巩稼民， 袁心易， 左 旭

(1.西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121; 2.西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)

光纤中受激喇曼效应的应用技术研究

巩稼民1， 袁心易1， 左 旭2

(1.西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121; 2.西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)

概述光纤受激喇曼散射原理，综述光纤喇曼散射主要应用，即光纤喇曼放大器、光纤喇曼激光器、光纤喇曼波长转换器和光纤喇曼传感器四种应用技术的研究现状，及其发展趋势。

喇曼放大器；光纤激光器；喇曼波长转换器；光纤传感器

喇曼散射(Raman Scattering)是指波长较短的光波能量不断地向较长光波转移的一种非线性效应,是由Raman[1]在1928年首次发现。1972年，Stolen等人[2]发现了在玻璃光纤中存在受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)效应。由于光纤中的喇曼增益带宽可达40 THz[3]，而光纤低损耗、抗电磁干扰等特点，光纤SRS的应用引起人们重视和关注，光纤喇曼放大器(Fiber Raman Amplifier，FRA)[4]和光纤喇曼激光器(Fiber Raman laser)[5]等应用相继被提出。但是，光纤喇曼散射是一种非线性效应，喇曼增益系数小队较小，作为光纤喇曼放大器的效率较低。直到20世纪90年代以后，大功率光纤光源技术的逐步成熟，光纤宽带密集波分复用系统的发展，光纤喇曼放大器和喇曼激光器重新得到人们的重视，并得到进一步快速发展，到2000年后，光纤喇曼放大器开始逐渐成熟并应用于光纤通信系统[6]。

与此同时，光纤受激喇曼散射的应用范围得到了进一步地扩展，如喇曼光纤传感器和喇曼波长转换器等应用技术相继被提出，并得到快速发展，并成为技术应用研究的热点之一[6-7]。本文介绍光纤受激喇曼散射的几个主要应用技术即喇曼光纤光放大器、光纤喇曼激光器、喇曼波长转换器和光纤喇曼传感器等技术研究和应用现状。

1 SRS原理

在喇曼散射过程中，介质中的入射光被转换成为一个较低频率的光。可以看成介质中的分子对入射光的调制[6-8]。用能级的角度解释，一个频率为ν0的泵浦光使介质分子从基态跃迁到虚能级(非谐振状态)，经过很短时间后，介质分子迅速衰减到更低的能级上去；同时，介质分子再发射一个频率为νS(νS= ν0- νV)的信号光，即斯托克斯(stokes)光子。若原来的介质分子处于高能级上，在吸收泵浦光后又到达虚能级，最后回到基态，并且激发一个反斯托克斯(anti-stokes)光子，如图1所示。一阶的两个光子又可以产生二阶，三阶光子，以此类推。

图1 斯托克斯散射与反斯托克斯散射

喇曼散射有自发喇曼散射和受激喇曼散射之分。自发喇曼散射产生的喇曼散射光十分微弱，不论是stokes散射光还是anti-stokes散射光，都不是相干光。但用强激光输入到光纤中时，在一定的条件下，喇曼散射光有受激的性质，这就是所谓的受激喇曼散射(SRS)，相应产生的喇曼散射光较强。不论是stokes散射光还是anti-stokes散射光，都是相干光。而当散射光满足相干光的条件时，产生强烈的SRS效应[4]。若信号光的波长在泵浦光的喇曼增益谱范围内，信号光由于SRS效应而得到放大。

光纤喇曼散射效应，其喇曼增益与泵浦光和stokes光的频移有关，还与光纤材料的掺杂物质有关，图2是几种常见的掺杂光纤的喇曼增益谱[3]。

图2 硅基光纤的喇曼增益谱

考虑各种物理效应，光纤中受激喇曼散射效应的稳态耦合方程为[8-9]

(1)

式中P±(z,ν)表示泵浦光或者信号光功率，上标“+”和“-”分别表示沿z轴正向和负向传输的方向；α表示光纤衰减系数，γ表示瑞利散射系数，gr(ν-ζ)表示频率之间的喇曼增益系数，Keff是偏振因子，Aeff光纤有效面积，Δν=ζ-ν(Δζ=ν-ζ)表示频差，h是普朗克常熟，k为玻耳兹曼常数，T是光纤的绝对温度。

在式(1)中，考虑了传输泵浦光和信号光的衰减、瑞利散射，受激喇曼散射效应，以及与温度有关的自发瑞利散射所导致的喇曼瞬态增益辐射等因素。

2 光纤喇曼放大器

光信号在光网络传输过程中由于光纤损耗、器件连接损耗等原因使得信号质量变差，功率降低。因此，在信号传输一段距离后需加入光放大器直接对光信号进行放大，用于补偿线路传输衰减、节点分配衰减等。如果一个弱信号光与一个强的泵浦光同时在光纤内传输，其频率差刚好位于喇曼增益谱内，弱信号光可被放大。其物理机制是因为SRS，所以称为光纤喇曼放大器(FRA)。

2.1 单泵浦喇曼光纤放大器

在连续光或准连续光条件下，光纤喇曼放大器的泵浦光和信号光满足式(1)。在放大器近似情况下，放大器的增益或者放大系数为[6-7]

Gα=exp(grP0Leff/Aeff),

(2)

其中P0是放大器入射端的泵浦光功率，Leff是放大器的光纤有效长度。若放大器的长度为L，泵浦光的损耗系数为αp，则有

Leff=[1-exp(-αpL)]/αp。

从式(2)可以看出，FRA的增益与喇曼增益系数和泵浦光的输入功率成指数关系。增加FRA增益方式可以通过增加光纤长度、大功率泵浦光源、改善喇曼增益系数等途径。

光纤本身具有抗电磁干扰、化学和温度特性稳定等优点，作为光纤喇曼放大器，增益放大带宽区间较宽，噪声低且放大器自身又可以作为传输光纤。所以，FRR已经提出就引起人们的关注和重视。采用单一泵浦光源作为放大器的方式有前向和后向两种形式，后向泵浦方式有较低的噪音。例如，在光纤中掺杂离子或增加光纤长度的方法得到高增益、宽带宽的喇曼光纤放大器[10]，如图3所示，但基于此方法得到的信号光增益平坦度大，且掺杂离子会使硅基光纤的损耗增大，同时增大光纤长度也会劣化系统性能。这些因素都会导致SRS阈值功率增大，另外需要更高功率的泵浦光进行抽运才能达到放大信号的目的，大功率泵浦光源无疑会增加成本。但是，喇曼散射是一种非线性效应，早期的光纤喇曼效益相对较低，要获得较大FRA增益，只能依靠大功率光源或者选择增益峰值处，不宜于在实际中应用。

图3 单泵浦的光纤喇曼放大器原理

研究表明[10-11]光纤掺杂可以改善光纤喇曼增益谱，图4分别为泵浦波为1.5 μm时硅基光纤和掺碲光纤的增益谱的喇曼增益谱。可以看出掺碲光纤的增益谱，其喇曼增益峰值较硅基光纤增加了近一个数量级，把碲基光纤用于FRA，放大器的增益效率得到很好的效果[12]。

直到20世纪90年代，小型高功率半导体激光器出现，FRA的发展才从根本上得到了复兴[6-7]。目前，单泵浦FRA理论和技术应用已非常成熟，已广泛地应用于光通信系统，是全光通信主要器件之一。

(a) 碲基光纤

(b)硅基光纤

2.2 多泵浦喇曼光纤放大器

在光纤DWDM通信系统中，系统信道多达几十个甚至上百个，传输带宽几十纳米。单泵浦光纤喇曼放大器虽然具有较宽的增益带宽，特别适用于光纤DWDM通信系统的带宽要求，但是在各个信道的增益不同，即输出增益不平坦，直接使用很不方便。

为了获得较宽增益带宽、较小增益平坦度的光纤喇曼放大器，利用多个不同波长泵浦光作为放大器的泵浦光源的思想，即所谓多泵浦喇曼放大器被提出[9]。多个波长泵浦光在放大信号光的同时，泵浦光之间同时存在着较强SRS。利用光纤喇曼增益谱，只要合理设计泵浦光波长和对应的功率分布，就可以获得带宽较宽范围内增益平坦的FRA。

多泵浦带宽平坦的FRA泵浦光的安排方式有很多种形式，多泵浦光既可以是反向，亦可以是正向，还可以是正向和反向混合加载。该思想方法一经提出，立刻引起研究者的极大关注。例如，利用后向多级泵浦构造了一种喇曼光纤放大器[13]。如图5所示，通过选择合适的泵浦光波长及功率，可得到0.1 dB的增益平坦度。同时也可以采用“C波段泵浦源”和“L波段泵浦源”来增大喇曼光纤放大器的增益带宽[14]。利用250 m的碲基光纤和四个后向泵浦[15]，且用偏振合束器来减小偏振相关性增益，构造了一种分立式喇曼放大器，使信号在160 nm的放大带宽范围内有超过20 dB增益，噪声系数约为6 dB。随后，Mori等人[16]在上述结构上加入波长选择耦合器，同时增加了一个1 430 nm的前向泵浦和两个1 460 nm的后向泵浦，同样在160 nm的放大带宽范围内，得到29.3 dB的开关增益和小于6 dB的平均噪声系数。

图5 后向多泵浦喇曼光纤放大器

在对多泵浦结构中的泵浦数量和泵浦位置做了大量研究后，研究者总结泵浦结构中的一些特性。例如，在基于前后向多泵浦结构的喇曼光纤放大器中，用波长较短的前向泵浦光可以减小泵浦之间由于受激喇曼散射效应带来的干扰，并且可以增强泵浦光功率分配的合理性[17]。而在泵浦数量逐渐增多时，喇曼放大器有效增益带宽越来越宽，增益平坦度会越来越小，但泵浦的利用率逐渐下降[18]。此外，喇曼泵浦不仅对信号进行直接放大，还可以通过参量泵浦对信号进行间接的放大。而调节这两种喇曼增益的比例可以使增益在一定的范围内达到很好的平坦度[19]。此外，把增益饱和作为一个函数引入放大器系统时，发现高功率泵浦和短长度喇曼光纤配合使用时，泵浦转换效率会大大提高[20]。

对多泵浦光纤喇曼放大器设计的理论研究也取得了一些主要的进展。根据FRA增益和带宽平坦要求，利用选定的光纤所对应的喇曼增益谱和方程式(1)，利用各种优化算法设计出最佳性能指标。例如利用遗传算法[21]，对泵浦波长和功率进行逐次逼近，使其达到最优值，进而获得高增益值和低增益平坦度。在遗传算法中加入MPI(Message Passing Interface)策略[22]，就可以对泵浦间的四波混频效应加以考虑并分析，使结果更趋向于实际情况。模拟退火算法[23]具有良好的全局收敛性，也被运用到喇曼光纤放大器的优化算法中。此外，“人工神经网络法”也可用来对多泵浦喇曼放大器系统进行优化[24]，相比较前面提到的遗传基因算法和模拟退火算法，这种方法准确度高，而且在进行迭代运算时对系统内存要求较低。使用“目标粒子群优化”方法[25]来确定泵浦的数目、波长和功率，用以对平均增益值和增益平坦度作最大化研究。不同于以往的诸多算法，由于其加入了“多粒子”，即对泵浦数量和功率同时计算，使得算法收敛更快，相比较其他的粒子群优化方法有更加优异的性能。一种“加权泵浦”的仿真模型[26]，对后向泵浦的喇曼光纤放大器系统进行分析，把泵浦间互扰长度Dint和增益衰耗SRS两个参数表达式的实验结果和仿真结果进行“权重比较”，研究喇曼开关增益系数、自发辐射噪声两种传输参数与多泵浦喇曼放大器间的关系，使得收敛速度比一般的纯数值仿真提高了70多倍。

总之，人们通过对放大器的增益介质和泵浦结构、泵浦波长、泵浦功率等各项参数进行合理调整，可以获得较宽增益带宽和较低的增益平坦度。但对多泵浦喇曼光纤放大器，其泵浦激光器较多，结构复杂，在实际工程应用中要考虑泵浦激光器之间的干扰和其它非线性效应，如四波混频等。这样增大了系统复杂度和成本，因此，新型的喇曼增益介质和喇曼光纤放大器泵浦结构是优化喇曼光纤放大器考虑的因素[27]。

2.3 级联光纤喇曼放大器

与多泵浦FRA实现增益平坦思想提出的同时，巩稼民等人[28-30]提出一种采用两段不同掺杂光纤来实现平坦带宽的所谓级联光纤放大器的思想，其原理如图6所示。前一段采用石英光纤，作为放大部分，后一段采用掺磷光纤，其补偿增益作用，两段进行级联。利用两种光纤在喇曼增益谱同一频移范围内，石英光纤喇曼增益增加随频移而增加，而掺磷光纤喇曼增益增加随频移而下降的曲线特点(如图2所示)，获得较好的增益值和平坦度。

图6 级联不同种光纤的喇曼放大器原理

结合光纤喇曼增益谱所具有的线性谱特征，利用在FRA近似及喇曼增益线性谱拟合近似下，所得到的单模石英光纤中多信道光的单向SRS稳态与瞬态分析理论的解析解[31]，给出了两段光纤级联情况下的增益平坦的喇曼光纤放大器参数[28]。之后加入对多信道信号分析和泵浦配置优化算法，使增益平坦度进一步得到优化[29]。针对康宁非零色散位移光纤在400～450 cm-1和490～540 cm-1范围上具有的相异增益曲线，又对级联两段同种喇曼光纤放大器进行理论分析和讨论，在理论上获得了0.003 8 dB的增益平坦度和13.77 dB的增益值[31]。

级联FRA的方式可以有多种。采用几个FRA的级联，级联的FRA可以采用单泵浦或者是多泵浦，正反向泵浦或者混合泵浦等。例如，针对普通硅基喇曼放大器和掺铋光纤放大器在1.3 μm处有相同的频移值[32]，如图7所示，利用一段900 m的喇曼光纤与一段60 m的掺铋光纤进行级联，用性能优异的盘式激光器作为泵浦源，提升了放大器的整体转换效率和增益值，获得超过18 dB的增益。对级联两段长度分别为200 m和250 m碲基光纤的喇曼放大器进行分析，可以得到约30.5 dB的增益，并能验证这种结构不会受到诸如四波混频等其他非线性效应的影响。

图7 喇曼光纤与掺铋光纤级联的喇曼放大器

此外，还可以采用混合型级联FRA[34]，即把前后250 m和200 m的碲基光纤和10 km的色散补偿光纤进行级联，在135 nm的带宽范围内得到超过22.8 dB的增益，其平坦度为11.8 dB，且平均噪声系数小于7.8 dB。利用80 km单模光纤的分布式喇曼放大器和分立式放大器进行级联[35]，在120 nm的范围内得到12～18 dB的增益。

将光纤喇曼放大器和掺饵光纤放大器(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，EDFA)进行级联，又称混合光纤放大器，也是一种常用的级联方法。例如把EDFA和分布式喇曼光纤放大器(Distributed Fiber Raman Amplifier，DFRA)进行级联[36]，前者用来放大C波段信号，而后者控制增益平坦度的同时放大L波段信号，得到65 nm的带宽范围内有17 dB的开关增益，2 dB的增益平坦度，且最大的光信噪比(Optical Signal to Noise Ratio，OSNR)超过35 dB。再如，两段级联的喇曼光纤[37]是用来抑制双瑞利噪声带来的强度噪声，后向泵浦则是用来增大EDFA的增益，减小喇曼放大器的偏振相关性，最终得到0.7 dB的平坦值。还可以利用“瞬态功率控制”技术对混合放大器的平坦度进行优化，如对12组混合放大器用上述方法[38]进行了数值仿真，使功率偏移由8.66 dB减小到0.07 dB。而如图8所示采用了一种新型的环状放大器结构[39]，用以提高泵浦利用率和转换效率，改善增益的平坦性，与未加环状结构的放大器结构相比，配有两个和三个泵浦源的放大器增益平坦度分别改善了1.3 dB和3.6 dB。

图8 环状结构的喇曼放大器

利用光纤级联的方法是实现光纤喇曼放大器增益谱平坦方法。几段不同材料的光纤就可以实现增益谱平坦，这要求两种光纤的喇曼增益谱在所放大的范围内必须是互补的。当然，也可以使用同种材料的光纤和两个泵浦来实现其平坦的效果，但要求各个泵浦所对应的喇曼增益谱必须是互补的。这种级联光纤的方法简化了喇曼光纤放大器的结构，可以获得较高增益和较低增益平坦度。与多波长泵浦喇曼放大器相比，可以最大限度的减少泵浦光源的数量，简化系统结构。同时，级联光纤喇曼放大器具有增益平坦度低、噪声系数低等特点，可以更有效的应用于光纤通信网络中。与其它类型的级联光纤放大器相比，其可控性大大增强，是设计增益谱平坦的光纤喇曼放大器的可选方案之一。由于其泵浦数量较少，系统的增益值不高，增益带宽有限，同时也对增益介质提出了更高要求。

光纤喇曼放大器能够适用于超大容量、超高速、超长传输距离通信系统。目前已经作为一种较成熟的技术，广泛地应用于光纤通信系统。随着通信技术发展，超高增益、超宽增益带宽、超低增益平坦度是未来光纤喇曼放大器发展的趋势，而将多泵浦技术和级联光纤技术结合，将会从结构和成本上大大提高喇曼光纤放大器整体性能。

3 光纤喇曼激光器

利用受激喇曼散射效应可以给激光器中的信号光提供增益，例如如果在光纤两端加上具有适当反射率的反射镜，就可以为一定波长的受激喇曼散射产生的Stokes光提供反馈，使之在传输过程中被放大，形成激光振荡，成为光纤喇曼激光器[6,8]。如果泵浦光足够强，如图9所示，那么生成的Stokes光又将激起第二级、乃至更高级的Stokes光，形成级联受激喇曼散射。若设置合适的反射镜反射率，则可以得到不同波长的激光输出。

图9 各阶Stokes光在光纤中形成过程

光纤喇曼激光器是基于光纤中的受激喇曼散射效应，它能将泵浦光的能量转移到斯托克斯光上。由于光纤中的喇曼增益谱往往较宽，所以其最大的优点是输出激光波长易变，只要有合适的种子源，就可以获得光纤中透明的任意波长的激光。光纤喇曼激光器在光通信中扮演着越来越重要的角色，如作为光纤喇曼放大器和掺铒光纤放大器的泵浦光源等。

3.1 硅基光纤喇曼激光器

在研究初期，人们对如何提高输出功率以及转换效率、降低激光器阈值等方面做了大量工作。如一种1.2 μm频段的级联分布式反馈光纤喇曼激光器[40]，其利用7.5 W的1 115 nm激光器进行抽运，在1 175 nm和1 242 nm处分别产生3.8 W和1.1 W的激光，其1 175 nm激光输出功率转换效率高达60%。此外，如图10所示，利用基于纳米管的色散腔的被动锁模光纤喇曼激光器[41]，可以产生500 ps的高啁啾脉冲，且经过优化压缩后，脉冲在2 ps的范围内产生1.4 kW的峰值功率。

图10 被动锁模喇曼光纤激光器实验装置

一种谐波锁模光纤喇曼激光器[42]，其多纵模泵浦波长为1 064 nm，输出一阶斯托克斯光波长为1 239.5 nm，产生的矩形纳秒脉冲的能量为4.25 nJ，具有超过65 dB的输出信噪比。用数值方法[43]研究在随机分布反馈式长距离光纤喇曼激光器中的相关强度噪声(RIN)，并对其传递函数和波长、泵浦功率的相关性做了分析，发现与腔体型超长距离光纤喇曼激光器相比，分布式反馈光纤激光器具有更高的转换效率。

利用加入布拉格光栅或者光纤级联的方法也可以改善激光器性能。如图11所示，一种色散补偿光纤和单模光纤级联的光纤喇曼激光器[44]，利用一对光纤布拉格光栅(FBG)作为谐振腔镜，进一步减小激光器的阈值。

图11 级联喇曼光纤激光器

还有一种中红外硅基光纤喇曼激光器[45]，以3.005 μm的激光为种子源，通过用一对光纤布拉格光栅构成的低损耗F-P腔实现了功率为0.6 W、波长为3.34 μm的中红外激光输出，其转换效率为39%。由级联喇曼谐振器提供泵浦源级联的光纤喇曼激光器[46]，能提供所需的波长，同时在1 480 nm处输出功率高达204 W的激光脉冲，且转换效率高达65%，量子限制效率为75%。而一种基于硅基微结构光纤的级联喇曼微激光器，能使激光器的阈值功率降低到毫瓦级[47]。此外，还可以把“合频”(sum-frequency)技术[48]应用到对级联光纤喇曼激光器的控制，可以抑制不必要的高阶斯托克斯光，使532 nm、559 nm和586 nm处激光的输出功率分别提高了40%、42%和67%。

前向与后向泵浦波的随机与光纤激光器中的增益和噪声参数有关。实验研究表明[49]，在相同的信号输入功率和开关增益的条件下，前向随机泵浦具有较大的平均增益和增益波动，而后向随机泵浦具有较低的平均增益和非线性减值，前向随机泵浦的有效噪声系数比一阶的双向泵浦要低约2.3 dB，比二阶的双向泵浦要低大约1.3 dB。一般情况，硅基光纤喇曼激光器的频率和功率对环境温度的变化不敏感。

3.2 碲基喇曼光纤激光器

碲基光纤喇曼激光器[50]可以满足跨多波段调谐和更高信噪比的要求，还可以用来制造输出长度为厘米级、阈值功率为毫瓦级的喇曼分布式光纤激光器。利用掺饵碲基光纤制造了L波段的锥形耦合光纤微激光器[51]，当泵浦光为7.5 mW时，在1 596 nm处有超过200 mW的强光输出。而一种利用掺铥碲基光纤[52]构造的波长为2 000 nm的单模微结构激光器，其输出功率达到了570 mW。利用碲基光纤构造了一种环形腔可调谐碲基光纤喇曼激光器[53]，该激光器可实现S+C+L+U波段可调谐输出，其可调谐范围为1 495～1 600 nm ,最大的输出光学信噪比超过60 dB。而经过对各种掺杂粒子的碲基光纤的频谱进行分析[54]，在4～5 mol%的掺杂情形下可以得到最优化碲基激光器的频谱和光学参数。

4 喇曼波长转换器

全光波长转换器是密集型光波复用(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)系统、全光网络以及全光交换系统的重要器件，实现波长的再次利用和再次分配，充分发挥宽带资源，并且可以增加网络的传输带宽和传输距离，降低网络扩容的成本。

4.1 可调谐波长转换器

利用光纤中SRS效应可实现全光波长转换，这种转换器称为喇曼波长转换器[55]，其原理如图12。首先将信号光λ1输入到EDFA进行放大、整形，然后经耦合器将波长为λ1的信号光和探测光λ2(λ1>λ2，探测光为连续光，不携带信息且很微弱)一起耦合进乳光纤中。在光纤中两光波发生SRS作用，信号光的能量和信息都将会传送给探测光，最后经光学滤波器滤出变换后的光波为λ2的探测光，从而实现光波长的转换。

图12 基于光纤中SRS的全光波长转换器原理

文献[55]提出了一种喇曼波长转换的模型，如图13所示。理论分析证明，将泵浦光与连续探测光同时注入光纤，能实现跨几个THz的波长之间的转换，且最大转换效率和消光比分别为-17.3 dB和15.7 dB。

图13 SRS效应实现波长转换的实验装置

该喇曼波长转换器，利用了光纤的喇曼放大特性，结构简单、转换速率快、转换范围宽且能实现跨通信波段转换的优点，但是该方案仅能实现进行一对一波长转换。为此，可对上述波长转换系统进行改进[56]，原理如图14所示，能够实现可调谐波长喇曼转换器。改进的方案利用了一个可调谐激光器代替连续激光器，利用光纤中的SRS效应，使用一个可调谐激光器实现了信号与不同波长之间的转换技术。数值模拟结果表明，其转换后探测信号光获得12.7 dB的增益，但波长之间的转换只能单独进行。

图14 基于光纤中SRS的可调谐波长转换原理

4.2 多路喇曼波长转换器

为了实现对光通信系统的信息监控和检测，通常需要将一个波长(信道)携带的信号转化到多个光波长上。同样可以利用光纤中的SRS散射效应，实现单波长信号向多波长的所谓多路喇曼波长转换[57]，其原理如图15所示。利用多个探测光与泵浦信号光同时耦合到光纤中并输出信号，实现了一对多路的波长转换，将原信号同时转换到多个波长上。然而，由于喇曼增益谱的特性，加之不同信号光在光纤中的损耗不同，使得输出信号光的功率各不相同。因此，需要对多路喇曼波长转换器进行输出功率相等的优化。

图15 基于光纤中SRS的多波长转换原理图

4.3 多波长转换耦合器

密集波分复用系统中信道之间功率差异会导致波分复用解复用器的输出端的串话，限制光的信噪比。利用级联光纤的多波长转换耦合器[58]可以得到等功率的输出信号而消除串话，其原理如图16所示。该方案采用康宁非零色散位移光纤(NZ-DSF)进行波长转换及增益补偿，数值结果显示，全光波长转换耦合器能同时对速率为10 Gbit/s的4路连续探测光实现波长转换，转换效率和消光比随着探测光波长的增大而增大，最大转换效率达到-34 dB，最大消光比为36.68 dB；Q因子随着探测光波长的增大而减小，最大为128.29。该方法可以实现一对多路的等光功率的波长转换，可以更好的用于键控调制信号的DWDM通信系统。

图16 全光多波长转换耦合器原理

喇曼波长转换器是利用光纤中SRS效应实现波长转换的一种新方法，原理和结构简单，波长转换效率高，易于实现，具有一定的实际应用价值。

5 喇曼光纤传感器

自分布式温度传感器问世以来，根据工作原理可分为3种：基于瑞利散射的分布式光纤温度传感器；基于布里渊散射的分布式光纤温度传感器；基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器。对于基于瑞利散射的分布式光纤温度传感器系统，虽然动态范围较大，但温度测量精度不高。对于布里渊散射的分布式光纤温度传感器，该方法的温度测量精度高，测量跨度大，但由于布里渊频移对拉伸应变也很敏感，因此还需要考虑如何将拉伸应变引起的频移和温度变化引起的频移区分开来。喇曼分布式光纤温度传感系统，主要是利用喇曼散射的温度特性，因而其温度特征明显。

分布式喇曼光纤温度传感器系统如图17所示[59]，将激光器发出均匀的重复频率的光脉冲注入到与之耦合的光纤中，再经过定向耦合器注入到大芯径大数值孔径的传感光纤中去。传感光纤布置于被测温度场分布环境中，光学滤波器滤除后向散射光中较强的瑞利散射光信号，而仅允许光强较弱的喇曼后向散射光信号通过。反斯托克斯光及斯托克斯光这两路信号通过光纤进入到与光纤耦合的由两支APD光电探测器及宽带放大器组成的两路光接收机中进行光电转换及电信号放大。两路放大的电信号在经过两路同步工作的Boxcar取样积分器消除噪声后进入模拟除法器相除，以获得沿光纤分布的温度变化曲线。

图17 分布式喇曼光纤传感器系统原理

喇曼分布式光纤传感器可以应用于很多方面。例如，基于硅基光纤分布式喇曼光纤传感系统，如图18所示[60]，可以在159 km的长度上对温度进行实时监控，实现长距离传输系统的监控。

图18 长距离喇曼光纤传感系统

Kasinathan等人[61]把基于硅基光纤的分布式喇曼温度传感器应用到对快中子增殖反应堆中泄漏的实时监控和电力传输线中的过载保护中。可以在超导纳米单光子探测器中应用分布式喇曼传感器[62]，完成对温度的测量，为高精度、高空间分辨率的温度测量提供了参考标准。使用受激喇曼散射效应中的反斯托克斯光，分析了基于硅基光纤的分布式温度光纤传感器的传感性能，并阐述了时域相关损耗和波长相关损耗带来的影响及解决方法[63]。还可以利用光纤的集成喇曼光纤传感器[64]，对实时监测低温高压力和高流速混合物中液氧和液氮的浓度比例，等等。

基于光纤喇曼散射的温度传感技术，利用光纤SRS效应与温度有关的特性来实现温度传感，应用前景比较广泛。由于喇曼后向散射系数太小，比瑞利散射低3个数量级，因此必须采用高输入功率对探测到的后向散射光信号取较长时间内的平均值[65]。对于一个传感器系统而言，最主要的是提高系统的性能，诸如温度分辨率、空间分辨率、测温距离及系统测温精度等。高性能的温度传感器正是目前喇曼分布式光纤温度传感器的发展方向。

6 结束语

综述了光纤中基于受激喇曼散射(SRS)效应的应用技术即喇曼光纤放大器、光纤喇曼激光器、喇曼波长转换器和喇曼光纤传感器主要研究和应用情况。光纤中的SRS效应，还有很多方面的应用，如光纤光孤子通信和超快脉冲等方面的研究和应用未被介绍，更多更重要的应用有待于更进一步发掘。

另一方面，光纤受激喇曼散射(SRS)具有宽频带、强抗干扰能力等特点，有利于应用于光通信及其它技术领域。研究结果已表明，不同掺杂光纤，如碲基光纤[66]拥有的宽传输窗口、优良的玻璃稳定性和耐用性、高折射率、高非线性光学参数和相对低的声子能量的特性，其较硅基光纤更适合实现跨多个波段的喇曼放大，进而获得性能优良的分立式喇曼放大器和光纤激光器。因此，高增益性能良好受激喇曼的光纤材料的研制，将会进一步促进和完善光纤SRS技术，使其在未来光通信系统和其它应用领域扮演重要的角色。

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[责任编辑:王辉]

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

西安市科技计划基金资助项目(CX12188)

巩稼民(1962-)，男，博士，教授，从事光电子及光纤通信的研究。E-mail: gjm@xupt.edu.cn 袁心易(1986-)，男，硕士研究生，研究方向为光电信息技术。E-mail: xinyi1530@gmail.com

TN929.11

A

2095-6533(2014)01-0001-12