1400nm拉曼光纤激光器的分析与实验研究 @)>Z +g
王英，陈清川，杨小桃，周莉， K q[4I[+R
华中理工光学院 l"ms:v
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摘要：拉曼光纤放大器是下一代光学网落的重要组件。作为拉曼放大器的泵浦源，大功率拉曼光纤激光器是其中一种选择。在本文中，我们理论上仿效拉曼光纤激光器并优化了它的输出功率参数，实验分析这种仪器。这种分析是以拉曼纤维激光器为模型并用四阶龙格库塔算术作模拟。这套实验装置造出了不低于500mw的波长为1428nm的输出激光，这种激光产生于使用高非线性高效光纤，光纤布拉格光栅的拉曼共振腔并由1342nm固态激光器驱动。 dWz?`B{'
检索术语：拉曼光纤激光，受激拉曼散射，数值模拟 O9daeIF0#
1，简介 !hVbx#bXl
光纤中的受激拉曼散射给光通信链接的光信号放大提供了个非常令人感兴趣的方法。这种由受激拉曼散射产生在光纤中得到的激光辐射就被称为拉曼光纤激光。这种激光能产生几乎所有波长的辐射，特别是1.1-1.6um的光通信波段，而且输出功率质量高，其仅仅取决于泵浦的波长。 Snk+ZQ-
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这种拉曼光纤享受到了在光纤领域的三个新成果。 !E$$ FvL
1）高效拉曼散射的观察。 A} ZZ Q
2）激光二极管与高非线性高效光纤的发展。 ^PEw #.WG
3）感光光纤的发现和光纤布拉格光栅结构技术的产生。 z~Q=OPCnY
这些激光的发展即将满足泵浦1.3~1.6um拉曼光纤放大器的需求，它为其他光纤放大器——这其中包括掺铒激光放大器提供了泵浦源，为了放大波长为1.55um的光通信信号，受激拉曼散射泵浦源应该为1400nm波段。光学放大器在光纤通信系统，特别是光波分复用系统的广泛应用，使得人们更看到了对拉曼光纤激光进行研究的重要性，并为此付出巨大努力。 oU|G74e 6
所得的实验结果指出了将激光二极管用到拉曼光纤震荡器的可能性。这两者的结合可能产生一个简单高效，价格低廉的近红外线光源。然而，二极管的空间形状限制了高的耦合率。问题就在于我们得解决大功率激光辐射对单模光纤核心的耦合率。光纤布拉格光栅是现代拉曼光纤激光器的关键组件之一。人们已经发现它可能高效的把大功率激光器的连续辐射转换为拉曼激光，输出我们想输出的任何波长。 &
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这几年一些文章描述了拉曼光纤放大器和震荡器的实验结构，但是没几个是在激光的数学模式和实验参数的最佳选择问题上有所建树的。详尽的数学模型研究被发表，它们解决一系列用于描述单向多级环形共振腔的速率方程。 exq5Z c%
在这个实验中我们模拟一个使用布拉格反射镜的单纤拉曼共振腔并考虑到了所有由前后流动波带来的影响。并研究了泵浦源输出功率在1342nm和1428nm之间的情况。我们将这个模型应用到高非线性高效光纤的情况，我们已经为其算出拉曼增益与线性损耗。我们用数学分析挑选出最优的光纤长度和耦合输出，为了结构合理，我们还计算了输出功率对于泵浦功率的依赖性。我们发现激光器效率在更合适的选择实验参数的情况下可以被提高。 &tH?m;V
我们用掺钕晶体激光器来构建系统，用激光二极管来驱动这个激光器。从上述系统中输出的1342nm单模波与高非线性光纤通过球形透镜耦合器进行了耦合并得到了超过75%耦合率。 SnE^\I^O
2.理论模型 I )mB]j
我们现在讨论法布里－珀罗共振腔（图1）。反馈原件是高反射率和半反射率的光纤布拉格光栅，分别放在光纤的输入输出端。这种结构能通过受激拉曼散射产生一个频率波；其斯托克斯线被一对光纤布拉格光栅影响在腔中震荡，并与之耦合进而输出了较多部分的斯托克斯能。 MtkU]XKGT
另一个位于中央的光栅产生一个双光路泵浦结构。有了这样的结构斯托克斯线的高效产生已经被实验证明了。我们假设泵浦源是1342nm连续二极管泵浦固态激光器。在之前的数学模拟工作中，使得相向传播光波发生耦合的受激拉曼散射的五个状态中，前后散射已经被考虑了进去。这就提供了对多级拉曼激光器表现的更实际的评估。在我们的模型中同时包括相向波耦合和前后散射耦合，而它仅仅在一个指定的斯托克斯频率上，这就简化了这项工作。 R;DU68R
图2说明了我们课题的轮廓:我们设一个长度为l的高非线性高效光纤。1342nm入射泵浦射入0。通过受激拉曼散射，泵浦在腔中产生了斯托克斯波。斯托克斯辐射从出射境射出。 =}Tm8b0
泵浦和斯托克斯能在光纤长度上的演变在稳态下可以被描述，以一系列普通非线性微分方程的方式，它表达了斯托克斯线强度的增益与耗损平衡。所使用的方程如下：。。。。。。 C8K2F5c5
这里Pp,Ps代表泵浦和斯托克斯功率（f与b分别代表前后传播）而Vp,Vs是频率。αp, αs是线性衰变系数。 OZ\6qMH3e
gR是拉曼增益系数。gR / Aeff我们已经想到了强度的高斯分布并估计出了作用区域，也就是受激拉曼散射的有效核心面积Akeff。 9gg{ i6
边界条件由光纤布拉格光栅的反射率与入射泵浦给出：。。。。。 ZV gfr vZP
这里Rt,Rp分别是泵浦和激光的高反射光栅的反射率，Rout是1428nm输出光栅的反射率。 W6<oy
3.数学计算和实验结果 zT>!xGTu7~
忽略自发自发拉曼散射对方程的贡献的同时，我们用数学分析去取得数值结果。我们用四阶龙格库塔解方程，将长为l的光纤分段然后迭代计算。 }JFTe
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将其分成每份长度为Δz，初始条件Ps (0)，Pp (0)是在0位置的泵浦功率和激光器功率。我们用四阶龙格库塔算出第一段的泵浦功率和激光器功率Ps (Δz)、Pp (Δz)，并把作为第二段的初始条件计算下去直到算出最后一段。 UDEGQ^)Xz|
在实验中，我们用高非线性光纤当作日本的拉曼增益光纤。衰减在泵浦波段和激光波段分别小于1.5dB/km和大约0.8 dB/km。拉曼增益gR/Aeff大约为6 (km.w)-1而中心频率大约440cm-1。光纤布拉格光栅分别为：99.29%@1428nm, 98.9%@1342nm, 52.2%@1428nm。在我们的模型中Leff是有效光纤长度。当拉曼光纤长度少于0.5km而且泵浦波段衰减少于1.5dB/km时，泵浦波段大约与光纤长度相同。拉曼纤维激光的输出功率的数学计算结果如图4. ^ ;EhKG
基于以上的光纤条件，我们通过以下方程能估算出激光阈值，激光阈值输出的计算如图5. { b$"SIg1E
我们构建了我们的实验设备如图1，1342nm泵浦源为掺钕钒酸钇固态晶体激光器，它的输出功率可调。拉曼激光光谱如图6. X,Na4~JO (
4.总结 e!5} #6Kd
简化理论模型为一阶拉曼光纤激光器的同时，我们用四阶龙格库塔的迭代法来模拟拉曼光纤激光输出特性。 ^}+\ 52w
实验结果符合数值计算。这说明简化实验模型对于一阶拉曼光纤激光器是实用的。用这个方法，我们能通过优化光纤布拉格光栅反射率的空腔参数优化我们的激光。这项工作将今后讨论。 nJe}U#
5.鸣谢 _:Qh1 &h
作者想感谢张民英制作了珍贵的实验器件。我们也要感谢杨先博对数学工作的建议以及刘德鸣的有益的讨论。
