CN1327578C - 具有增强输出功率和对反射率具有低敏感度的喇曼激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有用于喇曼辐射λ_RR的新的光共振腔的喇曼激光器。这种共振腔由一个具有对应于所述喇曼辐射λ_RR的反射波长的不成对的反射器r_RR所组成。由发生在反射器r_RR和喇曼激光器输出之间的一部分光纤上的瑞利散射有利地对在输出的用于建立光共振强的第二个反射器进行定义。通过将瑞利散射使用为需要与不成对的反射器相联系的补充反射器，获得用于具有小于1%的输出反射率的喇曼辐射λ_RR(即，具有优化的喇曼辐射)的光共振腔是可能的。这种喇曼激光器特别适合于用作第二阶喇曼激光器。

Description

具有增强输出功率和对反射率具有低敏感度的喇曼激光器

技术领域

本发明涉及一种用于发射喇曼辐射的喇曼激光器并且涉及一种用于包括这种喇曼激光器的喇曼放大处理的设备。此外，本发明还涉及一种用于产生喇曼辐射的方法。

背景技术

目前，光纤技术被用于通信系统，以便在长距离上以光信号传输信息，例如声音信号和数字信号。然而，在如此长的距离中，传输的光信号的强度和质量逐渐减损。因此，已经开发出一些技术，以便在光信号沿光纤传送时对其进行再生或放大。

一种公知的放大技术利用了一种被称为喇曼散射的效应，来对输入的承载信息的光信号进行放大。喇曼散射描述了光与光传播的材料中分子的震动之间的相互作用。分子散射的入射光从承载功率的光泵浦辐射经历频率的降低。将这种从泵浦波长的频率的降低(或波长的增加)被称为斯托克斯位移(Stokes shift)，并且将对应的散射光被称为斯托克斯线(Stokes line)。频率降低的范围和喇曼增益曲线的形状由传输媒介的分子振动频率模式来确定。在非结晶的材料中，例如硅，分子振动频率分布成频段，这些频段重叠且提供宽带的宽增益曲线。

通过将一些初始泵浦波长与需要放大的信号波长一起注入到喇曼活性传输媒介(例如，熔丝硅)中，这些初始泵浦波长得到了有利地利用。假设需要放大的信号波长位于所述的初始泵浦波长(例如，在硅中1550nm处的大约100nm)的喇曼增益中，那么这些信号波长将经历由初始泵浦波长产生的光增益，且同时损失了初始泵浦波长。换句话说，这些泵浦波长放大了信号波长，并且也因为这样做，减少了它的强度。这种增益处理称为激励喇曼散射并且也是一种用于放大光信号的公知技术。

用于光通信的一种波长(例如，在1.55μm附近)的高强度持续波辐射的发展截至于基于这种激励的喇曼散射的级联喇曼激光器。美国专利5,323,404描述了这种级联喇曼激光器的示例。图1说明了这种具有喇曼激光器10的现有技术，其包括一对或多对反射器(21，21’，22，22’，23，23’，24，24’，25，25’)，这些反射器彼此隔开，且具有相同中心波长。反射器通常为直线折射率布拉格反射器(linerefractive index bragg reflector)，该反射器由基于SiO₂的光纤构成其中的中心部分包含Ge，每对反射器在光纤中提供一个光腔(opticalcavity)。这种光腔至少包括喇曼光纤17的一部分，其中将发生产生增益的激励喇曼散射。在波长上相邻的光腔通常在波长上相差一个斯托克斯位移，两个连续的斯托克斯位移中较长的波长位于前一个斯托克斯位移的喇曼增益光谱中。在其中一个光腔中共振的辐射被称为斯托克斯线。

喇曼激光器10通过耦合器16与从泵浦源15出来的位于波长λ_PO的一些初始泵浦辐射相耦合。这种喇曼激光器10适合在它的输出19发射波长为λ_RR的辐射，这个波长比初始泵浦辐射λ_PO长。

在许多级联喇曼激光器的潜在重要应用中，一个以上的反射器被用于如图1所示的例子中。例如，在它的输出端具有λ_RR为大约1.5μm的喇曼辐射并且使用λ_PO为大约1.1μm的初始泵浦辐射的激光器可能需要5个反射器对(21，21’)，...(25，25’)。具有如此多反射器的喇曼激光器不仅由于每对反射器的两个部分必须具有本质上相同的中心波长所以制造起来非常困难，而且由于反射器的多样性造成的不必要的衰减可能会很严重。例如，当辐射通过每个输出反射器，斯托克斯线会经历多达0.5dB的损耗。并且得到具有如几个百分之十之低的反射系数的布拉格光栅是非常困难的。通过节省在光共振腔的输出端的反射器(可能是对应于喇曼辐射的或者是具有种子辐射的反射器)，能够给出一个变型(参见以下对种子辐射的描述)。这仅当失去反射器被裂开的光纤端所替代才可能。这是这样一个裂开端，其能提供大约4％的足够的反射率(菲涅耳反射器(Fresnel reflectivity))以建立光共振腔。但是，如本领域技术人员所知，使用菲涅耳反射达到比4％小很多的反射率是不可能的。

发明内容

考虑到如上内容，本发明的目标是开发用于发射具有优化的且可能最大的输出功率的喇曼辐射的喇曼激光器。此外，应用用于产生这种喇曼辐射而不意味比现有技术显著增加成本的方法也是本发明的目标。

这个目标是依照本发明通过使用具有特别光共振腔的喇曼激光器，其中光共振腔用于位于喇曼辐射λ_RR处的波长的电磁辐射。这种共振腔是由具有对应于所述喇曼辐射λ_RR的反射波长的一个不成对的反射器r_RR组成的。通过至少在反射器r_RR和喇曼激光器输出之间的一部分光纤上发生的瑞利散射，有利地确定需要建立光共振腔的输出反射器的第二个反射器。这种瑞利散射是由产生了反射率的随机不均匀体的玻璃中分子位置随机局部变化所导致的。这种随机不均匀体作为小的散射中心。与先前技术不同，瑞利散射现在不再是噪声效果，而是根据本发明可以被开发来对喇曼激光器的输出进行优化。通过将瑞利散射作为与不成对的反射器相联系的补充反射器来使用，获得用于喇曼辐射λ_RR的具有小于1％的输出反射率的光共振腔成为可能。有利地，如此定义的反射器的反射率将在百分之几十的范围内，可能小到0.1％。

根据本发明的这种喇曼激光器特别适合于用作具有喇曼辐射λ_RR的第二阶喇曼激光器，其中喇曼辐射λ_RR是从倒数第二个应用的级联激励喇曼散射所获得的斯托克斯线。这种第二阶喇曼激光器包括至少一个由一对具有对应于种子辐射λ_seed的发射波长的反射器(r_seed，r’_seed)定义的另一个光共振腔。每一个这种种子辐射对应于从根据本发明的喇曼激光器中的最后应用的级联激励喇曼散射中获得的斯托克斯线。有利地，用于种子辐射的光共振腔包括一个对于它的反射波长λ_seed具有可调反射率的输出反射器r’_seed。通过这种方法，有可能更适宜的从0到多于300mW变化种子辐射的功率。

只有通过使用根据本发明的喇曼激光器，才可能以如此高的精确度控制种子辐射的功率。在其他情况下，用于喇曼辐射λ_RR的“输出反射器”的低于1％的反射率允许使用用于具有从0到大于25％可调反射率的种子辐射的输出反射器r’_seed。

本发明有利地开发在附属权利要求，下面的描述和附图中进行描述。

附图说明

本发明的示例性具体实施方式现在通过引用附图进行进一步的解释，其中：

图1是根据现有技术的具有泵浦源的喇曼激光器示意图；

图2是根据本发明的喇曼激光器；

图3是根据本发明的用作第二阶喇曼激光器的喇曼激光器；

图4a是根据本发明的用于第二阶喇曼激光器的不同斯托克斯位移的例子；以及

图4b是根据图4a的用于1351.5nm波长的喇曼增益。

具体实施方式

图2表示根据本发明的喇曼激光器11。这种喇曼激光器11包括一段用作喇曼光纤17的光纤。喇曼光纤17在两端由一些反射器(r_i，r_i’)包围。本例子中，图2描述了在喇曼激光器11输入端的5个反射器21，22，...，25，以及在其输出端的5个反射器20，21’，...，24’。所有这些反射器20，21，21’，...，24，24’，25，最好由一些构造在所述光纤上的光纤布拉格光栅来组成。但是，其他种类的反射器也是可考虑的。

喇曼激光器11通过耦合器16在它的输入端与泵浦源15进行耦合。该泵浦源在进入喇曼激光器11的波长λ_PO处将提供初始泵浦辐射。在喇曼激光器11的输出端放置了隔离器18用来防止从外界经过其输出进入的任何辐射。该输出的特点在于一个斜切开的末端界面19，这样用来避免另一个的不需要的反射器。

根据本发明的喇曼激光器由至少一个(n＝1)空间上分开的反射器对(r_i，r_i’)(i＝1，...，n)组成。在图2的此例中，描述了具有四个(n＝4)空间上分开的反射器对(21，21’)，...，(24，24’)的喇曼激光器11。一对里的两个反射器具有单一的特征反射波长λ_i(i＝1，...，4)。通过这种方法，每一对定义了不同的用于在所述各自反射波长λi处的波长电磁辐射的光共振腔。每一个光共振腔包括至少一部分喇曼光纤17，用于发生激励的喇曼散射。在图2所示的本例中，所有的四个光共振腔包括几乎相同部分的喇曼光纤17。但是，也可以考虑连续的、即顺序的设置或者不同的光共振腔与喇曼光纤17的不同部分在不同程度上的重叠。

对光共振腔进行选择以建造级联的喇曼激光器。下面考虑一个例子-在波长λ_PO＝1117nm上具有初始泵浦辐射的喇曼激光器11。该初始泵浦辐射由泵浦源15提供并且由耦合器16耦合到喇曼激光器11。在喇曼激光器11的输出端，放置了具有对应于初始泵浦辐射λ_PO的特征反射波长的反射器20。由于激励的喇曼散射发生在喇曼光纤17，后面将给出大约1167nm的斯托克斯线。将对级联喇曼激光器的第一对反射器(21，21’)和在值1167nm上的反射波长进行选择。该第一个光共振腔将提供在1223nm的对应于第二对反射器(22，22’)的反射波长的斯托克斯线。下两对反射器(23，23’)，(24，24’)定义成具有分别在1284nm，1351nm的对应于级联喇曼激光器的连续斯托克斯线的反射波长。在此例中，喇曼激光器11在它的输入端包括在反射波长1427nm的另一个反射器25。反射器25是两个用于最后使用的斯托克斯线的反射器中的一个，其中斯托克斯线给出喇曼激光器11的喇曼辐射λ_RR＝1427nm的发射。第二个反射器需要建立对应的光共振腔，因为在λ_RR的电磁辐射不再由那样的反射器而是由瑞利散射给出以在至少一部分所述光喇曼光纤17上发生。根据本发明的喇曼激光器11和根据现有技术的喇曼激光器10(参见图1)的主要区别精确地基于光共振腔的在喇曼激光器10的输出端的反射器25’的替换，其中光共振腔用于使用瑞利散射的喇曼辐射λ_RR。图2中的喇曼激光器11的所有反射器(20，21，21’，...，24’，25)被选择成具有大约99％的反射率。瑞利散射的反射率不超过1％并且更多地在0.1％的范围内。通过这种方法，根据本发明的喇曼激光器11将具有很大的优势来提供具有比现有技术高很多的功率的喇曼辐射λ_RR。确实，图1中的喇曼激光器10还包含具有不能减少到低于5％的反射率的反射器25’。完全不可能构造具有显著小于5％反射率的反射器。

图3表示了根据本发明用作第二阶喇曼激光器的喇曼激光器12。以与图2的喇曼激光器11相同的方式，为了在波长λ_PO的初始泵浦辐射，喇曼激光器12通过耦合器16耦合到泵浦源15。更进一步，喇曼激光器12包括一个由反射器(20，21，21’，...，23’，24，25T)包围的喇曼光纤17。喇曼激光器12进一步包括在其输出端的隔离器18和斜切的输出19。

作为第二阶喇曼激光器，喇曼辐射λ_RR由斯托克斯线给出，该斯托克斯线从倒数第二个应用的级联激励的喇曼散射获得。如果选择如图2的相同例子，那么喇曼辐射λ_RR等于1351nm。正是具有在喇曼辐射的反射波长的共振腔将通过瑞利散射而不是通过反射器对在喇曼激光器12的输出端进行定义。由普通反射器r_RR，24在喇曼激光器12的输入端对该共振腔进行定义。

当将喇曼激光器12用作第二阶喇曼激光器时，该喇曼激光器包括至少一个由一对反射器(r_seed，r’_seed)定义的另一个光共振腔，其中该反射器具有对应于所述第二阶喇曼激光器的种子辐射λ_seed的反射波长。图3中的喇曼激光器12将提供一个在(如果使用前面的相同例子)1427nm的单一种子辐射λ_seed。光共振腔(25，25T)给出那个种子辐射。在喇曼激光器12输出端的光共振腔的反射器25T适宜地然而不唯一地由允许从0到大于300mW变化的种子辐射功率的可调反射器组成。这种可调反射器25T能够由具有使用一些例如加热过程或者弯曲过程调节的反射率的光纤布拉格光栅来给出。通过这种方法，获得具有反射率在0到大于25％之间可调的反射器是可能的。

由于瑞利散射极其低的大约0.1％的反射率，根据本发明的喇曼激光器当用作如图3所示的第二阶喇曼激光器时将具有提供高功率喇曼辐射的优势。这允许在例如25％附近容易地调节输出反射器r’_seed25T的反射率，以便在几百mW附近更好地控制种子辐射的功率。

根据本发明，也可以考虑使用喇曼激光器作为具有几个种子辐射的第二阶喇曼激光器。在图4a中描述了这样一个例子，其起始于位于波长λ_PO＝1117.2nm的初始泵浦辐射。该辐射将在1167.8nm给出第一个斯托克斯位移，接着在级联喇曼激光器中进一步地进行在1223.2nm，1284.2nm和1351.5nm的斯托克斯位移。正是级联辐射的最后辐射(即，1351.5nm)将被用作喇曼辐射λ_RR(即，通过在喇曼激光器输入端的反射器r_RR定义的光共振腔，并且发生在喇曼激光器的喇曼光纤里的瑞利散射来给出)。图4a表示了三个进一步的种子辐射，即位于1427.0nm，1455.0nm，1480.0nm从喇曼激光器中提取出来。通过使用三个不同的类似于图3所示的光腔(25，25T)的光共振腔这是可能的。三个光共振腔各自的反射波长必须在由喇曼辐射给定的喇曼位移中定义。即，在大约等于1351.5nm的波长λ_RR，其本身是由从倒数第二个应用的级联激励的喇曼散射中获得的斯托克斯线给出。

由于喇曼瑞利散射的极端低反射率，使用隔离器18使这种喇曼激光器避免任何可能的噪声辐射是重要的，将瑞利散射用于根据本发明的喇曼激光器输出端的反射器。当将喇曼激光器安装到使用其喇曼辐射作为喇曼泵浦辐射的设备时，这种辐射通常出现在任一光学系统并且能够进入该喇曼激光器。

Claims (9)

1.一种用于在波长λ_RR处发射喇曼辐射的喇曼激光器，包括：

一段光纤；

泵浦源，用于在波长λ_PO处将初始泵浦辐射引入到所述光纤；

至少一个空间上分开的反射器对(r_i，r_i’)(i＝1，...，n；n≥1)，一对里的两个反射器具有近似的特征反射波长λ_i，以便每一对定义了不同的用于在所述各个反射波长λ_i处波长的电磁辐射的光共振腔，光共振腔包括用于发生激励的喇曼散射的至少一部分所述光纤，如此选择光共振腔以便建立一个级联的喇曼激光器，

其特征在于用于在喇曼辐射λ_RR处波长的电磁辐射的光共振腔在喇曼激光器输入端的具有对应于所述喇曼辐射λ_RR的反射波长的一个反射器r_RR和喇曼激光器输出端的瑞利散射定义的反射器之间形成，该瑞利散射在一部分所述光纤处发生，并且对于如此定义的输出反射器具有小于1％的反射率。

2.根据权利要求1所述的喇曼激光器，其特征在于在所述光纤上构成的光纤布拉格光栅定义除了由瑞利散射定义的光共振腔之外的所有反射器。

3.根据权利要求1所述的喇曼激光器，其特征在于其是一个第二阶喇曼激光器，其中包括至少一个由具有对应于所述第二阶喇曼激光器的种子辐射λ_seed的反射波长的一对反射器(r_seed，r’_seed)所定义的另一个光共振腔，以便喇曼辐射λ_RR是倒数第二个应用的级联激励喇曼散射所获得的斯托克斯线，并且种子辐射λ_seed是从最后应用的级联激励喇曼散射获得的斯托克斯线。

4.根据权利要求3所述的喇曼激光器，其特征在于用于种子辐射的光共振腔包括一个具有对其反射波长λ_seed可调反射率的输出反射器r’_seed，其反射波长λ_seed通过在相应光纤部分上的一些外部动作来获得，该相应光纤部分允许种子辐射功率在从0到300mW的范围上变化。

5.根据权利要求4所述的喇曼激光器，其特征在于所述输出反射器r’_seed是一个具有对于反射波长λ_seed具有从0到25％的可调反射率的光纤布拉格光栅。

6.一种光传输设备，包括根据上述任何一项权利要求的喇曼激光器，其特征在于将所述喇曼激光器用作喇曼泵浦辐射。

7.一种使用喇曼激光器的用于在波长λ_RR处产生喇曼辐射的方法，该方法应用以下步骤：

在波长λ_PO处引入初始泵浦辐射到所述喇曼激光器的光纤；

将所述初始泵浦辐射λ_PO应用到用于级联激励喇曼散射的所述喇曼激光器的光共振腔，其中每个所述光共振腔由具有近似特征反射波长λ_i的反射器对(r_i，r_i’)(i＝1，...，n，n≥1)以及它们之间用于发生激励喇曼散射的至少部分所述光纤所制成，

其特征在于从所述喇曼激光器中提取来自光共振腔的喇曼辐射λ_RR，其中光共振腔在喇曼激光器输入端的具有对应于所述喇曼辐射λ_RR的反射波长的一个反射器r_RR和喇曼激光器输出端的瑞利散射定义的反射器之间形成，该瑞利散射在至少一部分所述的光纤上发生，其中对于如此定义的输出反射器，瑞利散射具有小于1％的反射率。

8.根据权利要求7所述的用于产生喇曼辐射的方法，其特征在于将喇曼激光器用作第二阶喇曼激光器，其具有成为倒数第二个应用的级联激励喇曼散射获得的斯托克斯线的喇曼散射λ_RR，并且具有要从由一对具有对应于种子辐射λ_seed的反射波长的反射器(r_seed，r’_seed)所定义的光共振腔处提取的种子辐射λ_seed，其中种子辐射λ_seed是从最后应用的级联激励喇曼散射获得的斯托克斯线。

9.根据权利要求8所述的用于产生喇曼辐射的方法，其特征在于使用用于种子辐射的光共振腔对输出种子辐射功率从0到300mW进行优化，其中该光共振腔具有由对其反射波长λ_seed的可调反射率所定义的输出反射器r’_seed。

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