喇曼光纖放大器技術(shù)條件

喇曼光纖激光器用于EDFA、RFA的級聯(lián)喇曼光纖激光器

摻Er3 放大器( EDFA)是性能最完美、技術(shù)最成熟、應用最廣泛的光放大器,具有高增益、低噪聲、對偏振不敏感等特點,為1. 55μm窗口的光纖通信帶來了一場革命。波長為1 480 nm的高功率級聯(lián)喇曼光纖激光器可以遠程泵浦EDFA, 是全光纖通信的重要泵源之一。用摻Y(jié)b3 雙包層光纖激光器在1 060 nm附近的激光泵浦鍺硅光纖和磷硅光纖都可以獲得1 480 nm的激光輸出。其中鍺硅光纖通過6級喇曼頻移,而磷硅光纖僅需要2級喇曼頻移。因此實驗中使用磷硅光纖為增益介質(zhì)能大大減少了級聯(lián)數(shù),簡化了激光器設(shè)計,減小了腔內(nèi)損耗。2002年, I. A. Bufetov 等人利用1. 06 nm的LD陣列總功率為4. 2 W,泵浦高摻雜長為100 m的磷硅光纖,使用2對FBG構(gòu)成的線形腔,它們的中心波長分別是1 240 nm和1 480 nm,其中輸出端的1 480nm的FBG反射率為30% ,其余均為高反,獲得最大輸出功率為1. 9 W,轉(zhuǎn)換效率45% ,量子效率62% ,波長1 480 nm的高質(zhì)量激光輸出。此類激光器轉(zhuǎn)換效率較高, 結(jié)構(gòu)簡單、緊湊, 經(jīng)濟實用,可以作為EDFA 以及其他稀土摻雜放大器的泵浦源, 在WDM通信系統(tǒng)中有廣泛的應用,為光纖通信做出了極大貢獻。

但是EDFA中的Er3 受能級躍遷機制的限制,只能在C L波段實現(xiàn)80 nm的放大帶寬。隨著通信系統(tǒng)的容量的快速發(fā)展, EDFA已經(jīng)不能滿足需求。RFA具有噪聲低、全波段可放大和利用傳輸光纖做介質(zhì)在線放大的優(yōu)點,因而成為了人們的首選。然而RFA的閾值比較高,往往需要高功率的激光器泵浦。近年來RFL在功率上也取得了很大的突破。高功率的RFL以其耦合效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟實用等特性,是RFA當之無愧優(yōu)秀泵浦源,廣受人們青睞。2004年S. K. Sim等利用1 092 nm的摻Y(jié)b3 光纖激光器泵浦磷硅單模光纖,實現(xiàn)2級喇曼頻移,在1 539 nm輸出13. 2 W的激光,轉(zhuǎn)換效率為32. 5% ,是目前在1 400～ 1 600 nm波段已報道的功率最高的級聯(lián)RFL。當然其轉(zhuǎn)換效率不是很高,且噪聲指數(shù)也不很理想。但是可以預見隨著新技術(shù)、新材料的出現(xiàn), 這些性能指標在不久的將來會有很大地改善。

喇曼光纖激光器用于寬帶RFA的多波長喇曼光纖激光器

自1999年, RFA成功地應用于密集波分復用( DWDM)傳輸系統(tǒng)中以來,以其全波段可放大特性、分布放大特性以及噪聲低等內(nèi)在優(yōu)勢得到了廣泛關(guān)注和迅速發(fā)展。RFA往往采用多個泵浦源以達到寬帶范圍內(nèi)增益平坦化效果。這樣多波長喇曼光纖激光器( M RFL)應運而生。可調(diào)諧多波長喇曼激光器( TM RFL)是DWDM中重要光源,近年來得以廣泛關(guān)注。2003年C. S. Kim等人利用Sagnac環(huán)形濾波器調(diào)諧,實現(xiàn)了RFL的多波長可調(diào)諧輸出。此TMRFL采用全光纖環(huán)境,整個諧振腔不存在腔鏡,大大地降低了腔損耗,提出了一種全新的設(shè)計思想。

喇曼散射效應早在上世紀二十年代就被人們所預言并被實驗證實,而光纖中的sRs則是由貝爾實驗室的IPPen等人于1970年首次發(fā)現(xiàn)。此后,一些文獻陸續(xù)報道了光纖中的sRs缽501以及基于光纖中的sRs、以固體激光器為泵浦源、體光學元件作為反射鏡和采用激光校準系統(tǒng)禍合的喇曼激光器。鑒于當時光纖和光纖光柵等器件的制備技術(shù)和工藝不成熟以及泵浦源與光纖禍合困難等因素的限制,高性能全光纖結(jié)構(gòu)喇曼光纖激光器的研究進展緩慢。

自從加拿大Hin等人于1978年首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏性,并采用駐波法制成第一支光纖光柵和英國Poole等人于1985年用McVD法制成了具有低損耗通信窗口的稀土摻雜光纖后,人們對光纖光柵的特性、制作及其應用和具有低損耗、高增益、高非線性光纖進行了大量研究。上世紀九十年代末開始,隨著在光纖光柵、高非線性光纖和高功率雙包層稀土摻雜光纖激光器等領(lǐng)域取得的飛躍性突破,全光纖結(jié)構(gòu)喇曼光纖激光器理論和實驗研究方面取得了飛速發(fā)展。

為獲得最佳喇曼光纖激光器性能,許多文獻報道了數(shù)值和近似解析分析方法來進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計,喇曼光纖激光器的輸出功率及其光一光轉(zhuǎn)換效率得到很大提高。2000年,E.M.Dianov等結(jié)合磷硅光纖中分別與磷、硅元素相關(guān)的喇曼頻移,采用1064nm摻欽光纖激光器為泵浦源,經(jīng)過三級喇曼頻移,實現(xiàn)了IW的1407nm激光輸出,斜率效率為350。2003年, xiong等用磷硅光纖為增益媒質(zhì),實現(xiàn)了斜率效率幾乎為量子效率的1070.75nm~1248Inn一級喇曼轉(zhuǎn)換。2004年,他們又實驗研究了由不同長度磷硅光纖、不同輸出禍合器反射率組成的20種結(jié)構(gòu)的二級1495lun喇曼光纖激光器,獲得的最高斜率效率為55.60。2006年,R.Vail6e等為克服斯托克斯光譜加寬并超過構(gòu)成諧振腔的光纖布拉格光柵(FBG)反射帶寬而溢出腔外導致的效率降低,采用了Slnn寬的高反射FBG與0.snm寬的窄帶輸出禍合器構(gòu)成諧振腔,實現(xiàn)了93.6%的一級喇曼光一光轉(zhuǎn)換效率。2007年CLEO會議上,Emori等人采用的是65m高非線性鍺硅光纖為增益媒質(zhì),1117nln的泵浦光在線形腔(或F一P腔)中經(jīng)過五級喇曼頻移,實現(xiàn)了目前為止所報道的1480nln波段41W的最高輸出功率。

在此期間,人們也對多波長級聯(lián)喇曼光纖激光器的理論和實驗做了大量的研究工作。2001年,Mennelstein等用F-P腔結(jié)構(gòu)、以1100刊m摻鏡包層泵浦光纖激光器作為泵浦源、利用鍺硅光纖多級喇曼頻移實現(xiàn)了三波長(1427,1455,1480u m)激光輸出,其斜率效率為0.38。通過調(diào)節(jié)由電壓控制的輸出禍合器的反射率大小,可以控制喇曼光纖激光器輸出功率分布,即改變每個波長輸出功率大小。為了放大c波段和L波段的光信號,LePlingard等又報道了一種輸出波長介于1415一148OIun的六波長喇曼光纖激光器,并測量了16個位于15巧~1595nln的

光信號經(jīng)lookm非零色散位移光纖喇曼放大后的開關(guān)增益,增益波動為2.gdB,其原因是未優(yōu)化喇曼光纖激光器輸出的六個波長以及各個波長的功率分布。2003年,A.A.Demidov等用一段磷硅光纖加兩段鍺硅光纖為增益媒質(zhì)構(gòu)成的串聯(lián)雙腔結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了1425/l454/1463nm三波長喇曼光纖激光器,每個波長的輸出功率可在較大范圍內(nèi)進行動態(tài)調(diào)整。2007年,兀ong等結(jié)合磷硅光纖中與兩個喇曼增益峰值對應的喇曼頻移,報道了1428/1454/1495lun的三波長激光輸出。具有固定信道間隔的梳狀濾波器是實現(xiàn)滿足ITU信道標準多波長喇曼光纖激光器的關(guān)鍵器件之一。在實驗結(jié)構(gòu)上,目前報道的濾波器分別有級聯(lián)長周期光纖光柵、基于偏振保持光纖的sa,ae干涉儀、FBo陣列、取樣布拉格光纖光柵、F一p標準具等。

此外,除了硅基光纖喇曼光纖激光器外,利用其它類型高非線性光纖作為增益媒質(zhì)的喇曼光纖激光器也得到不同程度的發(fā)展,如光子晶體光纖(PcF)、磅基光纖、硫(族)化物光纖等。但是,目前鍺硅光纖、磷硅光纖喇曼光纖激光器最受重視,因為這兩種類型光纖在近紅外窗口的具有很好的喇曼增益/損耗比、光敏性、與其它普通光纖兼容性好、熔接損耗低等優(yōu)勢,易于實現(xiàn)高性能的全光纖結(jié)構(gòu)的喇曼光纖激光器。

與國外相比,國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚,如南開大學、深圳大學、廈門大學、華中科技大學、上海交通大學、東南大學、電子科技大學、中科院長春光機所等高等院校以及電子部所屬的一些研究單位,分別對喇曼光纖激光器展開了一系列理論和實驗研究,并取得了一定的進展。2001年,在國家863基金資助下,南開大學李乙鋼等首次報道了全光纖結(jié)構(gòu)的二級級聯(lián)喇曼光纖激光器;2003年,他們通過采取改進泵浦源注入光纖的藕合系統(tǒng)、減小腔損耗等措施,;2005年,該課題組分別以自研的磷硅光纖、FBG為喇曼增益媒質(zhì)和諧振腔反饋元件。由此可見,國內(nèi)在全光纖結(jié)構(gòu)喇曼光纖激光器的研究上,不論是理論上還是實驗上,都取得了不少研究成果。但是,由于實驗條件、器件加工技術(shù)等諸多條件的限制,國內(nèi)在喇曼光纖激光器系統(tǒng)中相關(guān)器件的制備方面(包括喇曼增益光纖、FBG等)與國外相比還存在較大的差距,嚴重影響了激光器輸出功率和轉(zhuǎn)換效率的提高。國內(nèi)在全光纖結(jié)構(gòu)喇曼光纖激光器輸出功率、喇曼轉(zhuǎn)換效率等一些性能指標尚待完善和提高,實用化的全光纖結(jié)構(gòu)喇曼光纖激光器產(chǎn)品報道很少。