喇曼光纤激光器最新进展

一、喇曼光纤激光器最新进展

(一)用于EDFA、RFA的级联喇曼光纤激光器

目前，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1480nm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1060nm附近的激光泵浦锗硅光纤和磷硅光纤都可以获得1480nm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1．06nm的LD阵列总功率为4．2W，泵浦高掺杂长为100m的磷硅光纤，使用两对FBG构成的线形腔，它们的中心波长分别是1240nm和1480nm，其中输出端的1480nm的FBG反射率为30%，其余均为高反，获得最大输出功率为1．9W，转换效率45%，量子效率62%，波长1480nm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，为光纤通信作出了极大贡献。

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80nm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当之无愧的优秀泵浦源，广受人们青睐。2004年S．K．Sim等利用1092nm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1539nm输出13．2W的激光，转换效率为32．5%，是目前在1400～1600nm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的改善。

(二)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(MRFL)应运而生。可调谐多波长喇曼激光器(TMRFL)是DWDM中重要光源，近年来得到广泛关注。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。翌年，Y．G．Han等人对上述TMRFL稍作改进，设计出如图1所示的喇曼激光器。

图1　可调谐多波长喇曼激光器

这种TMRFL由FBG腔和Lyot－Sagnac滤波器组成。四个泵源的波长分别为1425nm、1435nm、1455nm、1465nm，总功率为900mW，由一个无源WDM耦合进入25km、损耗为0．2dB/km标准单模光纤(SMF)。一对FBG分别是工作波长1560．1nm、线宽3．9nm、反射率97%的前端光栅和工作波长1559．9nm、线宽4．5nm、反射率90%的后端光栅。可调谐的Lyot－Sagnac滤波器由50∶50的光纤耦合器，两段保偏光纤(左端长L1、双折射率Δn1;右端长L2、双折射率Δn2)以及全光纤偏振控制器组成。由相关理论可知波长间隔:

两组不同Δn·L的主要是通过入射光的相对偏振角度的不同造成的，全光纤的半波片能够有效地对其进行控制。常温下，获得了波长间隔0．6 nm、7个信道和间隔0．8nm、5个信道的两种输出，消光比都大于30dB。此类多波长喇曼激光器相对同类的掺铒多波长激光器优势明显，能够在常温下高效运转并且功率稳定。而且相对而言，该激光器的调谐简单易行。

(三)用于超连续谱产生的喇曼光纤激光器

近年来，超连续谱(SC)逐渐成为了热点研究课题。SC的产生目前主要有两种方法:压缩超短光脉冲所得到的宽频谱和利用器件的非线性展宽脉冲的频谱。利用非线性效应的方法是最流行的，报道也最多;即高密度的短脉冲在经过非线性介质后，其光谱种产生许多新的频率成分，光谱宽度远大于入射光的谱宽。群速度色散和各种非线性效应，比如自相位调制、交叉相位调制、调制不稳定、受激喇曼散射和四波混频等均可以导致光谱展宽。由于SC光源能在较宽的光谱范围内同时提供多波长、高重复率的超短光脉冲，可望成为未来高速光通信系统的理想光源。2003年M．Prabhu等人利用RFL泵浦单模光纤(SMF)，在功率P＞0dBm时，获得了93nm(1434～1527nm)的SC输出。

该装置如图2(a)所示，包含了2个腔:RFL谐振腔和SC腔。RFL腔由2对FBG，中心波长分别为1239nm和1483．4nm和700m掺磷光纤(PDF)组成，PDF的芯径为6．1μm、NA=0．11。RFL的输出耦合端FBG的反射率R=15%，其余各处均为高反FBG。RFL的泵浦源是掺双包层光纤激光器，输出波长为1064nm，平均功率为8．4W。SC腔为350m的SMF(型号是Flexcor－1060)和一个反馈FBG。实验结果显示:输出的SC功率为2．1W，非线性转换效率94%，光谱强度22．3mW/nm。并且SC对反馈FBG的反射率、SMF的长度、PDF的长度以及环境温度改变比较敏感。

2005年本实验室通过改变腔结构，设计出如图2(b)所示的嵌套式结构。

嵌套式结构的创新之处就是将喇曼光纤激光器的增益光纤复合到超连续谱产生的腔中，即将喇曼增益光纤和单模光纤同时作为超连续谱产生的非线性增益介质。这样在不增加光纤器件的前提下，对结构中已有的介质进行了更为有效的利用。实验中我们以1km的国产掺磷光纤作为喇曼增益介质，FBGs对构成反馈系统，其中一个是高反，另外一个位于输出端的部分反射光栅，反射率为20．6%。激光器最大输出功率为2．5W，半宽0．82nm。通过增加腔内增益介质的长度，我们获得了－30dB宽度为100nm的超连续谱输出。对比图2(a)结构，实验结果表明，输出总功率比分立的两腔结构有一定程度的提高。增益介质的增长也有利于非线性效应在腔内的发生，平坦度也有一定的改善。这种通过改变光栅位置而优化输出的方法同时避免了增加新的损耗。

当然RFL也可以泵浦其他的特种光纤来获取SC。2003年M．Gonzalez－herraez实现了RFL泵浦非零色散位移光纤，获得超过200nm的SC输出; 2004年CarstenG．Jorgensen利用相似的结构泵浦高非线性色散位移光纤获得了3．2W，超过544nm的SC输出。超连续谱能够应用到许多领域，比如压窄超短脉冲，作为光通信光源，用于波形和群速度测量等。

图2　利用喇曼激光器的超连续谱发生器

(四)保偏喇曼光纤激光器

目前绝大部分RFL输出的偏振态都是随机的，这对光通信系统(比如RFA)十分有利。然而在谐波产生、参量转换等领域都需要高质量的线偏光。2004年S．A．Skubchenko等人研制出一种高功率的全光纤保偏RFL(PMRFL)。结构如图3所示。

图3　保偏喇曼光纤激光器

该结构采用掺Ge单模保偏双折射光纤，偏振模耦合系数为－25dB、芯径7μm、损耗2．5dB/km、Δn=0．04、快轴和慢轴的色散参数为βs=59ps²/ km，βF=59．2ps²/km，谐振腔由一对1120nm保偏FBG组成，为了充分吸收泵光，腔后加入了一个高反1064nm的FBG，输出耦合端FBG的反射率可以在4%～50%之间变化。泵源为掺线偏振光纤激光器，输出波长1064nm，线宽0．8nm、平均功率10W，偏振消光比17dB。实验得出:在1120nm处，得到最大的输出功率为4．7W激光输出，斜率效率为87%。此PMRFL的阈值很大程度上依赖泵浦光偏振度;而PMRFL的偏振度主要与增益光纤的偏振模耦合以及FBG谐振腔有关，对泵浦光的依赖性很小;输出激光的斜率效率和泵浦光的偏振度无关。当然这种保偏激光器还在实验阶段，但相对于稀土掺杂保偏光纤激光器而言，它能工作在任意波段，可大大扩展保偏光纤激光器的波长工作范围。

(五)用于产生可见光波段的喇曼激光器

可见相干连续光源在测量学、远程传感、医药、显示等领域有着广泛的应用。一般我们都是通过固体激光器来获取此种光源。随着RFL的发展，2004年YanFeng等人报道了一种多色连续可见光激光器，主要利用了硼酸锂晶体(LBO)第一类临界相位匹配条件，实现级联喇曼谐振腔内混频，可输出550nm、569nm、589nm、606．5nm、625nm的激光。其中LBO晶体的第一类临界相位匹配条件是通过调节晶体温度来满足的。实验装置见图4。

图4　多色可见光喇曼光纤激光器

泵浦源为掺Yb3+双包层单模光纤激光器，输出波长为1100nm，其输出尾端插入一高反FBG，中心波长1178nm，线宽1．2nm。增益光纤是300m长的掺磷单模光纤，掺杂浓度12(mol)%，包层－芯折射率差Δn=0．0107。球面透镜L2(焦距f=8m)使输出光成为准直光，然后再通过球面透镜L1会聚到LBO晶体中，这两个透镜镀了1178nm的增透膜。通过温度控制来满足炉内的LBO第一类临界相位匹配条件，可以获得倍频输出。凹面镜M1，曲率半径为50mm，对1178nm的光高反，作为激光器的后腔镜。二色镜M2对1178nm的光高反，对589nm的光高透，在腔内使可见波段的光向外辐射，并利用不儒斯特棱镜分光输出。当泵浦功率大于6．5W时腔内产生了2级Stokes波，频率分别为1178nm(对应P的喇曼频移1330nm)和1250．5nm(对应Si喇曼频移490nm)，这样LBO晶体中倍频输出光如表1。但是表中的585nm和589nm的光波长间隔很小，且585nm的光为弱光，所以一般来说实验观测不到585nm的激光输出。

表1　混频时相位匹配温度和频率