喇曼光纤激光器

激光器

喇曼光纤激光器最重要的优点之一就是作为增益媒质的喇曼光纤具有极宽的喇曼增益谱,多波长喇曼光纤激光器可以同时输出多个波长,波长间距宽可达几十纳米、窄可满足国际电信联盟(ITU)标准的零点几纳米。

1 喇曼光纤激光器的研究目的与意义

针对工作在15XXIun波段的光纤通信系统,需要工作波长为14XXnm的高功率激光器作为RFA的泵浦源。因此,发展具有高功率输出的14XXnm泵浦源是RFA实用化的关键要素之一。

14XXnm泵浦光源主要有两种:一是半导体激光器(LD)。LD技术目前己经很成熟,它具有体积小、功耗小、寿命长等优点。但是,作为RFA泵浦源具有如下缺陷:(1)由于增益光纤喇曼增益的偏振敏感性,需要将两个相同波长、垂直偏振的LD通过偏振复用器(PBM)进行偏振复用,增加了系统复杂性和成本;(2)LD激光与光纤纤芯藕合效率低;(3)当前大功率的14XXnlnLD价格较高,导致单位功率的性价比低等。大多数商业化的14XXrunLD输出功率指标一般只有几百mw,而对于一些通信应用场合,要求泵浦源输出功率指标大于200伽mw,若还要考虑一定的设计余量,则需要更大功率输出。因此,商用的14XXnmLD无法满足这种需求。二是级联喇曼光纤激光器口。它的原理与补A相同,均基于光纤中的受激喇曼散射效应(SRS),结构上在喇曼增益光纤的两端加入了波长选择元件构成谐振腔。在腔内,输入的高功率泵浦光经过一第一章绪论级或者多级喇曼频移(喇曼频移的大小取决于增益光纤类型),理论上可在任意波长形成高功率和高光束质量激光输出。相比而言,普通稀土掺杂光纤激光器受到稀土离子发射截面限制,只能在特定波长范围内产生受激辐射输出激光。喇曼光纤激光器在国内外得到广泛关注和研究,被认为是用于喇曼放大的理想光源。

喇曼光纤激光器最重要的优点之一就是作为增益媒质的喇曼光纤具有极宽的喇曼增益谱,多波长喇曼光纤激光器可以同时输出多个波长,波长间距宽可达几十纳米、窄可满足国际电信联盟(ITU)标准的零点几纳米。多波长泵浦的RFA具有几乎无限制的、平坦的增益带宽,多波长级联喇曼光纤激光器能有效满足盯A宽带放大需求。它是通过各个泵浦波长喇曼增益谱的叠加来实现宽带平坦放大,理论上,通过优化选择多波长级联喇曼光纤激光器输出波长个数、各个泵浦波波长和相应输出功率大小就可以实现任意带宽上的平坦增益谱。另外,当前的WDM系统光源一般通过复用单一波长的分布反馈(DFB)激光器。这种结构的WDM网需要对每个DFB激光器进行精密的波长控制、散热管理以及驱动电路设计,大大增加系统的复杂性和成本。通过设计或者选用合理滤波器件,单一喇曼光纤激光器能实现O、E、S、C、L、U等任一波段内、波长间隔满足ITU标准的多波长输出。因此,喇曼光纤激光器也能作为WDM光源满足未来超大容量通信需求。

总之,全光纤结构喇曼光纤激光器作为一种新型的泵浦源设备,具有与现有光纤通信链路兼容性好、输出功率高、工作温度范围宽和输出波长可以灵活设计等突出优势,可以作为未来大容量WDM系统RFA的泵浦源;多波长喇曼光纤激光器作为WDM信号光源可以大大减小发射端DFB数量。此外,喇曼光纤激光器也可对跨洋光缆和光通信干路中的EDFA进行远距离泵浦;同时,喇曼光纤激光器在其它众多领域也有广泛的应用价值,如:光传感[33,'41、倍频器135]、超连续谱产生、生物医学等。因此,进一步研究和提高喇曼光纤激光器性能有着非常重要的实际应用意义。

2 国内外研究现状

喇曼散射效应早在上世纪二十年代就被人们所预言并被实验证实,而光纤中的sRs则是由贝尔实验室的IPPen等人于1970年首次发现。此后,一些文献陆续报道了光纤中的sRs钵501以及基于光纤中的sRs、以固体激光器为泵浦源、体光学元件作为反射镜和采用激光校准系统祸合的喇曼激光器。鉴于当时光纤和光纤光栅等器件的制备技术和工艺不成熟以及泵浦源与光纤祸合困难等因素的限制,高性能全光纤结构喇曼光纤激光器的研究进展缓慢。

自从加拿大Hin等人于1978年首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏性,并采用驻波法制成第一支光纤光栅和英国Poole等人于1985年用McVD法制成了具有低损耗通信窗口的稀土掺杂光纤后,人们对光纤光栅的特性、制作及其应用和具有低损耗、高增益、高非线性光纤进行了大量研究。上世纪九十年代末开始,随着在光纤光栅、高非线性光纤和高功率双包层稀土掺杂光纤激光器等领域取得的飞跃性突破,全光纤结构喇曼光纤激光器理论和实验研究方面取得了飞速发展。

为获得最佳喇曼光纤激光器性能,许多文献报道了数值和近似解析分析方法来进行参数优化设计,喇曼光纤激光器的输出功率及其光一光转换效率得到很大提高。2000年,E.M.Dianov等结合磷硅光纤中分别与磷、硅元素相关的喇曼频移,采用1064nm掺钦光纤激光器为泵浦源,经过三级喇曼频移,实现了IW的1407nm激光输出,斜率效率为350。2003年, xiong等用磷硅光纤为增益媒质,实现了斜率效率几乎为量子效率的1070.75nm~1248Inn一级喇曼转换。2004年,他们又实验研究了由不同长度磷硅光纤、不同输出祸合器反射率组成的20种结构的二级1495lun喇曼光纤激光器,获得的最高斜率效率为55.60。2006年,R.Vail6e等为克服斯托克斯光谱加宽并超过构成谐振腔的光纤布拉格光栅(FBG)反射带宽而溢出腔外导致的效率降低,采用了Slnn宽的高反射FBG与0.snm宽的窄带输出祸合器构成谐振腔,实现了93.6%的一级喇曼光一光转换效率。2007年CLEO会议上,Emori等人采用的是65m高非线性锗硅光纤为增益媒质,1117nln的泵浦光在线形腔(或F一P腔)中经过五级喇曼频移,实现了目前为止所报道的1480nln波段41W的最高输出功率。

在此期间,人们也对多波长级联喇曼光纤激光器的理论和实验做了大量的研究工作。2001年,Mennelstein等用F-P腔结构、以1100刊m掺镜包层泵浦光纤激光器作为泵浦源、利用锗硅光纤多级喇曼频移实现了三波长(1427,1455,1480u m)激光输出,其斜率效率为0.38。通过调节由电压控制的输出祸合器的反射率大小,可以控制喇曼光纤激光器输出功率分布,即改变每个波长输出功率大小。为了放大c波段和L波段的光信号,LePlingard等又报道了一种输出波长介于1415一148OIun的六波长喇曼光纤激光器,并测量了16个位于15巧~1595nln的

光信号经lookm非零色散位移光纤喇曼放大后的开关增益,增益波动为2.gdB,其原因是未优化喇曼光纤激光器输出的六个波长以及各个波长的功率分布。2003年,A.A.Demidov等用一段磷硅光纤加两段锗硅光纤为增益媒质构成的串联双腔结构,实现了1425/l454/1463nm三波长喇曼光纤激光器,每个波长的输出功率可在较大范围内进行动态调整。2007年,兀ong等结合磷硅光纤中与两个喇曼增益峰值对应的喇曼频移,报道了1428/1454/1495lun的三波长激光输出。具有固定信道间隔的梳状滤波器是实现满足ITU信道标准多波长喇曼光纤激光器的关键器件之一。在实验结构上,目前报道的滤波器分别有级联长周期光纤光栅、基于偏振保持光纤的sa,ae干涉仪、FBo阵列、取样布拉格光纤光栅、F一p标准具等。

此外,除了硅基光纤喇曼光纤激光器外,利用其它类型高非线性光纤作为增益媒质的喇曼光纤激光器也得到不同程度的发展,如光子晶体光纤(PcF)、磅基光纤、硫(族)化物光纤等。但是,目前锗硅光纤、磷硅光纤喇曼光纤激光器最受重视,因为这两种类型光纤在近红外窗口的具有很好的喇曼增益/损耗比、光敏性、与其它普通光纤兼容性好、熔接损耗低等优势,易于实现高性能的全光纤结构的喇曼光纤激光器。

与国外相比,国内在该领域的研究起步较晚,如南开大学、深圳大学、厦门大学、华中科技大学、上海交通大学、东南大学、电子科技大学、中科院长春光机所等高等院校以及电子部所属的一些研究单位,分别对喇曼光纤激光器展开了一系列理论和实验研究,并取得了一定的进展。2001年,在国家863基金资助下,南开大学李乙钢等首次报道了全光纤结构的二级级联喇曼光纤激光器;2003年,他们通过采取改进泵浦源注入光纤的藕合系统、减小腔损耗等措施,;2005年,该课题组分别以自研的磷硅光纤、FBG为喇曼增益媒质和谐振腔反馈元件。由此可见,国内在全光纤结构喇曼光纤激光器的研究上,不论是理论上还是实验上,都取得了不少研究成果。但是,由于实验条件、器件加工技术等诸多条件的限制,国内在喇曼光纤激光器系统中相关器件的制备方面(包括喇曼增益光纤、FBG等)与国外相比还存在较大的差距,严重影响了激光器输出功率和转换效率的提高。国内在全光纤结构喇曼光纤激光器输出功率、喇曼转换效率等一些性能指标尚待完善和提高,实用化的全光纤结构喇曼光纤激光器产品报道很少。

3 喇曼光纤激光器最新进展

用于EDFA、RFA的级联喇曼光纤激光器

掺Er3+ 放大器( EDFA)是性能最完美、技术最成熟、应用最广泛的光放大器,具有高增益、低噪声、对偏振不敏感等特点,为1. 55μm窗口的光纤通信带来了一场革命。波长为1 480 nm的高功率级联喇曼光纤激光器可以远程泵浦EDFA, 是全光纤通信的重要泵源之一。用掺Yb3+ 双包层光纤激光器在1 060 nm附近的激光泵浦锗硅光纤和磷硅光纤都可以获得1 480 nm的激光输出。其中锗硅光纤通过6级喇曼频移,而磷硅光纤仅需要2级喇曼频移。因此实验中使用磷硅光纤为增益介质能大大减少了级联数,简化了激光器设计,减小了腔内损耗。2002年, I. A. Bufetov 等人利用1. 06 nm的LD阵列总功率为4. 2 W,泵浦高掺杂长为100 m的磷硅光纤,使用2对FBG构成的线形腔,它们的中心波长分别是1 240 nm和1 480 nm,其中输出端的1 480nm的FBG反射率为30% ,其余均为高反,获得最大输出功率为1. 9 W,转换效率45% ,量子效率62% ,波长1 480 nm的高质量激光输出。此类激光器转换效率较高, 结构简单、紧凑, 经济实用,可以作为EDFA 以及其他稀土掺杂放大器的泵浦源, 在WDM通信系统中有广泛的应用,为光纤通信做出了极大贡献。

但是EDFA中的Er3+ 受能级跃迁机制的限制,只能在C+ L波段实现80 nm的放大带宽。随着通信系统的容量的快速发展, EDFA已经不能满足需求。RFA具有噪声低、全波段可放大和利用传输光纤做介质在线放大的优点,因而成为了人们的首选。然而RFA的阈值比较高,往往需要高功率的激光器泵浦。近年来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、结构紧凑、经济实用等特性,是RFA当之无愧优秀泵浦源,广受人们青睐。2004年S. K. Sim等利用1 092 nm的掺Yb3+ 光纤激光器泵浦磷硅单模光纤,实现2级喇曼频移,在1 539 nm输出13. 2 W的激光,转换效率为32. 5% ,是目前在1 400～ 1 600 nm波段已报道的功率最高的级联RFL。当然其转换效率不是很高,且噪声指数也不很理想。但是可以预见随着新技术、新材料的出现, 这些性能指标在不久的将来会有很大地改善。

用于宽带RFA的多波长喇曼光纤激光器

自1999年, RFA成功地应用于密集波分复用( DWDM)传输系统中以来,以其全波段可放大特性、分布放大特性以及噪声低等内在优势得到了广泛关注和迅速发展。RFA往往采用多个泵浦源以达到宽带范围内增益平坦化效果。这样多波长喇曼光纤激光器( M RFL)应运而生。可调谐多波长喇曼激光器( TM RFL)是DWDM中重要光源,近年来得以广泛关注。2003年C. S. Kim等人利用Sagnac环形滤波器调谐,实现了RFL的多波长可调谐输出。此TMRFL采用全光纤环境,整个谐振腔不存在腔镜,大大地降低了腔损耗,提出了一种全新的设计思想。

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