光栅技术及拉曼光纤放大器发展应用

山东莱芜钢铁集团公司动力部 周志敏

武汉理工大学信息工程学院　　 周纪海

　　摘要：文中阐述了光纤光栅技术在光纤通信产品中的应用, 拉曼光纤放大器结合EDFA等稀土掺杂光纤放大器必将成为未来宽带、高速、长距离光通信传输实现光放大的理想方案。

　　关键词：光栅技术 拉曼光纤放大器 应用展望

1.概述

　　光纤光栅的三大用途包括对光线的控制、合成和路由，在光纤技术、光纤通信及光纤传感等高技术领域中极其广泛的应用。光纤光栅的一个重要应用是使各种全光纤器件，如光纤激光器、光纤调制器、光纤滤波器、光纤波复用和解复用器、光纤光栅色散补偿器件等的研制成为可能，同时将各种全光纤器件集成在一段光纤里，形成诸多集成型光纤通信系统也成为可能。将来光通信系统中如果没有光纤光栅就如同电子回路中没有电子器件一样。所以普遍认为，光纤光栅的研制成功是继掺铒光纤放大器（EDFA）之后在光纤领域中的又一次重大技术突破。光纤光栅是利用光纤中的光敏性而制成的。所谓光敏性,是指强激光通过掺杂光纤时,光的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化,变化的大小与光强成线性关系。如用特定滤的激光干涉条纹(全息照相)从侧面辐照掺锗光纤,就会使其内部折射率呈现周期性分布,并保存下来,成为光纤光栅。这种光栅在大约500℃以下稳定不变,但用500℃以上的高温加热就可擦除，一般可选用光敏光纤或载氢光纤作为光纤光栅的制作原料。光纤光栅制作简单、性能稳定可靠、体积小、器件微型化、易于集成电，因为它本身就是一段光纤，所以与其它光纤器件、系统易于连接，耦合损耗小。光纤布拉格光栅是一小段光纤,一般几毫米长,其纤芯折射率经两束相互干涉的紫外光照射后产生周期性地调制,干涉条纹周期由两光束之间的夹角决定,大多数光纤的纤芯对于紫外光来说是光敏的,这就意味着将纤芯直接曝光于紫外光下将导致芯折射率永久性变化。这种光布拉格光栅的基本特性就是以共振波长为中心的一个窄带光学滤波器。该共振波长称为布拉格波长λB=2neff∧,neff为光纤的有效折射率。布拉格光栅的另一个特性 是其色散特性,利用该特性可对光纤色散进行有效地补偿。光纤布拉格光栅的反射、透射和色散特性可以根据需要，制作成各种各样的形式，反射谱的边模可以通过调制强度的渐变得到抑制,线性调频光栅可以增加带宽并获得大的色散,波动光栅可以在光谱的中心产生凹陷,从而制成光纤光栅带通滤波器光纤光栅在光纤通信中的应用。

2.光纤光栅在光纤通信中的应用

2.1波分复用/解复用器

　　光纤光栅的一个基本特性就是以共振波长为中心的一个窄带光学滤波器, 它具有很好的选频作用,所以它可以被用作密集波分复用系统的解复用器, 光纤光栅波分复用/解复用器由在光纤马赫-曾德干涉仪的两个干涉臂上具有两个完全相同的布拉格光纤光栅组成。经波分复用后若干个波长的信息流(假设为λ1、λ2λ7)从端口1输入,若光栅的共振波长为λ4,则λ4的光将在端口2出现,而其余的光将在端口4输出。理想情况下,干涉仪的两个臂完全平衡,则端口3不会有光输出。由于复用和解复用的固有对称性,可以使用这种器件作为波分复用器，此时,λ4波长的光从端口3输入,与从端口1输入的已复用的其他波长的光复用,从端口4输出。如果放置具有不同共振频率的成对光机于干涉臂上,则可以同时插入或解出多个不同的波长的信道。 光纤光栅的波分复用解复用器有较低的插损,现在欧美有些厂商可提供50GHZ、100GHZ的8－120通道的光纤光栅波分复用器，插损指标远低于同类 AWG产 品。

2.2光纤滤波器

　　利用光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特性,可以做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器，如果在一个2×2光纤耦合器输出侧的两根光纤上写入同样的布拉格光栅，利用这种原理也可以制成法布里---珀罗标准具型带通滤波器。光栅的滤波特性可制作GFF（增益平坦滤波器），可广泛应用于DWDM 光纤 放大器32通道及以上，目前除Thin Fil技术，光纤光栅也是较好的选择方案之一，slanted和chirped的光栅技术GFF产品已在市场上推广，但真正解决温度、湿度的长时间的稳定可靠性能，将是系统厂商能否大批使用的关键所在。

2.3色散补偿器

　　对于普通单模光纤,在1550nm处色散值为正,处在反常色散区, 兰移分量较红移分量传播得快。光纤chirp光栅能对色散补偿的原理是,当这种光脉冲通过线性chirp光栅后,兰移分量的时延比红移分量的时延长,正好起到了色散均衡作用,从而实现了色散补偿,色散补偿的机理可以进一步理解为,线性chirp光纤光栅在光栅的每一点都可视为有一个本地布拉格波长的通带和阴带。若使光栅周期大的一端在前,使红移分量在光栅前端反射,而兰移分量在光栅末端反射,因此兰移分量比红移分量多走了2L距离(L为光栅长度),这样便在红兰移分量间的时延长为 t = 2 L / U g（式中U g为有效群速度）。经过光栅以后,滞后的红移分量便会赶上兰移分量,从面起到色散补偿的作用。光栅的色散补偿量可以写成D = t / B（式中B为反射带宽），色散补偿光栅的最小由经验公式给 出：L min(cm)=0.18(cm) × d (km) × Dl (nm) 众所周知，色散是限制超高速光通信容量的主要因素，虽已有不少色散补偿的方法，但光纤布拉格光栅色散补偿器与它们相比，具有全光纤型、损耗低、体积小、重量轻、成本低和灵活方便等优点。采用10cm 长的线性调制光纤布拉格光栅，可对10Gb/s 的光信号传输了400km 的非色散移位光纤的色散进行很好的补偿。 其缺点是色散补偿的带宽通道数受到光栅长度的限制，一般16及以上通道DWDM中，光栅色散补偿已无法满足带宽要求。利用chirp光纤光栅可以产生光时分复用使用的超窄光脉冲，还可以制作光纤激光器和光纤分布反馈式（DFB）激光器。光纤光栅的产品具有集成度高，封装尺寸小，成本低，生产设备人员投入少，一致性高等优点，但同时存在稳定性差的缺点，有理由相信，在完全解决了绝热封装问题后，光纤光栅产品将是未来在光纤通讯应用中最为广泛和激动人心的产品。

3.拉曼光纤激光放大器

　　光纤激光放大器根据增益介质的不同可分为两类：一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素（Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm和Yb等）的光纤，利用受激辐射机制实现光的直接放大，如半导体激光放大器（SOA）和掺杂光纤放大器；另一类基于光纤的非线性效应实现光的放大，典型的为拉曼光纤激光放大器和布里渊光纤激光放大器。

　　目前技术上较为成熟的掺铒光纤放大器（EDFA）取代传统的光-电-光中继方式，实现了一根光纤中多路光信号的同时放大，大大降低了光中继的成本；同时可与传输光纤实现良好的耦合，具有高增益低噪声等优点。因此成功地应用于波分复用(WDM)光通信系统，极大地增加了光纤中可传输的信息的容量和传输距离。然而，EDFA尚存在诸多不足制处：首先是对于有效利用单模光纤低损耗区的巨大带宽资源而言，明显存在着工作波段和带宽的局限性。其次是自发辐射噪声的影响，尤其是当系统级联时，自发辐射噪声的影响会大大降低系统接收机端的信噪比。另外是EDFA的带宽总是有限的，全波段的EDFA带宽最多也就在80~100nm。并且EDFA作为一种有源器件对于光网络和系统的建设和维护来说其费用都会非常高。随着计算机网络及其它新的数据传输业务的迅猛发展，长距离光纤传输系统对通信容量和系统扩展的需求日益膨胀。如何提高光纤传输系统容量、增加无电再生中继的传输距离，已经成为光纤通信领域研究的热点。

　　因此，拉曼光纤放大器逐渐引起人们的重视，在2001年的OFC上不乏有关拉曼光纤放大器的报导。展会上推出关于拉曼光纤放大器的厂商也逐渐多了起来，拉曼光纤激光器也逐渐成为光通信领域中的新热点。虽然拉曼光纤激光器距离真正商用化还有一段距离，尤其是在国内，但适时推出拉曼光纤放大器不乏成为公司技术实力的一个象征。

3.1发展历史

　　拉曼光纤放大器的原理是基于光纤中的非线性效应：受激拉曼散射（SRS）。拉曼现象早在1928年就被Chandrasekhara Raman爵士所发现。目前对SRS效应的研究已形成一套比较完整的理论体系。在早期单模光纤中首先测得了石英光纤中的拉曼增益系数，其增益谱的典型特征是具有较宽的带宽，可在很宽的范围内获的拉曼增益。对于一定的拉曼增益，输出端的拉曼散射光强与泵浦光功率和光纤长度成正比，与光纤芯径成反比。对于光纤中的拉曼效应进一步研究发现，泵浦光与斯托克斯色散光的偏振方向对拉曼过程影响很大，当使用长光纤时，由于泵浦光与斯托克斯光无法实现同方向偏振方向传输，将使拉曼阈值成倍地上升。

　　拉曼光纤放大器在观察到SRS效应后不久就有所考虑，在80年代末至90年代直至现在逐渐引起人们的广泛关注。1972年Stolen等首先在拉曼光纤放大器的实验中发现了拉曼增益，初期的研究主要侧重于研制拉曼光纤激光器。80年代在光纤通信应用的推动下开始研究拉曼光纤放大器。1981年Tkeda采用1.017μm的泵浦光放大1.064μm的信号光，经1.3km单模光纤放大获得了30dB小信号增益。1983年Desurvire等用2.4km的单模光纤放大1.24μm的光信号，获得45dB的小信号增益。1986年Olsson用拉曼光纤放大器作为光纤通信系统接收机的前置放大器。1987年Edagawa研究了拉曼光纤放大器的宽带多信道放大特性。1989年Mollenauer采用41.7km的光纤环和1.46μm的色心激光器泵源，利用拉曼增益放大脉宽55ps、波长1.56μm的孤子脉冲稳定传输了6000km。1995年Grubb等实现了4×10G/s WDM多通道放大。1996年Stentz等研制成1.3μm拉曼光纤放大器。1997年Masuda等研制成EDFA与拉曼光纤放大器混和结构的宽带放大器。1999年拉曼光纤放大器成功的应用于DWDM系统，Bell实验室演示了拉曼放大结合EDFA的1.6Tbit/s 400km的传输系统。拉曼光纤放大器其固有的全波段可放大特性和可利用传输光纤做在线放大的优点使其进一步收到广泛关注，今后会逐渐在光放大器家族占据重要地位！

3.2拉曼光纤放大器的基本原理、特点和应用

　　在许多非线性光学介质中，高能量（波长较短）的泵浦光散射，将一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。量子力学描述为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵浦光产生称为斯托克斯波的频移光。研究发现，石英光纤具有很宽的受激拉曼散射（SRS）增益谱，并在13THz附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。

　　拉曼光纤放大器有三个突出的特点：a、其增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可得到任意波长的信号放大；b、其增益介质为传输光纤本身；c、噪声系数低。特点a使拉曼光纤放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，使用多个泵源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽（后者由于能级跃迁机制所限，增益带宽只有80nm），因此，对于开发光纤的整个低损耗区1270nm-1670nm具有无可替代的作用。特点b使拉曼光纤放大器可以对光信号进行在线放大，构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。而且因为放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性效应尤其是四波混频（FWM）效应的干扰。特点c使其与常规EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数，增加传输跨距。

　　拉曼光纤放大器有两种类型：一种为集总式拉曼放大器。所用的光纤增益介质比较短，一般在几公里，泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦特，可产生40dB以上的高增益，象EDFA一样用来对信号光进行集中放大，主要作为高增益、高功率放大，可放大EDFA所无法放大的波段。在2000年的欧洲光通信会议上，斯坦福大学的研究人员报道了他们进行的集总式拉曼放大实验的结果，用十种不同的光纤分别做增益放大介质比较得出，色散补偿型光纤是得到高质量集总式拉曼光纤放大器的最佳选择。这预示我们可以在进行系统色散补偿的同时对信号进行高增益、低噪声的放大，而且互相不影响。另一种为分步式拉曼放大器。所用的光纤比较长，一般为几十公里，泵源功率可降低到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。在DWDM系统中，传输容量，尤其复用波长数目的增加，使光纤中传输的光功率越来越大，引起的非线性效应也越来越强，容易产生信道串扰，使信号失真。采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比（OSNR）。这种分布式拉曼放大技术由于系统传输容量提升的需要而得到快速的发展。

4、拉曼光纤放大器的实现方式

　　拉曼光纤放大器的实现首先是由于其瓦级泵浦源－拉曼光纤激光器的实现。SDL可大量提供这种产品。在2001年OFC的展会上很多厂商都宣称能够提供此种产品。泵浦源实现的一种方案是利用廉价的多模泵浦激光器泵浦特殊的大孔径双包层掺Yb光纤可以产生1000nm的光，然后再根据Stokes效应去泵浦下一级单模光纤,单模光纤的两端刻有布拉格光栅形成谐振腔，经几级变换最终将输出波长变换到1450nm附近。输出功率可以高达1W以上。这种技术的好处首先是可以实现很大的输出功率，其次是通过改变构成单模光纤激光器谐振腔的光纤光栅输出波长可以范围很广，最终得到的拉曼光纤激光器即可放大不同波长范围的光信号。Lucent所提供的拉曼光纤放大器即是此种构造。实现泵浦激光器的第二种手段是将多个泵浦激光器的波长直接用复用器复用在一起。这种方法需要利用光纤光栅来稳定单个激光器的波长。这种技术的好处一是由于复用多个波长而提供了一个很宽的增益谱，二是可以通过调整单个激光器的功率方便调整增益斜率。在OFC2001年的展会上有厂家可提供此类激光器，输出的功率一般在几百mW左右。

摘自　光纤新闻网