1 喇曼光纖雷射器的研究目的與意義
針對工作在15XXIun波段的光纖通信系統,需要工作波長為14XXnm的高功率雷射器作為RFA的泵浦源。因此,發展具有高功率輸出的14XXnm泵浦源是RFA實用化的關鍵要素之一。
14XXnm泵浦光源主要有兩種:一是半導體雷射器(LD)。LD技術目前己經很成熟,它具有體積小、功耗小、壽命長等優點。但是,作為RFA泵浦源具有如下缺陷:(1)由於增益光纖喇曼增益的偏振敏感性,需要將兩個相同波長、垂直偏振的LD通過偏振復用器(PBM)進行偏振復用,增加了系統複雜性和成本;(2)LD雷射與光纖纖芯藕合效率低;(3)當前大功率的14XXnlnLD價格較高,導致單位功率的性價比低等。大多數商業化的14XXrunLD輸出功率指標一般只有幾百mw,而對於一些通信套用場合,要求泵浦源輸出功率指標大於200伽mw,若還要考慮一定的設計餘量,則需要更大功率輸出。因此,商用的14XXnmLD無法滿足這種需求。二是級聯喇曼光纖雷射器口。它的原理與補A相同,均基於光纖中的受激喇曼散射效應(SRS),結構上在喇曼增益光纖的兩端加入了波長選擇元件構成諧振腔。在腔內,輸入的高功率泵浦光經過一第一章緒論級或者多級喇曼頻移(喇曼頻移的大小取決於增益光纖類型),理論上可在任意波長形成高功率和高光束質量雷射輸出。相比而言,普通稀土摻雜光纖雷射器受到稀土離子發射截面限制,只能在特定波長範圍內產生受激輻射輸出雷射。喇曼光纖雷射器在國內外得到廣泛關注和研究,被認為是用於喇曼放大的理想光源。
喇曼光纖雷射器最重要的優點之一就是作為增益媒質的喇曼光纖具有極寬的喇曼增益譜,多波長喇曼光纖雷射器可以同時輸出多個波長,波長間距寬可達幾十納米、窄可滿足國際電信聯盟(ITU)標準的零點幾納米。多波長泵浦的RFA具有幾乎無限制的、平坦的增益頻寬,多波長級聯喇曼光纖雷射器能有效滿足盯A寬頻放大需求。它是通過各個泵浦波長喇曼增益譜的疊加來實現寬頻平坦放大,理論上,通過最佳化選擇多波長級聯喇曼光纖雷射器輸出波長個數、各個泵浦波波長和相應輸出功率大小就可以實現任意頻寬上的平坦增益譜。另外,當前的WDM系統光源一般通過復用單一波長的分布反饋(DFB)雷射器。這種結構的WDM網需要對每個DFB雷射器進行精密的波長控制、散熱管理以及驅動電路設計,大大增加系統的複雜性和成本。通過設計或者選用合理濾波器件,單一喇曼光纖雷射器能實現O、E、S、C、L、U等任一波段內、波長間隔滿足ITU標準的多波長輸出。因此,喇曼光纖雷射器也能作為WDM光源滿足未來超大容量通信需求。
總之,全光纖結構喇曼光纖雷射器作為一種新型的泵浦源設備,具有與現有光纖通信鏈路兼容性好、輸出功率高、工作溫度範圍寬和輸出波長可以靈活設計等突出優勢,可以作為未來大容量WDM系統RFA的泵浦源;多波長喇曼光纖雷射器作為WDM信號光源可以大大減小發射端DFB數量。此外,喇曼光纖雷射器也可對跨洋光纜和光通信幹路中的EDFA進行遠距離泵浦;同時,喇曼光纖雷射器在其它眾多領域也有廣泛的套用價值,如:光感測[33,'41、倍頻器135]、超連續譜產生、生物醫學等。因此,進一步研究和提高喇曼光纖雷射器性能有著非常重要的實際套用意義。
2 國內外研究現狀
喇曼散射效應早在上世紀二十年代就被人們所預言並被實驗證實,而光纖中的sRs則是由貝爾實驗室的IPPen等人於1970年首次發現。此後,一些文獻陸續報導了光纖中的sRs缽501以及基於光纖中的sRs、以固體雷射器為泵浦源、體光學元件作為反射鏡和採用雷射校準系統禍合的喇曼雷射器。鑒於當時光纖和光纖光柵等器件的製備技術和工藝不成熟以及泵浦源與光纖禍合困難等因素的限制,高性能全光纖結構喇曼光纖雷射器的研究進展緩慢。
自從加拿大Hin等人於1978年首次在摻鍺石英光纖中發現光纖的光敏性,並採用駐波法製成第一支光纖光柵和英國Poole等人於1985年用McVD法製成了具有低損耗通信視窗的稀土摻雜光纖後,人們對光纖光柵的特性、製作及其套用和具有低損耗、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雷射器等領域取得的飛躍性突破,全光纖結構喇曼光纖雷射器理論和實驗研究方面取得了飛速發展。
為獲得最佳喇曼光纖雷射器性能,許多文獻報導了數值和近似解析分析方法來進行參數最佳化設計,喇曼光纖雷射器的輸出功率及其光一光轉換效率得到很大提高。2000年,E.M.Dianov等結合磷矽光纖中分別與磷、矽元素相關的喇曼頻移,採用1064nm摻欽光纖雷射器為泵浦源,經過三級喇曼頻移,實現了IW的1407nm雷射輸出,斜率效率為350。2003年, xiong等用磷矽光纖為增益媒質,實現了斜率效率幾乎為量子效率的1070.75nm~1248Inn一級喇曼轉換。2004年,他們又實驗研究了由不同長度磷矽光纖、不同輸出禍合器反射率組成的20種結構的二級1495lun喇曼光纖雷射器,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並超過構成諧振腔的光纖布拉格光柵(FBG)反射頻寬而溢出腔外導致的效率降低,採用了Slnn寬的高反射FBG與0.snm寬的窄帶輸出禍合器構成諧振腔,實現了93.6%的一級喇曼光一光轉換效率。2007年CLEO會議上,Emori等人採用的是65m高非線性鍺矽光纖為增益媒質,1117nln的泵浦光線上形腔(或F一P腔)中經過五級喇曼頻移,實現了目前為止所報導的1480nln波段41W的最高輸出功率。
在此期間,人們也對多波長級聯喇曼光纖雷射器的理論和實驗做了大量的研究工作。2001年,Mennelstein等用F-P腔結構、以1100刊m摻鏡包層泵浦光纖雷射器作為泵浦源、利用鍺矽光纖多級喇曼頻移實現了三波長(1427,1455,1480u m)雷射輸出,其斜率效率為0.38。通過調節由電壓控制的輸出禍合器的反射率大小,可以控制喇曼光纖雷射器輸出功率分布,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等又報導了一種輸出波長介於1415一148OIun的六波長喇曼光纖雷射器,並測量了16個位於15巧~1595nln的
光信號經lookm非零色散位移光纖喇曼放大後的開關增益,增益波動為2.gdB,其原因是未最佳化喇曼光纖雷射器輸出的六個波長以及各個波長的功率分布。2003年,A.A.Demidov等用一段磷矽光纖加兩段鍺矽光纖為增益媒質構成的串聯雙腔結構,實現了1425/l454/1463nm三波長喇曼光纖雷射器,每個波長的輸出功率可在較大範圍內進行動態調整。2007年,兀ong等結合磷矽光纖中與兩個喇曼增益峰值對應的喇曼頻移,報導了1428/1454/1495lun的三波長雷射輸出。具有固定信道間隔的梳狀濾波器是實現滿足ITU信道標準多波長喇曼光纖雷射器的關鍵器件之一。在實驗結構上,目前報導的濾波器分別有級聯長周期光纖光柵、基於偏振保持光纖的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,除了矽基光纖喇曼光纖雷射器外,利用其它類型高非線性光纖作為增益媒質的喇曼光纖雷射器也得到不同程度的發展,如光子晶體光纖(PcF)、磅基光纖、硫(族)化物光纖等。但是,目前鍺矽光纖、磷矽光纖喇曼光纖雷射器最受重視,因為這兩種類型光纖在近紅外視窗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、熔接損耗低等優勢,易於實現高性能的全光纖結構的喇曼光纖雷射器。
與國外相比,國內在該領域的研究起步較晚,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,分別對喇曼光纖雷射器展開了一系列理論和實驗研究,並取得了一定的進展。2001年,在國家863基金資助下,南開大學李乙鋼等首次報導了全光纖結構的二級級聯喇曼光纖雷射器;2003年,他們通過採取改進泵浦源注入光纖的藕合系統、減小腔損耗等措施,;2005年,該課題組分別以自研的磷矽光纖、FBG為喇曼增益媒質和諧振腔反饋元件。由此可見,國內在全光纖結構喇曼光纖雷射器的研究上,不論是理論上還是實驗上,都取得了不少研究成果。但是,由於實驗條件、器件加工技術等諸多條件的限制,國內在喇曼光纖雷射器系統中相關器件的製備方面(包括喇曼增益光纖、FBG等)與國外相比還存在較大的差距,嚴重影響了雷射器輸出功率和轉換效率的提高。國內在全光纖結構喇曼光纖雷射器輸出功率、喇曼轉換效率等一些性能指標尚待完善和提高,實用化的全光纖結構喇曼光纖雷射器產品報導很少。
3 喇曼光纖雷射器最新進展
用於EDFA、RFA的級聯喇曼光纖雷射器
摻Er3+ 放大器( EDFA)是性能最完美、技術最成熟、套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視窗的光纖通信帶來了一場革命。波長為1 480 nm的高功率級聯喇曼光纖雷射器可以遠程泵浦EDFA, 是全光纖通信的重要泵源之一。用摻Yb3+ 雙包層光纖雷射器在1 060 nm附近的雷射泵浦鍺矽光纖和磷矽光纖都可以獲得1 480 nm的雷射輸出。其中鍺矽光纖通過6級喇曼頻移,而磷矽光纖僅需要2級喇曼頻移。因此實驗中使用磷矽光纖為增益介質能大大減少了級聯數,簡化了雷射器設計,減小了腔內損耗。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的磷矽光纖,使用2對FBG構成的線形腔,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% ,其餘均為高反,獲得最大輸出功率為1. 9 W,轉換效率45% ,量子效率62% ,波長1 480 nm的高質量雷射輸出。此類雷射器轉換效率較高, 結構簡單、緊湊, 經濟實用,可以作為EDFA 以及其他稀土摻雜放大器的泵浦源, 在WDM通信系統中有廣泛的套用,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80 nm的放大頻寬。隨著通信系統的容量的快速發展, EDFA已經不能滿足需求。RFA具有噪聲低、全波段可放大和利用傳輸光纖做介質線上放大的優點,因而成為了人們的首選。然而RFA的閾值比較高,往往需要高功率的雷射器泵浦。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、結構緊湊、經濟實用等特性,是RFA當之無愧優秀泵浦源,廣受人們青睞。2004年S. K. Sim等利用1 092 nm的摻Yb3+ 光纖雷射器泵浦磷矽單模光纖,實現2級喇曼頻移,在1 539 nm輸出13. 2 W的雷射,轉換效率為32. 5% ,是目前在1 400～ 1 600 nm波段已報導的功率最高的級聯RFL。當然其轉換效率不是很高,且噪聲指數也不很理想。但是可以預見隨著新技術、新材料的出現, 這些性能指標在不久的將來會有很大地改善。
用於寬頻RFA的多波長喇曼光纖雷射器
自1999年, RFA成功地套用於密集波分復用( DWDM)傳輸系統中以來,以其全波段可放大特性、分布放大特性以及噪聲低等內在優勢得到了廣泛關注和迅速發展。RFA往往採用多個泵浦源以達到寬頻範圍內增益平坦化效果。這樣多波長喇曼光纖雷射器( M RFL)應運而生。可調諧多波長喇曼雷射器( TM RFL)是DWDM中重要光源,近年來得以廣泛關注。2003年C. S. Kim等人利用Sagnac環形濾波器調諧,實現了RFL的多波長可調諧輸出。此TMRFL採用全光纖環境,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計思想。
