1400nm拉曼光纖激光器的分析與實(shí)驗(yàn)研究 v ,h
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王英，陳清川，楊小桃，周莉， i.On{nB"k  
華中理工光學(xué)院 Hc\@{17  
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摘要：拉曼光纖放大器是下一代光學(xué)網(wǎng)落的重要組件。作為拉曼放大器的泵浦源，大功率拉曼光纖激光器是其中一種選擇。在本文中，我們理論上仿效拉曼光纖激光器并優(yōu)化了它的輸出功率參數(shù)，實(shí)驗(yàn)分析這種儀器。這種分析是以拉曼纖維激光器為模型并用四階龍格庫(kù)塔算術(shù)作模擬。這套實(shí)驗(yàn)裝置造出了不低于500mw的波長(zhǎng)為1428nm的輸出激光，這種激光產(chǎn)生于使用高非線(xiàn)性高效光纖，光纖布拉格光柵的拉曼共振腔并由1342nm固態(tài)激光器驅(qū)動(dòng)。 6%6dzZ  
檢索術(shù)語(yǔ)：拉曼光纖激光，受激拉曼散射，數(shù)值模擬 {e2ZW]  
1，簡(jiǎn)介 ]Ri=*KZa  
光纖中的受激拉曼散射給光通信鏈接的光信號(hào)放大提供了個(gè)非常令人感興趣的方法。這種由受激拉曼散射產(chǎn)生在光纖中得到的激光輻射就被稱(chēng)為拉曼光纖激光。這種激光能產(chǎn)生幾乎所有波長(zhǎng)的輻射，特別是1.1-1.6um的光通信波段，而且輸出功率質(zhì)量高，其僅僅取決于泵浦的波長(zhǎng)。 #M w70@6  
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這種拉曼光纖享受到了在光纖領(lǐng)域的三個(gè)新成果。 0#Ug3_dfr  
1）高效拉曼散射的觀(guān)察。 -WyB2$!(  
2）激光二極管與高非線(xiàn)性高效光纖的發(fā)展。 7)#JrpTj%  
3）感光光纖的發(fā)現(xiàn)和光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)技術(shù)的產(chǎn)生。 ;5\'PrE  
這些激光的發(fā)展即將滿(mǎn)足泵浦1.3~1.6um拉曼光纖放大器的需求，它為其他光纖放大器——這其中包括摻鉺激光放大器提供了泵浦源，為了放大波長(zhǎng)為1.55um的光通信信號(hào)，受激拉曼散射泵浦源應(yīng)該為1400nm波段。光學(xué)放大器在光纖通信系統(tǒng)，特別是光波分復(fù)用系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使得人們更看到了對(duì)拉曼光纖激光進(jìn)行研究的重要性，并為此付出巨大努力。 3A"TpR4f`  
所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出了將激光二極管用到拉曼光纖震蕩器的可能性。這兩者的結(jié)合可能產(chǎn)生一個(gè)簡(jiǎn)單高效，價(jià)格低廉的近紅外線(xiàn)光源。然而，二極管的空間形狀限制了高的耦合率。問(wèn)題就在于我們得解決大功率激光輻射對(duì)單模光纖核心的耦合率。光纖布拉格光柵是現(xiàn)代拉曼光纖激光器的關(guān)鍵組件之一。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它可能高效的把大功率激光器的連續(xù)輻射轉(zhuǎn)換為拉曼激光，輸出我們想輸出的任何波長(zhǎng)。 Jg'#IM  
這幾年一些文章描述了拉曼光纖放大器和震蕩器的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，但是沒(méi)幾個(gè)是在激光的數(shù)學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的最佳選擇問(wèn)題上有所建樹(shù)的。詳盡的數(shù)學(xué)模型研究被發(fā)表，它們解決一系列用于描述單向多級(jí)環(huán)形共振腔的速率方程。 RZpjr !R  
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們模擬一個(gè)使用布拉格反射鏡的單纖拉曼共振腔并考慮到了所有由前后流動(dòng)波帶來(lái)的影響。并研究了泵浦源輸出功率在1342nm和1428nm之間的情況。我們將這個(gè)模型應(yīng)用到高非線(xiàn)性高效光纖的情況，我們已經(jīng)為其算出拉曼增益與線(xiàn)性損耗。我們用數(shù)學(xué)分析挑選出最優(yōu)的光纖長(zhǎng)度和耦合輸出，為了結(jié)構(gòu)合理，我們還計(jì)算了輸出功率對(duì)于泵浦功率的依賴(lài)性。我們發(fā)現(xiàn)激光器效率在更合適的選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)的情況下可以被提高。 hC<E4+5.,  
我們用摻釹晶體激光器來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)，用激光二極管來(lái)驅(qū)動(dòng)這個(gè)激光器。從上述系統(tǒng)中輸出的1342nm單模波與高非線(xiàn)性光纖通過(guò)球形透鏡耦合器進(jìn)行了耦合并得到了超過(guò)75%耦合率。 Sb2_&5  
2.理論模型 OzC%6;6h  
我們現(xiàn)在討論法布里－珀羅共振腔（圖1）。反饋原件是高反射率和半反射率的光纖布拉格光柵，分別放在光纖的輸入輸出端。這種結(jié)構(gòu)能通過(guò)受激拉曼散射產(chǎn)生一個(gè)頻率波；其斯托克斯線(xiàn)被一對(duì)光纖布拉格光柵影響在腔中震蕩，并與之耦合進(jìn)而輸出了較多部分的斯托克斯能。 4|\M`T  
另一個(gè)位于中央的光柵產(chǎn)生一個(gè)雙光路泵浦結(jié)構(gòu)。有了這樣的結(jié)構(gòu)斯托克斯線(xiàn)的高效產(chǎn)生已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證明了。我們假設(shè)泵浦源是1342nm連續(xù)二極管泵浦固態(tài)激光器。在之前的數(shù)學(xué)模擬工作中，使得相向傳播光波發(fā)生耦合的受激拉曼散射的五個(gè)狀態(tài)中，前后散射已經(jīng)被考慮了進(jìn)去。這就提供了對(duì)多級(jí)拉曼激光器表現(xiàn)的更實(shí)際的評(píng)估。在我們的模型中同時(shí)包括相向波耦合和前后散射耦合，而它僅僅在一個(gè)指定的斯托克斯頻率上，這就簡(jiǎn)化了這項(xiàng)工作。 >+i+_^]  
圖2說(shuō)明了我們課題的輪廓:我們?cè)O(shè)一個(gè)長(zhǎng)度為l的高非線(xiàn)性高效光纖。1342nm入射泵浦射入0。通過(guò)受激拉曼散射，泵浦在腔中產(chǎn)生了斯托克斯波。斯托克斯輻射從出射境射出。 K9&Q@3V  
泵浦和斯托克斯能在光纖長(zhǎng)度上的演變?cè)诜�(wěn)態(tài)下可以被描述，以一系列普通非線(xiàn)性微分方程的方式，它表達(dá)了斯托克斯線(xiàn)強(qiáng)度的增益與耗損平衡。所使用的方程如下：。。。。。。 f&5S`}C  
這里Pp,Ps代表泵浦和斯托克斯功率（f與b分別代表前后傳播）而Vp,Vs是頻率。αp, αs是線(xiàn)性衰變系數(shù)。 Xqm?@JN  
gR是拉曼增益系數(shù)。gR / Aeff我們已經(jīng)想到了強(qiáng)度的高斯分布并估計(jì)出了作用區(qū)域，也就是受激拉曼散射的有效核心面積Akeff。 E