光纤拉曼放大技术

光纤拉曼放大技术一．拉曼放大原理二．光纤拉曼放大器三．高功率双包层光纤激光器四．级联拉曼光纤激光器五．光纤拉曼技术在WDM系统中的应用六．结束语一．拉曼放大原理受激拉曼散射是一种非线性效应，它将一部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上，如果一个弱信号波与一强抽运光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于抽运光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可以得到放大。这种基于受激拉曼散射机制的光放大器就称为光纤拉曼放大器（FRA）。二．光纤拉曼放大器光纤放大器不但可对光信号直接放大，同时还有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通讯系统中的关键器件。因为它不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，可以说是光纤通信发展史上一个划时代的里程碑。目前广泛使用的光纤放大器主要是掺铒光纤激光器（EDFA）。目前EDFA的技术开发和商品化最为成熟。但由于EDFA受激放大机制的限制，仅能在铒荧光线宽范围内得到增益，C波段增益带宽只有40nm仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分，制约了光纤固有能够容纳的波长信道数。而基于受激拉曼散射效应的光纤拉曼放大器，由于独特的增益机理，非常适用于用作宽带放大器，可在1200～1600nm光谱范围内进行放大，近几年来成为人们研究的热点，并且已经有实用化的光纤拉曼放大器投入市场。光纤拉曼放大器有许多优点：（1）增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具有良好的兼容性，可以在原有光纤基础上直接扩容，减少投资；（2）增益波长由抽运光波长决定，不受其它因素限制，理论上只要抽运源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光，而且可以多波长抽运货运EDFA结合，得到宽带平坦增益放大；（3）利用光纤作为增益介质，可通过增加长度降低对输入信号功率的要求，能获得的增益高、窜扰少、噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定性好。因此它可以扩展到掺铒光纤放大器放大的波段，并可以在1.2~1.6μｍ光谱范围内进行光放大，获得比EDFA宽得多的增益带宽；其次，可制作分立式或分布式FRA。分布式光纤拉曼放大器可以对信号光进行在线放大，增加光放大的传输距离，特别适用于海底光缆通信系统。而且因为放大是沿着光纤分布而不是集中作用，所以输入光纤的光功率可以大为减少，从而非线性效应尤其是四波混频效应大大减弱，这对于大容量DWDM系统是十分适用的。但光纤拉曼放大器在实际应用中最关键的是获得合适波长的高功率抽运源，这也是以往限制光纤拉曼放大器实现远距离大容量光通讯应用，并走向实用化的主要原因。随着半导体激光器技术、特种光纤技术的发展，特别是随着高功率光纤激光器的研制成功，使光纤拉曼放大器已成为实现超宽大容量远距离光通讯的最佳选择。这种放大器及其相关产品的研发快速发展，如Lucent公司利用拉曼放大和EDFA混合放大器传输1.6Tbit/s（40×40Gbit/s）信号达400km，Alcated公司利用拉曼放大器获得了32×190Gbit/s信号传输450km无中继；Masuda等利用多波长抽运和多级放大，在1.55μｍ附近获得132nm透明增益带宽；Suzuki等利用多波长分布式光纤拉曼放大器将信道间隔为50GHz、32×10Gbit/s的DWDM信号传输了640km。我国在“十五”863计划中明确提出研制宽带光纤拉曼放大器，要求在2003年11月底前掌握波分服用（WDM）超长距离光传输的系统技术，研制出宽带拉曼光纤放大器。宽带拉曼光纤放大器对抽运源的要求主要有以下几点：（1）要有较高的输出功率，对于分立式放大器抽运功率要达到1W左右，分布式放大器的抽运功率也需200mW以上；（2）要有合适的输出波长，抽运波长的选取主要依据所需拉曼增益谱的中心波长而定。对于石英光纤，拉曼增益峰的抽运光与信号光频移约13.2THz（110nm），同时为了得到宽带、平坦的增益曲线，通常也需采用多波长抽运。为了使系统更简化，也希望实现一台抽运源能提供多波长的高功率抽运，同时要求输出波长稳定。为了抑制受激布里渊散射，各个抽运源的线宽要大于1nm；（3）要保证有足够的使用寿命，连续工作时间应不低于100000h；（4）由于拉曼增益与入射光和信号光的偏振态有关，抽运光与信号光的偏振态不同得到的增益不同。当两者偏振态一致时，增益最大；当偏振态相互正交时，几乎不产生拉曼增益；（5）要保证输出功率可以方便高效地耦合到光纤中去。在这方面应用高功率光纤激光器作为抽运源显示出了明显的优势。虽然用波长合适的半导体激光器可以直接抽运光纤拉曼放大器，但能发射光纤拉曼放大所需关键抽运波长的半导体激光器种类非常有限，目前主要是~1.4μｍ的LD，而且LD通常受到其固有特性的限制，输出功率也较低，无法满足远距离大容量通讯，特别是跨洋通讯光缆等拉曼放大的要求。双包层光纤激光器抽运的级联拉曼光纤激光器已经可以获得拉曼光纤放大器所需关键波长功率达1W左右的激光输出。三．高功率双包层光纤激光器光纤激光器同半导体激光器和大型激光器相比，因具有结构简单、散热效果好、转换效率高、低域值等优点而备受青睐。但对于1μｍ左右的波长而言，典型的纤芯直径为4μｍ，这一芯径远小于透镜聚焦后高斯光束的光斑直径。由于抽运光是直接耦合进直径低于10μｍ的纤芯，这便限制了抽运光的入纤效率，也限制了其应用范围。近年来，国际上发展的以双包层光纤为基础的包层抽运技术，为提高光纤激光器输出功率提供了解决途径。利用双包层抽运技术的光纤激光器的转换功率可达80％，输出功率可提高几个数量级，并且有着接近衍射极限的光束质量和小巧、全固化、低域值等显著优点。利用8W左右双包层光纤激光器抽运的级联拉曼激光器，已经可以实现在1.2~1.5μｍ关键波长范围内抽运光纤拉曼放大器所需关键波长1W左右的激光输出。1．基本原理Snitzer等人巧妙的提出设计了双包层光纤，其结构如图3所示。内包层光纤芯外包层保护层激光输出泵浦光双包层光纤是一种具有特殊结构的光纤，它比常规光纤增加了一个内包层（最早的内包层形状为圆形），内包层的横向尺寸和数值孔径均大于纤芯。纤芯中掺杂稀土元素（Yb，Nd，Er等）。由于内包层绕在单模纤芯的外围，抽运光在内包层中内反射并多次穿越纤芯被掺杂离子吸收，从而大大提高了抽运效率。内包层的作用体现在两方面：一方面，内包层的折射率大于纤芯折射率，可保证振荡激光在单模纤芯中传播，使输出激光的模式好、光束质量高；另一方面内包层的折射率又小于外包层的折射率，即内包层构成抽运光的传播通道，通过合理设计内包层形状和选择内包层材料，耦合进内包层的抽运光可以高效地被掺杂纤芯吸收，转化为激光。正是由于这一内包层，使得双包层光纤激光器在保持常规光纤单模激光器近衍射极限激光输出前提下，同时可以达到高转化效率和高功率输出。一般来说，内包层的尺寸都应大于100μｍ，经耦合透镜聚焦后的焦斑为100μｍ左右的抽运光就可以有效地耦合进单模光纤中；并且内包层的数值孔径较大，一般大于0.4，收集抽运光的能力强，可以保证抽运光高效的耦合进入内包层被掺杂纤芯吸收。2．发展概况双包层光纤技术最早开始于20世纪80年代后期，由美国麻省Polariod公司的Snitzer等人提出，此后，基于这种技术光纤激光器获得了迅速发展，输出功率得到逐步提高，由几百毫瓦上升到几十瓦，并开始在光通讯、印刷、微加工等行业中应用。1999年V.Dominic等人报道了他们的输出功率高达110W的掺镱双包层光纤激光器。日本的一个研究小组借助于双包层光纤激光器包层抽运的思想，提出并实现了一种称为可以为“任意形状”的光纤激光器，可望实现近千瓦的连续激光输出。现在，可用于光通信领域的掺镱的双包层光纤激光器国外已有产品出售，但也只有美国的IPGPhotonics,JDSUniphase和SDL以及俄罗斯的IREPOLUS等几家公司，它们所用的是长度大都是50m（或20m）的石英基双包层光纤。美国IPG公司已经可以提供5~20W、光束质量因子小于1.05、线偏振输出、波长1064nm的掺镱双包层光纤激光器。然而，由于石英双包层光纤的原料制备复杂、要求纯度高，拉丝困难，并且不能做到高掺杂（掺杂浓度小于0.2%，一般是0.15%），使光纤激光器所需的光纤长度较长，一般为20~50m，因而这种双包层光纤激光器的价格非常昂贵。近来国内南开大学、复旦大学、上海光机所等单位也对双包层光纤激光器进行了理论和实践研究，但激光器输出功能较小。最近，上海光机所上海市光科技专项基金的资助下，开始了实用化双包层光纤激光器的研制工作，并已获得了功率为4.9W、波长为1110nm的连续激光输出。我们目前正在进一步改进耦合方法，优化实验系统，以期获得更高的激光功率输出，并研制出可供实用的光纤激光器。3．光纤的内包层形状：双包层光纤是高功率光纤激光器的核心，内包层的横截面积、形状和数值孔径是限制吸收抽运光功率的主要因素。为了获得高功率运转，内包层的数值孔径应足够高，横截面积和纤芯的比应足够大。最早提出和实现的是圆形内包层，由于其完美的对成性，存在大量的螺旋光，使得大量的光线在内包层的反射过程中永远也不能到达纤芯，因而不可能有高的效率，所使用的光纤又较长且有漏光现象。纤芯外包层保护层圆形内包层双包层光纤横剖面内包层为了提高对抽运光的吸收效率，人们一直在努力优化内包层的边界条件，并作了大量的工作。提出了D形、长方形和正方形、梅花形等内包层形状（图4），并拉制出这些内包层形状的双包层光纤，实验表明这些内包层形状的光纤相对于圆形内包层形状对抽运光的吸收效率大大提高。方形内包层双包层光纤横剖面纤芯内包层外包层保护层图3-2dD形内包层双包层光纤横剖面纤芯内包层外包层保护层纤芯内包层外包层保护层星型内包层双包层光纤横剖面图3-2a矩形内包层双包层光纤横剖面内包层外包层保护层目前应用最多的仍然是内包层为矩形的掺镱双包层石英光纤。4．抽运方式：将抽运光耦合进双包层光纤内包层的方式大体上可以分为两种，第一种方式为端面抽运，第二种方式为侧面抽运。随着布拉格光纤光栅刻写技术的发展，已经可以在双包层光纤的两端直接刻写波长和透过率合适的布拉格光纤光栅来代替由镜面反向构成谐振腔，这样就可以通过光纤熔接的方法就把半导体激光器的输出光纤和双包层合为一体。这种通过直接耦合的方式结构简单紧凑，并且不需要其他的辅助微调，实现了全光纤化的激光器，并且可望借助光纤光栅的调谐性能实现双包层光纤激光器的可调谐输出。除了上述的端面抽运及通过光纤光栅作谐振腔的工作方式外，还发展了在双包层光纤的内包层光纤的内包层刻V型槽及采用耦合棱镜的侧面抽运方式。这种抽运方式避免了在抽运端面加波长选择耦合器（如双色片、波分复用器），从而可以使掺杂光纤方便地直接和其它光纤熔接，并且可以在整个双包层光纤的长度上进行多点抽运。但这种抽运方式对加工工艺（如刻V型槽、机械抛光等）的要求非常高，一般不用于连续的高功率双包层光纤激光器的抽运，但在脉冲双包层光纤激光器，特别是双包层光纤放大器这种抽运方式则显示了它的优越性。5．抽运波长的选择掺Yb光纤的吸收和发射谱带非常宽，有潜在的从975nm到1200nm的发射谱段，特别是Yb宽带增益弥补了其它激光光源1.1~1.2um处的空白。非常宽的吸收谱带使抽运源的选择具有更多的灵活性，可供选择的激光器有AlGaAs,InGaAs半导体激光器，Nd:YAG激光器和Nd:YLF激光器等。特别是近年来半导体激光器生产工艺逐渐成熟、价格降低而输出功率越来越高，为掺Yb光纤激光器的大功率化提供了先决条件。石英光纤中的Yb的两个较强吸收峰为915nm和975nm，故而现在掺Yb双包层光纤激光器一般选择抽运波长为915nm和975nm的高功率半导体激光器而不再选用808nm的半导体激光器。实验发现，如果光纤中有杂质或存在结构缺陷，抽运波长越接近掺Yb光纤的吸