光纤拉曼放大技术

（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。
4．抽运方式：
将抽运光耦合进双包层光纤为 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。
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。
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100μ ｍ，经耦合 透镜聚焦后的焦斑为100μ ｍ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。
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1.55μ ｍ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、32×10 Gbit/s的DWDM信号传输了 640km。
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。
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1.2~1.5μ ｍ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。
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。
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。
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。
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；
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。
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~1.4μ ｍ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。
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。
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
保护层
激光输出
泵浦光
外包层
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。
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。
因此它可以扩展到掺铒光纤放大器放大的波段，
并可以在1.2~1.6μ ｍ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。
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1μ ｍ左右的波长而言，典型的纤 芯直径为4μ ｍ，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10μ ｍ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。
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975 nm到1200 nm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915 nm和975 nm的高功率半导 体激光器而不再选用808 nm的半导体激光器。
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）。
保护层 外包层 内包层 纤芯
圆形内包层双包层光纤横剖面
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。
保护层
外包层 内包层
纤芯
方形内包层双包层光纤横剖面
保护层 外包层 内包层 纤芯
图3-2d D形内包层双包层光纤横剖面
保护层 外包层 内包层
纤芯
星型内包层双包层光纤横剖面
保护层 外包层 内包层
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图3-2a 矩形内包层双包层光纤横剖面
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 IPG Photonics ,JDS Uniphase 和SDL以及俄罗斯 的IRE POLUS 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。