光电子信息技术.ppt

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1、第九章,有源光纤器件和光纤光栅,内容提要：,9.1光纤激光器及放大器的结构和发展,9.2稀土掺杂光纤的光谱,9.3稀土掺杂光纤激光与放大过程,9.4光纤激光技术,9.5光纤放大技术,9.6光纤ASE光源,9.7光敏光纤光栅,9.1光纤激光器及放大器的结构和发展,光纤激光器及放大器是一种新颖的有源器件。属于这类器件的大体上有三类：,1.利用光纤的非线性效应：例光纤喇曼激光器与放大器,2.利用晶体光纤：例利用YAG，BSO晶体光纤制作的光纤激光器,3.利用掺杂光纤：例光纤掺杂稀土离子可使之激活以制作掺杂 光纤激光器和放大器,在这三类器件中，掺杂光纤，尤其是稀土掺杂石英玻璃光纤制作的激光器和放大器，

2、发展极为迅速，在光通信领域得到广泛应用，因此，本章着重讨论这类器件。,9.1.1光纤激光器的基本结构和特点,光纤激光器的基本结构与一般激光器大体相同：,光纤激光器,激光介质,谐振腔,其结构如下图9.1.1所示：,图9.1.1光纤激光器谐振腔,光纤激光器有如下优点:,a.转换效率高，散热快，损耗小，阈值相当低,b.光纤激光器可以设计的非常小巧。,c.玻璃光纤的荧光光谱很宽，插入适当的波长选择器可得到 很宽的调谐范围和很好的单色性。,泵浦光,9.1.2光纤放大器的结构形式和发展,光纤放大器与激光器的实质性区别是没有反馈环路，即没有谐振腔，图9.1.2列出了光纤放大器在实际应用中的三种结构形式,其中

3、：a.作为激光功率放大的结构形式 b.作为全光中继器使用的结构形式 c.作为光前置放大器使用的结构形式,图9.1.2 光纤放大器的结构,上述三种结构形式中，全光中继器的发展前景最引人注目。因为其无需光电光转换，而且其结构简单造价低，具有很高的可靠性。,光纤激光器及放大器发展历史：,1963年，法国斯尼基尔首次提出光纤激光器和放大器的概念。,1975年后，单模低损耗光纤及光纤耦合技术进入实用化。,1985年，英国南安普顿大学研制出掺铒石英光纤。,1986年，第一个掺铒光纤放大器诞生。其后，掺铒光纤放大器 研究进展十分迅速，现已进入商品实用阶段。,9.2稀土掺杂光纤的光谱,当光纤中掺入一些稀土元素

4、后，其物理性质将会发生一些变化，因此，为了掌握其物理性质将如何变化，我们有必要研究稀土掺杂光纤的光谱。,9.2.1稀土元素及其离子,稀土元素或镧系元素一种15个，他们都具有相同的外电子结构，我们用Xe表示氙的结构，则他们的结构表示如下，在4f内占据的电子数决定这元素的化学性质,镧,铈,镨,钕,铒,铥,镱,镥,Xe,Xe,Xe,Xe,Xe,Xe,Xe,Xe,9.2.2掺杂光纤基质材料的影响,光纤基质材料是玻璃。稀土离子对玻璃的基质的掺杂，实际上是稀土离子通常作为网格改体存在或填隙于玻璃网格中。玻璃基质对稀土离子的光谱能级施加两种影响：,一.导致斯塔克分裂 能级中存在的任何简并都是因基质院子键 引

5、起的电场非均匀分布的影响而退简并，因此对于给定的电 子跃迁，其光谱显示出某些亚结构,二.导致能级展宽，展宽的机制有声子展宽和基质电场扰动展宽,光谱展宽的性质与幅度对于光纤激光器来说是非常重要的。因为对于给定的泵浦功率，激光增益反比于谱宽。,这样，稀土元素因受益于参与吸收和发射电子的被屏蔽的作用，故其较之于无屏蔽作用的过渡元素更易产生好的激光。,9.2.3稀土离子掺杂浓度,对于光纤激光器来说，存在一最佳掺杂浓度。,如果掺杂过低，在掺杂离子总有效数少于入射光子的部位，基态上的离子可能被耗尽，信号放大则受限于可被利用的离子数。,如果掺杂过高，会出现两个问题：其一是浓度抑制问题，即在高掺杂时相邻稀土离

6、子之间即出现非辐射交叉驰豫，以致使激光上能级的有效粒子数减少；另一个问题是高掺杂将导致玻璃基体出现结晶现象，而这对激光的形成是不利的。,多次实验表明，对于光纤激光器的掺杂光纤，其最佳掺杂均为几百个ppm的浓度。,9.2.4激发态吸收（ESA）,激发态吸收主要指：处于激光上能态的电子吸收泵浦光子后进入更高的激发态，随后通过某种非辐射驰豫过程进入一中间能态，最后重新回到激光上能态。即ESA,这种ESA过程削减了泵浦功率，为了获得同样大小的激光输出，在存在ESA时则需要更高的泵浦功率。,ESA是限制掺 光纤激光器和放大器增益的主要因素。对掺铒光纤器件也有严重的影响。可见，ESA作为有害的因素，我们应

7、该设法解决这个问题,9.2.5玻璃中稀土离子的光谱,这里我们着重讨论掺 和 光纤激光器和放大器，因为其 对光纤通信有重要意义。图9.2.1示出了稀土金属离子的能级,图9.2.1稀土金属离子的能级,下图给出了玻璃基体成分是.Nd的荧光带对应的中心波长分别在0.90um,1.06um,1.32um处。其中在0.90um处吸收谱与荧光谱重叠，这意味着在这个波长上产生的激光必定是三能级系统；对于掺Er，在1.48um处吸收谱与荧光谱重叠，也意味着这个波长上产生的激光是三能级系统。,图9.2.2掺 和 的荧光谱及吸收谱,我们考查Nd和Er离子中电子能级图。如下图所示。其中对应的重要跃迁有：,图9.2.3

8、 和 的电子能级图,的吸收：,从基态,的荧光,从激发态,（0.9um）,（1.06um）,（1.35um）,的吸收：,基态,（0.81um）,（1.48um）,（0.98um）,的荧光,激发态,（1.55um）,产生激光和激光放大的原则是：在其吸收带对应的波长提供必要的泵浦，在其荧光谱对应的波长上提供形成增益和振荡的条件.,我们不仅可以改变掺杂的物质浓度等问题，我们还可以变化基质种类和成分，来促进掺杂离子所处环境发生改变，进而使光谱产生变化，这样，我们可以人为的选择适宜的泵浦波长在有实际意义的波长上产生激光和激光放大。,9.3稀土掺杂光纤激光与放大过程,9.3.1光的吸收与发射,当介质吸收一定

9、频率的光子后，其电子会跃迁到激发态，由于激发态是非稳态，激发态电子通过辐射回到基态，这其中有两种辐射：自发辐射和受激辐射。而受激辐射产生的是一种同频率同相位的光，也就是可以形成相干性极好的激光。但其产生要造成能级间“粒子数反转”，这需要一定条件：a.参与过程的能级应超过两个b.应有泵浦源提供能量，并且在数值上要超过上能级的能量。,上面所说产生激光存在一定的阈值，当泵浦能量低于该阈值时便不能产生激光。这里不再详述，有关内容可以参考一些参考书.,9.3.2四能级和三能级的光纤激光过程,下图9.3.1示出了四能级和三能级的激光原理。,图9.3.1四能级和三能级的激光原理图,图中分别示出了三能级和四能

10、级的泵浦过程和产生激光过程。图中主要区别是前者的激光的下能级是基态而后者不是。这说明三能级较之四能级有更高的阈值。一般来说，四能级的激光阈值应与光纤长度成反比，而对于三能级系统，则存在一个最佳光线长度，在这个长度上方可出现最低的激光阈值。因而我们着重讨论一下三能级光纤激光放大理论,9.3.3三能级光纤激光放大理论,我们结合激光理论和光纤理论来分析光纤激光器和放大器。,由前面的讨论可知，三能级激光是在 和 能级之间，这样我们可以将其简化为两能级系统。如下图9.3.2所示。,泵浦光频率,信号光频率,图9.3.2简化的二能级系统,和 分别代表受激发射和受激吸收过程，根据爱因斯坦理论，三能级速率方程为

11、：,(9.3.1),我们考察速率方程的局域形态，这里需引入一些变量：R（r，t）泵浦光子密度，S(r,t)-激光（信号光）光子数密度，掺杂粒子数密度，和 分别是下能级和上能级粒子数密度。,和 分别是泵浦光速和信号光光速；和 分别是泵浦光和信号光与掺杂离子作用截面。,因为光纤中存在传输色散，故,(9.3.2),一段时间后光纤进入稳态：速率方程变为：,(9.3.3),光在光纤中的传输包括激光产生和介质损耗过程。我们以信号光为例，取dz一段光纤来看信号光光子密度S(r,t)的局域变化率为：,(9.3.4),激光产生而引起的，为,光在介质中的损耗对变化率的影响,而最后一项是由光子在z端和z+dz端通量

12、差引起的：,(9.3.5),综合考虑以上三个过程有：,(9.3.6),是比尔吸收系数,以上考虑的是信号光，对泵浦光同样有：,(9.3.7),在稳态（）情况下得到稳态传输方程：,(9.3.8a),(9.3.8b),我们引入两个归一的分布函数f和g,我们这样定义：,(9.3.9),(9.3.10),为泵浦光和信号光功率,其中f和g满足归一条件：,我们用柱坐标表示：,(9.3.12),(9.3.11),光纤中模式特征函数,对于阶跃光纤，它们分别为：,ra,ra,(9.3.13),ra,ra,(9.3.14),上面些式子中a是纤芯半径，而U，W为光纤横向归一化传播常数,假设掺杂粒子径向分布均匀，则有分

13、布：,(9.3.15),满足,现在我们需引入光强函数：,，,，,(9.3.16),这样上面所讨论的光纤激光和放大的基本方程可写成如下形式：,(9.3.17),化简上面诸式，并将前面的一些表达式代入得到方程组：,(9.3.18),以上就是对光子密度的耦合放大方程及粒子数分布方程。,我们需要得到光强的耦合放大方程，得引入饱和光强，。及无量纲参数A和B,(9.3.19),由此我们得到光强的耦合放大方程,(9.3.20),将式(9.3.11)和(9.3.12)代入光子数密度耦合放大方程，并对横截面作积分 有：,(9.3.21),这就是光功率的耦合放大方程。,(9.3.22),仿前光强方程引入饱和强度函

14、数，我们这里也引入饱和光功率，和无量纲参数，,总面积,将上述参数代入光功率方程化为：,(9.3.23),其中：,(9.3.24),由式(9.3.23)可以看出，泵浦光初值较大，且 有 此即表明信号光得到放大，而泵浦光功率随z增加而减弱。当 信号光进入衰减阶段，因而存在一个最佳长度，信号光有一个最大的增益。即使，也有随着 减少到 时也会使信号从放大过渡到衰减。,我们进一步探讨方程的特性，我们令，即抛弃横模特性和忽略介质吸收，有：,(9.3.25),在光纤输入端泵浦光很大而信号光很小时，可以认为：则上面方程组可以变为：,(9.3.26),由上式看出开始时泵浦光现行衰减而信号光指数上升，当 衰减到1

15、时，信号光 饱和，则有：,(9.3.27),由此方程可以看出泵浦光指数衰减。,当，虽然已进入负增益但是仍很大时，有：,(9.3.28),而此种情况表明泵浦光指数衰减而信号光线性下降。,上面的讨论我们抛弃横模特性和忽略介质吸收，而实际情况比这要复杂的多，但是曲线走向基本上一样。,下图9.3.3表示的曲线是 的信号光 输入时分别在 的泵浦光 为20mW,55mW,100mW情况下计算出泵浦光和信号光随坐标z变化曲线。,图9.3.3泵浦光、信号光随光纤长度变化曲线,数值结果表明：一定光纤长度，信号光增益随泵浦光输入而增大；一定泵浦光下，存在一个最佳长度使信号光增益最大；在一定长度和泵浦光水平下，信号

16、光增益随信号光输入增大而减少呈”饱和”现象,最后，由于掺杂光纤激光器和放大器的影响很多，且较为复杂，因此目前尚难以形成成熟的理论，期待大家的进一步研究。,9.4光纤激光技术,目前，0.9oum,1.06um,1.35um波长掺 光纤激光器和1.55um波长的掺 光纤激光器均已实用化；光纤激光调谐，光纤激光线宽压缩以及光纤激光调Q和锁模等激光技术均得到广泛研究。,重金属掺杂氟化物光纤激光器也取得明显得进展。下面我们先介绍光纤激光器的谐振腔结构，因为其是激光器中的重要组成部分，然后我们接着介绍各种光纤激光技术。,9.4.1光纤激光器的谐振腔,1.F-P腔,前面我们有一张图就是简单的F-P结构图，现

17、在我们再贴一次。如图9.4.1,图9.4.1光纤激光器谐振腔,谐振频率间隔 是光子再腔内往返运行时间的倒数：,(9.4.1),腔长,F-P腔一个重要特征就是谐振储能，因而腔内激光介质可建立起粒子数反转，这样就具有了增益能力。,2.光纤环形谐振腔,前面的谐振腔有介质镜，而这个腔没有介质镜，其结构如下图9.4.2所示。,图9.4.2光纤环形谐振腔,耦合器的两个臂(图中3,4点)连接在一起，构成了光在其中传播的循环行程，亦即相当与F-P腔中的介质镜。腔的高精细度对应于耦合器的低的分束比。,等价的体形光器件,光纤环形谐振腔的强度透射系数为：,(9.4.2),定向耦合器的插入损耗,光纤的振幅衰减系数,光

18、纤环形谐振腔的精细度的表达式为：,(9.4.3),K是定向耦合器的强度耦合系数,有区别与F-P腔，环形腔的纵模频率间隔为：,(9.4.4),第一个光纤环形激光器是用掺钕光纤制成的，根据前面稳态下理想四能级系统激光速率方程和光纤模式理论，可以计算出其阈值泵浦功率和斜率效率表达式：,(9.4.6),(9.4.5),上能级离子寿命,泵浦光的量子效率,受激发射截面,泵浦光在腔内的损耗,掺钕的光纤的主要吸收带正好在商用半导体激光器波段800nm左右，在选定掺钕光纤的掺杂元素种类后，对于掺钕光纤环形激光器存在一个最佳泵浦波长。,下面两个图是国产掺钕光纤制成的光纤环形激光器进行实验得到的数据。芯径是6.64

19、um,截止波长1.19um,腔长4m.,图9.4.3掺钕光纤环形激光器输出与泵浦波长的关系曲线,图中表明从800nm到840nm波长范围内对该掺钕环形光纤激光器来说，最佳泵浦波长在830nm左右，而对800nm至815nm的泵浦波段，环形激光器的激光输出非常低。,图9.4.4 830nm泵浦波长上掺钕光纤环形激光器特性曲线,激光器阈值是5mW，斜率效率为24。当泵浦功率为29mW时，最大激光输出为5.8mW,中心发射波长为1089nm。从上面的那些数据可以看出，同一个掺钕光纤环形激光器，处于最佳泵浦波长时阈值最低，斜率效率最高。,3.光纤环路反射器及其谐振腔结构,腔体结构如图,图9.4.5光纤

20、环行反射器,与环形谐振腔具有储能作用不同，这个是一种非谐振的干涉计，进入光纤环的光从另一端输出的叫做透射光，而沿原路返回的光叫反射光。最终，其输出是透射光场和反射光场的相干叠加。,等价的体形光器件,设输入光的功率为，耦合器的分束比为K，在不计损耗的情况下透射和反射输出的光功率分别为：,(9.4.7a),(9.4.7b),显然,当耦合比K0或1时，反射率R 0，而T1；当K1/2时，有R1，T0。,将两个光纤环连接起来，就构成了一个类似光纤环形腔的谐振腔，如下图所示：,图9.4.6双光纤环谐振腔,9.4.2光纤激光器的调谐,激光器运转时，在腔处于最佳状态的谱线上获得激光输出。所谓调谐就是在宽范围

21、内得到各相应谱线的激光输出。调谐可用波长选择器也可以直接使用具有波长选择的反射镜。,下面我们介绍两种调谐方法。,1.用反射式衍射光栅代替输出镜,其结构图如下图9.4.7，各部件已在图中标明。转动光栅来改变光束与光栅的角度，就可达到选择波长以达到调谐目的。,图9.4.7反射式光栅可调谐光纤激光器,这种方法调谐的缺点是：由于腔内插入了透镜等光学元件，因而腔内的损耗增加，故阈值明显提高。,2.用光纤环反射器,由于反射器的反射率与耦合比K有关，而K又与通过耦合器的光波波长有关，这样我们改变K，即可达到调谐的目的。这里我们是通过改变温度来改变K进而达到调谐。其结构图如下：,图9.4.8用于调谐输出波长的

22、光纤环发射器,用这种方法改变温度60度，得到的调谐范围达33nm,9.4.3光纤激光器的输出线宽压窄,在相干光通信等应用领域要求很窄的线宽,很高的单色性激光器输出.,1.光栅反射 器方法,图9.4.9光栅分布反射器,将石英刻槽，把光纤嵌入，再将光纤抛磨光并附上光致抗蚀剂，借助扩束激光束交迭产生的波前干涉作用形成光栅，经显影后，在裸露的光纤芯表面印上了周期性掩膜。最后将石英蚀刻，产生浮雕光栅性能。这种光栅起到了分布反馈反射器作用,对窄的波长带产生反射。用高掺杂光纤制作耦合石英块，当全部腔体长度减少到5.1cm时，即得到具有2MHz线宽的单纵模激光输出。,2.福克斯史密斯谐振腔方法,这是使用掺铒光

23、纤，而又无需掺杂获得单纵模输出的一种重要方法。下图给出了这种谐振腔的示意图。,图9.4.10福克斯史密斯谐振腔,如果将构成复合腔的两个子腔之间的耦合消除，我们将可以得到在两个频率梳中任一个频率上的响应输出。在福克斯史密斯谐振腔中，这两个频率梳将共同决定谐振腔的响应。,如下图所示，箭头指处即对应复合腔的响应频率，即在这一点上谐振腔有高的透射率，如果谐振腔是掺杂光纤制作的，则同时满足两个子腔频率的纵模将优先产生激光振荡，这样纵模间距大大加宽，这时加一反射光栅代替腔镜，置于光纤尾端，单纵模就会产生。,图9.4.11复合腔的频率梳,这里具体的一个实例是：两个子腔腔长分别为80cm和95cm，用掺铒光纤

24、，泵浦波长0.52um，的氩 离子激光反射光栅是闪烁型的，线数为：1200/mm.当光栅调谐到1.536um波长输出时，测到的线宽为8.5MHz.,9.4.4光纤激光器的调Q与锁模,光纤激光器同样也可以运转在调Q和锁模状态，这样分别得到几十纳秒和几十皮秒光脉冲输出。下图是其工作原理示意图。,图9.4.12光纤激光器的调Q与锁模光路,当光调制器以开关形式工作时，即可得到调Q激光输出；如果光调制器按规定的频率以强度或相位调制光束时，则得到AM或FM锁模激光输出。,光纤激光器的锁模运转,图9.4.13 8字型激光器示意图,这种激光器实际上是一个腔体加入放大脉冲形成器的双环形光纤激光器，由50光纤耦合

25、器、铒光纤及泵浦耦合器组成的非线性放大回路（NALM）充当脉冲压缩和增益元件。NALM经输出耦合器一部分输出，一部分经光隔离后反馈到NALM的输入端，构成被动锁模。,理论和实验表明：光脉冲在激光器内展宽，而在掺铒光纤中成形。利用此装置已获得314fs无基底的稳定脉冲，其泵浦功率为220mW，泵浦波长为980nm。,9.5 光纤放大技术,光纤放大器的作用主要有三个方面：,a.可以在光纤传输期间补充功率损耗，起光纤中继放大作用b.在通信模式上，光纤放大器适用于所有速率和线路码型传输系统c.光纤放大器的信号处理过程只是光信号处理过程，不需要光电和电光转换，无需区间通信和业务话路。,过去的再生中继器需

26、要脉冲限幅、重新定时，和整形电子器件以及光探测器件和光发射器件，光纤放大器不需要这些转换，使光纤通信系统从庞大的设备中解放出来，有助于全光通信的实现。,掺稀土离子光纤放大器光纤布里渊放大器光纤拉曼放大器,掺Er3+光纤放大器(EDFA)掺Yb3+光纤放大器掺Tm3+光纤放大器掺Pr3+光纤放大器,分立式光纤拉曼放大器分布式光纤拉曼放大器,光纤放大器,9.5.1掺铒光纤放大器,其结构示意图如下图，由掺铒光纤、半导体激光泵浦源、光纤波分复用器和偏振无关型光隔离器构成。,图9.5.1 掺铒光纤放大器结构示意图,待放大的1.5um信号光和0.98um的泵浦光通过波分复用器WDM合波到掺铒光纤中，波分复

27、用器对信号光的耦合率为99，对泵浦光的直通率大于98，被放大的信号光通过光隔离器输出。,消除残存的泵浦光，并防止在信号光波长处散射光造成噪声,由三能级光纤放大理论，在稳态情况下，求得其泵浦阈值功率为：,(9.5.1),从上式可以看出光纤放大器的泵浦阈值功率与泵浦光的光子能量成正比，与 成反比，其小信号增益为：,(9.5.2),上式表明掺铒光纤放大器的增益与掺杂浓度、吸收截面、光纤的几何系数和泵浦光的阈值等因素有关。,作为掺铒光纤放大器的泵浦源，980nm半导体激光器具有增益系数高，噪声低和环境温度稳定性好等优点，但是其阈光纤耦合困难且价格昂贵。,对掺铒光纤放大器而言，在每个波段都有最佳泵浦波长

28、，对这个最佳波长的偏离，在相同条件下会导致增益下降。下图是980nm波段泵浦掺铒光纤放大器的增益随泵浦波长的变化曲线。,图9.5.3 掺铒光纤放大器的增益随泵浦波长的变化曲线,从图中可以看出，979nm是最佳泵浦波长，3dB下降的增益带宽为10nm。,下图是用979nm波长泵浦掺铒光纤放大器的工作特性曲线。,图9.5.2 979nm波长泵浦掺铒光纤放大器的工作特性曲线,该泵浦波长上最高增益系数为11dB/mW，最大增益一般在4050dB。综合考虑，波长为1480nm和807nm的半导体激光器都没有980nm的作泵浦源好。,温度对掺铒光纤放大器的最佳泵浦波长也有影响，如下图所示：,图9.5.4最

29、佳泵浦波长随温度的蓝移,图中是常温下和77K下掺铒光纤放大器的增益随泵浦波长的变化曲线，温度降低时，最佳泵浦波长蓝移。由于低温下发射和吸收截面变窄，最佳泵浦波长处增益增高。,9.5.2 1.3 的光纤放大器,由于目前大多数通信系统都采用1.3 波长，如果改用1.55,技术成本会十分昂贵，因此1.3 波长的光纤放大器将是一种非常有用的器件。,：,人们用已知的掺钕1.3 跃迁线，但是采用这条谱线会有激发态的吸收，在石英玻璃基质中，它阻止了波长短于1360nm的增益，因为光纤系统的标准工作波长为1310nm，在波长1050nm处放大的自发辐射消耗了较长波长跃迁的能量，因此限制了1320nm的增益。,

30、现在最有希望的途径是采用掺镨光纤放大器，它的激光谱线在1300nm处，其激发态吸收在1320nm，允许氟化物玻璃基质在1330nm处有增益，这是迄今用于光纤放大器最有希望的波长.然而镨也存在一些问题：1.与掺铒的光纤放大器相比泵浦效率较低，2.它要求波长为1007nm到1017nm的新泵浦源.因此，镨光纤放大器可工作在1300nm，但没有工作在1550nm铒光纤放大器那样好。,9.5.3 光孤子通信中的光纤放大器,光孤子通信虽然长期处于基本原理研讨的情况中，但是随着光纤放大器特别是工作于1550nm波段的掺铒光纤放大器(EDFA)的出现，人们又开始重新重视起来。,由于光孤子经长距离传输后，其脉

31、冲形状和传播速度都保持不变，所以它作为信息载体可以大大增加传输距离和信息容量。其优点：高速、大容量、低成本、长距离传输。,目前光孤子通信系统的实验报道中，铒光纤放大器大多数用1480nm波长半导体激光器作泵浦源。但由于980nm波长泵浦的掺铒光纤放大器具有许多优点，因此，980nm波长半导体激光器泵浦是主要的考虑方向。,为了降低光纤放大器噪声，进一步降低激发态吸收功率,改进放大器特性，对泵浦方式进行优化也是很有必要的。,9.6 光纤ASE光源,ASE:在足够强的外界激励源的激励下，激光工作物质形成粒子数反转，只要工作物质足够长，高能级原子产生的自发辐射光在工作物质中传播时，就不断的受激放大。这

32、种自发辐射受激放大现象，即ASE。,产生ASE的装置就是无腔激光器。,ASE在信号功率上输出功率谱密度直接影响光纤放大器的噪声系数。故在光纤激光器和放大器应该尽量减少ASE。,稀土掺杂光纤中产生的ASE可以用于研制极为有用的低相干性、高功率、单横模的宽带光源。广泛用于：EDFA测量、光纤光栅研制、光谱测试、光纤传感、信号处理、光纤陀螺以及低成本的接入网。,ASE光源可以减少系统的相干噪声、光纤瑞利散射引起的位相噪声以及光学克尔效应引起的位相漂移。,与低相干性的超辐射发光二极管相比，稀土掺杂光纤的ASE有如下优点：,1)输出谱稳定,2)受环境影响小,3)易与单模光纤传感器系统耦合等,光纤ASE源

33、的阈值条件定义为：在工作物质一端自发地辐射出的一个光子恰好在另一端能受激地发射一个光子，光子行进的这段长度叫阈值长度。,设在光纤始端自发辐射地光子数，考虑增益,则行进至终端的光子数为，在阈值时即：有,(9.6.1),于是有：,(9.6.2),当掺杂光纤长度 时，才有明显的ASE。,行进中产生的受激辐射光子数,下面以979nm波长泵浦的掺铒光纤ASE源为例说明光纤ASE源的结构和输出特性。,下图时两种掺铒光纤ASE光源的结构。,图9.6.1 掺铒光纤ASE实验光路,(a)结构中是激光耦合进光纤波分复用器直通臂，泵浦掺铒光纤获得单程增益。,(b)结构中在波分复用器的另一臂紧贴一片1530nm波段的

34、全反射介质膜片M，并在接触处滴上折射率匹配液，形成自发辐射的反馈，获得双程增益。,对光谱较宽的信号光(ASE),采用 和 分别描述向前和向后的传播特性。信号光和泵浦光在稳态下的传输方程为：,(9.6.3),(9.6.4),分别是信号光的发射截面和吸收截面。是泵浦光的吸收 截面。,通过用均匀分布的等效带宽 来简化ASE信号光，才能结合三能级的速率方程求出光纤ASE光源的输出功率。,掺铒光纤ASE源双程输出的光谱如下图所示：,图9.6.2掺铒光纤ASE源双程输出光谱,掺铒光纤数值孔径是0.22,长度为25.4cm,由图可以看出，随着泵浦功率增大，ASE输出功率增加，谱线半宽变窄。,ASE谱在152

35、3nm和1538nm之间，中心波长位于1530nm，因此掺铒光纤ASE是一种很好的宽带光源。,下图是979nm波长的激光泵浦21m长的掺铒光纤ASE光源的输出特性：,图9.6.3掺铒光纤ASE的输出特性曲线,双程增益时,单程增益时,随着泵浦光功率的增加，ASE的输出功率呈非线性增加，当入纤的泵浦功率为15.5mW,其单程输出4mW,双程输出为6.5mW。,用980nm波段激光泵浦掺铒光纤时，由于激发态吸收极小，因此量子转换效率高，这里单程输出时达到26%，双程输出时达42。,9.7 光纤光敏光栅,光纤光栅:光纤纤芯玻璃的折射率沿光纤长度方向周期性地发生变化(比如先增大，然后减小，再次增大)是可

36、能的。,光栅的结构非常精细，因而其制造也很复杂，传统的剥去纤芯的包层，利用离子束刻蚀在纤芯上建立光栅的方法不再多见，取而代之的是利用掺杂光纤的光敏性，掺杂后的光纤对特定波长的光有强烈的吸收，从而使芯的折射率分布发生改变。形成光栅。,下例是紫外光通过破坏光纤纤芯的掺锗石英玻璃中的原子键来形成光栅(玻璃成分调节到使这种破坏效应最强)。,图9.7.1 紫外光在敏感的光纤纤芯上写光栅,折射率的改变量与紫外辐射的程度、玻璃成分和写光栅前进行的特殊处理有关。一般而言，脉冲紫外激光器在高强度下照射光纤几分钟，就能将掺锗石英的折射率提高0.000010.001倍。照射前用氢处理光纤可以提高其敏感性，这样折射率

37、可以增加到1%。,9.7.1 掺杂光纤光敏性机理,到目前为止，掺杂光纤的光敏机理还没有完全清楚，鉴如此，介绍几种理论模型，其针对掺杂光纤光敏性来源于掺杂物质与 混合时形成的结构缺陷。,1.双光子吸收漂白模型,和 混合过程中形成了缺陷。研究表明，以mW/量级的光强度足以时GeSi键破裂，释放处电子，这些电子在相邻锗的晶格位置上再被俘获，形成了色心Ge(1)和Ge(2)，488nm的光通过双光子吸收使得 可在242nm的吸收带漂白，这个过程的复杂电子移动就形成了某些波段折射率变化，其折射率增量可由KramerKroning关系推导。,2.色心模型,Ge掺杂光纤中形成的色心Ge(1)和Ge(2)的吸

38、收中心在紫外波段，这就导致了Ge掺杂光纤在紫外区的吸收光谱。,R.M.Atkins等人用248nm波长的光使242nm的吸收带漂白，而在195nm处发现一个新的强吸收峰。研究认为，占优势的色心吸收峰应该在195nm，对195nm的吸收带的分析表明，这正是Ge掺杂光纤紫外光写入相位光栅中折射率变化的原因。,实验还证明，在900度加热可使光诱导变化反转，在光纤写入光栅和高温清除后，光纤的光敏性没有实质性变化，这些研究都证明色心模型的合理性,3.双势能陷阱模型,为了解释在Ge掺杂光纤中写入相位光栅的动力学机制。Chong等人建议用一种双势阱模型，其结构如下所示：,图9.7.2 双势阱模型,GeSi键

39、的初始光能间隙,Ge缺陷的光能间隙,在光的辐照下，由于单光子、双光子或多光子吸收过程，使GeSi键破裂，产生色心Ge(1)和Ge(2)的能量间隙比GeSi键大。故Ge(2)是光致结构变化的光漂白中心，而Ge(1)起光暗化作用，在此基础上，用速率方程方法，可以分析相位光栅成栅的动力学机制。,4.载氢技术理论,实验已证明，用高压载氢技术，可将光诱导折射率的变化提高近两个量级。Maki Inai提出一种H2与Ge掺杂光纤相互作用的模型：,光纤经载氢技术处理后形成的GeH，SiOH和SiH改变了光纤的吸收谱，用KramerKroning关系可得到折射率的变化量。这里，H2起到促进紫外线与Ge造成的缺陷

40、起反应的作用。导致光诱导折射率变化大幅度提高。,2OGeOSiO,O,O,O,O,O,O,O,O,O,OGeHOSiOH OGeOH OSiH,O,O,O,9.7.2 光纤光敏布拉格光栅的形成和原理,原理：去保护层，包层对紫外光刻写波长几乎完全透明，芯层由于掺杂物的存在，对紫外光强烈吸收。其原理图为下：,图9.7.3 刻写光敏光纤光栅光路图,芯层暴露在两束相互干涉的紫外光所产生的干涉条纹上,干涉条纹,布拉格波长,n(折射率改变量)F（紫外光能流密度）,(9.7.1),这里,是光诱导折射率变化的饱和值,L是光栅周期，M是调制度，干涉条纹的周期。,g(F)为芯层对紫外光能流密度响应g(0)=0 g

41、()=1,将上式的光诱导折射率变化写成傅立叶级数形式：,(9.7.2),其中,这里 是平均折射率变化，是折射率调制的第几次谐波的幅度，这两个参数都随z的变化而缓慢变化，一般，我们只取前两项,这时式(9.7.2)简化为；,(9.7.3),对均匀周期正弦型光纤光栅：,反射峰透射峰,(9.7.4),对非均匀周期光纤光栅,其带宽近似公式：,(9.7.5),为线性缓变函数,Chirp型光栅：,折射率分布：,(9.7.6),(9.7.7),9.7.3 光纤光栅在光通信系统中的应用,光纤光栅具有良好的选频反射特性、稳定的性能及丰富的功能，因而光纤光栅在通信系统中从光源、波分复用系统的光波分插复用、光纤的色散

42、补偿、光纤放大器到各种光纤滤波器都有广泛的应用。,1.固定或可调谐滤波器,光纤光栅具有良好的滤波特性，通过变化光栅区参数可以得到不同的反射率，不同带宽的滤波特性的光纤滤波器。另外，由于光纤的抗拉性，可以用机械或热效应对光纤的周期进行调制。可以实现几个纳米范围的调谐。,光纤光栅可以用作选频反射，将光纤光栅和光纤环行器结合可以得到传输型的带通光滤波器。,2.光纤光栅半导体外腔激光器(FBG-ECL),把光纤光栅作为外腔反射镜耦合到半导体激光器的一端，这样激光器的波长就由光纤光栅的特性决定。,光纤光栅半导体外腔激光器克服了DFB激光器的制作工艺复杂，成本较高，不利于高速码传输，波长输出不稳定等缺点，

43、它具有良好的动态的单模特性。,光纤光栅的布拉格波长的可控性和重复性远远比半导体芯片容易实现。而且光纤光栅半导体外腔激光器直接以光纤光栅的光纤与系统光纤相连作为输出方式，不同波长的FBGECL可通过合波器构成多信道WDM的发射光源。,采用啁啾的光纤光栅作为半导体激光器的外腔反馈就可以构成孤子源，可望在未来的光孤子通信中得到应用！,3.光纤激光器和放大器,由于光纤光栅与光纤的天然兼容性，因而光纤光栅在光纤激光器中得到很好的应用。,由光纤光栅构成的光纤激光器具有线宽窄、功率高、低噪声等优点，单模输出功率可达10mW以上，线宽可以小于2.5kHz.,在光纤放大器的增益区的两端还可接入与泵浦光波长一致的

44、光栅使光栅的反射的带宽覆盖整个系统的泵浦光带宽。由于光纤光栅对反射波段外的光的透射损失可以做得极小，可以使泵浦光反射回增益区，同时对放大的光毫无损失，从而提高了泵浦效率。,4.光纤色散补偿器件,光纤光栅的另一个应用是补偿光纤中的色散，光栅作为具有选择性的光学延时线，能调节同一脉冲中不同波长成分的渡越时间，使它们近乎相等。例如，假设脉冲中较长的波长率先到达，较短的波长后来到达，如图7所示，整个光栅由能反射不同波长的子光栅(光栅分段)构成，这些子光栅沿光栅长度方向分布在不同位置上。在这种情形中，最长的波长(图9.7.4中的4)首先到达并传输到光栅的最后一部分，光栅的第一部分反射最后到达的最短的波长

45、。较长的波长由于要传输更长的距离而被延迟，这使得较短的波长能赶上较长的波长。,图9.7.4光纤光栅作为延迟线,为了抵消100ps的色散，光栅分段之间的距离应相当于50ps的传输时间，中间的光栅能为其余波长提供大小居中的延迟。反射波长将在同一时间全部返回到光栅入口，同时利用此处的光环行器收集色散补偿后的信号。这一简单的补偿方案能校正单个光信道中的色散，用于WDM系统中其余光信道的色散补偿的光栅可沿光纤光栅堆积在不同位置，或将信号解复用，并把波长路由到各自的色散补偿器中。,5.掺铒光纤放大器的增益均衡,掺铒光纤放大器(EDFA)的增益在整个波段内是不均衡的。造成波分多路系统中各路的光信号强弱不一而

46、影响实际的传输效果。,我们可以利用光纤光栅来解决这一问题，利用光纤光栅的透射特性，通过一定的设计使光纤光栅具有与增益特性相对应的透射损耗特性，对信号过强的信道加上一定的反射使之成为EDFA的增益均衡器，使经过光纤光栅后的各信道的强度基本一样，从而达到增益均衡的功能。,6.光纤光栅全光分插复用器(OWADM),传统的光电转换电子分插电光转换的分插方式由于受到电子速率瓶颈限制，越来越不能满足高速通信的需要，光通信需要一种全新的分插方式，其只让在本节点上下的光波信号进行光电转换，而其他波长的信号穿过节点时不作任何处理。这就是全光波分多路分插复用器。,可以通过(1)耦合器型分插复用器；(2)光纤光栅与环行器结构(3)光纤光栅MZ结构来实现。,