光纤拉曼放大器的研究进展

FRA发展概述 发展概述
到1990年,伴随着EDFA技术成熟和大量商用,光纤拉曼放大器几乎被人 1990年 伴随着EDFA技术成熟和大量商用, EDFA技术成熟和大量商用 遗忘。 遗忘。 目前，对于光纤拉曼放大器的研究主要分为： 目前，对于光纤拉曼放大器的研究主要分为：
参数模拟仿真方面 和 应用设计方面的研究。 应用设计方面的研究。
国内外分布式拉曼放大器（DRA） 国内外分布式拉曼放大器（DRA）进展
国外对C波段和L波段的光纤拉曼放大器进行了大量的理论分折， 国外对C波段和L波段的光纤拉曼放大器进行了大量的理论分折，优化 设计和实验研究，取得了较大的进展， 设计和实验研究，取得了较大的进展，并开发了光纤拉曼放大器产品 一些通讯领域的大公司，朗讯实验室等， 一些通讯领域的大公司，朗讯实验室等，将多级串接分布式拉曼放大 器用于光纤DWDM传输系统． DWDM传输系统 器用于光纤DWDM传输系统．在实验室多波长抽运的拉曼光纤放大器光 谱带宽已实现100 谱带宽已实现100 nm 国内的光迅和中兴等公司也开发了C波段和L 国内的光迅和中兴等公司也开发了C波段和L波段的光纤拉曼放大器 目前光纤放大器的研究工作主要集中在C+L波段， 目前光纤放大器的研究工作主要集中在C+L波段，而S波段光纤拉曼放 主要集中在C+L波段 波段光纤拉曼放 大器更有发展前景，而且是稀土掺杂光纤放大器难以与其竞争的， 大器更有发展前景，而且是稀土掺杂光纤放大器难以与其竞争的，这 对扩展带宽很有意义． 对扩展带宽很有意义．
模型的优化和算法的改进 商用的光纤放大器的主流产品依然是EDFA， 商用的光纤放大器的主流产品依然是EDFA，拉曼光纤放大器研究很热 主流产品依然是EDFA 也有一些应用 例如国外很多长距离的超大容量的波分复用光通讯中 DWDM）就使用的是分布式 分布式拉曼光纤放大器也有采用合适的光纤用作 （DWDM）就使用的是分布式拉曼光纤放大器也有采用合适的光纤用作 分立式的拉曼光纤放大器 分立式的拉曼光纤放大器
采用 100 m 光子晶体光纤
Bélanger 等
利用两对轴向压缩可调谐的FBG 利用两对轴向压缩可调谐的FBG
2008年 厦门大学 电子科技 集团34 34所 集团34所
nm的Nd： 1064 nm的Nd：YVO4固体激光器作为泵 浦源， 浦源， 经过磷硅光纤的两次拉曼频移
锗硅光纤五级级联拉曼光纤激光器， 锗硅光纤五级级联拉曼光纤激光器， 在1100 nm 掺镱光纤激光器泵浦
单波长单级拉曼光纤激光器
研究集中在提高光 光转换效率与宽谱波长调谐性能方面 方面。 研究集中在提高光 - 光转换效率与宽谱波长调谐性能方面。
用 5 nm 宽带高反射率啁啾光纤光栅作 输入耦合器， 输入耦合器，用 0.8 nm 窄带 FBG 作 输出耦合器构成一阶拉曼谐振腔
R Vallée 2006年 深圳大学
•单波长多级级联拉曼光纤激光器 单波长多级级联拉曼光纤激光器 •单波长单级拉曼光纤激光器 单波长单级拉曼光纤激光器
多波长 级联拉曼光纤激光器
•输出三波长的级联拉曼光纤激光器 输出三波长的级联拉曼光纤激光器 •输出六波长的级联拉曼光纤激光器 输出六波长的级联拉曼光纤激光器 •输出十个以上波长的级联拉曼光纤激光器 输出十个以上波长的级联拉曼光纤激光器
FRA泵浦源及光纤介质进展 泵浦源及光纤介质进展
单波长多级级联： 单波长多级级联： 首次结合磷硅光纤中与磷和硅相关的频移， 2000 年，EM Dianov 首次结合磷硅光纤中与磷和硅相关的频移，采 1062nm掺钕光纤激光器作泵浦 通过3次波长变换，实现了1W 掺钕光纤激光器作泵浦， 1W的 用1062nm掺钕光纤激光器作泵浦，通过3次波长变换，实现了1W的 激光输出， 1407 nm 激光输出，斜率效率为 35% 高非线性锗硅光纤作为增益介质、 2007 年，Y Emori 等采用 65 m 高非线性锗硅光纤作为增益介质、 利用五级级联激光器结构、 利用五级级联激光器结构、 用波长为 1117 nm 掺镱光纤激光器泵 浦的五级级联拉曼光纤激光器， 浦的五级级联拉曼光纤激光器， 在 1480 nm 获得了输出功率高达 的激光输出， 41 W 的激光输出，是当时级联拉曼光纤激光器所报道的最高输出功 率
FRA的最新进展 的最新进展
第二代光纤拉曼放大 器有相似的布局， 器有相似的布局，但 不同的是为后向泵浦 结构。 结构。以牺牲效率为 代价提高了光谱的纯 能够产生1.5W 1.5W的 度。能够产生1.5W的 平均输出功率， 平均输出功率，大于 45dB的边模抑制 45dB的边模抑制
2008 年
S. Hann 等
• 从单波长泵浦光源、单级放大发展到多波长泵浦光源、多级放大 单波长泵浦光源、单级放大发展到多波长泵浦光源、 发展到多波长泵浦光源
FRA泵浦源及光纤介质进展 泵浦源及光纤介质进展
出现了一种采用光子晶体光纤技术研制的高非线性光纤 , 它弥补了 通常色散补偿光纤的拉曼增益系数小的问题。 这种模场直径更小、 通常色散补偿光纤的拉曼增益系数小的问题。 这种模场直径更小、 拉曼增益系数更大的光子晶体光纤一经开发成功便受到广泛关注。 拉曼增益系数更大的光子晶体光纤一经开发成功便受到广泛关注。 这种光子晶体光纤的特点是 : 光纤纤芯由固体的 SiO2组成 , 模场 直径非常小 ( ≤ 1μm) 、非线性系数高 ; 包层中有许多空气孔 , 用来有效地降低包层的折射率。 用来有效地降低包层源及光纤介质进展
多波长级联拉曼光纤激光器
2001年 2001年 Mermelstein 等 A A Demidov 等 用锗硅光纤和七对FBG构成 用锗硅光纤和七对FBG构成 FBG 七级级联拉曼光纤激光器 实现了三波长（ 实现了三波长（ 1427 、 1454 、 1480 nm ）激光 输出，其斜率效率为38% 输出，其斜率效率为38%
2003年 2003年
用磷硅光纤获得 1 278 nm 输出1463nm 1425nm、 1463nm、 输出1463nm、1425nm、 、 1.6 W 单波长单级拉曼激 1454 nm 三波长，功率 三波长， 光作为两段锗硅光纤构成串 在很大范围内受到动态 可调 联谐振腔的泵浦源 激光器输出功率为1.02W 前四级仍为高反射率的内谐 激光器输出功率为1.02W 振腔 ，他们用带宽为 60 光 - 光转换效率仅为 nm 的啁啾光纤光栅代作为 21.6 ％ 后三级的输入耦合器
Fiber Raman amplifier(FRA) development
主讲内容
1 2 3 4
FRA发展概述 发展概述 FRA泵浦源及光纤介质进展 泵浦源及光纤介质进展 DRA及LRA的研究进展 及 的研究进展 FRA的最新进展 的最新进展
FRA发展概述 发展概述
1928年 印度加尔各答大学的物理学家拉曼发现了拉曼散射光谱． 1928年，印度加尔各答大学的物理学家拉曼发现了拉曼散射光谱．用 nm谱线照射四氯化碳时 谱线照射四氯化碳时， 汞灯的 435.8 nm谱线照射四氯化碳时，发现在液体的散射光中出现 了频率比入射光频率低的新光谱． 了频率比入射光频率低的新光谱． 1962年 人们发现如果照射光强超过一定的阈值， 1962年，人们发现如果照射光强超过一定的阈值，会产生受激拉曼散 (SRS)效应 效应． 射(SRS)效应． 1972 年美国斯通伦首次报导在硅基光纤中发现了受激拉曼辐射现象 1984年拉曼放大技术开始研究并应用。 1984年拉曼放大技术开始研究并应用。 年拉曼放大技术开始研究并应用
FRA的最新进展 的最新进展
迄今，研制了两台主要用P 迄今，研制了两台主要用P2O5 作为光纤掺杂物，商用的Yb 作为光纤掺杂物，商用的Yb 光纤激光器 作为泵浦源的拉 曼光纤放大器。 曼光纤放大器。第一台放大 2010年 月在日本产生。 器2010年1月在日本产生。 放大器产生1.8W的平均输出 放大器产生1.8W的平均输出 1.8W 功率,3dB线宽为3MHz. ,3dB线宽为 功率,3dB线宽为3MHz. 放大 器和ITT 集成。 器和ITT LAS EDU 集成。用 1.26um附近激光吸收光谱 于1.26um附近激光吸收光谱 测量大气中氧气含量的测量 方法中。 方法中。
FRA泵浦源及光纤介质进展 泵浦源及光纤介质进展
目前，可实用的拉曼泵浦源包括复用半导体泵浦激光器和级联式拉曼 目前，可实用的拉曼泵浦源包括复用半导体泵浦激光器和级联式拉曼 激光器。对于不同泵浦方式，对FRA影响很大。 激光器。对于不同泵浦方式， FRA影响很大。 影响很大
级联式拉曼激光器
单波长 级联拉曼光纤激光器
分立式拉曼放大器（ LRA ）的发展 分立式拉曼放大器（
LRA 可以采用特殊设计的光纤如 DCF 光纤或者碲基光纤 . 目 前 DCF 光纤拉曼增益系数比 SSMF 提高了 10 倍左右 光纤作增益介质组成两级放大， 每级采用两个泵浦波长， 采用 DCF 光纤作增益介质组成两级放大， 每级采用两个泵浦波长， 波段平坦放大， 其间再采用 GFF 以保证 S 波段平坦放大， 其增益可以达到 左右， 30dB ， 而噪声系数只有 5.5dB 左右， 可同时补偿损 耗和色散. 耗和色散. 还可采用碲基光纤.H. 采用3级放大， LRA 还可采用碲基光纤.H. MaSuda 等人设计的 LRA 采用3级放大， 碲基光纤， 作为增益介质， 其中 两级采用 碲基光纤， 一级采用 DCF 作为增益介质，以同时补 nm（1497nm） 偿损耗和色散 . 在135 nm（1497-1632 nm）带宽上获得最低 最高34.6dB的增益，噪声系数<8.3 34.6dB的增益 22.8dB 、最高34.6dB的增益，噪声系数<8.3 dB.
实现了93.6% 实现了93.6% 的光 - 光转换 效率 首次获得2.2W的一级拉曼光 首次获得2.2W的一级拉曼光 2.2W nm）以及1.6 W的二 （1024.6 nm）以及1.6 W的二 级拉曼光（ 级拉曼光（1183 nm ）连续输 出 获得了一级斯托克斯功率为 W、输出波长范围1075 10751-5 W、输出波长范围10751135 nm 、带宽为 60 nm 的 可调谐拉曼光纤激光器， 可调谐拉曼光纤激光器，转换 效率在76.1%效率在76.1%-93.1% 之间 76.1% 产生1484nm激光， 产生1484nm激光，输出功率为 1484nm激光 W， 1.15 W，光-光转换效率为 28.8% 在1455nm 波长处获得 597 mW 的稳定激光输出光 - 光转换 效率约为 6.35%