直接調(diào)制DFB激光器誘導(dǎo)的啁啾特性研究

1、 / 13緒論在光纖通信的發(fā)展進(jìn)程中，激光器技術(shù)一直扮演著重要的作用， 自十九世紀(jì)六十年代世界上第一臺激光器研制成功以來， 激光器已經(jīng) 得到了長足的發(fā)展與進(jìn)步。 作為非常關(guān)鍵的技術(shù)， 激光器的研究得到 了廣大學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的重視， 它給整個光纖通信技術(shù)的發(fā)展帶來了 革命性的變革，另外，它保有著非常強(qiáng)大的生命力和發(fā)展勢頭，在科 技、軍事和醫(yī)學(xué)等方面得到廣泛的使用， 為推動社會進(jìn)步做出了巨大 的貢獻(xiàn)。激光器的發(fā)展十九世紀(jì)初，著名的物理學(xué)家普朗克提出了能量量子化的設(shè)論， 基于此假設(shè)又提出了黑體輻射公式， 在理論方面闡釋了黑體輻射分布 規(guī)律。十年后， 波爾對原子能量量子化提出了假設(shè)，提出了利用一系 列

2、不連續(xù)的能級表征原子內(nèi)部狀態(tài)的理論。 隨后，愛因斯坦博士在以 上理論基礎(chǔ)上， 又針對普朗克公式進(jìn)行了分析推導(dǎo)， 站在光子量子理論角度，定義了受激輻射理論，指出光子與原子相互作用時，原子可 以在光子的輻射場的作用下發(fā)生躍遷， 同時輻射出一個不同頻率的光 子。這一理論的提出奠定了激光技術(shù)的基礎(chǔ)。到五十年代，美國 Charles 博士和前蘇聯(lián)Nikolai 博士在愛因斯坦 受激輻射理論基礎(chǔ)上， 利用物質(zhì)原子的受激輻射來對電磁波進(jìn)行放大， 研制成功了世界上首臺微波量子振蕩器，微波量子振蕩器一經(jīng)問世， 就得到了全世界學(xué)者的廣泛關(guān)注， 并成功將其推行至光通信領(lǐng)域， 提 出了利用開放式光學(xué)諧振腔來試驗(yàn)激光器

3、，打造了激光器原型機(jī)。六十年代，美國學(xué)者Theodore H. Maiman 結(jié)合前人在激光技術(shù)方 面的成就和基礎(chǔ)上， 研制成功了世界上第一臺激光器紅寶石固體 激光器。其輸出功率達(dá)到幾瓦，且在單色性、方向性和相干性方面有非常優(yōu)良的性能，相對于普通光源來講，以上特性有著本質(zhì)的區(qū)別， 一經(jīng)演示便引起了科學(xué)界非常強(qiáng)烈的反響， 得到了全世界的廣泛關(guān)注。光纖激光器在 1961 年， Snitzer 博士利用特制的微量元素?fù)诫s光纖作為增益介質(zhì)，成功地研制出了世界上第一臺光纖激光器。 此激光器集成了光 纖的體積小、 結(jié)構(gòu)簡單、 具有很好的柔韌性和散射性以及無需冷卻系 統(tǒng)等特點(diǎn)帶來的強(qiáng)大優(yōu)勢， 在很多指標(biāo)上已

4、經(jīng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的固體激光器。但由于光纖技術(shù)的發(fā)展制約，其波導(dǎo)纖維傳輸損耗非常高， 達(dá)到一千多分貝每公里， 光信號的能量衰減極其嚴(yán)重， 這直接制約著 光纖激光器的發(fā)展與應(yīng)用。眾所周知，華裔科學(xué)家高坤博士在 1966 年發(fā)表了一篇關(guān)于光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)的論文， 文中提到光纖的介質(zhì)自身的損耗由瑞利 散射效應(yīng)決定，但從理論上來講該數(shù)值可以降到很低，由此，人們通過對光纖的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)最后制造出了損耗較低的光纖。此后不久， Stone 博士和 Burrus 博士在 1973年研制成功了一種 新型的光纖激光器， 其特點(diǎn)是采用斷面泵浦的摻釹光纖增益介質(zhì)， 對 比于其他的摻雜物，稀土元素釹的增益效果和

5、激光器性能最優(yōu)。到了十九世紀(jì)九十年代， 各個激光器研究機(jī)構(gòu)的研究焦點(diǎn)漸漸地集中到了摻餌光纖激光器，這種激光器在1550nm波長變化范圍內(nèi)產(chǎn)生超短脈 沖，由此，光纖激光器可以應(yīng)用在很多工程中，例如傳感器 和傳感器網(wǎng)絡(luò)、光纖通信系統(tǒng)和機(jī)械、醫(yī)療等。目前，光纖激光器的主要研究熱點(diǎn)集中在高功率、窄線寬、波長可調(diào)諧以及超短脈沖等方面， 它的主要應(yīng)用場景可為光信息存儲、 光 纖通信系統(tǒng)、醫(yī)療器械和光纖傳感等提供非常好的光源。DFB 激光器FBG是Fiber Bragg Grating 的縮寫，意為光纖布拉格光柵。簡而言之，光纖布拉格光柵是指纖芯折射率周期性變化的光纖， 在光纖的纖芯內(nèi)設(shè)計(jì)成空間上相位周期性

6、分布的光柵， 達(dá)到在纖芯內(nèi)形成一個窄 帶的能夠投射或者反射的濾波器和反光鏡。 利用這個特性制造出很多 性能獨(dú)特的光纖材料器件。 此類器件的突出特點(diǎn)是反射波段打、 額外 衰減小、體積較、耦合性能優(yōu)、兼容性非常強(qiáng)，且不會受到復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾， 這一系列優(yōu)異性能， 使得光纖布拉格光柵在光纖通信系 統(tǒng)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。論文的主要工作就目前而言，分布反饋式（DF畔導(dǎo)體激光器的理論基礎(chǔ)基本已經(jīng)完善， 其主要的運(yùn)行原理和特性分析都已經(jīng)分析清楚， 但基于外 差的半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的理論研究也不是非常全面， 理論基礎(chǔ)和工作 特性都有待深入研究， 同時，鑒于外差分布反饋半導(dǎo)體激光器的反饋 原理，且僅由瑞

7、利散射效應(yīng)控制，后向的散射系數(shù)較小，因此外差式 分布反饋半導(dǎo)體激光器的閾值泵浦功率要求較高，受上述因素影響， 激光器的進(jìn)一步發(fā)展受到限制。本論文在導(dǎo)師前期工作的基礎(chǔ)上， 針對于外差式分布反饋半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了理論分析和仿真分析。 文中研究了兩種基于外差結(jié)構(gòu)的 半導(dǎo)體激光器， 并且通過改變調(diào)制信號的幅度和頻率， 通過測量系統(tǒng) 的拍品輸出激光信號， 探究直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器的啁啾特性與調(diào)制 電流的幅度和頻率之間的變化關(guān)系。論文結(jié)構(gòu)安排本論文主要研究分布反饋式半導(dǎo)體激光器的啁啾特性以及調(diào)制 電流的幅度和頻率之間的作用規(guī)律，論文的主要結(jié)構(gòu)安排如下：第一章，緒論部分。介紹激光技術(shù)的研究進(jìn)展、DFB敷光器

8、的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，闡明了論文的研究意義與實(shí)際價值。第二章，是FDB敷光器的基本理論分析。主要對FDB敷光器的基本工作原理和系統(tǒng)性能進(jìn)行了理論分析，并構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。第三章，利用optisystem軟件對FDB敷光器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，并通過初步的仿真確立了影響FDB敷光器性能的主要因素，以及對應(yīng)的作用規(guī)律，并結(jié)合數(shù)學(xué)模型對不同泵浦功率下的輸出光譜進(jìn)行了仿真。第四章，主要提出了兩種外差型 FDB敷光器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。對 于不同 的蜩啾特性對FDB激光器的輸出功率和光譜特性進(jìn)行了詳盡的研究分析，總結(jié)出兩種結(jié)構(gòu)對于激光器整體性能的影響， 為進(jìn)一步 提高其性能提供理論 和仿真依據(jù)。第五章，全文總結(jié)。對本論

9、文的研究工作進(jìn)行整合與總結(jié)，并分析目前工作中存在的問題，并對今后的工作作出展望。反饋光纖布拉格光柵激光器的基本原理激光的產(chǎn)生眾所周知，激光具有傳輸性能好、功率高、單色性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤 其是在光纖介質(zhì)中的傳輸特性，激光在光纖通信技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、醫(yī)學(xué)和 軍事等領(lǐng)域起著尤為關(guān)鍵的作用。原子能級理論物質(zhì)都是由原子、 分子和離子構(gòu)成的。 原子是由原子核以及圍繞其做高速運(yùn)動的若干電子組成， 原子核所帶電荷呈正電， 電子則帶有 負(fù)電荷，表現(xiàn)出來的總電荷量為零，因此原子為電中性粒子。當(dāng)原子 內(nèi)部釋放出電子后，則原子表現(xiàn)出正電性，形成正離子；反之，形成 的是負(fù)離子。 而分子是若干原子的組成結(jié)構(gòu)。 本論文中只以原子為主

10、要研究對象， 離子與分子的情況不再做詳盡的分析與討論， 但作用機(jī) 理大致相同。在原子中， 原子核和電子分別帶有不同屬性的電荷， 因此二者相 互吸引，具有電勢能。 電子圍繞著原子核的高速運(yùn)動所具有的動能和 自身勢能統(tǒng)稱為原子的內(nèi)能。電子的運(yùn)動狀態(tài)有許多種， 其每一種狀態(tài)對應(yīng)于一個確定的原子為一系列不連續(xù)的能量值，而且對于同種元素的原子，其能級分布一致。堆態(tài)漳丸態(tài)E, L2-1 原子的能級結(jié)構(gòu)化可以分為高能級和低能級。途中的上圖為原子的能級結(jié)構(gòu)示意圖，其中縱坐標(biāo)為原子內(nèi)部能量，由能量變Ei 能量為最小，我們稱我們稱之為基態(tài)，Ez 表示能量高于基態(tài)的能級的統(tǒng)稱，我們稱之為激發(fā)態(tài)。而通常情況下，絕大多

11、數(shù)的原子都是出于基態(tài)。2.1.2 光子與物質(zhì)之間的相互作用愛因斯坦博士在光量子理論的基礎(chǔ)上，重新定義推導(dǎo)了普朗克公式，并第一次提出了自發(fā)輻射躍遷理論、受激吸收躍遷理論和受激輻射躍遷理論，建立了光子與物質(zhì)之間相互作用的理論模型。如圖2-2所示。其中日為低能級，而 E2 為高能級。21自黃輻射尤/jr= E, -ElM Ei 人射迷F,二JSL-fUft收人射光子Ei ?人射尤和二巴一耳=jr*&i 圖2-2光子與原子相互作用的示意圖(a)自發(fā)輻射(b)受激吸收(c)受激輻射自發(fā)輻射原理：當(dāng)沒有外界輻射場作用時， E2能級的原子自 發(fā)躍 遷至日，同時釋放出一個能量為 hv的光子，這個過程我們稱之

12、為自發(fā)輻射躍 遷，其釋放出的光子就是自發(fā)輻射。受激吸收原理：當(dāng)物質(zhì)收到能量為hv的輻射場激勵時，Ei能級的原子吸收光子能量并向 Ez躍遷，此過程即為受激吸收。受激輻射原理：原子收到能量為 hv的輻射場激勵時，處于E2能級的原子躍遷至E1能級并輻射出一個能量為hv的光子，此過程為受激輻射。 在一般的情況下，作用介質(zhì)中幾乎同時存在受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射三種效應(yīng)，只是不同情形下的強(qiáng)弱不同。自發(fā)輻射躍遷過程不受外界輻射場的干擾，其傳播方向、偏振態(tài)和相位都沒有規(guī)律， 并無相干性。受激輻射在輻射場的作用下發(fā)生躍遷， 根據(jù)量子理論分析如下：受激輻射出的光子與激勵光子的波長、相位、波矢和偏振方 向均保持

13、一致，因此，受激輻射和激勵源保持相同光子態(tài)，在同一激 勵作用下的受激輻射是相干光。在入射輻射場的作用下，受激輻射光 波可以對光波進(jìn)行放大，這個原理構(gòu)成了激光器的理論基礎(chǔ)。2.1.3 粒子束的反轉(zhuǎn)設(shè)E1和E2表示原子的兩個能級，前者為低能級，后者代表昌能級。E1和E2分別包含g1和g2兩個不同的運(yùn)動狀態(tài)，我們稱之為相應(yīng)能級的簡并度。假設(shè)單位體積內(nèi)處于 E1和E2的離子數(shù)分別為n1和n2, n1和n2則成為其對應(yīng)能級的離子數(shù)密度。在熱平衡狀態(tài)下，物質(zhì)各能級 上的粒子數(shù)是遵循玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律：= ?2 ?(?2-E1 )/KT = 21 ?-hv/KT?(2-1 )上式中，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱平

14、衡中的絕對溫度 上式可以改寫為:絲?2 = ? (?2-E1 )/KT ? ? = 式中，怨和？1分別是E2和E1對應(yīng)的單位能態(tài)上的粒子數(shù)的密度，處?(2-?2?)于相同能級上的例子雖然具有相同的能量，但運(yùn)動狀態(tài)并不相同，因而能態(tài)不同。物理學(xué)家認(rèn)定通常實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)要依靠兩個以上的能級，有注入高功率的泵浦光才能將處于低能級的粒子抽運(yùn)到高能級態(tài)。般情況下，通常使用氣體放電的辦法來實(shí)現(xiàn)，將具有動能的點(diǎn)子去激發(fā)激光材料；另外，也可以采用光激勵的方法，即用脈沖光源來照射光學(xué)諧振腔內(nèi)的介質(zhì)原子。除此之外，還有熱激勵和化學(xué)激勵等方法都可用于激光的產(chǎn)生。尤為重要的是，為將激光持續(xù)不斷的輸出，必 須不斷地泵

15、浦以不斷補(bǔ)充高能級的粒 子向低能級躍遷的消耗量。激光器的基本結(jié)構(gòu)人般激光器是由泵浦光源、增益介質(zhì)和光學(xué)諧振腔三部分組成如下圖所示:但反射鏡圖2-3激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖1）泵浦光源需要外界源源不斷的為激光器提供能量，維持增益介質(zhì)處于反轉(zhuǎn) 狀態(tài)，根 據(jù)增益介質(zhì)及其工作原理的差異，可將泵浦光源劃分為光能、電能及其化學(xué)能等。2）增益介質(zhì)激光器的核心組成部分就是激光增益介質(zhì)，它是用于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和受激輻射。只有在泵浦光源源源不斷提供了能量之后，增益介質(zhì)的 粒子處于非熱 /13平衡狀態(tài)， 才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)， 進(jìn)而粒子由高能級 向低能級躍遷，形成激光。3）光學(xué)諧振腔通常光學(xué)諧振腔是由兩個反光鏡構(gòu)成， 一

16、個是全反射鏡， 一個是 半透半反型透鏡。諧振腔中，增益介質(zhì)在泵浦源的作用下，電子發(fā)生 自發(fā)輻射，其中沿著諧振腔軸方向的輻射光子由于腔鏡的反射作用而 形成來回的往復(fù)震動。此時，處于激發(fā)狀態(tài)的增益介質(zhì)不斷地激發(fā)出 更多的光波， 從而實(shí)現(xiàn)了激光的受激輻射放大， 當(dāng)激光的強(qiáng)度達(dá)到了 一定的閾值，則可以通過控制另一個半透半反的透鏡將激光輸出。激光的種類可以根據(jù)激光器的增益介質(zhì)的差異來對激光器來進(jìn)行分類： 氣體、 液體、固體和半導(dǎo)體。他們各自有各自的特點(diǎn)與優(yōu)勢：1）氣體激光器 顧名思義，以氣體作為增益介質(zhì)，通常有氦氖激光器、氬離子激 光器、二氧化碳激光器、氮?dú)饧す馄骱蜏?zhǔn)分子激光器。由于氣體的密度小分布均勻

17、，氣體激光器通常譜線寬小，輸出光束的質(zhì)量高，具有 很好的方向性和單色性，此外，還有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢。 主要用于準(zhǔn)直、計(jì)量和材料加工等領(lǐng)域。2）液體激光器通常含有有機(jī)化合物液體激光器和無機(jī)化合物激光器兩種。 具有 激光寬波長可調(diào)諧、 線寬小和可產(chǎn)生超短脈沖等特點(diǎn)， 在激光光譜技 術(shù)、同位素分離技術(shù)以及其他學(xué)科領(lǐng)域得到極其廣泛的應(yīng)用。3）固體激光器激光高能級的壽命長， 得到的激光能量較大，通過技術(shù)手段可以得到大功率脈沖。此外，固體激光器峰值功率 高、集成度好、使用壽命長等特點(diǎn)，多用于國防、工業(yè)等領(lǐng)域。4）半導(dǎo)體激光器采用半導(dǎo)體作為增益介質(zhì)，常用材料有GaAs （碑化錢）、CdS （硫 化鎘）、PbSnTe （硫錫鉛）等。其體積小、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、輸出波長范圍廣，因而在激光通信、激光制導(dǎo)、光存儲及激光測距等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其中，通過采用半導(dǎo)體隨機(jī)介質(zhì)可制成隨機(jī)激光 器。不同于傳統(tǒng)激光器的光學(xué)諧振腔， 隨機(jī)激光器