具有增強輸出功率和對反射率具有低敏感度的喇曼雷射器的製作方法

2023-12-10 03:51:41 1

專利名稱：具有增強輸出功率和對反射率具有低敏感度的喇曼雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於發射喇曼輻射的喇曼雷射器並且涉及一種用於包括這種喇曼雷射器的喇曼放大處理的設備。此外，本發明還涉及一種用於產生喇曼輻射的方法。
背景技術：
目前，光纖技術被用於通信系統，以便在長距離上以光信號傳輸信息，例如聲音信號和數位訊號。然而，在如此長的距離中，傳輸的光信號的強度和質量逐漸減損。因此，已經開發出一些技術，以便在光信號沿光纖傳送時對其進行再生或放大。
一種公知的放大技術利用了一種被稱為喇曼散射的效應，來對輸入的承載信息的光信號進行放大。喇曼散射描述了光與光傳播的材料中分子的震動之間的相互作用。分子散射的入射光從承載功率的光泵浦輻射經歷頻率的降低。將這種從泵浦波長的頻率的降低(或波長的增加)被稱為斯託克斯位移(Stokes shift)，並且將對應的散射光被稱為斯託克斯線(Stokes line)。頻率降低的範圍和喇曼增益曲線的形狀由傳輸媒介的分子振動頻率模式來確定。在非結晶的材料中，例如矽，分子振動頻率分布成頻段，這些頻段重疊且提供寬帶的寬增益曲線。
通過將一些初始泵浦波長與需要放大的信號波長一起注入到喇曼活性傳輸媒介(例如，熔絲矽)中，這些初始泵浦波長得到了有利地利用。假設需要放大的信號波長位於所述的初始泵浦波長(例如，在矽中1550nm處的大約100nm)的喇曼增益中，那麼這些信號波長將經歷由初始泵浦波長產生的光增益，且同時損失了初始泵浦波長。換句話說，這些泵浦波長放大了信號波長，並且也因為這樣做，減少了它的強度。這種增益處理稱為激勵喇曼散射並且也是一種用於放大光信號的公知技術。
用於光通信的一種波長(例如，在1.55μm附近)的高強度持續波輻射的發展截至於基於這種激勵的喇曼散射的級聯喇曼雷射器。美國專利5,323,404描述了這種級聯喇曼雷射器的示例。圖1說明了這種具有喇曼雷射器10的現有技術，其包括一對或多對反射器(21，21』，22，22』，23，23』，24，24』，25，25』)，這些反射器彼此隔開，且具有相同中心波長。反射器通常為直線折射率布拉格反射器(linerefractive index bragg reflector)，該反射器由基於SiO2的光纖構成其中的中心部分包含Ge，每對反射器在光纖中提供一個光腔(opticalcavity)。這種光腔至少包括喇曼光纖17的一部分，其中將發生產生增益的激勵喇曼散射。在波長上相鄰的光腔通常在波長上相差一個斯託克斯位移，兩個連續的斯託克斯位移中較長的波長位於前一個斯託克斯位移的喇曼增益光譜中。在其中一個光腔中共振的輻射被稱為斯託克斯線。
喇曼雷射器10通過耦合器16與從泵浦源15出來的位于波長λPO的一些初始泵浦輻射相耦合。這種喇曼雷射器10適合在它的輸出19發射波長為λRR的輻射，這個波長比初始泵浦輻射λPO長。
在許多級聯喇曼雷射器的潛在重要應用中，一個以上的反射器被用於如圖1所示的例子中。例如，在它的輸出端具有λRR為大約1.5μm的喇曼輻射並且使用λPO為大約1.1μm的初始泵浦輻射的雷射器可能需要5個反射器對(21，21』)，...(25，25』)。具有如此多反射器的喇曼雷射器不僅由於每對反射器的兩個部分必須具有本質上相同的中心波長所以製造起來非常困難，而且由於反射器的多樣性造成的不必要的衰減可能會很嚴重。例如，當輻射通過每個輸出反射器，斯託克斯線會經歷多達0.5dB的損耗。並且得到具有如幾個百分之十之低的反射係數的布拉格光柵是非常困難的。通過節省在光共振腔的輸出端的反射器(可能是對應於喇曼輻射的或者是具有種子輻射的反射器)，能夠給出一個變型(參見以下對種子輻射的描述)。這僅當失去反射器被裂開的光纖端所替代才可能。這是這樣一個裂開端，其能提供大約4％的足夠的反射率(菲涅耳反射器(Fresnel reflectivity))以建立光共振腔。但是，如本領域技術人員所知，使用菲涅耳反射達到比4％小很多的反射率是不可能的。

發明內容
考慮到如上內容，本發明的目標是開發用於發射具有優化的且可能最大的輸出功率的喇曼輻射的喇曼雷射器。此外，應用用於產生這種喇曼輻射而不意味比現有技術顯著增加成本的方法也是本發明的目標。
這個目標是依照本發明通過使用具有特別光共振腔的喇曼雷射器，其中光共振腔用於位於喇曼輻射λRR處的波長的電磁輻射。這種共振腔是由具有對應於所述喇曼輻射λRR的反射波長的一個不成對的反射器rRR組成的。通過至少在反射器rRR和喇曼雷射器輸出之間的一部分光纖上發生的瑞利散射，有利地確定需要建立光共振腔的輸出反射器的第二個反射器。這種瑞利散射是由產生了反射率的隨機不均勻體的玻璃中分子位置隨機局部變化所導致的。這種隨機不均勻體作為小的散射中心。與先前技術不同，瑞利散射現在不再是噪聲效果，而是根據本發明可以被開發來對喇曼雷射器的輸出進行優化。通過將瑞利散射作為與不成對的反射器相聯繫的補充反射器來使用，獲得用於喇曼輻射λRR的具有小於1％的輸出反射率的光共振腔成為可能。有利地，如此定義的反射器的反射率將在百分之幾十的範圍內，可能小到0.1％。
根據本發明的這種喇曼雷射器特別適合於用作具有喇曼輻射λRR的第二階喇曼雷射器，其中喇曼輻射λRR是從倒數第二個應用的級聯激勵喇曼散射所獲得的斯託克斯線。這種第二階喇曼雷射器包括至少一個由一對具有對應於種子輻射λseed的發射波長的反射器(rseed，r’seed)定義的另一個光共振腔。每一個這種種子輻射對應於從根據本發明的喇曼雷射器中的最後應用的級聯激勵喇曼散射中獲得的斯託克斯線。有利地，用於種子輻射的光共振腔包括一個對於它的反射波長λseed具有可調反射率的輸出反射器r’seed。通過這種方法，有可能更適宜的從0到多於300mW變化種子輻射的功率。
只有通過使用根據本發明的喇曼雷射器，才可能以如此高的精確度控制種子輻射的功率。在其他情況下，用於喇曼輻射λRR的「輸出反射器」的低於1％的反射率允許使用用於具有從0到大於25％可調反射率的種子輻射的輸出反射器r’seed。
本發明有利地開發在附屬權利要求，下面的描述和附圖中進行描述。


本發明的示例性具體實施方式
現在通過引用附圖進行進一步的解釋，其中圖1是根據現有技術的具有泵浦源的喇曼雷射器示意圖；圖2是根據本發明的喇曼雷射器；圖3是根據本發明的用作第二階喇曼雷射器的喇曼雷射器；圖4a是根據本發明的用於第二階喇曼雷射器的不同斯託克斯位移的例子；以及圖4b是根據圖4a的用於1351.5nm波長的喇曼增益。
具體實施例方式
圖2表示根據本發明的喇曼雷射器11。這種喇曼雷射器11包括一段用作喇曼光纖17的光纖。喇曼光纖17在兩端由一些反射器(ri，ri』)包圍。本例子中，圖2描述了在喇曼雷射器11輸入端的5個反射器21，22，...，25，以及在其輸出端的5個反射器20，21』，...，24』。所有這些反射器20，21，21』，...，24，24』，25，最好由一些構造在所述光纖上的光纖布拉格光柵來組成。但是，其他種類的反射器也是可考慮的。
喇曼雷射器11通過耦合器16在它的輸入端與泵浦源15進行耦合。該泵浦源在進入喇曼雷射器11的波長λPO處將提供初始泵浦輻射。在喇曼雷射器11的輸出端放置了隔離器18用來防止從外界經過其輸出進入的任何輻射。該輸出的特點在於一個斜切開的末端界面19，這樣用來避免另一個的不需要的反射器。
根據本發明的喇曼雷射器由至少一個(n＝1)空間上分開的反射器對(ri，ri』)(i＝1，...，n)組成。在圖2的此例中，描述了具有四個(n＝4)空間上分開的反射器對(21，21』)，...，(24，24』)的喇曼雷射器11。一對裡的兩個反射器具有單一的特徵反射波長λi(i＝1，...，4)。通過這種方法，每一對定義了不同的用於在所述各自反射波長λi處的波長電磁輻射的光共振腔。每一個光共振腔包括至少一部分喇曼光纖17，用於發生激勵的喇曼散射。在圖2所示的本例中，所有的四個光共振腔包括幾乎相同部分的喇曼光纖17。但是，也可以考慮連續的、即順序的設置或者不同的光共振腔與喇曼光纖17的不同部分在不同程度上的重疊。
對光共振腔進行選擇以建造級聯的喇曼雷射器。下面考慮一個例子-在波長λPO＝1117nm上具有初始泵浦輻射的喇曼雷射器11。該初始泵浦輻射由泵浦源15提供並且由耦合器16耦合到喇曼雷射器11。在喇曼雷射器11的輸出端，放置了具有對應於初始泵浦輻射λPO的特徵反射波長的反射器20。由於激勵的喇曼散射發生在喇曼光纖17，後面將給出大約1167nm的斯託克斯線。將對級聯喇曼雷射器的第一對反射器(21，21』)和在值1167nm上的反射波長進行選擇。該第一個光共振腔將提供在1223nm的對應於第二對反射器(22，22』)的反射波長的斯託克斯線。下兩對反射器(23，23』)，(24，24』)定義成具有分別在1284nm，1351nm的對應於級聯喇曼雷射器的連續斯託克斯線的反射波長。在此例中，喇曼雷射器11在它的輸入端包括在反射波長1427nm的另一個反射器25。反射器25是兩個用於最後使用的斯託克斯線的反射器中的一個，其中斯託克斯線給出喇曼雷射器11的喇曼輻射λRR＝1427nm的發射。第二個反射器需要建立對應的光共振腔，因為在λRR的電磁輻射不再由那樣的反射器而是由瑞利散射給出以在至少一部分所述光喇曼光纖17上發生。根據本發明的喇曼雷射器11和根據現有技術的喇曼雷射器10(參見圖1)的主要區別精確地基於光共振腔的在喇曼雷射器10的輸出端的反射器25』的替換，其中光共振腔用於使用瑞利散射的喇曼輻射λRR。圖2中的喇曼雷射器11的所有反射器(20，21，21』，...，24』，25)被選擇成具有大約99％的反射率。瑞利散射的反射率不超過1％並且更多地在0.1％的範圍內。通過這種方法，根據本發明的喇曼雷射器11將具有很大的優勢來提供具有比現有技術高很多的功率的喇曼輻射λRR。確實，圖1中的喇曼雷射器10還包含具有不能減少到低於5％的反射率的反射器25』。完全不可能構造具有顯著小於5％反射率的反射器。
圖3表示了根據本發明用作第二階喇曼雷射器的喇曼雷射器12。以與圖2的喇曼雷射器11相同的方式，為了在波長λPO的初始泵浦輻射，喇曼雷射器12通過耦合器16耦合到泵浦源15。更進一步，喇曼雷射器12包括一個由反射器(20，21，21』，...，23』，24，25T)包圍的喇曼光纖17。喇曼雷射器12進一步包括在其輸出端的隔離器18和斜切的輸出19。
作為第二階喇曼雷射器，喇曼輻射λRR由斯託克斯線給出，該斯託克斯線從倒數第二個應用的級聯激勵的喇曼散射獲得。如果選擇如圖2的相同例子，那麼喇曼輻射λRR等於1351nm。正是具有在喇曼輻射的反射波長的共振腔將通過瑞利散射而不是通過反射器對在喇曼雷射器12的輸出端進行定義。由普通反射器rRR，24在喇曼雷射器12的輸入端對該共振腔進行定義。
當將喇曼雷射器12用作第二階喇曼雷射器時，該喇曼雷射器包括至少一個由一對反射器(rseed，r’seed)定義的另一個光共振腔，其中該反射器具有對應於所述第二階喇曼雷射器的種子輻射λseed的反射波長。圖3中的喇曼雷射器12將提供一個在(如果使用前面的相同例子)1427nm的單一種子輻射λseed。光共振腔(25，25T)給出那個種子輻射。在喇曼雷射器12輸出端的光共振腔的反射器25T適宜地然而不唯一地由允許從0到大於300mW變化的種子輻射功率的可調反射器組成。這種可調反射器25T能夠由具有使用一些例如加熱過程或者彎曲過程調節的反射率的光纖布拉格光柵來給出。通過這種方法，獲得具有反射率在0到大於25％之間可調的反射器是可能的。
由於瑞利散射極其低的大約0.1％的反射率，根據本發明的喇曼雷射器當用作如圖3所示的第二階喇曼雷射器時將具有提供高功率喇曼輻射的優勢。這允許在例如25％附近容易地調節輸出反射器r’seed25T的反射率，以便在幾百mW附近更好地控制種子輻射的功率。
根據本發明，也可以考慮使用喇曼雷射器作為具有幾個種子輻射的第二階喇曼雷射器。在圖4a中描述了這樣一個例子，其起始於位于波長λPO＝1117.2nm的初始泵浦輻射。該輻射將在1167.8nm給出第一個斯託克斯位移，接著在級聯喇曼雷射器中進一步地進行在1223.2nm，1284.2nm和1351.5nm的斯託克斯位移。正是級聯輻射的最後輻射(即，1351.5nm)將被用作喇曼輻射λRR(即，通過在喇曼雷射器輸入端的反射器rRR定義的光共振腔，並且發生在喇曼雷射器的喇曼光纖裡的瑞利散射來給出)。圖4a表示了三個進一步的種子輻射，即位於1427.0nm，1455.0nm，1480.0nm從喇曼雷射器中提取出來。通過使用三個不同的類似於圖3所示的光腔(25，25T)的光共振腔這是可能的。三個光共振腔各自的反射波長必須在由喇曼輻射給定的喇曼位移中定義。即，在大約等於1351.5nm的波長λRR，其本身是由從倒數第二個應用的級聯激勵的喇曼散射中獲得的斯託克斯線給出。
由於喇曼瑞利散射的極端低反射率，使用隔離器18使這種喇曼雷射器避免任何可能的噪聲輻射是重要的，將瑞利散射用於根據本發明的喇曼雷射器輸出端的反射器。當將喇曼雷射器安裝到使用其喇曼輻射作為喇曼泵浦輻射的設備時，這種輻射通常出現在任一光學系統並且能夠進入該喇曼雷射器。
權利要求
1.一種用於在波長λRR處發射喇曼輻射的喇曼雷射器，包括一段光纖；泵浦源，用於在波長λPO處將初始泵浦輻射引入到所述光纖；多個空間上分開的反射器對(ri，ri』)(i＝1，...，n；n≥1)，一對裡的兩個反射器具有近似的特徵反射波長λi，以便每一對定義了不同的用於在所述各個反射波長λi處波長的電磁輻射的光共振腔，光共振腔包括用於發生激勵的喇曼散射的至少一部分所述光纖，如此選擇光共振腔以便建立一個級聯的喇曼雷射器，其特徵在於將用於在喇曼輻射λRR處波長的電磁輻射的光共振腔製造在具有對應於所述喇曼輻射λRR的反射波長的一個反射器(rRR)的一端，並且製造在由瑞利散射定義的反射器的另一輸出端處，該瑞利散射在一部分所述光纖處發生，並且對於如此定義的輸出反射器具有小於1％的反射率。
2.根據權利要求1所述的喇曼雷射器，其特徵在於在所述光纖上構成的光纖布拉格光柵定義除了由瑞利散射定義的光共振腔之外的所有反射器。
3.根據權利要求1所述的喇曼雷射器，其特徵在於其是一個第二階喇曼雷射器，其中包括至少一個由具有對應於所述第二階喇曼雷射器的種子輻射λseed的反射波長的一對反射器(rseed，r’seed)所定義的另一個光共振腔，以便喇曼輻射λRR是倒數第二個應用的級聯激勵喇曼散射所獲得的斯託克斯線，並且種子輻射λseed是從最後應用的級聯激勵喇曼散射獲得的斯託克斯線。
4.根據權利要求3所述的喇曼雷射器，其特徵在於用於種子輻射的光共振腔包括一個具有對其反射波長λseed可調反射率的輸出反射器(r’seed)，其反射波長λseed通過在相應光纖部分上的一些外部動作來獲得，該相應光纖部分允許種子輻射功率在從0到大於300mW的範圍上變化。
5.根據權利要求4所述的喇曼雷射器，其特徵在於所述輸出反射器(r’seed)是一個具有對於反射波長λseed具有從0到大於25％的可調反射率的光纖布拉格光柵。
6.一種設備，包括根據上述任何一項權利要求的喇曼雷射器。
7.一種使用喇曼雷射器的用於在波長λRR處產生喇曼輻射的方法，該方法應用以下步驟在波長λPO處引入初始泵浦輻射到所述喇曼雷射器的光纖；將所述初始泵浦輻射λPO應用到用於級聯激勵喇曼散射的所述喇曼雷射器的光共振腔，其中每個所述光共振腔由具有近似特徵反射波長λi的反射器對(ri，ri』)(i＝1，...，n，n≥1)以及它們之間用於發生激勵喇曼散射的至少部分所述光纖所製成，其特徵在於從所述喇曼雷射器中提取來自光共振腔的喇曼輻射λRR，其中將光共振腔製造在具有對應於所述喇曼輻射λRR的反射波長的一個反射器(rRR)的一端，並且製造在由發生在至少一部分所述的光纖上的瑞利散射所定義的反射器的另一輸出端所形成，其中對於如此定義的輸出反射器，瑞利散射具有小於1％的反射率。
8.用於產生根據權利要求7所述的喇曼輻射的方法，其特徵在於將喇曼雷射器用作第二階喇曼雷射器，其具有成為倒數第二個應用的級聯激勵喇曼散射獲得的斯託克斯線的喇曼散射λRR，並且具有要從由一對具有對應於種子輻射λseed的反射波長的反射器(rseed，r’seed)所定義的光共振腔處提取的種子輻射λseed，其中種子輻射λseed是從最後應用的級聯激勵喇曼散射獲得的斯託克斯線。
9.用於產生根據權利要求8所述的喇曼輻射的方法，其特徵在於使用用於種子輻射的光共振腔對輸出種子輻射功率從0到大於300mW進行優化，其中該光共振腔具有由對其反射波長λseed的可調反射率所定義的輸出反射器(r’seed)。
全文摘要
建議使用具有用於喇曼輻射λ
文檔編號H01S3/30GK1638212SQ200410098828
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月13日 優先權日2004年1月8日
發明者弗洛朗斯·勒普蘭加爾德, 索菲·博爾內 申請人:阿爾卡特公司