本文作者饒?jiān)平娮涌萍即髮W(xué)信息與通信工程學(xué)院，光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，光纖光學(xué)研究中心，僅供交流學(xué)習(xí)之用，感謝分享！

引言

自從2010年分布反饋式光纖隨機(jī)激光器的概念提出以來(lái)，光纖隨機(jī)激光器(Random Fiber Laser， RFL) 得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，取得了系列研究成果，涵蓋光纖通信、傳感、成像等研究領(lǐng)域。光纖隨機(jī)激光器不同于常規(guī)光纖激光器，激射過(guò)程不依賴于傳統(tǒng)的諧振腔結(jié)構(gòu)，因而具有結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換效率更高、相位噪聲更低、穩(wěn)定性更好、可靠性更高、壽命更長(zhǎng)、維護(hù)更簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，有望形成新一代的光纖激光器，因此，開(kāi)展光纖隨機(jī)激光技術(shù)的研究具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。

根據(jù)反饋類型分類，光纖隨機(jī)激光器可以主要分為基于瑞利散射分布反饋的光纖隨機(jī)激光器、填充型光纖隨機(jī)激光器和基于隨機(jī)光柵的光纖隨機(jī)激光器三大類別。根據(jù)增益類型分類，光纖隨機(jī)激光器則可以主要分為基于非線性增益( 如拉曼增益和布里淵增益) 的光纖隨機(jī)激光器基于稀土摻雜離子增益的光纖隨機(jī)激光器及基于混合增益的光纖隨機(jī)激光器。其中瑞利散射型和隨機(jī)光柵型光纖隨機(jī)激光器均為實(shí)心光纖中實(shí)現(xiàn)，其發(fā)展歷程也從最早的采用通信用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖逐漸拓展到各種特種光纖，從早期的光譜特性、結(jié)構(gòu)探索的研究逐漸拓展到新機(jī)理、新現(xiàn)象的解釋，在發(fā)掘光纖隨機(jī)激光研究潛力的同時(shí)，也催生出了許多極具特色的研究方向。

本文首先回顧傳統(tǒng)隨機(jī)激光器的起源和發(fā)展歷程，然后介紹光纖隨機(jī)激光器早期的發(fā)展及分類，并著重基于瑞利散射反饋類型的光纖隨機(jī)激光器，綜述了近幾年發(fā)展最熱門的高功率/高效率光纖隨機(jī)激光器、窄線寬光纖隨機(jī)激光器、寬譜發(fā)射光纖隨機(jī)激光器和多模光纖隨機(jī)激光器等方向最新的研究進(jìn)展，并介紹了光纖隨機(jī)激光器在分布式光纖傳感、光纖通信中的應(yīng)用，最后對(duì)光纖隨機(jī)激光器的發(fā)展提出展望。

1、光纖隨機(jī)激光器的發(fā)展歷程

隨機(jī)激光現(xiàn)象涉及光與物質(zhì)相互作用、光子散射、光干涉和非線性光學(xué)等諸多領(lǐng)域的科學(xué)問(wèn)題，其概念最早出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 60 年代，由 BASOV N G 及其合作者提出。ANDERSON P W 等關(guān)于電子在無(wú)序介質(zhì)中安德森局域化現(xiàn)象的研究啟迪了人們對(duì)光子局域化機(jī)制的探索。之后，1994 年 LAWANDY N M 等在 Nature 上報(bào)道了第一個(gè)基于粉末強(qiáng)散射的隨機(jī)激光器，通過(guò)脈沖泵浦在TiO2微粒和羅丹明的膠體溶液中觀測(cè)到了激光輻射現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了對(duì)隨機(jī)激光器的探索熱情，極大地推動(dòng)了隨機(jī)激光的研究，多種形式的隨機(jī)激光器被相繼發(fā)現(xiàn)，如π-共軛聚合物、懸浮染料、隨機(jī)微腔結(jié)構(gòu)、摻雜染料向列液晶、生物組織等。此外，美國(guó)耶魯大學(xué)的CAO H 等基于環(huán)形腔理論很好地解釋了隨機(jī)激光的產(chǎn)生，在此基礎(chǔ)上，研究人員又提出了準(zhǔn)態(tài)模型等理論，對(duì)隨機(jī)激光的產(chǎn)生機(jī)理、工作特性、模式特性等進(jìn)行了深入研究，傳統(tǒng)激光器與隨機(jī)激光器結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1所示。2012年，CAO H 等論證了基于粉末的隨機(jī)激光具有較低的空間相干性， 是進(jìn)行無(wú)散斑全場(chǎng)成像系統(tǒng)的理想的光源。盡管隨機(jī)激光器具有許多有趣的特性，但通常缺少方向性發(fā)射，激射閾值高需要高能脈沖泵浦，隨機(jī)結(jié)構(gòu)在微米乃至納米級(jí)因此產(chǎn)生的隨機(jī)激光能量極低，這些都限制了其實(shí)用化程度。

在隨機(jī)激光器的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出填充型光纖隨機(jī)激光器，這是最早提出的一維隨機(jī)激光器的實(shí)現(xiàn)形式。2007 年，MATOS 等利用在空芯光子晶體光纖內(nèi)填充羅丹明 6 G 溶液作為增益介質(zhì)，并在溶液中混入直徑為 250 nm 的 TiO2納米顆粒作為散射介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)隨機(jī)激光激射的定向輸出，在側(cè)向泵浦下得到非相干光纖隨機(jī)激光，其結(jié)構(gòu)圖如圖 2 ( a) 所示。2012 年，HU Z 等將多面體齊聚倍半硅氧烷( Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes，POSS) 納米顆粒與吡咯597( Pyrromethene 597，PM597) 激光染料混合注入空芯光纖內(nèi)，通過(guò) 纖芯泵浦的方式得到在弱散射系統(tǒng)中的相干型隨機(jī)激光，如圖2(b)所示。2016年，ZHANG W L 等將隨機(jī)包層概念引入到圓柱波導(dǎo)隨機(jī)激光研究中［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(dǎo)結(jié)構(gòu)中，同時(shí)纖芯的增益介質(zhì)控制輸出在光纖軸向，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)激光的較低閾值和具有一定方向性的激光發(fā)射，其輸出特性如圖 2( d) 所示。此外，基于光子晶體結(jié)構(gòu)的填充型光纖隨機(jī)激光器也得到了廣泛研究和關(guān)注。雖然填充型光纖隨機(jī)激光器可以實(shí)現(xiàn)方向性良好的隨機(jī)激光輸出，且其泵浦閾值較塊狀隨機(jī)激光器明顯降低，但其結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)依舊比較復(fù)雜，需要特種空芯光纖及合適的增益及散射介質(zhì)填充，而且由于腔體損耗較大，輸出激光效率很低，與商用光纖的光學(xué)系統(tǒng)兼容性差，限制了其實(shí)用化程度。

另一種常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)光纖隨機(jī)激光的反饋方式是利用光纖上隨機(jī)刻寫的光纖光柵( Fiber Bragg Grating， FBG) 陣列。這一類光纖隨機(jī)激光是由在普通單模光纖或有源增益光纖上寫入的一組隨機(jī)分布的弱反 FBG 構(gòu)成的?；谠摷ど錂C(jī)理的隨機(jī)光纖激光器最早提出于 2009 年，其實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖 3( a) 所示。在摻餌光纖中隨機(jī)間隔刻寫多個(gè)長(zhǎng)度不同的 FBG，且陣列中任意兩個(gè) FBG 間具有隨機(jī)相位差，隨機(jī) FBG 反射光能得到光纖中的摻鉺增益，從而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)激光激射。同理，也可以在無(wú)源光纖中隨機(jī)刻寫 FBG，利用光纖中的拉 曼增益實(shí)現(xiàn)基于隨機(jī) FBG 陣列的拉曼光纖隨機(jī)激光器。該類光纖隨機(jī)激光器由于隨機(jī)反饋強(qiáng)度較高，因而具有低閾值、所需光纖長(zhǎng)度短等特點(diǎn)，但該類激光器輸出效率和功率一般很低，且輸出多為相干隨機(jī)激光，存在較強(qiáng)的模式競(jìng)爭(zhēng)，輸出激光光譜和強(qiáng)度較不穩(wěn)定，隨機(jī)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(jī)的諧振尖峰結(jié)構(gòu)，這一隨機(jī)反射特性導(dǎo)致了輸出光譜強(qiáng)烈的模式競(jìng)爭(zhēng)及光譜不穩(wěn)定。為了穩(wěn)定該相干反饋光纖隨機(jī)激光器的輸出特性，可以通過(guò)注入控制光的方式引入局部增益微擾或引入局部溫度調(diào)控，有效穩(wěn)定輸出并通過(guò)改變控制位置調(diào)節(jié)激射波長(zhǎng)。此外，由于該類型結(jié)構(gòu)具有豐富的隨機(jī)諧振頻率成分，因此有利于開(kāi)展關(guān)于隨機(jī)模式鎖定的基礎(chǔ)研究，基于該類相干光纖隨機(jī)激光器可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)鎖模輸 出的脈沖光隨機(jī)激光，研究大量隨機(jī)諧振腔存在下的脈沖諧振頻率特性。

2010 年，英國(guó)學(xué)者 TURITSYN S 等在 Nature Photonics 上報(bào)道了一種全新的基于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的新型隨機(jī)激光器，光纖纖芯材料的不均勻性會(huì)導(dǎo)致其軸向折射率的隨機(jī)分布，進(jìn)而產(chǎn)生瑞利散射并為隨機(jī)激光的產(chǎn)生提供光學(xué)反饋，同時(shí)，硅基光纖也可作為增益介質(zhì)，通過(guò)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(tǒng)隨機(jī)激光介質(zhì)相比，單模光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可很好地限制光的徑向散射，并嚴(yán)格控制輸出光在光纖軸向上，所以這樣的光纖隨機(jī)激光器能實(shí)現(xiàn)很好的方向性和很高的輸出功率，從根本上克服傳統(tǒng)隨機(jī)激光器的缺陷。分布反饋式光纖隨機(jī)激光( Distributed Feedback Random Fiber Laser，DFB-RFL) 極為獨(dú)特的光學(xué)屬性為激光物理、非線性光學(xué)研究提供了新的平臺(tái)，并為其在光纖通信、光纖傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了新的道路。

自從 DFB-RFL 概念被提出以來(lái)，研究人員在其實(shí)現(xiàn)方式、多波長(zhǎng)、可調(diào)諧、多階激光產(chǎn)生以及混合增益機(jī)制下的隨機(jī)激光產(chǎn)生等方面做了進(jìn)一步的探索，并取得了很好的研究進(jìn)展。國(guó)際上，英國(guó)阿斯頓大學(xué)和俄羅斯新西伯利亞州立大學(xué)在隨機(jī)光纖激光的理論建模、特性分析、新的調(diào)諧研究等方面開(kāi)展了深入廣泛的工作。西班牙和葡萄牙等國(guó)家的學(xué)者在隨機(jī)光纖激光器調(diào)制方式、多波長(zhǎng)輸出、相對(duì)強(qiáng)度噪聲轉(zhuǎn)移以及噪聲特性分析等方面開(kāi)展了系列研究，并探索了其在光信息領(lǐng)域的應(yīng)用。加拿大渥太華大學(xué)利用被布里淵斯托克斯光誘發(fā)和放大的光纖隨機(jī)瑞利散射實(shí)現(xiàn)了 kHz 量級(jí)的窄線寬隨機(jī)激光輸出。國(guó)內(nèi)各高校團(tuán)隊(duì)也開(kāi)展了隨機(jī)光纖激光器的基礎(chǔ)研究。中國(guó)科技大學(xué)利用特殊溶液在空心光纖中實(shí)現(xiàn)了一種弱反饋機(jī)制下的相干隨機(jī)光纖激光器; 北京化工大學(xué)實(shí)現(xiàn)了一種波長(zhǎng)在 1 115 nm 的隨機(jī)光纖激光器; 深圳大學(xué)利用20W摻鐿光纖激光器實(shí)現(xiàn)了一種四級(jí)級(jí)聯(lián)的拉曼光纖激光器; 中國(guó)計(jì)量大學(xué)在摻餌光纖隨機(jī)激光方向?qū)崿F(xiàn)了很低閾值的激射;國(guó)防科技大學(xué)在高功率光纖隨機(jī)激光器方面取得系列突破性進(jìn)展，持續(xù)刷新光纖隨機(jī)激光器輸出功率的世界紀(jì)錄，獲得了千瓦級(jí)光纖隨機(jī)激光輸出，清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所也先后開(kāi)展了大功率光纖隨機(jī)激光器的研究。

作者所在的電子科技大學(xué)光纖傳感與激光團(tuán)隊(duì)為國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展全光纖隨機(jī)激光器研究的團(tuán)隊(duì)。2012年，報(bào)道了基于FBG的半開(kāi)放腔結(jié)構(gòu)的二階光纖隨機(jī)激光器和超長(zhǎng)光纖環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的光纖隨機(jī)激光器; 首次發(fā)現(xiàn)光纖隨機(jī)激光的溫度不敏感特性，并提出了光纖隨機(jī)激光點(diǎn)式傳感概念。2013年，首次提出基于光纖隨機(jī)激光的拉曼光放大概念，并將其應(yīng)用于基于布里淵光時(shí)域分析儀( Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA) 的光纖分布式應(yīng)變、溫度傳感系統(tǒng)中; 提出了單模光纖與其他特種光纖混合增益以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化或特定波長(zhǎng)的光纖隨機(jī)激光輸出。2014 年，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)式反射鏡和短光纖構(gòu)成的半開(kāi)腔 DFB- RFL 結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)大功率輸出的有效途徑，從理論仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩方面論證了該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高功率隨機(jī)激光輸出的可行性，為大功率 DFB-RFL 的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo); 首次將基于光纖隨機(jī)激光的光放大技術(shù)與布里淵和拉曼光放大技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用于基于相位敏感型光時(shí)域反射儀( Phase-sensitive Optical Time-Domain Reflectometry，φ-OTDR) 的光纖振動(dòng)分布式傳感系統(tǒng)中。2015年，提出了基于摻雜石墨烯偏振飽和吸收特性的強(qiáng)度調(diào)制器思路，實(shí)現(xiàn)了 DFB-RFL 的單偏振脈沖產(chǎn)生，調(diào)制的光脈沖寬度達(dá)到亞 ns 量級(jí)。2016 年， 充分利用輸出光功率與偏振態(tài)相關(guān)的特性，提出通過(guò)偏振調(diào)控產(chǎn)生脈沖型光纖隨機(jī)激光。2017年，采用摻鐿光纖與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖混合的共腔光纖隨機(jī)激光結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了1115 nm 的摻鐿和受激拉曼混合增益的隨機(jī)激光，為產(chǎn)生高功率隨機(jī)激光提供了一個(gè)更簡(jiǎn)單、低成本的方案。2018 年，系統(tǒng)研究了基于光纖隨機(jī)激光泵浦的超連續(xù)譜產(chǎn)生并開(kāi)展了多模光纖隨機(jī)激光特性的研究。2019 年，研究了拉曼增益隨機(jī)光纖激光器光譜強(qiáng)度波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性。表 1 列舉了分布式反饋隨機(jī)光纖激光器的主要研究重點(diǎn)及團(tuán)隊(duì)信息。

2 光纖隨機(jī)激光器研究進(jìn)展

自2010年基于瑞利散射型光纖隨機(jī)激光概念提出以來(lái)，經(jīng)歷了前幾年各個(gè)研究方向雨后春筍般的蓬勃發(fā)展，光纖隨機(jī)激光的研究逐漸沉淀在少數(shù)幾個(gè)熱門領(lǐng)域，如高功率/高效率光纖隨機(jī)激光器、窄線寬光纖隨機(jī)激光器等。這些熱門研究方向的實(shí)現(xiàn)及指標(biāo)提升充分利用光纖隨機(jī)激光器獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，既深入挖掘了光纖隨機(jī)激光器的科學(xué)意義和發(fā)展?jié)撃?，又極大豐富了各自領(lǐng)域的研究形式，為各研究方向在特定性能、指標(biāo)上的提升注入強(qiáng)大的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)了諸多傳統(tǒng)技術(shù)路線無(wú)法企及的優(yōu)異特性，滿足特定應(yīng)用的需求。此外，光纖隨機(jī)激光器的發(fā)展也逐漸由起初的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，如基于單模光纖的研究，逐漸拓展到少模、多模研究領(lǐng)域，推動(dòng)了如光纖型無(wú)散斑成像照明技術(shù)的發(fā)展。本節(jié)將逐點(diǎn)介紹近幾年光纖隨機(jī)激光器的熱門研究方向。

2.1 高功率/高效率光纖隨機(jī)激光器

相比于稀土摻雜光纖激光器，拉曼光纖激光器的激射波長(zhǎng)由泵浦波長(zhǎng)和光纖的拉曼頻移決定，可實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)的激光輸出，是獲得特殊波長(zhǎng)激光的最重要手段。此外，拉曼光纖激光器具有量子虧損小、自發(fā)背景噪聲低、無(wú)光子暗化等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)高功率、高亮度激光的重要途徑之一。傳統(tǒng)的拉曼光纖激光器為了得到高功率的輸出，需要仔細(xì)優(yōu)化激光器腔體長(zhǎng)度以及光纖兩端反射鏡的反射率和反射帶寬。DFB-RFL 由于不含有傳統(tǒng)光纖激光器的點(diǎn)式反饋器件( 如 FBG) ，因而結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，具有十分重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。

通常，由于單模光纖后向瑞利散射系數(shù)相對(duì)較低，所以由較長(zhǎng)單模光纖(＞40km) 構(gòu)成的 DFB-RFL 的激射效率明顯低于傳統(tǒng)的拉曼光纖激光器。因此，DFB-RFL 的一個(gè)重要研究方向就是提高其激射效率。2014年，研究人員在基于短腔高功率、高效率 RFL 的研究上取得重要突破，研究結(jié)果表明，通過(guò)采用由一段較短單模光纖和靠近泵浦輸入端的點(diǎn)式反射鏡構(gòu)成的半開(kāi)腔結(jié)構(gòu)，在泵浦端點(diǎn)式反饋鏡和短光纖中的隨機(jī)分布瑞利散射的共同作用下，可以產(chǎn)生高效率、高功率的一階隨機(jī)激光，如圖 5( a) 所示。實(shí)驗(yàn)中采用 10 W 的 1090 nm 泵浦和 1 km 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖獲得了較高輸出功率( 7 W) 和較高光轉(zhuǎn)換效率( 70% ) 的隨機(jī)激光，如圖 5( b) 所示。

進(jìn)一步理論計(jì)算表明，采用更短的光纖時(shí)，最大的光光轉(zhuǎn)化效率會(huì)更高，二階隨機(jī)激光的閾值也會(huì)更高( 圖 6) ，獲得的一階隨機(jī)激光的最大輸出功率會(huì)隨光纖長(zhǎng)度的降低而迅速增大，如采用 100 m 光纖時(shí)，在 240 W泵浦作用下，有望得到 226 W 的一階隨機(jī)激光輸出，光光轉(zhuǎn)化效率為 94% ，逼近量子極限 95%。國(guó)防科技大學(xué)利用強(qiáng)泵浦，用摻鐿光纖激光器泵浦 120 m 長(zhǎng)無(wú)源光纖和 FBG 構(gòu)成的半開(kāi)腔 DFB-RFL，將隨機(jī)光纖激光功率輸出記錄提高到了 193． 5 W( 泵浦功率 221． 4 W) ，光光轉(zhuǎn)化效率約為 89% ，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與 2014 年電子科技大學(xué)的理論預(yù)測(cè)吻合得很好。俄羅斯課題組 VATNIK I D 等論證了在高于閾值時(shí)光纖隨機(jī)激光的光光轉(zhuǎn)換效率接近 100%。上述研究成果表明: 短腔 DFB-RFL 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，可望實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)拉曼光纖激光器更高的輸出效率和功率，從而為高功率光纖激光器的發(fā)展提供新的發(fā)展思路，被美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)( Optical Society of America，OSA) 會(huì)刊 Optics ＆ Photonics News 評(píng)為 2014 年度全球 30 項(xiàng)重要光學(xué)進(jìn)展之一: “Random fiber laser: Simpler and Brighter”( 圖 7) 。可以期待，高功 率隨機(jī)光纖激光器有望在激光加工、激光武器、光學(xué)成像、光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。

近年來(lái)，基于上述短腔高功率光纖隨機(jī)激光器實(shí)驗(yàn)和理論的指導(dǎo)，各個(gè)研究團(tuán)隊(duì)不斷推進(jìn)高功率光纖隨機(jī)激光器的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。國(guó)防科技大學(xué)在高功率光纖隨機(jī)激光領(lǐng)域成果豐碩，2015年，采用主振蕩器功率放大器( Master Oscillator Power-Amplifier，MOPA) 結(jié)構(gòu)放大基于光纖隨機(jī)激光器的種子光，獲得了千 瓦級(jí)的放大光纖隨機(jī)激光輸出，并發(fā)現(xiàn)了在放大過(guò)程中光譜帶寬不展寬的特性，對(duì)維持激光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(jìn)一步提升輸出光功率，采用 20 /130 μm 的少模光纖實(shí)現(xiàn)了超過(guò) 400 W 的光纖隨機(jī)激光輸出，并保持遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的準(zhǔn)高斯分布;首次提出采用高功率自發(fā)輻射( Amplified Spontaneous Emission，ASE) 光源作為泵浦激發(fā)光纖隨機(jī)激光的產(chǎn)生，在全保偏光纖中實(shí)現(xiàn)了百瓦級(jí)的線偏振光纖隨機(jī)激光，ASE泵浦對(duì)于獲得具有低噪聲特性的光纖隨機(jī)激光具有重要意義; 2019年，通過(guò)優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)采用 90 m 的少模摻鍺光纖實(shí)現(xiàn)了近千瓦的光纖隨機(jī)激光輸出，為 目前單級(jí)光纖隨機(jī)激光器輸出功率的世界紀(jì)錄。其他團(tuán)隊(duì)也相繼在該領(lǐng)域發(fā)力，2015 年，俄羅斯課題組 ZLOBINA E A 等采用全保偏光纖及器件實(shí)現(xiàn)了泵浦到一階斯托克斯光 87% 的光光轉(zhuǎn)換效率; 2019 年，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所采用光纖隨機(jī)激光作為種子源的 MOPA 結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了0． 22 nm帶寬光纖隨機(jī)激光 1． 36 kW 最大輸出功率，并通過(guò)改變種子源結(jié)構(gòu)中無(wú)源光纖的長(zhǎng)度，優(yōu)化放大后光譜帶寬。2019 年，清華大學(xué)采用同代泵浦在 MOPA 裝置中實(shí)現(xiàn)了 4 kW 的光纖隨機(jī)激光輸出，3 dB 帶寬從 6． 88 W 種子光的 0． 783 nm 經(jīng)過(guò)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(fā)展過(guò)程中代表性的研究進(jìn)展。

2.2 窄線寬光纖隨機(jī)激光器

窄線寬光纖隨機(jī)激光器是光纖隨機(jī)激光器研究領(lǐng)域另一個(gè)有特色的方向。眾所周知，窄線寬光源在傳感系統(tǒng)里面具有重要地位，對(duì)傳感性能的提升具有重要意義，一直以來(lái)都是傳統(tǒng)激光器的熱門方向，而基于光纖隨機(jī)激光的窄線寬激光器，由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低噪聲、超窄線寬等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了廣泛的研究與關(guān)注。通常來(lái)講，根據(jù)實(shí)現(xiàn)形式的不同，窄線寬光纖隨機(jī)激光器主要包含兩種線寬壓縮機(jī)制: 1) 利用光纖隨機(jī)激光開(kāi)放腔結(jié)構(gòu)，通過(guò)引入窄帶濾波器，對(duì)激射波長(zhǎng)、帶寬進(jìn)行選擇和調(diào)控; 2) 利用分布式瑞利散射，或隨機(jī)光柵結(jié)構(gòu)對(duì)隨機(jī)激射光進(jìn)行線寬壓縮，并可以實(shí)現(xiàn)低噪聲、穩(wěn)定的發(fā)射。

對(duì)于第一種窄線寬光纖隨機(jī)激光器實(shí)現(xiàn)形式，2013 年，SUGAVANAM S 等提出在全開(kāi)放光纖隨機(jī)激光器中引入窄帶 FBG 實(shí)現(xiàn)了 0． 05 nm 的激射帶寬，進(jìn)而引入光纖法布里-珀羅腔( Fiber Fabry-Perot，F(xiàn)FP) ，實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)的窄帶寬激射，結(jié)構(gòu)如圖8( a) 所示。2015年，LEANDROD等通過(guò)采用帶寬更窄的相移光 纖光柵( Phase Shifted Fiber Bragg Grating，PS-FBG) ，實(shí)現(xiàn)了 3． 2 pm 的激射帶寬，裝置如圖 8( b) 所示，并通過(guò) 引入多個(gè)不同中心波長(zhǎng)的 PS-FBG 實(shí)現(xiàn)窄線寬多波長(zhǎng)激射。這一類型窄線寬光纖隨機(jī)激光器的研究充分利用了光纖隨機(jī)激光器的開(kāi)放結(jié)構(gòu)，易于通過(guò)引入點(diǎn)式的選擇器件對(duì)隨機(jī)激射特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。其激射帶寬完全取決于濾波器件，并通過(guò)對(duì)濾波器件中心波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)激射波長(zhǎng)的調(diào)諧。然而，相比傳統(tǒng)單模窄線寬激光器，其帶寬仍然較高。

采用隨機(jī)反饋壓縮線寬的方式可以實(shí)現(xiàn)具有極窄線寬的光纖隨機(jī)激光，該方向的研究以加拿大渥太華大學(xué) BAO X 課題組的工作最具代表性。2013 年，其團(tuán)隊(duì) PANG M 等在布里淵光纖隨機(jī)激光器結(jié)構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)分布式瑞利散射具有對(duì)激射線寬顯著的壓窄效應(yīng)，并觀察到 10 Hz 級(jí)的隨機(jī)尖峰結(jié)構(gòu)，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，利用飛秒激光器在光纖中刻寫的隨機(jī)光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了具有低噪聲的約 2.1 kHz 的窄線寬隨機(jī)激射，為隨機(jī)激射線寬壓窄提供了新技術(shù)路線。在這兩種實(shí)施方案的指導(dǎo)下，該團(tuán)隊(duì)對(duì)窄線寬光纖隨機(jī)激光器進(jìn)行了系統(tǒng)的論證和研究。2016 年，采用瑞利增強(qiáng)型的錐形光纖提供分布式散射，實(shí)現(xiàn)了具有低相對(duì)強(qiáng)度噪聲的 1． 17 kHz 窄線寬光纖隨機(jī)激光。2017 年，在全保偏光纖結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率 25% 的高效率布里淵光纖隨機(jī)激光器，其激射線寬小于 1 kHz 且保持低噪聲的特點(diǎn)。2018 年，通過(guò)將產(chǎn)生的窄線寬布里淵激射重新注入激光器結(jié)構(gòu)中作為泵浦，實(shí)現(xiàn)了多階布里淵激射的多波 長(zhǎng)窄線寬激光器，每一階激光線寬約為 1 kHz，且不同波長(zhǎng)之間的功率差波動(dòng)小于 1． 8 dB。采用類似的結(jié)構(gòu)，結(jié)合隨機(jī)光柵提供隨機(jī)反饋，同樣實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)窄線寬的隨機(jī)激射，相比于隨機(jī)瑞利散射，隨機(jī)光柵降低了激射閾值，支持更多階波長(zhǎng)激射。國(guó)內(nèi)重慶大學(xué) ZHU T 團(tuán)隊(duì)也對(duì)瑞利散射壓窄線寬進(jìn)行了相關(guān)研究，包括采用在摻鉺光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)中采用瑞利壓窄實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)、可調(diào)諧的窄線寬激光，每個(gè)波長(zhǎng)的線寬約為700 Hz。武漢理工大學(xué)采用全光柵光纖實(shí)現(xiàn)了 1． 25 kHz、光信噪比為 75 dB 的超窄線寬光纖隨機(jī)激光器。北京交通大學(xué)研究了瑞利增強(qiáng)光纖用于實(shí)現(xiàn)單模窄線寬隨機(jī)激光器，得到了線寬約 3． 5 kHz、對(duì)比度近 50 dB 的單模激光輸出。

2.3 寬譜發(fā)射光纖隨機(jī)激光器

光纖隨機(jī)激光器結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是開(kāi)放腔，不受限于諧振結(jié)構(gòu)及波長(zhǎng)選擇器件，因而適用于寬譜發(fā)射、多階級(jí)聯(lián)、寬譜可調(diào)諧激光器的研究，近年來(lái)這一領(lǐng)域也涌現(xiàn)出一系列優(yōu)秀成果。2016 年，俄羅斯 BABIN S A 等在全保偏光纖結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了三階拉曼隨機(jī)激光，每一階激光波長(zhǎng)保持相對(duì)窄帶寬的同時(shí)，都達(dá)到了約 80% 的轉(zhuǎn)換效率。中國(guó)計(jì)量大學(xué) DONG X 團(tuán)隊(duì)在半開(kāi)放結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)、可調(diào)諧光纖隨機(jī)激光器輸出。中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 FENG Y 團(tuán)隊(duì)在寬譜可調(diào)諧隨機(jī)激光發(fā)射方面進(jìn)行了出色的研究，2016 年，采用可調(diào)諧的摻鐿激光器泵浦源以及配合高階拉曼激射，實(shí)現(xiàn)了 1 070 ～ 1 370 nm 的寬譜可調(diào)諧發(fā)射。2017 年，為了進(jìn)一步拓寬發(fā)射范圍，他們采用具有更長(zhǎng)波長(zhǎng)色散零點(diǎn)的拉曼光纖，實(shí)現(xiàn)了從 1 ～ 1． 9 μm的超寬譜隨機(jī)激光可調(diào)諧發(fā)射，其實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)及發(fā)射光譜如圖 10 所示。2018 年，該團(tuán)隊(duì)在產(chǎn)生高階 拉曼隨機(jī)激光的同時(shí)，獲得了第九階隨機(jī)激光約 115 W 的高功率輸出，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬譜可 調(diào)諧和高功率輸出的特性。南京郵電大學(xué)研究了多倍布里淵頻移的多波長(zhǎng)布里淵摻鉺光纖激光器，輸出 波長(zhǎng)可以在 60 nm 范圍內(nèi)調(diào)諧。

此外，為了充分利用開(kāi)放結(jié)構(gòu)寬譜反饋的特性，通過(guò)引入非線性光纖，電子科技大學(xué) MA R 等實(shí)現(xiàn)了光纖隨機(jī)激光全開(kāi)放結(jié)構(gòu)中的超連續(xù)譜產(chǎn)生，光纖隨機(jī)激光作為橋梁，將正常色散區(qū)的泵浦源通過(guò)產(chǎn)生的隨機(jī)激光激發(fā)超連續(xù)譜產(chǎn)生，在全開(kāi)放結(jié)構(gòu)中獲得了 10 dB 帶寬、172 nm 的寬譜發(fā)射，在半開(kāi)放及全開(kāi)放結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的光纖隨機(jī)激光泵浦的超連續(xù)譜如圖 11 所示。后續(xù)研究中，在后向散射增強(qiáng)的光纖結(jié)構(gòu)中首次發(fā)現(xiàn)后向超連續(xù)譜產(chǎn)生，該后向超連續(xù)譜具有相對(duì)強(qiáng)度噪聲低的特點(diǎn)，為寬譜低噪聲光源的研制提供了新思路。2019 年，國(guó)防科技大學(xué) CHEN L 等基于光纖隨機(jī)激光泵浦在 1 km 無(wú)源雙包層單模光纖中實(shí)現(xiàn)了 20 dB帶寬、高達(dá) 500 nm 的超連續(xù)譜，論證了光纖隨機(jī)激光可以成為一種新穎、簡(jiǎn)單、低成本、低相干、具有魯 棒性的近紅外超連續(xù)譜生成方法。

2. 4 多模隨機(jī)光纖激光器無(wú)散斑成像研究

光纖隨機(jī)激光器的研究主要集中在單模光纖結(jié)構(gòu)中，這是因?yàn)樵趩文９饫w結(jié)構(gòu)中具有較高的非線性效應(yīng)，因此激射閾值相對(duì)較低，容易在開(kāi)放結(jié)構(gòu)的光纖隨機(jī)激光器中實(shí)現(xiàn)隨機(jī)激射。光纖隨機(jī)激光器的不斷發(fā)展，逐漸衍生出基于少模、多模光纖隨機(jī)激光的研究。在 2013 年，俄羅斯的 BABIN S A 團(tuán)隊(duì)通過(guò)高功率激光二極管( 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(kāi)放結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多模光纖中的隨機(jī)激光激射，其閾值也高達(dá) 40 W，閾值之上的隨機(jī)激光具有類似傳統(tǒng) GRIN 光纖中拉曼自凈化帶來(lái)的光束質(zhì)量提升。2015 年，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) DU X 等通過(guò)結(jié)合基于單模光纖的隨機(jī)激光器結(jié)構(gòu)與少模光纖光柵( Few Mode Fiber Bragg Grating，F(xiàn)M-FBG) ，實(shí)現(xiàn)了輸出激光空間模式的可調(diào)。2019 年，英國(guó)阿斯頓大學(xué) ZULKIFLI M Z 等基于 17 km 少模光纖實(shí)現(xiàn)了少模光纖隨機(jī)激光激射。傳統(tǒng)隨機(jī)激光器由于具有低空間相干性而適合用于無(wú)散斑成像照明系統(tǒng)，本文作者所在團(tuán)隊(duì)充分發(fā) 揮光纖隨機(jī)激光器方向性好、平均功率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、泵浦要求低等優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展了基于大芯徑階躍多模光纖隨機(jī)激光空間相干性的研究。2018 年，該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)對(duì)比了單模、多模光纖隨機(jī)激光器以及寬譜 ASE 光源、傳統(tǒng) 窄線寬激光器( Narrow Linewidth Laser，NLL) 在照明成像系統(tǒng)中的散斑特性，不同機(jī)制下的散斑對(duì)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(jī)激光不僅具有與傳統(tǒng)多模非相干光可比擬的低空間相干性，同時(shí)得益于激光激射過(guò)程具有高光譜密度的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于透過(guò)強(qiáng)散射介質(zhì)進(jìn)行成像具有重要意義。為了滿足光學(xué)相干斷層掃描( Optical Coherence Tomography，OCT) 等系統(tǒng)關(guān)于寬譜光源的需求，課題組還開(kāi)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(zhǎng)度對(duì)空 間相干性及散斑特性的影響。2019 年，基于 MOPA 結(jié)構(gòu)的高功率光纖隨機(jī)激光器，研究了高功率多模光纖隨機(jī)激光的散斑特性，結(jié)果表明激光器的功率對(duì)于散斑對(duì)比度的降低也有重要貢獻(xiàn)，功率的增加能激發(fā)多模光纖中更多的有效模式，模式數(shù)的增加能有效降低光束的空間相干性。

多模隨機(jī)光纖激光器的研究目前尚屬于起步階段，其諸多特性仍有待深入發(fā)掘完善。例如，空間相干性可調(diào)多模隨機(jī)光纖激光器有較好的研究前景，以滿足不同應(yīng)用對(duì)空間相干性靈活的需求，如自由空間光通信、鬼成像等領(lǐng)域。其次，針對(duì)多模隨機(jī)光纖激光與實(shí)際成像系統(tǒng)的結(jié)合，對(duì)生物成像的影響等，根據(jù)特定成像系統(tǒng)對(duì)光源的要求對(duì)隨機(jī)激光結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等仍有大量工作值得開(kāi)展論證。除了將其利用到無(wú)散斑成像等應(yīng)用領(lǐng)域，多模隨機(jī)光纖激光本身的激光特性，特別是在多模光纖中直接產(chǎn)生多模激射、相關(guān)的非線性效應(yīng)、模式穩(wěn)定性、多模激射熱管理效應(yīng)等都需進(jìn)一步研究。

3 光纖隨機(jī)激光器應(yīng)用進(jìn)展

光纖隨機(jī)激光器因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、低噪聲輸出特性等，在分布式光纖傳感、光通信等應(yīng)用領(lǐng)域得到了重要的應(yīng)用，本節(jié)將重點(diǎn)介紹光纖隨機(jī)激光在光纖分布式傳感、超長(zhǎng)距離點(diǎn)式傳感及長(zhǎng)距離光通信中的應(yīng)用。

3.1 光纖隨機(jī)激光器在分布式傳感中的應(yīng)用

相對(duì)于分立式的光纖放大技術(shù)，分布式拉曼放大(Distributed Raman Amplification，DRA) 技術(shù)在噪聲指數(shù)、非線性損傷、增益帶寬等諸多方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，在光纖通信與傳感領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。高階 DRA 可使增益深入鏈路內(nèi)部以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)無(wú)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(guī)高階 DRA 相比，基于超長(zhǎng)光纖激光器的 DRA 簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且具有增益鉗制作用，展示出很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。但是，該放大方法尚面臨泵浦-探測(cè)相對(duì)強(qiáng)度噪聲轉(zhuǎn)移、光信噪比有待提升等制約其應(yīng)用于長(zhǎng)距離光纖傳輸/傳感的瓶頸問(wèn)題。

2013 年，基于高階 DFB-RFL 泵浦的 DRA 新概念被提出并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于 DFB-RFL 獨(dú)有的半開(kāi) 放腔結(jié)構(gòu)，其反饋機(jī)制僅僅依賴于光纖中隨機(jī)分布的瑞利散射，產(chǎn)生的高階隨機(jī)激光的光譜結(jié)構(gòu)、輸出功率均展現(xiàn)出優(yōu)異的溫度不敏感特性，所以高階 DFB-RFL 能形成一個(gè)非常穩(wěn)定的低噪聲全分布式泵浦源。圖 13( a) 所 示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于高階 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(tài)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，后向二階隨機(jī)激光泵浦次之( 3． 8 dB) ，而前向隨機(jī)激光泵浦與一階雙向泵浦接近，分別為 5． 5 dB 及 4． 9 dB，后向 DFB-RFL 泵浦的表現(xiàn)為較低的平均增益和增益波動(dòng)。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)中前向 DFB-RFL 泵浦在透明傳輸窗口的有效噪聲系數(shù)比雙向一階泵浦的低 2． 3 dB， 比雙向二階泵浦低 1． 3 dB。該方案相比于常規(guī) DRA 在抑制相對(duì)強(qiáng)度噪聲轉(zhuǎn)移、實(shí)現(xiàn)全程均衡傳輸/傳感等方面綜合優(yōu)勢(shì)明顯，且隨機(jī)激光對(duì)溫度不敏感，穩(wěn)定性好，因此，基于高階 DFB-RFL 的 DRA 可為長(zhǎng)距離光纖傳輸/傳感提供低噪聲、穩(wěn)定的分布式均衡放大，具有實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離無(wú)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(shù)領(lǐng)域的重要分支，具有以下突出優(yōu)勢(shì): 光纖本身就是傳感器，集傳感與傳輸于一體; 可連續(xù)感知光纖路徑上各點(diǎn)的溫度、應(yīng)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(dá)數(shù)十萬(wàn)點(diǎn)的傳感信息，可構(gòu)成目前距離最長(zhǎng)、容量最大的傳感網(wǎng)絡(luò)。DFS 技術(shù)在輸電線纜、油氣管道、高速鐵路、橋梁隧道等關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大設(shè)施安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高空間分辨率與測(cè)量精度的DFS，尚面臨光纖損耗所致的大范圍低精度區(qū)域、非線性所致的譜展寬、非局域化所致的系統(tǒng)誤差等挑戰(zhàn)。

基于高階 DFB-RFL 的 DRA 技術(shù)具有增益平坦、噪聲較低、穩(wěn)定性好等獨(dú)特性質(zhì)，可在 DFS 應(yīng)用中扮演重要的角色。首先，其被應(yīng)用于 BOTDA，用于測(cè)量施加在光纖上的溫度或應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)裝置如圖 14( a) 所 示，這里采用了二階隨機(jī)激光與一階低噪聲 LD 的混合泵浦方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)達(dá) 154． 4 km 的 BOTDA系統(tǒng)具有5 m 的空間分辨率和 ± 1． 4 ℃的溫度精度，如圖14( b) 、( c) 所示。此外，高階 DFB-RFL 的 DRA 技術(shù) 被應(yīng)用于提升用于探測(cè)振動(dòng)/擾動(dòng)的相位敏感型光時(shí)域反射儀( Φ-OTDR) 的傳感距離，創(chuàng)紀(jì)錄的 175 km 傳 感距離中實(shí)現(xiàn)了 25 m 的空間分辨率。2019 年，通過(guò)前向二階 RFLA 和后向三階光纖隨機(jī)激光放大的混合，F(xiàn)U Y 等將無(wú)中繼器 BOTDA 的感應(yīng)范圍擴(kuò)展到 175 km，據(jù)我們所知，該系統(tǒng)已經(jīng)是迄今為止報(bào)道的無(wú)中 繼器 BOTDA 的最長(zhǎng)距離和最高品質(zhì)因數(shù)( Figure of Merit，F(xiàn)oM) 。這是三階光纖隨機(jī)激光放大首次應(yīng)用于分布式光纖傳感系統(tǒng)． 該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)證實(shí)，高階光纖隨機(jī)激光放大可以提供高且平坦的增益分布，并具有可容 忍的噪聲水平。

3. 2 光纖隨機(jī)激光器在超長(zhǎng)距離點(diǎn)式傳感中的應(yīng)用

基于拉曼增益的隨機(jī)分布反饋式光纖激光，其輸出光譜已經(jīng)被證實(shí)在不同的環(huán)境條件下較寬且穩(wěn)定，而半開(kāi)腔 DFB-RFL 的激射光譜位置和帶寬與所添加的點(diǎn)式反饋器件的光譜高度相關(guān) 。如果點(diǎn)式反射鏡( 如 FBG) 的光譜特性隨外界環(huán)境變化，則光纖隨機(jī)激光器的激射光譜也會(huì)發(fā)生變化。基于此原理，光纖隨機(jī)激光器可以用于實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離點(diǎn)式傳感功能。

在 2012 年報(bào)道的研究工作中，通過(guò)一個(gè) DFB-RFL 光源和 FBG 反射，可以在 100 km 長(zhǎng)光纖中產(chǎn)生隨機(jī)激光。通過(guò)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以分別實(shí)現(xiàn)一階和二階激光輸出，如圖 15( a) 所示。對(duì)于一階結(jié)構(gòu)，泵浦源是 1 365 nm 激光器，與一階斯托克斯光波長(zhǎng)( 1 455 nm) 匹配的 FBG 傳感器放在光纖另外一端。二階結(jié)構(gòu)包含一個(gè) 1 455 nm 點(diǎn)式 FBG 反射鏡，反射鏡放在泵浦端使之更容易產(chǎn)生激射，而 1 560 nm FBG 傳感器放置在光纖遠(yuǎn)端。產(chǎn)生的激射光在泵浦端輸出，通過(guò)測(cè)量出射光的波長(zhǎng)變化量就可以實(shí)現(xiàn)溫度傳感。激射波長(zhǎng)隨 FBG 溫度變化的典型關(guān)系如圖 15( b) 所示。

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

利用類似于上述方法的 200 km 點(diǎn)式傳感系統(tǒng)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，如圖 16 所示。研究結(jié)果表明，由于該系統(tǒng)傳感距離較長(zhǎng)，反射回的傳感信號(hào)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(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)測(cè)量，為同時(shí)測(cè)量 11 個(gè)點(diǎn)的溫度信息提供了可能。而且這個(gè)數(shù)字還可增加，如文獻(xiàn)中提到的，一個(gè)基于 22 個(gè) FBG 的光纖隨機(jī)激光器能夠在 22 個(gè)不同波長(zhǎng)上工作。但方案需要一對(duì)等長(zhǎng)的光纖，對(duì)光纖資源的需求相比前述方法增加了一倍。

2016年，借鑒于光纖通信中的光學(xué)遙泵技術(shù)( 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，全面理論分析并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)了一種基于有源光纖的1． 5 μm 波段的長(zhǎng)距離 RFL，如圖 17( a) 所示。另外該隨機(jī)激光系統(tǒng)在長(zhǎng)距離點(diǎn)式傳感中也有良好的表現(xiàn)。以點(diǎn)式溫度傳感為例，該結(jié)構(gòu)的隨機(jī)激光輸出端的峰值波長(zhǎng)與加在FBG上的溫度呈線性變化關(guān)系，并且該傳感系統(tǒng)具有波分復(fù)用功能，如圖 17( b) 和( c) 所示。特別要指出的是，相比于之前的結(jié)構(gòu)，該方案具有更低的閾值和更高的信噪比。

在未來(lái)的研究中，通過(guò)不同泵浦方式和反射鏡的設(shè)計(jì)，有望實(shí)現(xiàn)性能更為優(yōu)越的超長(zhǎng)距離光纖隨機(jī)激光器點(diǎn)式傳感系統(tǒng)。

3.3 光纖隨機(jī)激光器在光纖通信中的應(yīng)用

超長(zhǎng)距離無(wú)中繼光傳輸一直是光纖通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，新型光放大技術(shù)的探索是進(jìn)一步延伸無(wú)中繼光傳輸距離的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題?；?DFB-RFL 的 DRA 技術(shù)為長(zhǎng)距離無(wú)中繼光傳輸提供了一種新的光放大方法。2015 年，ROSA P 等研究了基于 DFB-RFL 的 DRA 應(yīng)用于波分復(fù)用( Wavelength Division Multiplexing， WDM) 傳輸系統(tǒng)中的特性。圖 18 為該放大方案的結(jié)構(gòu)示意圖，采用 1 365 nm 雙端泵浦結(jié)構(gòu)，僅在信號(hào)接收端加一個(gè) 1 455 nm 的 FBG，從而使得激射的 1 455 nm 隨機(jī)激光主要能量分布方向和信號(hào)光傳輸方向相 反，這樣可有效減小隨機(jī)激光拉曼泵浦光轉(zhuǎn)移到信號(hào)光的相對(duì)強(qiáng)度噪聲。另一方面，采用雙端泵浦結(jié)構(gòu)，使得 信號(hào)光沿光纖的功率分布相對(duì)平坦很多( 圖 18) ，從而提高系統(tǒng)的信噪比． 對(duì) 25 GHz 信道間隔的 100 信道、 50 km 長(zhǎng)的 WDM 光傳輸系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明( 圖 19) ，采用該放大方案時(shí)，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(tǒng)中具有優(yōu)異的表現(xiàn)。

2016 年，TAN M 等將圖 18 所示的基于 DFB-RFL 的 DRA 技術(shù)應(yīng)用于 10 × 116 Gb /s DP-QPSK WDM 中，并比較了該方案與基于傳統(tǒng)拉曼激光器( 光纖兩端均放置 1 455 nm FBG) 的 DRA 方案以及傳統(tǒng)二階拉曼放大方案( 光纖一端同時(shí)注入 1 365 nm 和 1 455 nm 泵浦) 的傳輸性能。結(jié)果表明，采用 DFB-RFL 的 DRA 技術(shù)能獲得最長(zhǎng)的傳輸距離，達(dá)到 7 915 km。圖 20 為采用 DFB-RFL 的 DRA 技術(shù)，信號(hào)光傳輸7 915 km 后的光學(xué)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(dòng)較小，且均 在 Q 值閾值之上。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，基于 DFB-RFL 的 DRA 技術(shù)在超長(zhǎng)距離無(wú)中繼光傳輸中具有較大的潛力和優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

光纖隨機(jī)激光器經(jīng)歷了近十年的高速發(fā)展，研究領(lǐng)域涵蓋了傳統(tǒng)光纖激光器的主流方向，并在高功率/ 高效率、窄線寬、寬譜發(fā)射、分布式光放大、長(zhǎng)距離光纖傳感與通信等領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展，帶動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域核心技術(shù)指標(biāo)的顯著提升，同時(shí)也為光纖隨機(jī)激光器領(lǐng)域的發(fā)展注入了持久的動(dòng)力。

回顧過(guò)去幾年光纖隨機(jī)激光器整體的發(fā)展歷程，其研究已經(jīng)從簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、激射特性的研究，逐漸轉(zhuǎn)向更深層次的探索，如從傳統(tǒng)商用單模光纖為主的結(jié)構(gòu)開(kāi)始向基于少模、多模光纖以及特種新型光纖結(jié)構(gòu)的拓展; 在光纖隨機(jī)激光模式特性及新機(jī)理研究方面，從早期基于受激拉曼散射、受激布里淵散射的研究，逐漸拓展到調(diào)制不穩(wěn)定、二次諧波產(chǎn)生等非線性光學(xué)效應(yīng)的研究; 進(jìn)一步，關(guān)注的激射波長(zhǎng)也從早期的近紅外通信波段為主，逐漸涵蓋可見(jiàn)光到中紅外的寬波段發(fā)射。

盡管如此，光纖隨機(jī)激光器的研究仍有大量值得繼續(xù)深入探討的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。目前針對(duì)少模、多模機(jī)制下的光纖隨機(jī)激光器研究尚屬于起步階段，隨機(jī)激射在該領(lǐng)域的新特性仍有待挖掘; 光纖隨機(jī)激光器的研究主要集中在連續(xù)光機(jī)制下，對(duì)于其在脈沖產(chǎn)生、模式鎖定、孤子特性等超快領(lǐng)域的研究仍比較匱乏，光纖隨機(jī)激光器寬譜發(fā)射、寬帶反饋的特性與超窄脈沖產(chǎn)生之間的聯(lián)系仍有待揭示和發(fā)展; 光纖隨機(jī)激光器在中紅外領(lǐng)域的發(fā)展仍相對(duì)很少，由于隨機(jī)激射不受限于波長(zhǎng)選擇器件，極有利于新波段激光器的研制，且開(kāi)放腔結(jié)構(gòu)高功率/高效率激射的特性，對(duì)于發(fā)展高功率中紅外激光器具有重要借鑒意義; 此外，光纖隨機(jī)激光在超長(zhǎng)距離傳感、分布式放大、無(wú)散斑成像等應(yīng)用領(lǐng)域仍具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。