更新时间：2023-01-15 10:12
光纤拉曼放大器是一种基于光纤受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering， SRS）效应的非线性激光器件，由于其具有工作波长由泵源决定的特点，因此，只要泵浦光合适，可以实现任意波段的放大。
光子晶体光纤（Photonic crystal fiber, PCF）又被称为微结构光纤（Microstructure fiber , MF）或多孔光纤（Honey fiber , HF），是近年来迅速发展的一个新的研究领域。由于它深刻的物理背景和内涵，重要的应用价值和巨大的应用潜力而引起越来越广泛的关注，成为光纤光学研究领域的一个热点领域，并在制造技术、理论研究方法及其应用方面不断取得新进展。
光子晶体概念的提出源于 1987 年，当年美国贝尔通讯研究中心的物理学家E.Yablonovitch 和加拿大物理学家 S.John分别独立地提出“光子晶体”（Photonic Crystals, PC）的概念。光子晶体的发现是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命，它将使人类像操纵电子那样操纵光子成为可能，因此具有巨大的理论意义和应用前景。光子晶体概念一经提出立即引起了人们广泛的关注和高度重视，美国《Science》杂志在 1999 年 12 月 17 日把光子晶体列为十大科学进展之一。 光子晶体光纤是基于光子晶体的概念提出的，同时也超越光子晶体的范畴，很多广泛研究和应用的光子晶体光纤实际上并不具有光子晶体结构。大部分的光子晶体光纤是空气孔结构的，通过改变空气孔的排列和大小就可以控制其光学特性，同时近年来还出现了全固的光子晶体光纤，可以通过改变掺杂来控制折射率分布从而控制其光学特性，所以光子晶体光纤在设计方面具有非常好的灵活性，人们可根据需要设计出具有各种特殊性能的光纤，这使得光子晶体光纤的应用领域不断扩大。
PCF 在光纤通信系统中的潜在应用主要有两个方面：传输光纤和光电子器件。作为光信号传输介质，与传统光纤一样应该具有低损耗、小色散和低非线性的性质。因此研究要点是设计合适的结构参数，并改进制造工艺降低光纤损耗。2003 年初的世界光纤通信会议（OFC）上，日本电报电话公司（NTT）接入网业务系统实验室的 K.Tajima 等人报道了他们研制出的衰减为 0.37dB/km 的超低衰减、较长的PCF。PCF具有完全的单模特性，可用工作波长范围为458-1700nm。2004 年他们又报道了在长波 1560mm-1575mm 范围内的路径损耗为 1.72dB/km 的光子晶体光纤。
随着光子晶体光纤理论分析和制造工艺的成熟，具有各种特性的光子晶体光纤被设计和制出来，基于这些光子晶体光纤的光电子器件引起了越来越多研究人员的关注。
光纤光栅是一种重要的光电子器件，已经被广泛应用于光通信和传感等领 域中。光子晶体光纤和传统的光纤光栅技术结合为制造新型的光纤光栅提供了条件，同时也扩展了光子晶体光纤在激光器、通信器件以及传感等领域的应用。Eggleton 等人采用传统的相位掩模紫外写入法在纤芯掺锗的光子晶体光纤中制造了 Bragg 光栅和长周期光栅。利用光子晶体光纤包层中空气孔结构，可以对这些光纤中纤芯传导的基模和包层模之间的光栅谐振特性进行控制，使光
栅具有多个谐振峰。特别是通过在写制光栅的光子晶体光纤空气孔中填充折射率温度敏感的聚合物材料，可以对光栅的谐振波长进行调节。 G.Kakarantzas 等人用热处理的方法在光子晶体光纤中写入了长周期光栅。这种方法利用 CO2 激光器的热效应使光纤包层中的空气孔出现周期性坍缩，导致光纤传导模式的有效折射率发生周期变化，从而形成光栅。基于相同的原理，Y.Zhu 采用点对点的方法用 CO2 激光器在光子晶体光纤写制了超短长度长周期光栅和应变不敏感长周期光栅。此外，J.H.Lim 等人利用施加应力的方法也在光子晶体光纤中研制了可调谐长周期光栅。这种方法已经被应用于制造基于光子晶体光纤的可调谐 Mach-Zehnder 干涉仪。
由于光子晶体光纤独特的结构特点，其作为增益介质，较普通光纤有以下几个显著的特点。首先，如前所述，光子晶体光纤具有可以灵活设计的模场特性，能改变传导模式和有源介质之间的相互作用，可以制造适用于不同要求的激光器。例如，采用小的模式面积光纤的激光器由于具有更好的限光能力，而具有低阈值；而采用大模式面积 PCF 可以应用于高功率的情况。其次，由于光子晶体光纤的纤芯与包层的折射率差是由空气孔的分布情况决定的，使得纤芯和包层可以做到很高的折射率对比度。这样在一定的光纤孔径下，高数值孔径使光纤能够接受更多的泵浦光，便于泵浦光耦合和吸收。特别是光子晶体光纤与包层泵浦技术结合的双包层光子晶体光纤，由于可以具有更大的模场面积和更大的内包层数值孔径，从而避免由于高功率和放大自发辐射所产生的非线性效应和效率降低，并提高泵浦光的耦合效率，为高光束质量、高功率光纤激光器的进一步提高提供了条件。 其他应用还包括参量放大与波长转换、光开关、传感器、方 向耦合器等。
光纤拉曼放大器是一种基于光纤受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering， SRS）效应的非线性激光器件，由于其具有工作波长由泵源决定的特点，因此，只要泵浦光合适，可以实现任意波段的放大。因此其在光通信、光传感、光测试、激光医疗等许多领域具有非常重要的应用前景。例如在光通信方面，为满足人类对大容量通信的需求，继续增加密集波分复用（DWDM）光纤通信系统的信道是最经济和最有效的方法。现在成熟的掺铒光纤放大器能实现 C 波段(1525nm-1565nm)总共 40nm 带宽范围内信号的放大，通过增益位移的方法也只能实现 L 波段（1570nm-1610nm）信号的放大。而其它波段的稀土掺杂光纤放大器还很不成熟。光纤拉曼放大器由于具有噪声低、增益带宽由泵光波长和拉曼光纤介质决定等优点，是进一步拓宽通信系统带宽（尤其是 S波段（1480nm-1530nm）和 L+波段（1610nm-1650nm）以及开发光纤的整个低损耗区（1270nm-1670nm）带宽的最具潜力和竞争力的光纤放大器。因此，成为关注和研究的热点，增益带宽大于 100nm 的拉曼光纤放大器已见报道。但基于目前传统光纤的拉曼放大器所用光纤长度少则几公里，多则几十、甚至几百公里，这不仅增加了设计拉曼光纤放大器的复杂性（尤其是对于由不同光纤组成的长度达几十公里以上的分布式拉曼放大器），而且由于瑞利散射噪声的影响，限制了放大器系统性能的进一步提高。 作为拉曼增益介质，光子晶体光纤与普通单模光纤相比具有许多无可比拟的优越性。
在非线性方面，通过灵活调整包层中空气孔的大小、形状、多少及分布情况，可方便的改变包层有效折射率，从而设计成小模场面积的微结构光纤，可提供比传统光纤的每单位长度高 10-100 倍的非线性系数。利用高非线性微结构光纤，可使非线性设备所用的光纤长度大幅度缩短和所需的光功率强度减小，例如最近报道的一个基于自相位调制的非线性光开关只用了 3.3 米的微结构光纤，而用传统光纤则需要 1km，由此可见，这种高非线性微结构光纤为开发新一代具有紧凑、高效的光纤非线性设备提供了可能。
光子晶体光纤的近乎理想的色散可控性使得它在色散补偿上也具有很大的 应用潜力，通过简单的改变光子晶体光纤的包层空气孔的大小、分布和排列方式，可以实现极宽的波段内具有平坦色散（三阶色散为零）和超平坦色散（四阶色散为零），且宽带平坦色散曲线的中心波长可移，平坦色散值也可以根据需要为正常色散、反常色散或近似零色散。因此，我们可以根据通信系统的色散情况，设计任意所需色散曲线的光子晶体光纤，这在普通光纤上是不可能实现的。
光子晶体光纤具有无截止单模特性。通过适当的设计，光子晶体光纤可以在任意波长处实现单模传导。目前，截止波长在可见光的光子晶体光纤已有出售。因此以这种光纤作为喇曼增益介质，只要泵浦源合适，便可真正得到任意波长的单模放大。而在普通单模光纤上是不可能做到的。对于目前通信用的普通单模光纤，截止波长一般大于 1400nm，当信号低于该波长时，将呈现多模特性。
如果将光子晶体光纤的这种理想的色散可控性与高非线性特性以及无截止单模特性集成于同一种光子晶体光纤，那么以该种光子晶体光纤作为喇曼增益介质的放大器将具有结构紧凑、高效、宽波长范围的单模特性（截止波长可以短到可见光）和兼有宽波长范围的色散补偿功能等许多优异性能，从而可以实现从可见到红外整个波段的单模放大，这是普通光纤拉曼放大器和激光器所无法比拟和实现的。
2002 年 3 月，Z.Yusoff 和 J. H. Lee 等人报道了第一个光子晶体光纤拉曼放大器。随后，光子晶体光纤拉曼放大器作为一种新型光通讯器件开始快速发展起来。M. Fuochi 等人研究了一种三角形包层结构的实芯微结构光纤的几何参数对拉曼增益的影响，并证明芯层搀杂的微结构光纤具有更强的拉曼增益。Bottacini 等人提出了更为准确完备的理论模型用于分析基于微结构光纤的拉曼放大过程，他们的研究为新型微结构光纤拉曼放大器的设计和研制提供了理论基础。
在实验方面，2005 年 3 月，赵春柳等人从实验上研究了光子晶体光纤拉曼放大器噪声效应，证实了将 25km 的单模光纤组成的拉曼放大器中加入 100m的高非线性光子晶体光纤可以提高信噪比，在开关功率 6.2dB 的情况下自发辐射和瑞利散射的信噪比分别改善了 1.4dB 和 0.4dB。
2005 年 11 月，F. Poli、S. Member 等人利用一段 9km 长的光子晶体光纤（其空气孔为三角型分布，孔间距 4µm，占空比 0.625），研制了一种增益平坦光子晶体光纤拉曼放大器。该放大器拥有 6 个不同波长和功率的泵光，在1540nm-1572nm 的范围内（40 信道）增益平坦度 0.5dB，开关增益 13.5dB。 2006 年，S. k. Varshney、K. saitoh 等人报道了一种新型的色散补偿型光子晶体光纤拉曼放大器，单泵波长为 1540nm 功率 520mw 的情况下得到了 30nm范围（1530nm-1560nm）20 信道的平坦增益（其增益 19dB，平坦度±1.2dB）。
光纤拉曼放大器可以实现对任意波长的放大，因此可作为光纤放大器扩展的通信带宽，升级现有的系统，在通信领域具有很大的应用前景。应用高非线性光子晶体光纤，大大提高了拉曼增益斜率，只需更短的光纤长度和更低的泵浦功率就可以获得与普通光纤中相同的增益。
拉曼放大的基本原理、特点
当泵浦光与光纤介质发生相互作用时，将会产生瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。在许多非线性光学介质中，高能量（波长较短）的泵浦光发生散射，将一小部分入射功率转移到另一频率下移或上移的光束，频率偏移量由介质的振动模式决定，此过程就被称为受激拉曼效应。受激拉曼散射(SRS)的量子描述为，入射光波的 1 个光子被介质分子散射成为另 1 个低频光子(称为斯托克斯波) 或另一个高频光子（称为反斯托克斯波），同时完成分子振动态之间的跃迁，从而具有了增益特性。