光纖拉曼放大技術

1、 光纖拉曼放大技術 一拉曼放大原理一拉曼放大原理二光纖拉曼放大器二光纖拉曼放大器三高功率雙包層光纖激光器三高功率雙包層光纖激光器四級聯拉曼光纖激光器四級聯拉曼光纖激光器五光纖拉曼技術在五光纖拉曼技術在WDM系統(tǒng)中的應用系統(tǒng)中的應用六結束語六結束語一拉曼放大原理一拉曼放大原理 受激拉曼散射是一種非線性效應，它將一部分入射光功率轉移到頻率比其低的斯托克斯波上，如果一個弱信號波與一強抽運光波同時在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于抽運光的拉曼增益帶寬內，弱信號光即可以得到放大。這種基于受激拉曼散射機制的光放大器就稱為光纖拉曼放大器（FRA）。 二光纖拉曼放大器二光纖拉曼放大器光纖放大器不但可對光信號直接

2、放大，同時還有實時、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通訊系統(tǒng)中的關鍵器件。因為它不僅解決了衰減對光網絡傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了1550nm頻段的波分復用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復用（WDM）、密集波分復用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸等成為現實，可以說是光纖通信發(fā)展史上一個劃時代的里程碑。目前廣泛使用的光纖放大器主要是摻鉺光纖激光器（EDFA）。目前EDFA的技術開發(fā)和商品化最為成熟。 但由于EDFA受激放大機制的限制，僅能在鉺熒光線寬范圍內得到增益，C波段增益帶寬只有40nm僅覆蓋石英單模光纖低損耗窗口的一部分，制約了光纖固

3、有能夠容納的波長信道數。而基于受激拉曼散射效應的光纖拉曼放大器，由于獨特的增益機理，非常適用于用作寬帶放大器，可在12001600nm光譜范圍內進行放大，近幾年來成為人們研究的熱點，并且已經有實用化的光纖拉曼放大器投入市場。光纖拉曼放大器有許多優(yōu)點： （1）增益介質為普通傳輸光纖，與光纖系統(tǒng)具有良好的兼容性，可以在原有光纖基礎上直接擴容，減少投資；（2）增益波長由抽運光波長決定，不受其它因素限制，理論上只要抽運源的波長適當，就可以放大任意波長的信號光，而且可以多波長抽運貨運EDFA結合，得到寬帶平坦增益放大；（3）利用光纖作為增益介質，可通過增加長度降低對輸入信號功率的要求，能獲得的增益高、竄

4、擾少、噪聲指數低、頻譜范圍寬、溫度穩(wěn)定性好。因此它可以擴展到摻鉺光纖放大器放大的波段，并可以在1.21.6光譜范圍內進行光放大，獲得比EDFA寬得多的增益帶寬；其次，可制作分立式或分布式FRA。分布式光纖拉曼放大器可以對信號光進行在線放大，增加光放大的傳輸距離，特別適用于海底光纜通信系統(tǒng)。而且因為放大是沿著光纖分布而不是集中作用，所以輸入光纖的光功率可以大為減少，從而非線性效應尤其是四波混頻效應大大減弱，這對于大容量DWDM系統(tǒng)是十分適用的。但光纖拉曼放大器在實際應用中最關鍵的是獲得合適波長的高功率抽運源，這也是以往限制光纖拉曼放大器實現遠距離大容量光通訊應用，并走向實用化的主要原因。隨著半導

5、體激光器技術、特種光纖技術的發(fā)展，特別是隨著高功率光纖激光器的研制成功，使光纖拉曼放大器已成為實現超寬大容量遠距離光通訊的最佳選擇。 這種放大器及其相關產品的研發(fā)快速發(fā)展，如Lucent公司利用拉曼放大和EDFA混合放大器傳輸1.6Tbit/s（4040Gbit/s）信號達400km，A l c a t e d 公 司 利 用 拉 曼 放 大 器 獲 得 了32190Gbit/s信號傳輸450km無中繼；Masuda等利用多波長抽運和多級放大，在1.55附近獲得132nm透明增益帶寬；Suzuki等利用多波長分布式光纖拉曼放大器將信道間隔為50GHz、3210 Gbit/s的DWDM信號傳輸了

6、640km。我國在“十五”863計劃中明確提出研制寬帶光纖拉曼放大器，要求在2003年11月底前掌握波分服用（WDM）超長距離光傳輸的系統(tǒng)技術，研制出寬帶拉曼光纖放大器。 寬帶拉曼光纖放大器對抽運源的要求主要有以下幾點： （1）要有較高的輸出功率，對于分立式放大器抽運功率要達到1W左右，分布式放大器的抽運功率也需200mW以上；（2）要有合適的輸出波長，抽運波長的選取主要依據所需拉曼增益譜的中心波長而定。對于石英光纖，拉曼增益峰的抽運光與信號光頻移約13.2THz（110nm），同時為了得到寬帶、平坦的增益曲線，通常也需采用多波長抽運。為了使系統(tǒng)更簡化，也希望實現一臺抽運源能提供多波長的高功率

7、抽運，同時要求輸出波長穩(wěn)定。為了抑制受激布里淵散射，各個抽運源的線寬要大于1nm； （3）要保證有足夠的使用壽命，連續(xù)工作時間應不低于100000h；（4）由于拉曼增益與入射光和信號光的偏振態(tài)有關，抽運光與信號光的偏振態(tài)不同得到的增益不同。當兩者偏振態(tài)一致時，增益最大；當偏振態(tài)相互正交時，幾乎不產生拉曼增益；（5）要保證輸出功率可以方便高效地耦合到光纖中去。 在這方面應用高功率光纖激光器作為抽運源顯示出了明顯的優(yōu)勢。雖然用波長合適的半導體激光器可以直接抽運光纖拉曼放大器，但能發(fā)射光纖拉曼放大所需關鍵抽運波長的半導體激光器種類非常有限，目前主要是1.4的LD，而且LD通常受到其固有特性的限制，輸

8、出功率也較低，無法滿足遠距離大容量通訊，特別是跨洋通訊光纜等拉曼放大的要求。雙包層光纖激光器抽運的級聯拉曼光纖激光器已經可以獲得拉曼光纖放大器所需關鍵波長功率達1W左右的激光輸出。三高功率雙包層光纖激光器三高功率雙包層光纖激光器光纖激光器同半導體激光器和大型激光器相比，因具有結構簡單、散熱效果好、轉換效率高、低域值等優(yōu)點而備受青睞。但對于1左右的波長而言，典型的纖芯直徑為4，這一芯徑遠小于透鏡聚焦后高斯光束的光斑直徑。由于抽運光是直接耦合進直徑低于10的纖芯，這便限制了抽運光的入纖效率，也限制了其應用范圍。近年來，國際上發(fā)展的以雙包層光纖為基礎的包層抽運技術，為提高光纖激光器輸出功率提供了解決

9、途徑。利用雙包層抽運技術的光纖激光器的轉換功率可達80，輸出功率可提高幾個數量級，并且有著接近衍射極限的光束質量和小巧、全固化、低域值等顯著優(yōu)點。利用8W左右雙包層光纖激光器抽運的級聯拉曼激光器，已經可以實現在1.21.5關鍵波長范圍內抽運光纖拉曼放大器所需關鍵波長1W左右的激光輸出。1基本原理Snitzer等人巧妙的提出設計了雙包層光纖，其結構如圖3所示。光纖芯光纖芯外包層外包層保護層保護層激光輸出激光輸出泵浦光泵浦光雙包層光纖是一種具有特殊結構的光纖，它比常規(guī)光纖增加了一個內包層（最早的內包層形狀為圓形），內包層的橫向尺寸和數值孔徑均大于纖芯。纖芯中摻雜稀土元素（Yb，Nd，Er等）。由于

10、內包層繞在單模纖芯的外圍，抽運光在內包層中內反射并多次穿越纖芯被摻雜離子吸收，從而大大提高了抽運效率。內包層的作用體現在兩方面：一方面，內包層的折射率大于纖芯折射率，可保證振蕩激光在單模纖芯中傳播，使輸出激光的模式好、光束質量高；另一方面內包層的折射率又小于外包層的折射率，即內包層構成抽運光的傳播通道，通過合理設計內包層形狀和選擇內包層材料，耦合進內包層的抽運光可以高效地被摻雜纖芯吸收，轉化為激光。 正是由于這一內包層，使得雙包層光纖激光器在保持常規(guī)光纖單模激光器近衍射極限激光輸出前提下，同時可以達到高轉化效率和高功率輸出。一般來說，內包層的尺寸都應大于100，經耦合透鏡聚焦后的焦斑為100左

11、右的抽運光就可以有效地耦合進單模光纖中；并且內包層的數值孔徑較大，一般大于0.4，收集抽運光的能力強，可以保證抽運光高效的耦合進入內包層被摻雜纖芯吸收。2發(fā)展概況 雙包層光纖技術最早開始于20世紀80年代后期，由美國麻省Polariod公司的Snitzer等人提出，此后，基于這種技術光纖激光器獲得了迅速發(fā)展，輸出功率得到逐步提高，由幾百毫瓦上升到幾十瓦，并開始在光通訊、印刷、微加工等行業(yè)中應用。1999年V.Dominic等人報道了他們的輸出功率高達110W的摻鐿雙包層光纖激光器。日本的一個研究小組借助于雙包層光纖激光器包層抽運的思想，提出并實現了一種稱為可以為“任意形狀”的光纖激光器，可望實

12、現近千瓦的連續(xù)激光輸出?，F在，可用于光通信領域的摻鐿的雙包層光纖激光器國外已有產品出售，但也只有美國的IPG Photonics ,JDS Uniphase 和SDL以及俄羅斯的IRE POLUS 等幾家公司，它們所用的是長度大都是50m（或20m）的石英基雙包層光纖。美國IPG公司已經可以提供520W、光束質量因子小于1.05、線偏振輸出、波長1064nm的摻鐿雙包層光纖激光器。然而， 由于石英雙包層光纖的原料制備復雜、要求純度高，拉絲困難，并且不能做到高摻雜（摻雜濃度小于0.2%，一般是0.15%），使光纖激光器所需的光纖長度較長，一般為2050m，因而這種雙包層光纖激光器的價格非常昂貴。

13、近來國內南開大學、復旦大學、上海光機所等單位也對雙包層光纖激光器進行了理論和實踐研究，但激光器輸出功能較小。最近，上海光機所上海市光科技專項基金的資助下，開始了實用化雙包層光纖激光器的研制工作，并已獲得了功率為4.9W、波長為1110nm的連續(xù)激光輸出。我們目前正在進一步改進耦合方法，優(yōu)化實驗系統(tǒng)，以期獲得更高的激光功率輸出，并研制出可供實用的光纖激光器。3光纖的內包層形狀： 雙包層光纖是高功率光纖激光器的核心，內包層的橫截面積、形狀和數值孔徑是限制吸收抽運光功率的主要因素。為了獲得高功率運轉，內包層的數值孔徑應足夠高，橫截面積和纖芯的比應足夠大。最早提出和實現的是圓形內包層，由于其完美的對成

14、性，存在大量的螺旋光，使得大量的光線在內包層的反射過程中永遠也不能到達纖芯，因而不可能有高的效率，所使用的光纖又較長且有漏光現象。 纖芯纖芯外包層外包層保護層保護層圓形內包層雙包層光纖橫剖面內包層內包層為了提高對抽運光的吸收效率，人們一直在努力優(yōu)化內包層的邊界條件，并作了大量的工作。提出了D形、長方形和正方形、梅花形等內包層形狀（圖4），并拉制出這些內包層形狀的雙包層光纖，實驗表明這些內包層形狀的光纖相對于圓形內包層形狀對抽運光的吸收效率大大提高。方形內包層雙包層光纖橫剖面纖芯纖芯內包層內包層外包層外包層保護層保護層圖3-2d D形內包層雙包層光纖橫剖面纖芯纖芯內包層內包層外包層外包層保護層保

15、護層纖芯纖芯內包層內包層外包層外包層保護層保護層星型內包層雙包層光纖橫剖面圖3-2a 矩形內包層雙包層光纖橫剖面內包層內包層外包層外包層保護層保護層目前應用最多的仍然是內包層為矩形的摻鐿雙包層石英光纖。4抽運方式： 將抽運光耦合進雙包層光纖內包層的方式大體上可以分為兩種，第一種方式為端面抽運，第二種方式為側面抽運。隨著布拉格光纖光柵刻寫技術的發(fā)展，已經可以在雙包層光纖的兩端直接刻寫波長和透過率合適的布拉格光纖光柵來代替由鏡面反向構成諧振腔，這樣就可以通過光纖熔接的方法就把半導體激光器的輸出光纖和雙包層合為一體。這種通過直接耦合的方式結構簡單緊湊，并且不需要其他的輔助微調，實現了全光纖化的激光器

16、，并且可望借助光纖光柵的調諧性能實現雙包層光纖激光器的可調諧輸出。除了上述的端面抽運及通過光纖光柵作諧振腔的工作方式外，還發(fā)展了在雙包層光纖的內包層光纖的內包層刻V型槽及采用耦合棱鏡的側面抽運方式。這種抽運方式避免了在抽運端面加波長選擇耦合器（如雙色片、波分復用器），從而可以使摻雜光纖方便地直接和其它光纖熔接，并且可以在整個雙包層光纖的長度上進行多點抽運。但這種抽運方式對加工工藝（如刻V型槽、機械拋光等）的要求非常高，一般不用于連續(xù)的高功率雙包層光纖激光器的抽運，但在脈沖雙包層光纖激光器，特別是雙包層光纖放大器這種抽運方式則顯示了它的優(yōu)越性。5抽運波長的選擇摻Yb光纖的吸收和發(fā)射譜帶非常寬，有

17、潛在的從975 nm到1200 nm的發(fā)射譜段，特別是Yb寬帶增益彌補了其它激光光源1.11.2um處的空白。非常寬的吸收譜帶使抽運源的選擇具有更多的靈活性，可供選擇的激光器有AlGaAs,InGaAs半導體激光器，Nd:YAG 激光器和Nd:YLF激光器等。特別是近年來半導體激光器生產工藝逐漸成熟、價格降低而輸出功率越來越高，為摻Yb光纖激光器的大功率化提供了先決條件。石英光纖中的Yb的兩個較強吸收峰為915nm和975nm，故而現在摻Yb雙包層光纖激光器一般選擇抽運波長為915 nm和975 nm的高功率半導體激光器而不再選用808 nm的半導體激光器。實驗發(fā)現，如果光纖中有雜質或存在結構

18、缺陷，抽運波長越接近摻 Yb光纖的吸收峰975 nm，激光振蕩的閾值越是高，甚至在抽運波長為975 nm時無法產生激光。另外由于915 nm吸收峰較寬，降低了對LD波長精度和帶寬的要求，并且915 nmLD的性能和壽命都優(yōu)于975 nm的LD。所以，抽運源宜選擇高功率915 nm半導體激光器。四級聯拉曼光纖激光器四級聯拉曼光纖激光器 所謂級聯拉曼光纖激光器就是利用已有的單波長較短的抽運源通過帶有類似諧振腔結構的長光纖，從而產生具有合適波長的高階斯托克斯波作為激光輸出。以前常用的級 聯拉曼光纖激光器的抽運源為Nd:YAG和Nd:YLF固體激光器,其輸出波長為1064nm和1313nm,但將它們的高輸出功率有效耦合進光纖比較困難,且噪聲較大。在實際的光纖通信系統(tǒng)中并不實用。目前發(fā)展較快、應用較多的是利用上面所述的雙包層光纖激光器抽運的拉曼光纖激光器。1060nm摻Yb光纖激光器1240nm 1175nm 1117nm outputRaman fiber1117nm 1175nm 1240nm五光纖拉曼技術在五光纖拉曼技術在WDM系系統(tǒng)中的應用統(tǒng)中的應用 Figure 1. 典型的典型的WDM傳輸連接傳輸連接Figure 6. Figure 6. 基于基于EDFAEDFA放大的系統(tǒng)放大的系統(tǒng)(1), (1), 混混合放大，拉曼放大只使用了反向放大合放