鞏稼民， 袁心易， 左 旭

(1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121; 2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

光纖中受激喇曼效應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)研究

鞏稼民1， 袁心易1， 左 旭2

(1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121; 2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

概述光纖受激喇曼散射原理，綜述光纖喇曼散射主要應(yīng)用，即光纖喇曼放大器、光纖喇曼激光器、光纖喇曼波長轉(zhuǎn)換器和光纖喇曼傳感器四種應(yīng)用技術(shù)的研究現(xiàn)狀，及其發(fā)展趨勢。

喇曼放大器；光纖激光器；喇曼波長轉(zhuǎn)換器；光纖傳感器

喇曼散射(Raman Scattering)是指波長較短的光波能量不斷地向較長光波轉(zhuǎn)移的一種非線性效應(yīng),是由Raman[1]在1928年首次發(fā)現(xiàn)。1972年，Stolen等人[2]發(fā)現(xiàn)了在玻璃光纖中存在受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)效應(yīng)。由于光纖中的喇曼增益帶寬可達(dá)40 THz[3]，而光纖低損耗、抗電磁干擾等特點，光纖SRS的應(yīng)用引起人們重視和關(guān)注，光纖喇曼放大器(Fiber Raman Amplifier，F(xiàn)RA)[4]和光纖喇曼激光器(Fiber Raman laser)[5]等應(yīng)用相繼被提出。但是，光纖喇曼散射是一種非線性效應(yīng)，喇曼增益系數(shù)小隊較小，作為光纖喇曼放大器的效率較低。直到20世紀(jì)90年代以后，大功率光纖光源技術(shù)的逐步成熟，光纖寬帶密集波分復(fù)用系統(tǒng)的發(fā)展，光纖喇曼放大器和喇曼激光器重新得到人們的重視，并得到進(jìn)一步快速發(fā)展，到2000年后，光纖喇曼放大器開始逐漸成熟并應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)[6]。

與此同時，光纖受激喇曼散射的應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步地擴展，如喇曼光纖傳感器和喇曼波長轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用技術(shù)相繼被提出，并得到快速發(fā)展，并成為技術(shù)應(yīng)用研究的熱點之一[6-7]。本文介紹光纖受激喇曼散射的幾個主要應(yīng)用技術(shù)即喇曼光纖光放大器、光纖喇曼激光器、喇曼波長轉(zhuǎn)換器和光纖喇曼傳感器等技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 SRS原理

在喇曼散射過程中，介質(zhì)中的入射光被轉(zhuǎn)換成為一個較低頻率的光。可以看成介質(zhì)中的分子對入射光的調(diào)制[6-8]。用能級的角度解釋，一個頻率為ν0的泵浦光使介質(zhì)分子從基態(tài)躍遷到虛能級(非諧振狀態(tài))，經(jīng)過很短時間后，介質(zhì)分子迅速衰減到更低的能級上去；同時，介質(zhì)分子再發(fā)射一個頻率為νS(νS= ν0- νV)的信號光，即斯托克斯(stokes)光子。若原來的介質(zhì)分子處于高能級上，在吸收泵浦光后又到達(dá)虛能級，最后回到基態(tài)，并且激發(fā)一個反斯托克斯(anti-stokes)光子，如圖1所示。一階的兩個光子又可以產(chǎn)生二階，三階光子，以此類推。

圖1 斯托克斯散射與反斯托克斯散射

喇曼散射有自發(fā)喇曼散射和受激喇曼散射之分。自發(fā)喇曼散射產(chǎn)生的喇曼散射光十分微弱，不論是stokes散射光還是anti-stokes散射光，都不是相干光。但用強激光輸入到光纖中時，在一定的條件下，喇曼散射光有受激的性質(zhì)，這就是所謂的受激喇曼散射(SRS)，相應(yīng)產(chǎn)生的喇曼散射光較強。不論是stokes散射光還是anti-stokes散射光，都是相干光。而當(dāng)散射光滿足相干光的條件時，產(chǎn)生強烈的SRS效應(yīng)[4]。若信號光的波長在泵浦光的喇曼增益譜范圍內(nèi)，信號光由于SRS效應(yīng)而得到放大。

光纖喇曼散射效應(yīng)，其喇曼增益與泵浦光和stokes光的頻移有關(guān)，還與光纖材料的摻雜物質(zhì)有關(guān)，圖2是幾種常見的摻雜光纖的喇曼增益譜[3]。

圖2 硅基光纖的喇曼增益譜

考慮各種物理效應(yīng)，光纖中受激喇曼散射效應(yīng)的穩(wěn)態(tài)耦合方程為[8-9]

(1)

式中P±(z,ν)表示泵浦光或者信號光功率，上標(biāo)“+”和“-”分別表示沿z軸正向和負(fù)向傳輸?shù)姆较?；α表示光纖衰減系數(shù)，γ表示瑞利散射系數(shù)，gr(ν-ζ)表示頻率之間的喇曼增益系數(shù)，Keff是偏振因子，Aeff光纖有效面積，Δν=ζ-ν(Δζ=ν-ζ)表示頻差，h是普朗克常熟，k為玻耳茲曼常數(shù)，T是光纖的絕對溫度。

在式(1)中，考慮了傳輸泵浦光和信號光的衰減、瑞利散射，受激喇曼散射效應(yīng)，以及與溫度有關(guān)的自發(fā)瑞利散射所導(dǎo)致的喇曼瞬態(tài)增益輻射等因素。

2 光纖喇曼放大器

光信號在光網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中由于光纖損耗、器件連接損耗等原因使得信號質(zhì)量變差，功率降低。因此，在信號傳輸一段距離后需加入光放大器直接對光信號進(jìn)行放大，用于補償線路傳輸衰減、節(jié)點分配衰減等。如果一個弱信號光與一個強的泵浦光同時在光纖內(nèi)傳輸，其頻率差剛好位于喇曼增益譜內(nèi)，弱信號光可被放大。其物理機制是因為SRS，所以稱為光纖喇曼放大器(FRA)。

2.1 單泵浦喇曼光纖放大器

在連續(xù)光或準(zhǔn)連續(xù)光條件下，光纖喇曼放大器的泵浦光和信號光滿足式(1)。在放大器近似情況下，放大器的增益或者放大系數(shù)為[6-7]

Gα=exp(grP0Leff/Aeff),

(2)

其中P0是放大器入射端的泵浦光功率，Leff是放大器的光纖有效長度。若放大器的長度為L，泵浦光的損耗系數(shù)為αp，則有

Leff=[1-exp(-αpL)]/αp。

從式(2)可以看出，F(xiàn)RA的增益與喇曼增益系數(shù)和泵浦光的輸入功率成指數(shù)關(guān)系。增加FRA增益方式可以通過增加光纖長度、大功率泵浦光源、改善喇曼增益系數(shù)等途徑。

光纖本身具有抗電磁干擾、化學(xué)和溫度特性穩(wěn)定等優(yōu)點，作為光纖喇曼放大器，增益放大帶寬區(qū)間較寬，噪聲低且放大器自身又可以作為傳輸光纖。所以，F(xiàn)RR已經(jīng)提出就引起人們的關(guān)注和重視。采用單一泵浦光源作為放大器的方式有前向和后向兩種形式，后向泵浦方式有較低的噪音。例如，在光纖中摻雜離子或增加光纖長度的方法得到高增益、寬帶寬的喇曼光纖放大器[10]，如圖3所示，但基于此方法得到的信號光增益平坦度大，且摻雜離子會使硅基光纖的損耗增大，同時增大光纖長度也會劣化系統(tǒng)性能。這些因素都會導(dǎo)致SRS閾值功率增大，另外需要更高功率的泵浦光進(jìn)行抽運才能達(dá)到放大信號的目的，大功率泵浦光源無疑會增加成本。但是，喇曼散射是一種非線性效應(yīng)，早期的光纖喇曼效益相對較低，要獲得較大FRA增益，只能依靠大功率光源或者選擇增益峰值處，不宜于在實際中應(yīng)用。

圖3 單泵浦的光纖喇曼放大器原理

研究表明[10-11]光纖摻雜可以改善光纖喇曼增益譜，圖4分別為泵浦波為1.5 μm時硅基光纖和摻碲光纖的增益譜的喇曼增益譜?？梢钥闯鰮巾诠饫w的增益譜，其喇曼增益峰值較硅基光纖增加了近一個數(shù)量級，把碲基光纖用于FRA，放大器的增益效率得到很好的效果[12]。

直到20世紀(jì)90年代，小型高功率半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)，F(xiàn)RA的發(fā)展才從根本上得到了復(fù)興[6-7]。目前，單泵浦FRA理論和技術(shù)應(yīng)用已非常成熟，已廣泛地應(yīng)用于光通信系統(tǒng)，是全光通信主要器件之一。

(a) 碲基光纖

(b)硅基光纖

2.2 多泵浦喇曼光纖放大器

在光纖DWDM通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)信道多達(dá)幾十個甚至上百個，傳輸帶寬幾十納米。單泵浦光纖喇曼放大器雖然具有較寬的增益帶寬，特別適用于光纖DWDM通信系統(tǒng)的帶寬要求，但是在各個信道的增益不同，即輸出增益不平坦，直接使用很不方便。

為了獲得較寬增益帶寬、較小增益平坦度的光纖喇曼放大器，利用多個不同波長泵浦光作為放大器的泵浦光源的思想，即所謂多泵浦喇曼放大器被提出[9]。多個波長泵浦光在放大信號光的同時，泵浦光之間同時存在著較強SRS。利用光纖喇曼增益譜，只要合理設(shè)計泵浦光波長和對應(yīng)的功率分布，就可以獲得帶寬較寬范圍內(nèi)增益平坦的FRA。

多泵浦帶寬平坦的FRA泵浦光的安排方式有很多種形式，多泵浦光既可以是反向，亦可以是正向，還可以是正向和反向混合加載。該思想方法一經(jīng)提出，立刻引起研究者的極大關(guān)注。例如，利用后向多級泵浦構(gòu)造了一種喇曼光纖放大器[13]。如圖5所示，通過選擇合適的泵浦光波長及功率，可得到0.1 dB的增益平坦度。同時也可以采用“C波段泵浦源”和“L波段泵浦源”來增大喇曼光纖放大器的增益帶寬[14]。利用250 m的碲基光纖和四個后向泵浦[15]，且用偏振合束器來減小偏振相關(guān)性增益，構(gòu)造了一種分立式喇曼放大器，使信號在160 nm的放大帶寬范圍內(nèi)有超過20 dB增益，噪聲系數(shù)約為6 dB。隨后，Mori等人[16]在上述結(jié)構(gòu)上加入波長選擇耦合器，同時增加了一個1 430 nm的前向泵浦和兩個1 460 nm的后向泵浦，同樣在160 nm的放大帶寬范圍內(nèi)，得到29.3 dB的開關(guān)增益和小于6 dB的平均噪聲系數(shù)。

圖5 后向多泵浦喇曼光纖放大器

在對多泵浦結(jié)構(gòu)中的泵浦?jǐn)?shù)量和泵浦位置做了大量研究后，研究者總結(jié)泵浦結(jié)構(gòu)中的一些特性。例如，在基于前后向多泵浦結(jié)構(gòu)的喇曼光纖放大器中，用波長較短的前向泵浦光可以減小泵浦之間由于受激喇曼散射效應(yīng)帶來的干擾，并且可以增強泵浦光功率分配的合理性[17]。而在泵浦?jǐn)?shù)量逐漸增多時，喇曼放大器有效增益帶寬越來越寬，增益平坦度會越來越小，但泵浦的利用率逐漸下降[18]。此外，喇曼泵浦不僅對信號進(jìn)行直接放大，還可以通過參量泵浦對信號進(jìn)行間接的放大。而調(diào)節(jié)這兩種喇曼增益的比例可以使增益在一定的范圍內(nèi)達(dá)到很好的平坦度[19]。此外，把增益飽和作為一個函數(shù)引入放大器系統(tǒng)時，發(fā)現(xiàn)高功率泵浦和短長度喇曼光纖配合使用時，泵浦轉(zhuǎn)換效率會大大提高[20]。

對多泵浦光纖喇曼放大器設(shè)計的理論研究也取得了一些主要的進(jìn)展。根據(jù)FRA增益和帶寬平坦要求，利用選定的光纖所對應(yīng)的喇曼增益譜和方程式(1)，利用各種優(yōu)化算法設(shè)計出最佳性能指標(biāo)。例如利用遺傳算法[21]，對泵浦波長和功率進(jìn)行逐次逼近，使其達(dá)到最優(yōu)值，進(jìn)而獲得高增益值和低增益平坦度。在遺傳算法中加入MPI(Message Passing Interface)策略[22]，就可以對泵浦間的四波混頻效應(yīng)加以考慮并分析，使結(jié)果更趨向于實際情況。模擬退火算法[23]具有良好的全局收斂性，也被運用到喇曼光纖放大器的優(yōu)化算法中。此外，“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法”也可用來對多泵浦喇曼放大器系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化[24]，相比較前面提到的遺傳基因算法和模擬退火算法，這種方法準(zhǔn)確度高，而且在進(jìn)行迭代運算時對系統(tǒng)內(nèi)存要求較低。使用“目標(biāo)粒子群優(yōu)化”方法[25]來確定泵浦的數(shù)目、波長和功率，用以對平均增益值和增益平坦度作最大化研究。不同于以往的諸多算法，由于其加入了“多粒子”，即對泵浦?jǐn)?shù)量和功率同時計算，使得算法收斂更快，相比較其他的粒子群優(yōu)化方法有更加優(yōu)異的性能。一種“加權(quán)泵浦”的仿真模型[26]，對后向泵浦的喇曼光纖放大器系統(tǒng)進(jìn)行分析，把泵浦間互擾長度Dint和增益衰耗SRS兩個參數(shù)表達(dá)式的實驗結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行“權(quán)重比較”，研究喇曼開關(guān)增益系數(shù)、自發(fā)輻射噪聲兩種傳輸參數(shù)與多泵浦喇曼放大器間的關(guān)系，使得收斂速度比一般的純數(shù)值仿真提高了70多倍。

總之，人們通過對放大器的增益介質(zhì)和泵浦結(jié)構(gòu)、泵浦波長、泵浦功率等各項參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，可以獲得較寬增益帶寬和較低的增益平坦度。但對多泵浦喇曼光纖放大器，其泵浦激光器較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實際工程應(yīng)用中要考慮泵浦激光器之間的干擾和其它非線性效應(yīng)，如四波混頻等。這樣增大了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，因此，新型的喇曼增益介質(zhì)和喇曼光纖放大器泵浦結(jié)構(gòu)是優(yōu)化喇曼光纖放大器考慮的因素[27]。

2.3 級聯(lián)光纖喇曼放大器

與多泵浦FRA實現(xiàn)增益平坦思想提出的同時，鞏稼民等人[28-30]提出一種采用兩段不同摻雜光纖來實現(xiàn)平坦帶寬的所謂級聯(lián)光纖放大器的思想，其原理如圖6所示。前一段采用石英光纖，作為放大部分，后一段采用摻磷光纖，其補償增益作用，兩段進(jìn)行級聯(lián)。利用兩種光纖在喇曼增益譜同一頻移范圍內(nèi)，石英光纖喇曼增益增加隨頻移而增加，而摻磷光纖喇曼增益增加隨頻移而下降的曲線特點(如圖2所示)，獲得較好的增益值和平坦度。

圖6 級聯(lián)不同種光纖的喇曼放大器原理

結(jié)合光纖喇曼增益譜所具有的線性譜特征，利用在FRA近似及喇曼增益線性譜擬合近似下，所得到的單模石英光纖中多信道光的單向SRS穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)分析理論的解析解[31]，給出了兩段光纖級聯(lián)情況下的增益平坦的喇曼光纖放大器參數(shù)[28]。之后加入對多信道信號分析和泵浦配置優(yōu)化算法，使增益平坦度進(jìn)一步得到優(yōu)化[29]。針對康寧非零色散位移光纖在400～450 cm-1和490～540 cm-1范圍上具有的相異增益曲線，又對級聯(lián)兩段同種喇曼光纖放大器進(jìn)行理論分析和討論，在理論上獲得了0.003 8 dB的增益平坦度和13.77 dB的增益值[31]。

級聯(lián)FRA的方式可以有多種。采用幾個FRA的級聯(lián)，級聯(lián)的FRA可以采用單泵浦或者是多泵浦，正反向泵浦或者混合泵浦等。例如，針對普通硅基喇曼放大器和摻鉍光纖放大器在1.3 μm處有相同的頻移值[32]，如圖7所示，利用一段900 m的喇曼光纖與一段60 m的摻鉍光纖進(jìn)行級聯(lián)，用性能優(yōu)異的盤式激光器作為泵浦源，提升了放大器的整體轉(zhuǎn)換效率和增益值，獲得超過18 dB的增益。對級聯(lián)兩段長度分別為200 m和250 m碲基光纖的喇曼放大器進(jìn)行分析，可以得到約30.5 dB的增益，并能驗證這種結(jié)構(gòu)不會受到諸如四波混頻等其他非線性效應(yīng)的影響。

圖7 喇曼光纖與摻鉍光纖級聯(lián)的喇曼放大器

此外，還可以采用混合型級聯(lián)FRA[34]，即把前后250 m和200 m的碲基光纖和10 km的色散補償光纖進(jìn)行級聯(lián)，在135 nm的帶寬范圍內(nèi)得到超過22.8 dB的增益，其平坦度為11.8 dB，且平均噪聲系數(shù)小于7.8 dB。利用80 km單模光纖的分布式喇曼放大器和分立式放大器進(jìn)行級聯(lián)[35]，在120 nm的范圍內(nèi)得到12～18 dB的增益。

將光纖喇曼放大器和摻餌光纖放大器(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，EDFA)進(jìn)行級聯(lián)，又稱混合光纖放大器，也是一種常用的級聯(lián)方法。例如把EDFA和分布式喇曼光纖放大器(Distributed Fiber Raman Amplifier，DFRA)進(jìn)行級聯(lián)[36]，前者用來放大C波段信號，而后者控制增益平坦度的同時放大L波段信號，得到65 nm的帶寬范圍內(nèi)有17 dB的開關(guān)增益，2 dB的增益平坦度，且最大的光信噪比(Optical Signal to Noise Ratio，OSNR)超過35 dB。再如，兩段級聯(lián)的喇曼光纖[37]是用來抑制雙瑞利噪聲帶來的強度噪聲，后向泵浦則是用來增大EDFA的增益，減小喇曼放大器的偏振相關(guān)性，最終得到0.7 dB的平坦值。還可以利用“瞬態(tài)功率控制”技術(shù)對混合放大器的平坦度進(jìn)行優(yōu)化，如對12組混合放大器用上述方法[38]進(jìn)行了數(shù)值仿真，使功率偏移由8.66 dB減小到0.07 dB。而如圖8所示采用了一種新型的環(huán)狀放大器結(jié)構(gòu)[39]，用以提高泵浦利用率和轉(zhuǎn)換效率，改善增益的平坦性，與未加環(huán)狀結(jié)構(gòu)的放大器結(jié)構(gòu)相比，配有兩個和三個泵浦源的放大器增益平坦度分別改善了1.3 dB和3.6 dB。

圖8 環(huán)狀結(jié)構(gòu)的喇曼放大器

利用光纖級聯(lián)的方法是實現(xiàn)光纖喇曼放大器增益譜平坦方法。幾段不同材料的光纖就可以實現(xiàn)增益譜平坦，這要求兩種光纖的喇曼增益譜在所放大的范圍內(nèi)必須是互補的。當(dāng)然，也可以使用同種材料的光纖和兩個泵浦來實現(xiàn)其平坦的效果，但要求各個泵浦所對應(yīng)的喇曼增益譜必須是互補的。這種級聯(lián)光纖的方法簡化了喇曼光纖放大器的結(jié)構(gòu)，可以獲得較高增益和較低增益平坦度。與多波長泵浦喇曼放大器相比，可以最大限度的減少泵浦光源的數(shù)量，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時，級聯(lián)光纖喇曼放大器具有增益平坦度低、噪聲系數(shù)低等特點，可以更有效的應(yīng)用于光纖通信網(wǎng)絡(luò)中。與其它類型的級聯(lián)光纖放大器相比，其可控性大大增強，是設(shè)計增益譜平坦的光纖喇曼放大器的可選方案之一。由于其泵浦?jǐn)?shù)量較少，系統(tǒng)的增益值不高，增益帶寬有限，同時也對增益介質(zhì)提出了更高要求。

光纖喇曼放大器能夠適用于超大容量、超高速、超長傳輸距離通信系統(tǒng)。目前已經(jīng)作為一種較成熟的技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)。隨著通信技術(shù)發(fā)展，超高增益、超寬增益帶寬、超低增益平坦度是未來光纖喇曼放大器發(fā)展的趨勢，而將多泵浦技術(shù)和級聯(lián)光纖技術(shù)結(jié)合，將會從結(jié)構(gòu)和成本上大大提高喇曼光纖放大器整體性能。

3 光纖喇曼激光器

利用受激喇曼散射效應(yīng)可以給激光器中的信號光提供增益，例如如果在光纖兩端加上具有適當(dāng)反射率的反射鏡，就可以為一定波長的受激喇曼散射產(chǎn)生的Stokes光提供反饋，使之在傳輸過程中被放大，形成激光振蕩，成為光纖喇曼激光器[6,8]。如果泵浦光足夠強，如圖9所示，那么生成的Stokes光又將激起第二級、乃至更高級的Stokes光，形成級聯(lián)受激喇曼散射。若設(shè)置合適的反射鏡反射率，則可以得到不同波長的激光輸出。

圖9 各階Stokes光在光纖中形成過程

光纖喇曼激光器是基于光纖中的受激喇曼散射效應(yīng)，它能將泵浦光的能量轉(zhuǎn)移到斯托克斯光上。由于光纖中的喇曼增益譜往往較寬，所以其最大的優(yōu)點是輸出激光波長易變，只要有合適的種子源，就可以獲得光纖中透明的任意波長的激光。光纖喇曼激光器在光通信中扮演著越來越重要的角色，如作為光纖喇曼放大器和摻鉺光纖放大器的泵浦光源等。

3.1 硅基光纖喇曼激光器

在研究初期，人們對如何提高輸出功率以及轉(zhuǎn)換效率、降低激光器閾值等方面做了大量工作。如一種1.2 μm頻段的級聯(lián)分布式反饋光纖喇曼激光器[40]，其利用7.5 W的1 115 nm激光器進(jìn)行抽運，在1 175 nm和1 242 nm處分別產(chǎn)生3.8 W和1.1 W的激光，其1 175 nm激光輸出功率轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%。此外，如圖10所示，利用基于納米管的色散腔的被動鎖模光纖喇曼激光器[41]，可以產(chǎn)生500 ps的高啁啾脈沖，且經(jīng)過優(yōu)化壓縮后，脈沖在2 ps的范圍內(nèi)產(chǎn)生1.4 kW的峰值功率。

圖10 被動鎖模喇曼光纖激光器實驗裝置

一種諧波鎖模光纖喇曼激光器[42]，其多縱模泵浦波長為1 064 nm，輸出一階斯托克斯光波長為1 239.5 nm，產(chǎn)生的矩形納秒脈沖的能量為4.25 nJ，具有超過65 dB的輸出信噪比。用數(shù)值方法[43]研究在隨機分布反饋式長距離光纖喇曼激光器中的相關(guān)強度噪聲(RIN)，并對其傳遞函數(shù)和波長、泵浦功率的相關(guān)性做了分析，發(fā)現(xiàn)與腔體型超長距離光纖喇曼激光器相比，分布式反饋光纖激光器具有更高的轉(zhuǎn)換效率。

利用加入布拉格光柵或者光纖級聯(lián)的方法也可以改善激光器性能。如圖11所示，一種色散補償光纖和單模光纖級聯(lián)的光纖喇曼激光器[44]，利用一對光纖布拉格光柵(FBG)作為諧振腔鏡，進(jìn)一步減小激光器的閾值。

圖11 級聯(lián)喇曼光纖激光器

還有一種中紅外硅基光纖喇曼激光器[45]，以3.005 μm的激光為種子源，通過用一對光纖布拉格光柵構(gòu)成的低損耗F-P腔實現(xiàn)了功率為0.6 W、波長為3.34 μm的中紅外激光輸出，其轉(zhuǎn)換效率為39%。由級聯(lián)喇曼諧振器提供泵浦源級聯(lián)的光纖喇曼激光器[46]，能提供所需的波長，同時在1 480 nm處輸出功率高達(dá)204 W的激光脈沖，且轉(zhuǎn)換效率高達(dá)65%，量子限制效率為75%。而一種基于硅基微結(jié)構(gòu)光纖的級聯(lián)喇曼微激光器，能使激光器的閾值功率降低到毫瓦級[47]。此外，還可以把“合頻”(sum-frequency)技術(shù)[48]應(yīng)用到對級聯(lián)光纖喇曼激光器的控制，可以抑制不必要的高階斯托克斯光，使532 nm、559 nm和586 nm處激光的輸出功率分別提高了40%、42%和67%。

前向與后向泵浦波的隨機與光纖激光器中的增益和噪聲參數(shù)有關(guān)。實驗研究表明[49]，在相同的信號輸入功率和開關(guān)增益的條件下，前向隨機泵浦具有較大的平均增益和增益波動，而后向隨機泵浦具有較低的平均增益和非線性減值，前向隨機泵浦的有效噪聲系數(shù)比一階的雙向泵浦要低約2.3 dB，比二階的雙向泵浦要低大約1.3 dB。一般情況，硅基光纖喇曼激光器的頻率和功率對環(huán)境溫度的變化不敏感。

3.2 碲基喇曼光纖激光器

碲基光纖喇曼激光器[50]可以滿足跨多波段調(diào)諧和更高信噪比的要求，還可以用來制造輸出長度為厘米級、閾值功率為毫瓦級的喇曼分布式光纖激光器。利用摻餌碲基光纖制造了L波段的錐形耦合光纖微激光器[51]，當(dāng)泵浦光為7.5 mW時，在1 596 nm處有超過200 mW的強光輸出。而一種利用摻銩碲基光纖[52]構(gòu)造的波長為2 000 nm的單模微結(jié)構(gòu)激光器，其輸出功率達(dá)到了570 mW。利用碲基光纖構(gòu)造了一種環(huán)形腔可調(diào)諧碲基光纖喇曼激光器[53]，該激光器可實現(xiàn)S+C+L+U波段可調(diào)諧輸出，其可調(diào)諧范圍為1 495～1 600 nm ,最大的輸出光學(xué)信噪比超過60 dB。而經(jīng)過對各種摻雜粒子的碲基光纖的頻譜進(jìn)行分析[54]，在4～5 mol%的摻雜情形下可以得到最優(yōu)化碲基激光器的頻譜和光學(xué)參數(shù)。

4 喇曼波長轉(zhuǎn)換器

全光波長轉(zhuǎn)換器是密集型光波復(fù)用(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)系統(tǒng)、全光網(wǎng)絡(luò)以及全光交換系統(tǒng)的重要器件，實現(xiàn)波長的再次利用和再次分配，充分發(fā)揮寬帶資源，并且可以增加網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬和傳輸距離，降低網(wǎng)絡(luò)擴容的成本。

4.1 可調(diào)諧波長轉(zhuǎn)換器

利用光纖中SRS效應(yīng)可實現(xiàn)全光波長轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換器稱為喇曼波長轉(zhuǎn)換器[55]，其原理如圖12。首先將信號光λ1輸入到EDFA進(jìn)行放大、整形，然后經(jīng)耦合器將波長為λ1的信號光和探測光λ2(λ1>λ2，探測光為連續(xù)光，不攜帶信息且很微弱)一起耦合進(jìn)乳光纖中。在光纖中兩光波發(fā)生SRS作用，信號光的能量和信息都將會傳送給探測光，最后經(jīng)光學(xué)濾波器濾出變換后的光波為λ2的探測光，從而實現(xiàn)光波長的轉(zhuǎn)換。

圖12 基于光纖中SRS的全光波長轉(zhuǎn)換器原理

文獻(xiàn)[55]提出了一種喇曼波長轉(zhuǎn)換的模型，如圖13所示。理論分析證明，將泵浦光與連續(xù)探測光同時注入光纖，能實現(xiàn)跨幾個THz的波長之間的轉(zhuǎn)換，且最大轉(zhuǎn)換效率和消光比分別為-17.3 dB和15.7 dB。

圖13 SRS效應(yīng)實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換的實驗裝置

該喇曼波長轉(zhuǎn)換器，利用了光纖的喇曼放大特性，結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換速率快、轉(zhuǎn)換范圍寬且能實現(xiàn)跨通信波段轉(zhuǎn)換的優(yōu)點，但是該方案僅能實現(xiàn)進(jìn)行一對一波長轉(zhuǎn)換。為此，可對上述波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)[56]，原理如圖14所示，能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)諧波長喇曼轉(zhuǎn)換器。改進(jìn)的方案利用了一個可調(diào)諧激光器代替連續(xù)激光器，利用光纖中的SRS效應(yīng)，使用一個可調(diào)諧激光器實現(xiàn)了信號與不同波長之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，其轉(zhuǎn)換后探測信號光獲得12.7 dB的增益，但波長之間的轉(zhuǎn)換只能單獨進(jìn)行。

圖14 基于光纖中SRS的可調(diào)諧波長轉(zhuǎn)換原理

4.2 多路喇曼波長轉(zhuǎn)換器

為了實現(xiàn)對光通信系統(tǒng)的信息監(jiān)控和檢測，通常需要將一個波長(信道)攜帶的信號轉(zhuǎn)化到多個光波長上。同樣可以利用光纖中的SRS散射效應(yīng)，實現(xiàn)單波長信號向多波長的所謂多路喇曼波長轉(zhuǎn)換[57]，其原理如圖15所示。利用多個探測光與泵浦信號光同時耦合到光纖中并輸出信號，實現(xiàn)了一對多路的波長轉(zhuǎn)換，將原信號同時轉(zhuǎn)換到多個波長上。然而，由于喇曼增益譜的特性，加之不同信號光在光纖中的損耗不同，使得輸出信號光的功率各不相同。因此，需要對多路喇曼波長轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輸出功率相等的優(yōu)化。

圖15 基于光纖中SRS的多波長轉(zhuǎn)換原理圖

4.3 多波長轉(zhuǎn)換耦合器

密集波分復(fù)用系統(tǒng)中信道之間功率差異會導(dǎo)致波分復(fù)用解復(fù)用器的輸出端的串話，限制光的信噪比。利用級聯(lián)光纖的多波長轉(zhuǎn)換耦合器[58]可以得到等功率的輸出信號而消除串話，其原理如圖16所示。該方案采用康寧非零色散位移光纖(NZ-DSF)進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換及增益補償，數(shù)值結(jié)果顯示，全光波長轉(zhuǎn)換耦合器能同時對速率為10 Gbit/s的4路連續(xù)探測光實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率和消光比隨著探測光波長的增大而增大，最大轉(zhuǎn)換效率達(dá)到-34 dB，最大消光比為36.68 dB；Q因子隨著探測光波長的增大而減小，最大為128.29。該方法可以實現(xiàn)一對多路的等光功率的波長轉(zhuǎn)換，可以更好的用于鍵控調(diào)制信號的DWDM通信系統(tǒng)。

圖16 全光多波長轉(zhuǎn)換耦合器原理

喇曼波長轉(zhuǎn)換器是利用光纖中SRS效應(yīng)實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換的一種新方法，原理和結(jié)構(gòu)簡單，波長轉(zhuǎn)換效率高，易于實現(xiàn)，具有一定的實際應(yīng)用價值。

5 喇曼光纖傳感器

自分布式溫度傳感器問世以來，根據(jù)工作原理可分為3種：基于瑞利散射的分布式光纖溫度傳感器；基于布里淵散射的分布式光纖溫度傳感器；基于喇曼散射的分布式光纖溫度傳感器。對于基于瑞利散射的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，雖然動態(tài)范圍較大，但溫度測量精度不高。對于布里淵散射的分布式光纖溫度傳感器，該方法的溫度測量精度高，測量跨度大，但由于布里淵頻移對拉伸應(yīng)變也很敏感，因此還需要考慮如何將拉伸應(yīng)變引起的頻移和溫度變化引起的頻移區(qū)分開來。喇曼分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，主要是利用喇曼散射的溫度特性，因而其溫度特征明顯。

分布式喇曼光纖溫度傳感器系統(tǒng)如圖17所示[59]，將激光器發(fā)出均勻的重復(fù)頻率的光脈沖注入到與之耦合的光纖中，再經(jīng)過定向耦合器注入到大芯徑大數(shù)值孔徑的傳感光纖中去。傳感光纖布置于被測溫度場分布環(huán)境中，光學(xué)濾波器濾除后向散射光中較強的瑞利散射光信號，而僅允許光強較弱的喇曼后向散射光信號通過。反斯托克斯光及斯托克斯光這兩路信號通過光纖進(jìn)入到與光纖耦合的由兩支APD光電探測器及寬帶放大器組成的兩路光接收機中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及電信號放大。兩路放大的電信號在經(jīng)過兩路同步工作的Boxcar取樣積分器消除噪聲后進(jìn)入模擬除法器相除，以獲得沿光纖分布的溫度變化曲線。

圖17 分布式喇曼光纖傳感器系統(tǒng)原理

喇曼分布式光纖傳感器可以應(yīng)用于很多方面。例如，基于硅基光纖分布式喇曼光纖傳感系統(tǒng)，如圖18所示[60]，可以在159 km的長度上對溫度進(jìn)行實時監(jiān)控，實現(xiàn)長距離傳輸系統(tǒng)的監(jiān)控。

圖18 長距離喇曼光纖傳感系統(tǒng)

Kasinathan等人[61]把基于硅基光纖的分布式喇曼溫度傳感器應(yīng)用到對快中子增殖反應(yīng)堆中泄漏的實時監(jiān)控和電力傳輸線中的過載保護(hù)中。可以在超導(dǎo)納米單光子探測器中應(yīng)用分布式喇曼傳感器[62]，完成對溫度的測量，為高精度、高空間分辨率的溫度測量提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。使用受激喇曼散射效應(yīng)中的反斯托克斯光，分析了基于硅基光纖的分布式溫度光纖傳感器的傳感性能，并闡述了時域相關(guān)損耗和波長相關(guān)損耗帶來的影響及解決方法[63]。還可以利用光纖的集成喇曼光纖傳感器[64]，對實時監(jiān)測低溫高壓力和高流速混合物中液氧和液氮的濃度比例，等等。

基于光纖喇曼散射的溫度傳感技術(shù)，利用光纖SRS效應(yīng)與溫度有關(guān)的特性來實現(xiàn)溫度傳感，應(yīng)用前景比較廣泛。由于喇曼后向散射系數(shù)太小，比瑞利散射低3個數(shù)量級，因此必須采用高輸入功率對探測到的后向散射光信號取較長時間內(nèi)的平均值[65]。對于一個傳感器系統(tǒng)而言，最主要的是提高系統(tǒng)的性能，諸如溫度分辨率、空間分辨率、測溫距離及系統(tǒng)測溫精度等。高性能的溫度傳感器正是目前喇曼分布式光纖溫度傳感器的發(fā)展方向。

6 結(jié)束語

綜述了光纖中基于受激喇曼散射(SRS)效應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)即喇曼光纖放大器、光纖喇曼激光器、喇曼波長轉(zhuǎn)換器和喇曼光纖傳感器主要研究和應(yīng)用情況。光纖中的SRS效應(yīng)，還有很多方面的應(yīng)用，如光纖光孤子通信和超快脈沖等方面的研究和應(yīng)用未被介紹，更多更重要的應(yīng)用有待于更進(jìn)一步發(fā)掘。

另一方面，光纖受激喇曼散射(SRS)具有寬頻帶、強抗干擾能力等特點，有利于應(yīng)用于光通信及其它技術(shù)領(lǐng)域。研究結(jié)果已表明，不同摻雜光纖，如碲基光纖[66]擁有的寬傳輸窗口、優(yōu)良的玻璃穩(wěn)定性和耐用性、高折射率、高非線性光學(xué)參數(shù)和相對低的聲子能量的特性，其較硅基光纖更適合實現(xiàn)跨多個波段的喇曼放大，進(jìn)而獲得性能優(yōu)良的分立式喇曼放大器和光纖激光器。因此，高增益性能良好受激喇曼的光纖材料的研制，將會進(jìn)一步促進(jìn)和完善光纖SRS技術(shù)，使其在未來光通信系統(tǒng)和其它應(yīng)用領(lǐng)域扮演重要的角色。

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[責(zé)任編輯:王輝]

Application of stimulated Raman scattering in fiber

GONG Jiamin1, YUAN Xinyi1, ZUO Xu2

(1. School of Electronic Engineering，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121，China;2. School of Communication and Information Engineering，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121，China)

The principle of stimulated Raman scattering is summarized. Several applications in stimulated Raman scattering are discussed in the paper which contains Raman fiber optical amplifiers, Raman fiber laser, Raman wavelength converter and Raman fiber sensor. The developing trend of application of stimulated Raman scattering in optical fiber is prospected as well.

Raman amplifier, fiber laser, Raman wavelength converter, fiber sensor

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.01.001

2013-11-20

西安市科技計劃基金資助項目(CX12188)

鞏稼民(1962-)，男，博士，教授，從事光電子及光纖通信的研究。E-mail: gjm@xupt.edu.cn 袁心易(1986-)，男，碩士研究生，研究方向為光電信息技術(shù)。E-mail: xinyi1530@gmail.com

TN929.11

A

2095-6533(2014)01-0001-12