光子晶體光纖拉曼放大器

光纖拉曼放大器是一種基於光纖受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering， SRS）效應的非線性雷射器件，由於其具有工作波長由泵源決定的特點，因此，只要泵浦光合適，可以實現任意波段的放大。

基本介紹

• 中文名：光子晶體光纖拉曼放大器
• 外文名：Photoniccrystal fiber Raman amplifier

1光子晶體光纖

光子晶體光纖（Photonic crystal fiber, PCF）又被稱為微結構光纖（Microstructure fiber , MF）或多孔光纖（Honey fiber , HF），是近年來迅速發展的一個新的研究領域。由於它深刻的物理背景和內涵，重要的套用價值和巨大的套用潛力而引起越來越廣泛的關注，成為光纖光學研究領域的一個熱點領域，並在製造技術、理論研究方法及其套用方面不斷取得新進展。

光子晶體概念的提出源於 1987 年，當年美國貝爾通訊研究中心的物理學家E.Yablonovitch 和加拿大物理學家 S.John分別獨立地提出“光子晶體”（Photonic Crystals, PC）的概念。光子晶體的發現是光和電磁波傳播與控制技術方面的一次革命，它將使人類像操縱電子那樣操縱光子成為可能，因此具有巨大的理論意義和套用前景。光子晶體概念一經提出立即引起了人們廣泛的關注和高度重視，美國《Science》雜誌在 1999 年 12 月 17 日把光子晶體列為十大科學進展之一。 光子晶體光纖是基於光子晶體的概念提出的，同時也超越光子晶體的範疇，很多廣泛研究和套用的光子晶體光纖實際上並不具有光子晶體結構。大部分的光子晶體光纖是空氣孔結構的，通過改變空氣孔的排列和大小就可以控制其光學特性，同時近年來還出現了全固的光子晶體光纖，可以通過改變摻雜來控制折射率分布從而控制其光學特性，所以光子晶體光纖在設計方面具有非常好的靈活性，人們可根據需要設計出具有各種特殊性能的光纖，這使得光子晶體光纖的套用領域不斷擴大。

光子晶體光纖在光通信器件中的套用

PCF 在光纖通信系統中的潛在套用主要有兩個方面：傳輸光纖和光電子器件。作為光信號傳輸介質，與傳統光纖一樣應該具有低損耗、小色散和低非線性的性質。因此研究要點是設計合適的結構參數，並改進制造工藝降低光纖損耗。2003 年初的世界光纖通信會議（OFC）上，日本電報電話公司（NTT）接入網業務系統實驗室的 K.Tajima 等人報導了他們研製出的衰減為 0.37dB/km 的超低衰減、較長的PCF。PCF具有完全的單模特性，可用工作波長範圍為458-1700nm。2004 年他們又報導了在長波 1560mm-1575mm 範圍內的路徑損耗為 1.72dB/km 的光子晶體光纖。

隨著光子晶體光纖理論分析和製造工藝的成熟，具有各種特性的光子晶體光纖被設計和制出來，基於這些光子晶體光纖的光電子器件引起了越來越多研究人員的關注。

光子晶體光纖光柵

光纖光柵是一種重要的光電子器件，已經被廣泛套用於光通信和感測等領 域中。光子晶體光纖和傳統的光纖光柵技術結合為製造新型的光纖光柵提供了條件，同時也擴展了光子晶體光纖在雷射器、通信器件以及感測等領域的套用。Eggleton 等人採用傳統的相位掩模紫外寫入法在纖芯摻鍺的光子晶體光纖中製造了 Bragg 光柵和長周期光柵。利用光子晶體光纖包層中空氣孔結構，可以對這些光纖中纖芯傳導的基模和包層模之間的光柵諧振特性進行控制，使光

柵具有多個諧振峰。特別是通過在寫制光柵的光子晶體光纖空氣孔中填充折射率溫度敏感的聚合物材料，可以對光柵的諧振波長進行調節。 G.Kakarantzas 等人用熱處理的方法在光子晶體光纖中寫入了長周期光柵。這種方法利用 CO2 雷射器的熱效應使光纖包層中的空氣孔出現周期性坍縮，導致光纖傳導模式的有效折射率發生周期變化，從而形成光柵。基於相同的原理，Y.Zhu 採用點對點的方法用 CO2 雷射器在光子晶體光纖寫制了超短長度長周期光柵和應變不敏感長周期光柵。此外，J.H.Lim 等人利用施加應力的方法也在光子晶體光纖中研製了可調諧長周期光柵。這種方法已經被套用於製造基於光子晶體光纖的可調諧 Mach-Zehnder 干涉儀。

光子晶體光纖雷射器與放大器

由於光子晶體光纖獨特的結構特點，其作為增益介質，較普通光纖有以下幾個顯著的特點。首先，如前所述，光子晶體光纖具有可以靈活設計的模場特性，能改變傳導模式和有源介質之間的相互作用，可以製造適用於不同要求的雷射器。例如，採用小的模式面積光纖的雷射器由於具有更好的限光能力，而具有低閾值；而採用大模式面積 PCF 可以套用於高功率的情況。其次，由於光子晶體光纖的纖芯與包層的折射率差是由空氣孔的分布情況決定的，使得纖芯和包層可以做到很高的折射率對比度。這樣在一定的光纖孔徑下，高數值孔徑使光纖能夠接受更多的泵浦光，便於泵浦光耦合和吸收。特別是光子晶體光纖與包層泵浦技術結合的雙包層光子晶體光纖，由於可以具有更大的模場面積和更大的內包層數值孔徑，從而避免由於高功率和放大自發輻射所產生的非線性效應和效率降低，並提高泵浦光的耦合效率，為高光束質量、高功率光纖雷射器的進一步提高提供了條件。 其他套用還包括參量放大與波長轉換、光開關、感測器、方 向耦合器等。

2光子晶體光纖拉曼放大器

光纖拉曼放大器是一種基於光纖受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering， SRS）效應的非線性雷射器件，由於其具有工作波長由泵源決定的特點，因此，只要泵浦光合適，可以實現任意波段的放大。因此其在光通信、光感測、光測試、雷射醫療等許多領域具有非常重要的套用前景。例如在光通信方面，為滿足人類對大容量通信的需求，繼續增加密集波分復用（DWDM）光纖通信系統的信道是最經濟和最有效的方法。現在成熟的摻鉺光纖放大器能實現 C 波段(1525nm-1565nm)總共 40nm 頻寬範圍內信號的放大，通過增益位移的方法也只能實現 L 波段（1570nm-1610nm）信號的放大。而其它波段的稀土摻雜光纖放大器還很不成熟。光纖拉曼放大器由於具有噪聲低、增益頻寬由泵光波長和拉曼光纖介質決定等優點，是進一步拓寬通信系統頻寬（尤其是 S波段（1480nm-1530nm）和 L+波段（1610nm-1650nm）以及開發光纖的整個低損耗區（1270nm-1670nm）頻寬的最具潛力和競爭力的光纖放大器。因此，成為關注和研究的熱點，增益頻寬大於 100nm 的拉曼光纖放大器已見報導。但基於目前傳統光纖的拉曼放大器所用光纖長度少則幾公里，多則幾十、甚至幾百公里，這不僅增加了設計拉曼光纖放大器的複雜性（尤其是對於由不同光纖組成的長度達幾十公里以上的分散式拉曼放大器），而且由於瑞利散射噪聲的影響，限制了放大器系統性能的進一步提高。 作為拉曼增益介質，光子晶體光纖與普通單模光纖相比具有許多無可比擬的優越性。

在非線性方面，通過靈活調整包層中空氣孔的大小、形狀、多少及分布情況，可方便的改變包層有效折射率，從而設計成小模場面積的微結構光纖，可提供比傳統光纖的每單位長度高 10-100 倍的非線性係數。利用高非線性微結構光纖，可使非線性設備所用的光纖長度大幅度縮短和所需的光功率強度減小，例如最近報導的一個基於自相位調製的非線性光開關只用了 3.3 米的微結構光纖，而用傳統光纖則需要 1km，由此可見，這種高非線性微結構光纖為開發新一代具有緊湊、高效的光纖非線性設備提供了可能。

光子晶體光纖的近乎理想的色散可控性使得它在色散補償上也具有很大的 套用潛力，通過簡單的改變光子晶體光纖的包層空氣孔的大小、分布和排列方式，可以實現極寬的波段內具有平坦色散（三階色散為零）和超平坦色散（四階色散為零），且寬頻平坦色散曲線的中心波長可移，平坦色散值也可以根據需要為正常色散、反常色散或近似零色散。因此，我們可以根據通信系統的色散情況，設計任意所需色散曲線的光子晶體光纖，這在普通光纖上是不可能實現的。

光子晶體光纖具有無截止單模特性。通過適當的設計，光子晶體光纖可以在任意波長處實現單模傳導。目前，截止波長在可見光的光子晶體光纖已有出售。因此以這種光纖作為喇曼增益介質，只要泵浦源合適，便可真正得到任意波長的單模放大。而在普通單模光纖上是不可能做到的。對於目前通信用的普通單模光纖，截止波長一般大於 1400nm，當信號低於該波長時，將呈現多模特性。

如果將光子晶體光纖的這種理想的色散可控性與高非線性特性以及無截止單模特性集成於同一種光子晶體光纖，那么以該種光子晶體光纖作為喇曼增益介質的放大器將具有結構緊湊、高效、寬波長範圍的單模特性（截止波長可以短到可見光）和兼有寬波長範圍的色散補償功能等許多優異性能，從而可以實現從可見到紅外整個波段的單模放大，這是普通光纖拉曼放大器和雷射器所無法比擬和實現的。

2002 年 3 月，Z.Yusoff 和 J. H. Lee 等人報導了第一個光子晶體光纖拉曼放大器。隨後，光子晶體光纖拉曼放大器作為一種新型光通訊器件開始快速發展起來。M. Fuochi 等人研究了一種三角形包層結構的實芯微結構光纖的幾何參數對拉曼增益的影響，並證明芯層攙雜的微結構光纖具有更強的拉曼增益。Bottacini 等人提出了更為準確完備的理論模型用於分析基於微結構光纖的拉曼放大過程，他們的研究為新型微結構光纖拉曼放大器的設計和研製提供了理論基礎。

在實驗方面，2005 年 3 月，趙春柳等人從實驗上研究了光子晶體光纖拉曼放大器噪聲效應，證實了將 25km 的單模光纖組成的拉曼放大器中加入 100m的高非線性光子晶體光纖可以提高信噪比，在開關功率 6.2dB 的情況下自發輻射和瑞利散射的信噪比分別改善了 1.4dB 和 0.4dB。

2005 年 11 月，F. Poli、S. Member 等人利用一段 9km 長的光子晶體光纖（其空氣孔為三角型分布，孔間距 4µm，占空比 0.625），研製了一種增益平坦光子晶體光纖拉曼放大器。該放大器擁有 6 個不同波長和功率的泵光，在1540nm-1572nm 的範圍內（40 信道）增益平坦度 0.5dB，開關增益 13.5dB。 2006 年，S. k. Varshney、K. saitoh 等人報導了一種新型的色散補償型光子晶體光纖拉曼放大器，單泵波長為 1540nm 功率 520mw 的情況下得到了 30nm範圍（1530nm-1560nm）20 信道的平坦增益（其增益 19dB，平坦度±1.2dB）。

3光子晶體光纖拉曼放大器的基本理論

光纖拉曼放大器可以實現對任意波長的放大，因此可作為光纖放大器擴展的通信頻寬，升級現有的系統，在通信領域具有很大的套用前景。套用高非線性光子晶體光纖，大大提高了拉曼增益斜率，只需更短的光纖長度和更低的泵浦功率就可以獲得與普通光纖中相同的增益。

拉曼放大的基本原理、特點

當泵浦光與光纖介質發生相互作用時，將會產生瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。在許多非線性光學介質中，高能量（波長較短）的泵浦光發生散射，將一小部分入射功率轉移到另一頻率下移或上移的光束，頻率偏移量由介質的振動模式決定，此過程就被稱為受激拉曼效應。受激拉曼散射(SRS)的量子描述為，入射光波的 1 個光子被介質分子散射成為另 1 個低頻光子(稱為斯托克斯波) 或另一個高頻光子（稱為反斯托克斯波），同時完成分子振動態之間的躍遷，從而具有了增益特性。