平。为此，需要开发具有超低噪声的2 μm高功率单频激光器。

目前，实现2 μm光纤激光器单纵模运转(单频)的主要方式有分布式布拉格反射腔(DBR)、分布反馈腔(DFB)和嵌入滤波器的环形腔^[9-11]。从激光模式纯度、激光强度噪声和频率噪声、结构简单等性能特点来看，短腔DBR单频光纤激光器具有更大的潜力。2007年，J. Geng^[12]等人通过与 NASA 的合作，首次在2 μm波段DBR结构的单频光纤激光器研究方面取得突破，获得50 mW单频激光输出。其频率噪声水平由3×10⁴ Hz/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $@10 Hz下降到2×10² Hz/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $@10 kHz。2015年，Q. Yang^[13]等人在1 950 nm波段获得了低噪声、窄线宽的单频激光输出。相对强度噪声(RIN)在0~50 MHz频率范围内，由−70 dB/Hz下降到−135 dB/Hz。并且，其频率噪声水平在50 Hz~4 kHz范围内约为3×10⁵Hz/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $。2017年，S. Fu ^[14]等人首次利用商用掺铥光纤在1950 nm 波段实现了线偏振单频光纤激光器，输出功率大于50 mW，线宽约为36 kHz。在0~5 MHz范围内，RIN水平约为−112~−145 dB/Hz。2018年，S. Xu^[15]等人采用同带泵浦技术与 DBR短腔结构相结合的方式，在1 950 nm波段获得了单频激光输出。当频率在8.4 MHz以上时，输出激光的RIN水平低于−150 dB/Hz。同时，测量得到输出激光的线宽小于12.55 kHz。上述2 μm单频光纤激光器的报道中关于强度噪声的研究很多，而关于频率噪声的研究鲜少提及。然而，频率噪声是决定引力波探测器干涉仪灵敏度最重要的因素之一，因此需要尽可能地降低激光频率噪声。

文中报道了一种应用于下一代引力波探测器的超低噪声2 μm高功率单频光纤激光器。利用声光调制器(AOM)激光反馈回路对泵浦激光的强度噪声进行抑制，2 μm SFFL的RIN获得了3~15 dB的噪声抑制，同时其频率噪声也获得最大8.4 dB的噪声抑制。利用超低噪声激光器作为种子源，结合低噪声全保偏光纤放大技术，在激光频率噪声水平保持不变的情况下，实现输出功率大于5.2 W，频率响应为45 MHz/V，频率漂移为41.4 MHz@1 h，功率波动<0.4%@1 h，线宽<5 kHz稳定的单频激光输出。

超低噪声2 μm单频光纤激光器如图1(a)所示。 泵浦源是 1550 nm 单频激光器(SFL)，其中由一个分布式布拉格反馈(DFB)单频半导体激光器和一级掺铒光纤放大器组成。掺铒光纤放大器采用正向泵浦方式，以1550 nm DFB为种子源，由一个中心波长976 nm的9 W 半导体激光器作为泵浦源，一段 4 m 长的6 μm/125 μm(纤芯直径/包层直径)的双包层铒镱共掺光纤(Nufern, EYDF-6/125)作为增益光纤。1550 nm SFL经过声光调制器(AOM: 50 MHz)后进入一个95/5光学耦合器(Coupler)，其中5%信号端入射到光电探测器(PD: Thorlabs, 600~1700 nm)，经过光信号到电信号的转换后进入PID数字电路中进行信号处理后，通过AOM的驱动器反馈给AOM，形成光反馈回路。而耦合器95%信号端则通过2 μm波段的保偏波分复用器(PM WDM: 1550 nm/2 000 nm)进入PM DBR短腔结构。PM DBR结构是由一对光栅和1.5 cm长的保偏掺铥商用光纤(Nufern, PM TSF 5/125)组成。宽带高反光栅(HR-BW-FBG)和保偏低反光栅(LR-PM-FBG)是由实验室自主刻写的，作为谐振腔的高反镜和输出镜。HR-BW-FBG的中心波长为1989.74 nm，带宽为0.18 nm，反射率为99%。LR-PM-FBG的中心波长为1989.76 nm，带宽为0.09 nm，反射率为90%。并且，PM DBR谐振腔与压电陶瓷(PZT)固定在一起，通过改变压电陶瓷的伸长量改变 DBR谐振腔的腔长，最终实现对激光器输出频率的扫频。最后，2 μm输出激光通过PM WDM的信号输出端后，再经过2 μm保偏光隔离器(PM ISO, 2 000 nm)后输出。

Figure 1.  Experimental setup of the ultra-low noise 2 μm single-frequency PM fiber laser

图1(b)为两级掺铥保偏光纤放大器的结构图。第一级保偏光纤放大器采用793 nm半导体激光器(BWT, LD, 8 W)作为泵浦源，并通过(2+1)×1保偏光纤合束器(PM combiner)耦合进入放大器的增益光纤中。增益光纤是Nufern公司的双包层掺铥光纤PM-TDF-10 P/130-HE，光纤纤芯直径为10 μm，第一包层直径130 μm，纤芯数值孔径0.15，包层吸收系数为9.60 dB/m@793 nm。采用20 cm长剥除涂覆层的PM1550单包层光纤并涂覆高折射率胶对双包层增益光纤中残余的泵浦光进行剥离(CLS)。第二级放大器与第一级的放大器相似，其增益光纤为3 m长的PM-TDF-10 P/130-HE，泵浦光源为2个输出功率8 W的793 nm LD。最后放大的2 μm单频激光通过保偏隔离器(PM ISO)输出。

泵浦的RIN是光纤激光器RIN和频率噪声最主要的噪声来源。因此，利用反馈回路抑制泵浦的RIN可以有效抑制单频激光噪声水平^[16]。实验中采用 Thorlabs公司的铟镓砷放大光电探测器(PDA, 10 CF-EC, 800~2600 nm)和HEWLETE PACKARD公司的频谱分析仪(PSA, 89441 A, DC-2650 MHz)进行测量。当输出激光的直流电压被衰减为5 V时，测量得到的1550 nm单频激光器抑制后的RIN如图2所示。

Figure 2.  RIN of 1 550 nm SFL with and without feedback control loop

当1 550 nm SFL是自由运转时，RIN水平由1 Hz频率处的1×10⁻⁴/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $下降到100 kHz频率处的1.3×10⁻⁷/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $。并且，在1~50 kHz频率范围内RIN出现了缓慢增加，形成了一个半圆形的凸起，这极大可能是由于铒离子的能级结构引起的^[17]。

当反馈回路工作时，1550 nm SFL的RIN获得了5~13 dB抑制，且在1 Hz~1 kHz频率范围内，1550 nm SFL的RIN接近探测器的噪声极限。然而，当频率>50 kHz时，1550 nm SFL的RIN谱线出现明显的增长，这是由于反馈电路中的Unity Gian频率在该频段附近，并且此时的相位发生了突变，同时高频增益不足，无法补偿该高频段的噪声。

当泵浦源 (1550 nm SFL) 功率为345 mW 时，2 μm 单频激光的输出功率为 14.34 mW。图3(a)是泵浦RIN抑制前后2 μm单频光纤激光器的RIN谱。当泵浦无反馈时，2 μm单频光纤激光器的RIN由1 Hz处的4×10⁻⁵/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $ (最大值)减小到100 kHz处的1.3×10⁻⁷/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $(最小值)。当泵浦有反馈时，RIN在1 Hz~50 kHz范围内得到3~15 dB的抑制。并且，在10 Hz~1 kHz频率范围内，2 μm单频光纤激光器的RIN获得了近光电探测器的暗噪声极限的超低噪声水平，约为1.3×10⁻⁷/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $。当频率超过50 kHz时，泵浦有反馈时2 μm单频光纤激光器RIN反而高于泵浦自由运转情况2 μm激光器RIN，这同样是由于AOM反馈电路中高频增益不足，不能补偿泵浦在高频区域的强度噪声，从而导致2 μm单频激光的RIN升高。

Figure 3.  RIN (a) and frequency noise (b) of 2 μm SFFL pumped with and without feedback

采用非平衡的光纤马赫—曾德尔干涉仪(fMZI))^[18]测量了泵浦RIN抑制前后 2 μm 单频光纤激光器的频率噪声，如图3(b)所示。泵浦无反馈时， 2 μm SFFL的频率噪声在1 Hz~50 kHz范围内，频率噪声随频率增加而逐渐减小，并在 50 kHz 频率处获得最小值 3.4 Hz/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $。而当频率大于50 kHz 时， 2 μm单频光纤激光器的频率噪声出现了缓慢的增加，最终近似平稳在10 Hz/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $水平附近。当泵浦有反馈时，2 μm SFFL的频率噪声水平，由 1 Hz处的 3×10³ Hz/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $下降到50 kHz处的 3.3 Hz/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $。同样是在频率大于 50 kHz后，2 μm SFFL的频率噪声出现了缓慢的增加，最终也近似平稳在 10 Hz/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $水平附近。

经过两级掺铥的保偏光纤放大器后，2 µm SFFL的输出功率达到5.2 W。2 μm SFFL及两级掺铥保偏光纤放大器的RIN对比图，如图4(a)所示。当泵浦自由运转时，对比2 μm单频激光和经过两级光纤放大器放大后的RIN可以发现，在6 Hz~50 kHz范围内，2 μm单频激光的水平几乎没有变化，而当在6 Hz以下和50 kHz以上时，2 μm单频激光的RIN出现不同程度的增长，其噪声增长的一个原因是2 μm单频激光在功率放大过程中会引入额外的自发辐射噪声和热噪声，另一个原因是放大器的泵浦源(793 nm LD)的强度噪声耦合引起的。当泵浦进行反馈时，2 μm种子激光经过保偏光纤放大器后RIN也出现了增加，但不会高于泵浦(1550 nm SFL)无反馈时放大后2 μm激光的RIN (蓝色曲线)。此时的2 μm单频激光RIN增加是由放大过程中增益光纤产生的自发辐射噪声和自激振荡引起的。并且，在1 Hz~10 kHz频率范围内，2 μm单频激光的RIN 明显优于自由运转NPRO激光器的RIN。

Figure 4.  RIN (a) and frequency noise (b) of the thulium-doped polarization-maintaining fiber amplifier pumped with and without feedback

2 μm SFFL及其两级掺铥光纤放大器的频率噪声，如图4(b)所示。对比1550 nm SFL 的RIN无反馈时2 μm 种子激光和放大激光的频率噪声，很容易发现两条谱线的频率噪声曲线几乎是相同的。随后，比较1550 nm SFL的RIN有反馈时的2 μm种子激光和放大后激光的频率噪声，发现两条谱线的频率噪声水平也是一样的。两组对比结果表明：2 μm单频激光在放大过程中几乎没有引入其他的额外频率噪声，这是因为种子激光是线偏振的激光，只存在一个偏振态，不会引起频率的波动。除此之外，实验中的2 μm波段单频种子和放大器都封装在恒温隔音隔振的盒子里，也不会引入外部环境噪声。 并且，在频率小于1 kHz时， 2 μm单频激光的频率噪声低于NPRO激光器(Advanced LIGO高功率激光器的种子源)的频率噪声。

压电陶瓷(PZT)的调制频率响应如图5(a)所示。在 1 Hz~100 kHz 频率范围内，频率响应曲线随着频率增加先是保持不变后呈下降趋势，由1 Hz频率处的最大值45 MHz/V下降到100 kHz处的1 MHz。当频率小于3 kHz时，频率响应曲线几乎是一条平坦的直线，其数值大约为45 MHz左右。而在1.8 kHz、2.8 kHz、4 kHz、6 kHz和30 kHz频率附近都出现了振荡峰，这依然是由PZT与PMDBR结构的封装之间形成共振引起的。另外，由于共振的存在，导致PZT的响应带宽限制在2 kHz，这可以通过PZT的不同位置设计得到改善。

Figure 5.  Frequency response to PZT modulation (a) and frequency drift of 2 μm SFFL in 1 h (b)

图5(b)为2 μm SFFL在1 h内的频率漂移。首先，利用PDH(Pound-Drever-Hall)稳频系统将2 μm单频激光器频率锁定在高精细度(Q=4×10⁸)的F-P腔上，并测量了2 μm单频激光稳频后的误差信号在1 h内的电压漂移，其电压漂移值为92 mV。根据PZT的频率响应值45 MHz/V，可以计算得到图5(b)，由图可知该单频光纤激光器在1 h内的频率漂移为41.4 MHz。

利用延时自外差方法测量了5.2 W输出功率下2 μm单频光纤激光器的线宽，采用100 km长的商用单模光纤(SMF28)作为延时光纤。但SMF28光纤在2 μm波段的传输损耗较大，理论上是10 dB/km，实际测量时大约为20 dB/km，因此低功率种子源(14.34 mW)的线宽暂时无法测量，所以只能测量放大后的输出激光线宽。为了避免5.2 W的2 μm单频激光在100 km长的SMF28光纤中产生受激布里渊散射，将输出功率衰减为245 mW再对其线宽进行测量，见图6(a)。由图可知，在5.2 W输出功率下该单频激光的20 dB线宽约为93 kHz，其对应的3 dB线宽约为4.65 kHz。

Figure 6.  Linewidth of 2 μm single-frequency laser at 5.2 W output (a), power stability within 1 h (b) and spectra of 2 μm single-frequency laser before and after amplification (c)

图6(b)是两级掺铥保偏光纤放大器在输出功率为5.2 W时的功率稳定性。当793 nm LD泵浦源的功率为15.45 W时，掺铥保偏光纤放大器的输出功率约为5.2 W，同时测量得到两级掺铥保偏光纤放大器的输出功率在一小时内的波动<0.4%。

图6(c)是2 μm单频种子源和两级保偏光纤放大器的输出激光光谱图。2 μm种子激光和两级放大器输出激光的中心波长都是1989.74 nm，种子的光谱信噪比为70 dB，放大器的光谱信噪比为58 dB。此外，笔者还利用偏振消光比测量仪，测得输出激光的偏振消光比为24 dB。

文中报道了一个低强度噪声和频率噪声的2 μm单频光纤激光器。利用AOM激光功率反馈回路对泵浦源的强度噪声进行抑制，获得了5 dB以上的强度噪声降低(@f=1 Hz~50 kHz)。利用该激光对2 μm单频光纤激光器进行泵浦，获得了超低噪声2 μm单频激光输出。2 μm单频光纤激光器的强度噪声获得了最大15 dB@10 Hz的噪声抑制，且其强度噪声水平接近探测器极限(@f=40~400 Hz)。同时，2 μm单频光纤激光器的频率噪声水平获得最大8.4 dB的噪声抑制(@f=4~5 kHz)，且其频率噪声小于100 Hz/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $@f>13 Hz。利用超低噪声激光器作为种子源，结合低噪声全保偏光纤放大技术，在激光频率噪声水平保持不变的情况下，实现输出功率大于5.2 W，功率波动<0.4%@1 h，频率漂移为41.4 MHz@1 h，线宽小于5 kHz稳定的单频激光输出。该类型的2 μm单频光纤激光器有望成为下一代引力波探测器的候选光源。