第4章-光發(fā)送機2

光纖通信技術南昌航空大學萬生鵬第4章光發(fā)送機通信用光器件可以分為有源器件和無源器件兩種類型。

有源器件包括光源、光檢測器和光放大器。

光無源器件主要有連接器、耦合器、波分復用器、調(diào)制器、光開關和隔離器等。4.1光源

光源是光發(fā)射機的關鍵器件，其功能是把電信號轉(zhuǎn)換為光信號。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導體激光二極管或稱激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED)，有些場合也使用固體激光器。

光纖通信系統(tǒng)對光源的要求1、合適的發(fā)光波長2、足夠的輸出功率3、可靠性高，壽命長4、輸出效率高5、光譜寬度窄6、聚光性好7、調(diào)制方便8、價格低廉

4.1.1半導體激光器工作原理和基本結構

半導體激光器是向半導體PN結注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

有源器件的物理基礎是光和物質(zhì)相互作用的效應。在物質(zhì)的原子中，存在許多能級，最低能級E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級Ei(i=2,3,4…)稱為激發(fā)態(tài)。電子在低能級E1的基態(tài)和高能級E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式：受激吸收自發(fā)輻射受激輻射hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1

(a)受激吸收；能級和電子躍遷(b)自發(fā)輻射；hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(c)受激輻射

(1)受激吸收在正常狀態(tài)下，電子處于低能級E1，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級留下相同數(shù)目的空穴。(2)自發(fā)輻射在高能級E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會自動地躍遷到低能級E1上與空穴復合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射。

(3)受激輻射在高能級E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級E1上與空穴復合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射。

受激輻射和受激吸收的區(qū)別與聯(lián)系

受激輻射是受激吸收的逆過程。電子在E1和E2兩個能級之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即

E2-E1=hf12式中，h=6.628×10-34J·s，為普朗克常數(shù)，f12為吸收或輻射的光子頻率。

受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點很不相同。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。

自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設在單位物質(zhì)中，處于低能級E1和處于高能級E2(E2>E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，存在下面的分布式中，k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。這是因為電子總是首先占據(jù)低能量的軌道。受激吸收和受激輻射的速率分別與N1和N2成正比，且比例系數(shù)(吸收和輻射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激輻射。當光通過這種物質(zhì)時，光強按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。如果N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質(zhì)時，會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。

N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。問題：如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢?這個問題將在下面加以敘述。

圖

半導體的能帶和電子分布(a)本征半導體；(b)N型半導體；(c)P型半導體2.PN結的能帶和電子分布在半導體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴展成能級連續(xù)分布的能帶。能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導帶，導帶底的能量Ec和價帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。根據(jù)量子統(tǒng)計理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為費米分布式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。Ef

稱為費米能級，用來描述半導體中各能級被電子占據(jù)的狀態(tài)。在費米能級，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。一般狀態(tài)下，本征半導體的電子和空穴是成對出現(xiàn)的，用Ef位于禁帶中央來表示，見上圖。在本征半導體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型半導體。在本征半導體中，摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導體。

在P型和N型半導體組成的PN結界面上，由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴散運動，形成內(nèi)部電場，見上圖。內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴散相反方向的漂移運動，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運動處于平衡狀態(tài)為止，結果能帶發(fā)生傾斜，見上圖。P區(qū)PN結空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場擴散漂移勢壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env零偏壓時P-N結的能帶傾斜圖hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場外加電場正向偏壓下P-N結能帶圖獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

增益區(qū)的產(chǎn)生：在PN結上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結果能帶傾斜減小，擴散增強。電子運動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運動，最后在PN結形成一個特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，見上圖。在電子和空穴擴散過程中，導帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。

3.激光振蕩和光學諧振腔激光振蕩的產(chǎn)生：

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（必要條件)+激活物質(zhì)置于光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇=連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出?；镜墓鈱W諧振腔由兩個反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構成(如圖3.4所示)，并被稱為法布里-珀羅(Fabry-Perot,FP)諧振腔。由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。

圖激光器的構成和工作原理

(a)激光振蕩；(b)光反饋l2n反射鏡光的振幅反射鏡L(a)初始位置光光強輸出OXL(b)式中，γth為閾值增益系數(shù)，α為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長度，R1，R2<1為兩個反射鏡的反射率激光振蕩的相位條件為式中，λ為激光波長，n為激活物質(zhì)的折射率，q=1,2,3…稱為縱模模數(shù)。在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩的閾值條件為

γth=α+L=q

4.半導體激光器基本結構驅(qū)動電源工作物質(zhì)諧振腔注入式光子激勵電子束激勵PN結（同質(zhì)結）異質(zhì)結單異質(zhì)結雙異質(zhì)結（DH）解理面布拉格反饋分布反饋式DFB分布布拉格反射式DBR最簡單的半導體激光器由一個薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構成，如下圖所示。解理面金屬接觸電流有源層P型N型300μm100μm200μm大面積半導體激光器1）、同質(zhì)結（PN結）半導體激光器同質(zhì)結就是同一種半導體形成的結PN能帶正向電壓V時形成的雙簡并能帶結構PN結LD的特點：閾值電流高，常溫下不能連續(xù)工作所加的正向偏壓必須滿足1）、同質(zhì)結半導體激光器2）、異質(zhì)結半導體激光器

同質(zhì)結、異質(zhì)結結構示意圖為了獲得高勢壘,要求兩種材料的禁帶寬度有較大的差值。半導體激光器的結構多種多樣，基本結構是雙異質(zhì)結(DH)平面條形結構。這種結構由三層不同類型半導體材料構成，不同材料發(fā)射不同的光波長。圖中標出所用材料和近似尺寸。結構中間有一層厚0.1~0.3μm的窄帶隙P型半導體，稱為有源層；兩側分別為寬帶隙的P型和N型半導體，稱為限制層。三層半導體置于基片(襯底)上，前后兩個晶體解理面作為反射鏡構成法布里-珀羅(FP)諧振腔。3）、雙異質(zhì)結（DH）半導體激光器

DH激光器工作原理由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后，P層的空穴和N層的電子注入有源層。

P層帶隙寬，導帶的能態(tài)比有源層高，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不可能擴散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴散到N層。這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1-0.3μm的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這時只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)，因而電/光轉(zhuǎn)換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續(xù)工作。圖DH激光器工作原理(a)雙異質(zhì)結構；(b)能帶；(c)折射率分布；(d)光功率分布

4.1.2半導體激光器的主要特性

1.發(fā)射波長和光譜特性半導體激光器的發(fā)射波長等于禁帶寬度Eg(eV)hf=Eg不同半導體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長λ。鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85μm波段銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于1.3-1.55μm波段式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長，c=3×108m/s為光速，h=6.628×10-34J·S為普朗克常數(shù)，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到峰值波長：在規(guī)定輸出光功率時，激光器受激輻射發(fā)出的若干發(fā)射模式中最大強度的光譜波長。中心波長：在激光器發(fā)出的光譜中，連接50％最大幅度值線段的中點所對應的波長。1.發(fā)射波長和光譜特性

圖GaAlAs-DH激光器的光譜特性

(a)直流驅(qū)動;(b)300Mb/s數(shù)字調(diào)制0799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250μmW=12μmT=300K830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)在直流驅(qū)動下，發(fā)射光波長只有符合激光振蕩的相位條件的波長存在。這些波長取決于激光器縱向長度L，并稱為激光器的縱模。

驅(qū)動電流變大，縱模模數(shù)變小，譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。當驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。上圖右圖是300Mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性，由圖可見，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。

2.激光束的空間分布激光束的空間分布用近場和遠場來描述。

近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強分布；

遠場是指離反射鏡面一定距離處的光強分布。下圖是GaAlAs-DH激光器的近場圖和遠場圖，近場和遠場是由諧振腔(有源區(qū))的橫向尺寸，即平行于PN結平面的寬度w和垂直于結平面的厚度t所決定，并稱為激光器的橫模。由圖可以看出，平行于結平面的諧振腔寬度w由寬變窄，場圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結平面的諧振腔厚度t很薄，這個方向的場圖總是單橫模。圖GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠場圖樣

左圖為典型半導體激光器的遠場輻射特性，圖中θ‖和θ⊥分別為平行于結平面和垂直于結平面的輻射角，整個光束的橫截面呈橢圓形。(a)光強的角分布；(b)輻射光束3.轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率可用功率效率和量子效率表示。量子效率又分為內(nèi)量子效率、外量子效率以及外微分量子效率。由此得到式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動電流，Pth和Ith分別為相應的閾值，hf和e分別為光子能量和電子電荷。外微分量子效率ηd其定義是在閾值電流以上，每對復合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)圖

典型半導體激光器的光功率特性

(a)短波長AlGaAs/GaAs(b)長波長InGaAsP/InP43210501001500℃25℃70℃電流/mA輸出功率/mWLED的P-I特性543210

050100I/mA發(fā)射光功率P/mW

22℃

50℃

70℃LD的P-I特性

4.溫度特性半導體激光器對溫度十分敏感，其輸出功率隨溫度會發(fā)生很大變化，其主要原因為：（1）激光器的閾值電流Ith

隨溫度升高而增大；（2）外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小;（3）溫度對輸出光脈沖會產(chǎn)生“結發(fā)熱效應”----激光器結區(qū)溫度的變化導致的輸出光脈沖變化。溫度升高時，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，達到一定溫度時，激光器就不再受激輻射了。當以直流電流驅(qū)動激光器時，閾值電流隨溫度的變化更加嚴重。當對激光器進行脈沖調(diào)制時，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為

Ith=I0expPPII20。C25。C20。C70。C閾值電流引起的光輸出的變化；外微分量子效率引起的光輸出的變化I1I0t=0t=T圖

結發(fā)熱效應電流脈沖光脈沖

4.1.3分布反饋半導體激光器

分布反饋(DFB)激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結構(波紋狀)衍射光柵實現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋。

分布反饋激光器的要求：（1）譜線寬度更窄（2）高速率脈沖調(diào)制下保持動態(tài)單縱模特性（3）發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實現(xiàn)調(diào)諧（4）閾值電流更低（5）輸出光功率更大圖

分布反饋(DFB)激光器

(a)結構；(b)光反饋如圖所示，由有源層發(fā)射的光，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。光柵周期Λ=m

ne為材料有效折射率，λB為布喇格波長，m為衍射級數(shù)。在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為

DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點：

①易形成單縱模振蕩；②譜線窄，方向行性好；③高速調(diào)制時動態(tài)譜線展寬很小，單模穩(wěn)定性好；④輸出線性度好。

LD的特點及應用

特點：效率高、體積小、重量輕、結構簡單，適宜在飛機、軍艦、坦克上應用以及步兵隨身攜帶，如在飛機上作測距儀來瞄準敵機。其缺點是輸出功率較小。目前半導體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。LD和LED的主要區(qū)別

LD發(fā)射的是受激輻射光

LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光

LED的結構和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學諧振腔，沒有閾值。半導體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能-20－50-20－50-20－50-20－50工作溫度/°C壽命t/h30×12030×120

20×5020×50輻射角50~15030~100500~2000500~1000調(diào)制帶寬B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纖功率P/mW1~51~35~105~10輸出功率P/mW100~150100~150工作電流I/mA20~3030~60閥值電流Ith/mA50~10060~1201~21~3譜線寬度1.31.551.31.55工作波長LEDLD分布反饋激光器(DFB-LD)一般性能

20~4015~30輸出功率P/mW(連續(xù)單縱模,25oC)

2015外量子效率/%

15~2020~30閥值電流Ith/mA<0.08頻譜漂移/(nm/oC)30~35邊模抑制比/dB0.04~0.5(Gb/s,RZ)直接調(diào)制單縱模連續(xù)波單縱模譜線寬度

1.31.55工作波長1.20世紀60年代初，美國光學公司的（斯尼澤）Snitzer首次提出光纖激光器的概念。2.70年代初美國、蘇聯(lián)等國的研究機關開展了一般性研究工作。3.1975年至1985年，由于半導體激光器工藝和光纖制造工藝的成熟和發(fā)展，光纖激光器開始騰飛。英國的南安普敦大學和通信研究實驗室、西德的漢堡大學、日本的NTT、美國的斯坦福大學和Bell實驗室，相繼開展了光纖激光器的研究工作，成果累累。4.2光纖激光器

4.2.1光纖激光器的發(fā)展

1985年英國南安普敦大學的研究組取得突出成績。他們用MCVD方法制作成功單模光纖激光器,此后他們先后報道了光纖激光器的調(diào)Q、鎖模、單縱模輸出以及光纖放大方面的研究工作。英國通信研究實驗室(BTRL)于1987年展示了用各種定向耦合器制作的精巧的光纖激光器裝置,同時在增益和激發(fā)態(tài)吸收等研究領域中也做了大量的基礎工作,在用氟化鋯光纖激光器獲得各種波長的激光輸出譜線方面做了開拓性的工作。世界上還有很多研究機構活躍在這個研究領域,如德國漢堡技術大學,日本的NTT、三菱,美國的貝爾實驗室,斯坦福大學等。

20世紀80年代后期，光纖光柵的問世和工藝的成熟，為光纖激光器注入了新的生命力，實現(xiàn)了光纖激光器的全光纖化。光纖激光器的發(fā)展1988年,E.Snitzer等提出了雙包層光纖

,從而使一直被認為只能是小功率器件的光纖激光器可以向高功率方向突破。90年代初，包層泵浦技術的發(fā)展，使傳統(tǒng)的光纖激光器的功率水平提高了4－5個數(shù)量級，可謂光纖激光器發(fā)展史上的又一個里程碑。

進入21世紀后,高功率雙包層光纖激光器的發(fā)展突飛猛進,最高輸出功率記錄在短時間內(nèi)接連被打破,目前單纖輸出功率(連續(xù))已達到2000W以上。光纖激光器的分類按諧振腔結構分類：F-P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及“8”字形腔DBR光纖激光器、DFB光纖激光器按光纖結構分類：單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器按增益介質(zhì)分類：稀土類摻雜光纖激光器、非線性效應光纖激光器、單晶光纖激光器按摻雜元素分類：摻鉺（Er3+）、釹（Nd3+）、鐠（Pr3+）、銩（Tm3+）鐿（Yb3+）、鈥（Ho3+）按輸出波長分類：S-波段（1280~1350nm）、C-波段（1528~1565nm）L-波段（1561~1620nm）按輸出激光分類：脈沖激光器、連續(xù)激光器4.2光纖激光器的優(yōu)點光纖激光器近幾年受到廣泛關注，這是因為它具有其它激光器所無法比擬的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在:(1)光纖激光器中，光纖既是激光介質(zhì)又是光的導波介質(zhì)，因此泵浦光的耦合效率相當?shù)母撸又饫w激光器能方便地延長增益長度，以便使泵浦光充分吸收，而使總的光-光轉(zhuǎn)換效率超過60%；(2)光纖的幾何形狀具有很大的表面積/體積比，散熱快，它的工作物質(zhì)的熱負荷相當小，能產(chǎn)生高亮度和高峰值功率，己達140mW/cm；(3)光纖激光器的體積小，結構簡單，工作物質(zhì)為柔性介質(zhì)，可設計得相當小巧靈活，使用方便；(4)作為激光介質(zhì)的摻雜光纖，摻雜稀土離子和承受摻雜的基質(zhì)具有相當多的可調(diào)參數(shù)和選擇性，光纖激光器可在很寬光譜范圍內(nèi)(455-3500nm)設計運行，加之玻璃光纖的熒光譜相當寬，插入適當?shù)牟ㄩL選擇器即可得到可調(diào)諧光纖激光器，調(diào)諧范圍己達80nm；(5)光纖激光器還容易實現(xiàn)單模,單頻運轉(zhuǎn)和超短脈沖；(6)光纖激光器增益高，噪聲小，光纖到光纖的耦合技術非常成熟，連接損耗小且增益與偏振無關；(7)光纖激光器的光束質(zhì)量好，具有較好的單色性、方向性和溫度穩(wěn)定性；(8)光纖激光器所基于的硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，因此，可以制作出高精度，低損耗的光纖，大大降低激光器的成本。由于光纖激光器具有上述優(yōu)點，它在通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、全色顯示、激光印刷等領域具有廣闊的應用前景。4.3光纖激光器的應用領域通信:在光通信領域，采用布喇格光柵作為腔反饋和模式選擇的摻鉺光纖激光器比較容易實現(xiàn)單模、單頻和低噪聲，并被應用于光通信和光傳感系統(tǒng)中，特別是可應用于密集波分復用(DWDM)通信和光孤子通信中。如外調(diào)制的摻鉺光纖激光器在1996年就能提供傳輸距離654km，速率為2.5Gb/s的信號，與DBF半導體激光器性能類同，但后者難以實現(xiàn)波長特定。劉頌豪院士認為，光纖光孤子激光器、光纖放大器和光孤子開關是三項使孤子通信走向?qū)嵱没闹饕夹g。光孤子通信傳輸距離可達百萬公里，傳輸速率高達20Gb/s，誤碼率低于10-13，實現(xiàn)了無差錯通信。醫(yī)療:功率超過幾瓦的光纖激光器在顯微外科手術中扮演了十分重要的角色，它能為外科手術提供較大的高能輻射源。精密測試?？茖W研究，基礎研究等。軍事:美國空軍實驗室的科學家們正在努力將光纖激光器的輸出功率提高到千瓦數(shù)量級。定向能量瞄準項目中的激光集成技術分項目的研究人員正與加州SanJose市的SDL公司合作，開發(fā)高亮度、光照面積小的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能作為激光防御武器替代目前看好的化學激光器。工業(yè)加工:激光波長在1080nm附近的摻鐿光纖激光器，其極高的效率和功率密度在材料加工方面可與傳統(tǒng)的YAG激光器相媲美。在打標領域，由于光纖激光器具有高的光束質(zhì)量和定位精度，使其不僅在微米量級對半導體及包裝打標效率極高，而且也常被用于塑料和金屬打標中。激光印刷:雙包層光纖激光器，因其擁有極高的熱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率而大量進入印刷市場，印刷廠利用它可進行校樣的制模。4.4光纖激光器原理激光器必須具備可以產(chǎn)生受激光發(fā)射的物理條件，在一般的激光器中，這些條件是通過下面三部分來實現(xiàn)的，也可以叫作構成激光器的三要素。

1.產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在通常的情況下，任何材料處于平衡態(tài)時部是低能態(tài)電子數(shù)遠大于高能態(tài)電子數(shù)，當外來光子將低能態(tài)電子激發(fā)到高能態(tài)后，由于高能態(tài)的電子壽命很短，處于高能態(tài)電了又很快回到低能態(tài)，這種向上和向下的躍遷幾乎是同時進行的。所以，為了獲得粒子反轉(zhuǎn)，就需要極大的激發(fā)強度，能夠一下子把低能態(tài)電子大部分激發(fā)到高能態(tài)上去。具有這樣大激發(fā)強度的光源是很難得到的，因而也限制了激光器的使用；同時，很大的激發(fā)功率也可能損壞材料。2．諧振腔激光器共振腔一般為F-P干涉共振腔結構，它是由兩個反射率很高的相互個行的端面組成的腔體，激光材料產(chǎn)半的受激光發(fā)射就是在共振腔個形成的。如果共振腔內(nèi)的激光材料已達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，那么共振腔兩端面之間來回反射的光在傳播過程中不斷激發(fā)出凈受激輻射，由凈受激輻射產(chǎn)生的光子加入到傳播方向平行于共振腔的激發(fā)光行列中，這一過程使產(chǎn)生凈受激躍遷的光場越來越強。

LPiPfR1R2反射面反射面腔體軸線12EfEi激光輸出激光輸出雖然在光傳播的過程中也有自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子加入，但自發(fā)輻射的光有各種傳播方向，只有那些傳播方向平行于共振腔的光子才能在共振腔中保留下來，其余的自發(fā)躍遷受到抑制；另外在共振腔中傳播的光的頻率受到共振腔共振頻率的限制，只有滿足共振條件的那些光被加強、其余的光被抑制。所以共振腔的主要作用是在共振腔內(nèi)形成一個具有特定頻率的足夠強的激發(fā)光場。共振腔還有另一個作用：在共振腔內(nèi)形成的受激光一部分通過共振腔端面發(fā)射出去成為受激光發(fā)射，另外一部分被端面反射回來，在共振腔內(nèi)繼續(xù)激發(fā)出受激輻射。所以，只要在共振腔內(nèi)的激光材料始終保持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，就可以獲得連續(xù)的受激光發(fā)射。2．諧振腔3．泵浦源為了使激光器產(chǎn)生激光輸出，必須使共振腔中激光材料的增益達到閾值增益，也就是說要使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到一·定的程度，稱為閾值反轉(zhuǎn)密度。因此激光器的第三個要素就是要有一個泵浦源，它所提供的能量至少要能夠產(chǎn)生閾值反轉(zhuǎn)密度。在半導體激光器中這一泵浦源是以電能形式提供激發(fā)功率的。光纖激光器基本原理光纖激光器和其他激光器一樣，由能產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)，使光子得到反饋并在增益介質(zhì)中進行諧振放大的光學諧振腔和激勵光躍遷的泵浦源三部分組成。激光輸出未轉(zhuǎn)換的泵浦光線稀土摻雜光纖泵浦光稀土類摻雜光纖激光器稀土元素包括15種元素，在元素周期表中位于第五行。目前比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有Er3+（鉺）、Nd3+（釹）、Pr3+（鐠）、Tm3+（銩）、Yb3+（鐿）。摻鉺(Er3+)光纖在1.55m波長具有很高的增益，正對應低損耗第三通信窗口，由于其潛在的應用價值，摻鉺(Er3+)光纖激光器發(fā)展十分迅速。摻鐿(Yb3+)光纖激光器是波長1.0-1.2m的通用源，Yb3+具有相當寬的吸收帶(800—1064nm)以及相當寬的激發(fā)帶(970—1200nm)，故泵浦源選擇非常廣泛且泵浦源和激光都沒有受激態(tài)吸收。摻銩(Tm3+)光纖激光器的激射波長為1.4m波段，也是重要的光纖通信光源。T．Komukai等人獲得了輸出功率100mw、斜率效率59％的1.47m摻Tm3+光纖激光器。對于通訊應用，目前認為摻Er光纖激光器最適宜，因為它能工作在石英光纖最低損耗波長1.51m處，調(diào)諧范圍50nm，可供多路光頻復用。它的泵浦波長可在0.807m、0.98m和1.49m，但目前最易得到的是0.98m的激光二極管，它能提供連續(xù)輸出幾百mw，Q開關的15ns脈沖功率100w。理論上有可能獲得1kw。Er3+(4F13/2—4I15/2)有1.54m發(fā)射譜線，與Nd激光器一樣，其熒光光譜有1.534和1.549m峰，壽命8—12ms。Er激光為三能級激光，因此用塊狀材料實現(xiàn)連續(xù)振蕩比較困難，但用纖維激光器，可實現(xiàn)空運連續(xù)振蕩，閾值30mw左右。插入衍射光柵，也可在1.53—1.55m范圍內(nèi)實現(xiàn)波長可調(diào)性。稀土類摻雜光纖激光器其他的摻雜光纖激光器，如2.1m工作的摻鈥(Ho3+)光纖激光器，由于水分子在2.0m附近有很強的中紅外吸收峰，對鄰近組織的熱損傷小、止血性好，且該波段對人眼是安全的，故在醫(yī)療和生物學研究上有廣闊的應用前景。稀土類摻雜光纖激光器激光是由Er3＋能級的4I13/2至4I15/2的躍遷產(chǎn)生，屬三能級系統(tǒng)。器件效率較低，同時存在激光態(tài)吸收的問題，研究工作圍繞如何提高器件的效率展開。

光纖激光器的結構

——摻Er光纖激光器鉺離子（Er3+）能級結構4I11/24I13/24I15/2980nm泵浦1480nm泵浦無輻射躍遷1550nm基態(tài)高能態(tài)亞穩(wěn)態(tài)鉺鐿共摻技術：

Er3＋光纖光柵激光器的缺點是對泵浦光的吸收效率和斜率效率低、頻率不太穩(wěn)定（跳?，F(xiàn)象）。為解決這些問題，采用Er3＋－Yb3＋共摻的光纖作為增益介質(zhì)。Yb3＋離子起著吸收泵光（980nm），然后迅速轉(zhuǎn)移給Er3＋離子，以實現(xiàn)1.5m區(qū)的放大器，對泵光的吸收能力可提高2個數(shù)量級。2F5/22F7/24I11/24I13/24I15/2Yb3＋Er3＋其原理如圖所示：

光纖激光器的結構

——摻Er光纖激光器摻Yb3+光纖有很寬的吸收譜和發(fā)射譜，可以采用不同波長的抽運源，在970～1200nm波段獲得激光，并可進行寬帶調(diào)諧；同時，這種光纖激光器不存在激發(fā)態(tài)吸收、濃度淬滅、多聲子躍遷等消激發(fā)過程，能夠獲得很高的能量轉(zhuǎn)化效率。由于以上優(yōu)點及其廣闊的應用前景，摻Yb3+光纖激光器受到越來越多研究者的關注。光纖激光器的結構

——摻Yb3＋光纖激光器光纖激光器的結構泵光摻Er3＋石英光纖激光輸出剩余泵光

F-P線形腔摻鉺光纖激光器光纖光柵Fabry-Perot腔環(huán)形鏡環(huán)形鏡光纖環(huán)形鏡Fabry-Perot腔輸入透射反射為什么光纖環(huán)形鏡可用作諧振腔？如何求反射率？E1E3E2E4當耦合比等于0.5時,此裝置相當于一個什么鏡？全反？全透或半反半透？答：全反射鏡。當耦合比不等于0.5時,此裝置還是全反射鏡嗎？答：不是。為什么？必須考慮SPM調(diào)制。設耦合比為k，求反射率。光在腔內(nèi)傳輸來回一次后的光強為：要保證激光在腔內(nèi)振蕩，要求：反射光與入射光發(fā)生干涉，為了在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩，要求干涉加強。則腔長與波長滿足(駐波條件)：增益系數(shù)平均損耗系數(shù)縱模和橫?！?/p>

在腔內(nèi)，軸向駐波場為腔的本征模式光場。特點：與軸線垂直的橫截面光場穩(wěn)定均勻分布；軸線方向形成駐波，稱為縱模。節(jié)數(shù)為q，為縱模序數(shù)。

與軸線垂直的橫截面內(nèi)光場穩(wěn)定分布，稱為橫模，用LPml表示，為線性偏振模。m為方位數(shù)，表示垂直光纖的橫截面內(nèi)沿圓周方向方位角從0到2光場的變化數(shù)（節(jié)線數(shù)）。l為徑向模數(shù)，表示纖芯區(qū)域光場的半徑方向變化數(shù)(節(jié)線數(shù))。

LP01表示基模，它的角向徑向節(jié)線數(shù)沒有變化，為圓形光斑。二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器1、光纖環(huán)行諧振腔

LDWDMEDFISOCouplerFBGOutput

980/1550nm

WDM

EDF

Isolator

Output

10%

FBG

IMG

Coupler(10：90)

980nmLD

90%

WDMOutputcoupler泵浦PCcontrollerEDFIsolatorOutput

環(huán)形腔摻鉺激光器光纖激光器的結構980/1550nmWDMEDFpumplaseroutputISO窄帶濾波器型環(huán)形腔摻鉺光纖激光器結構圖filtercouplerPC光纖激光器不僅與固體、氣體、半導體激光器等相比，有非常明顯的優(yōu)越性，而且與二極管泵浦固體激光器相比，也有更好的光束質(zhì)量，可得到更小的聚焦光斑。隨著光纖激光器應用的更加廣泛，對高功率光纖激光器的需要越來越大。但是，由于泵浦光較難有效地耦合到幾何尺寸只有幾微米的光纖芯內(nèi)，光－光轉(zhuǎn)換效率較低；同時，常規(guī)的單模光纖激光器要求泵光的輸出模式必須為基模，這也限制了其輸出功率的水平。所以一般常規(guī)光纖激光器的輸出功率僅在毫瓦量級，研究工作和開發(fā)應用大都集中在光通信和光傳感領域?！p包層光纖激光器

80年代后期，美國寶麗來公司的研究者們作出了開創(chuàng)性的工作，發(fā)展了一種包層泵浦技術，大大促進了高功率光纖激光器的發(fā)展。在特種光纖生產(chǎn)技術和半導體激光器制造工藝高速發(fā)展的基礎上，包層泵浦技術發(fā)展迅猛，激光器的能量轉(zhuǎn)換效率高達70%以上、連續(xù)輸出功率高達幾十瓦、乃至幾百瓦。同時，利用纖芯內(nèi)的超高功率密度所產(chǎn)生的諸如受激布里淵散射、受激喇曼散射和頻率上轉(zhuǎn)換等非線性效應，大大拓寬了光纖激光器的輸出頻率范圍，并使超短脈沖技術、喇曼光纖激光器和放大器技術的發(fā)展上了一個新的臺階。預計此類大功率、寬波段、高模式質(zhì)量、結構緊湊、運轉(zhuǎn)可靠、高性能價格比的雙包層光纖激光器將在光通信（特別是高速長距離和孤子通信）、遙感、航天航空、生命科學、機械精密加工等領域獲得廣泛應用。雙包層光纖激光器有許多的優(yōu)點高功率激光輸出，多個多模半導體激光二極管并行泵浦，可設計出極高功率輸出的光纖激光器；由于光纖的表面積與體積之比很大，高功率光纖激光器工作時一般無需復雜的冷卻裝置；由于光纖摻稀土元素離子，有一個寬而平坦的吸收光譜區(qū)，因此有很寬的泵浦波長范圍。多模二極管泵浦源的穩(wěn)定性(其可靠運轉(zhuǎn)壽命超過l00萬小時)決定了這種激光器具有高可靠‘性；具有極高的光束質(zhì)量，這是其他高功率激光器無法相比的；電光轉(zhuǎn)換效率高，插頭效率高達20％以上；結構緊湊、牢固、不需精密的光學平臺，能夠適應惡劣的工作環(huán)境。雙包層摻雜光纖的結構內(nèi)包層光纖芯外包層保護層激光輸出泵浦光一、雙包層摻雜光纖的結構光纖芯：由摻稀土元素的SiO2構成，它作為激光振蕩的通道，對相關波長為單模；內(nèi)包層：內(nèi)包層由橫向尺寸和數(shù)值孔徑比纖芯大的多、折射率比纖芯小的純SiO2構成，它是泵光通道，對泵光波長是多模的；外包層：外包層由折射率比內(nèi)包層小的軟塑材料構成；保護層：最外層由硬塑材料包圍，構成光纖的保護層。二、雙包層光纖內(nèi)包層的作用：

1.包繞纖芯，將激光輻射限制在光纖芯內(nèi)；

2.多模導管作為泵光的傳輸通道，把多模泵光轉(zhuǎn)換為單模激光輸出。泵光的能量不能直接耦合到光纖芯內(nèi)，而是將泵光耦合到內(nèi)包層，光在內(nèi)包層和外包層之間來回反射，多次穿過單模纖芯被其吸收。這種結構的光纖不要求泵光是單模激光，而且可對光纖的全長度泵浦，因此可選用大功率的多模激光二極管陣列作泵源，將約70%以上的泵浦能量間接地耦合到纖芯內(nèi)，大大提高了泵浦效率。雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術1.端面泵浦耦合技術雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術1.端面泵浦耦合技術雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術2.側面泵浦耦合技術瓦級全光纖摻Yb雙包層光纖激光器高功率的光纖激光器一般仍采用二色鏡等傳統(tǒng)的體器件構成諧振腔，未能實現(xiàn)全光纖化，這不僅極大地限制了光纖激光器的結構緊湊性和工作可靠性，也增加了抽運光的耦合難度，同時不利于光纖激光器與后續(xù)光纖光學系統(tǒng)的匹配兼容。為解決上述問題，采用光纖Bragg光柵（FBG）作為腔鏡的全光纖高功率激光器。光纖：摻Yb雙包層光纖的內(nèi)包層形狀為正方形，截面尺寸為125μm×125μm，數(shù)值孔徑約為0.38。單模纖芯的模場半徑為7μm，數(shù)值孔徑為0.11。纖芯中摻雜有較高濃度的Yb離子，對976nm抽運光的吸收損耗約為1.7dB/m。光纖長度為20m。諧振腔：一對中心反射波長為1060nm的FBG作為選頻反饋腔鏡，構成駐波腔，相應的峰值反射率分別為99%和5%。圖3-5（一）調(diào)Q光纖激光器基本結構及特點

A.非光纖型Q開關

B.光纖型Q開關

調(diào)Q光纖激光器聲光調(diào)Q電光調(diào)Q機械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q可飽和吸收體調(diào)Q光纖馬赫-曾特爾干涉儀光纖邁克爾遜干涉儀基于光纖中的SBS調(diào)Q調(diào)Q光纖激光器通過改變激光共振腔Q值，提高激光器輸出功率和壓縮激光脈沖寬度的技術。

共振腔的Q值（也稱腔的品質(zhì)因子）是描述激光器共振腔損耗大小的量。光學損耗低的腔，其Q值高。

Q值定義：Q＝２πν腔內(nèi)存儲的能量／每秒損失的能量

當泵浦源向激光器工作物質(zhì)輸入的能量（功率）達到振蕩閾值時，激光器便產(chǎn)生激光振蕩。如果泵浦源繼續(xù)泵浦，維持激光器在閾值以上，它就連續(xù)輸出激光。激光振蕩閾值與共振腔的光學損耗（Ｑ值）有關。如果激光器的工作物質(zhì)在受泵浦的期間，讓共振腔的Ｑ值保持很低，則激光器因振蕩閾值很高而不能發(fā)生激光振蕩，大量的泵浦能量繼續(xù)存在工作物質(zhì)內(nèi)。當工作物質(zhì)已“吸飽”能量時，突然升高Ｑ值，相應地，激光振蕩閾值也突然降低，在閾值之上那部分儲存能量便在短時間內(nèi)發(fā)射出來，形成功率很高的激光脈沖。用這個方法得到的能量雖然比自由振蕩時得到的激光能量低一個數(shù)量級，但是，自由振蕩激光器輸出的脈沖寬度是毫秒級，而采用Ｑ開關后得到的激光脈沖寬度是幾十納秒量級。使激光器輸出功率增加104倍達到105~106KW。

A.非光纖型：聲光（AOM）調(diào)Q特點：開關時間較快，消光比大，脈沖寬度一般十幾到幾十ns，但插入損耗大，穩(wěn)定性較差?！{(diào)Q光纖激光器AOMR=100%Yb-DCfiberPumpSystermCouplerOutputA.非光纖型：電光（EOM）調(diào)Q特點：開關時間快（幾ns），消光比大（>95％），但插入損耗大，穩(wěn)定性較差，需要幾千伏的高壓，產(chǎn)生的電子干擾大。980nm抽運隔離器輸入耦合器摻鉺光纖透鏡偏振器電光調(diào)制器75%輸出鏡A.非光纖型：可飽和吸收體被動調(diào)Q特點：在1.53mm得到0.1mJ能量，開關速度慢，插入損耗大SESAMdichroicfilterf=4.5mmf=18mmdichroicmirrorLMA

fiber(60cm)pump(=2Wat980nm)outputB.光纖型Q開關：光纖邁克爾遜干涉儀調(diào)Q特點：開關速度較慢，能產(chǎn)生ms量級脈沖，要求兩臂光纖光柵完全相同，這樣的兩個光纖光柵比較難制作，消光比不高B.光纖型Q開關：光纖馬赫－曾特干涉儀調(diào)Q特點：全光纖型主動調(diào)Q，可產(chǎn)生ms脈沖，低插入損耗，但開關時間較慢EDF980/1550nmWDM980nmLDRefPZToutputIsolator3dB3dB3dB

FBGPZTController鎖模光纖激光器可作為高速通信系統(tǒng)的光源，有著光明的前途。高速光纖通信要求超短脈沖光源的脈寬為ps，重復頻率1GHz－100GHz，同時輸出波長可調(diào)諧，因此研究工作集中在：高重復速率諧波鎖模技術；多波長和可調(diào)諧鎖模光纖激光器；鎖模光纖激光穩(wěn)頻技術；輸出脈沖窄化和超連續(xù)譜光纖激光器。

所謂鎖模就是相位鎖定，光纖激光器同時運轉(zhuǎn)在位于增益帶寬內(nèi)的大量縱模上，當各縱模相位同步，任意相鄰縱模相位差恒定為一常數(shù)值時，就實現(xiàn)了鎖模?！i模光纖激光器超短脈沖技術是物理學、化學、生物學、光電子學，以及激光光譜學等學科對微觀世界進行研究和揭示新的超快過程的重要手段。調(diào)Q技術所能獲得的最窄脈沖約為10-9s，而在非線性光學、受控核聚變、等離子體診斷、高精度測量等領域中，往往需要更窄的脈沖（10-15s～10-12s），因此必須采用鎖模技術?！獮槭裁匆i模等幅光頻信號的頻譜設調(diào)制信號是一個時間的余弦函數(shù)，即，則幅度調(diào)制信號可寫為：如何實現(xiàn)縱模間頻率的鎖定？基于Bragg光纖光柵調(diào)諧的鎖模光纖激光器實驗結果:

波長：1558.4nm,脈寬：50ps

調(diào)諧范圍：1553.92nm～1561.27nm基于有理數(shù)諧波的鎖模光纖激光器實驗結果：波長：1556.00nm,脈寬：39.23ps基于啁啾光柵色散的鎖模光纖激光器實驗結果：波長：1555.12nm,脈寬：60ps,啁啾度：5.2實驗結果：波長：1552.24nm，1559.32nm；脈寬：60.0psRFdriver雙波長主動鎖模光纖激光器窄線寬光纖激光器激光雷達激光干涉測量注入種子激光相干通信空間通信聲學傳感、航運和近區(qū)安全射頻和微波光子學光譜學、氣體吸收測試管道監(jiān)測和泄露探測石油和天然氣勘探偵測微波信號產(chǎn)生窄線寬特點使得光纖激光器可以作為未來的光通信系統(tǒng)的理想光源,并且可以應用于傳感、軍事、醫(yī)療和高精度光譜學等領域。窄線寬光纖激光器的應用激光測距：目前大多數(shù)激光測距儀是基于脈沖激光的光時域反射原理，即通過測量激光脈沖發(fā)射和經(jīng)目標反射回接收器的時間差進行測距，這種測量的精度一般為1-10米，測量距離（軍用）僅有10-20公里。這主要受限于激光的脈沖寬，激光脈沖越短，測量精就越高，但同時激光線寬也大大增加，增大了探測的噪聲，迅速降低了動態(tài)探測距離。如果利用單縱模光纖激光器作為探測光源，基于頻率調(diào)制連續(xù)波技術和光波相干原理，則能實現(xiàn)幾百公里、精度小于1米的探測。窄線寬光纖激光器的應用光纖傳感：同樣可以利用頻率調(diào)制連續(xù)波技術和光波相干原理，實現(xiàn)超高精、超遠距離以及微弱信號的測量。單縱模窄線寬光纖激光的一部分被耦合進一個有固定反射率的參考臂中，該參考臂充當本地振蕩器LO，另一根光纖充當傳感光纖。從傳感光纖反射回來的激光與來自本地振蕩器的參考光一起混頻產(chǎn)生一個光拍頻，該拍頻與它經(jīng)的時間延遲差相對應，傳感光纖上遠處的信息就可以通過測量拍頻來獲取。利用這種技術進行探測，可實現(xiàn)敏感-100dB

百億分之一）的信號測量?；趩慰v模窄線寬光纖激光器的光纖傳感技術，可廣泛應用于石油天然氣管道的泄漏監(jiān)測全球現(xiàn)有500萬公里石油天然氣管道，目前依靠人工巡邏的方式進行監(jiān)測）、電力系統(tǒng)的輸電損耗監(jiān)測（由于當前的高壓線路缺乏精確的溫壓力探測，每年損失電能上千億美元）、核電站的安全監(jiān)測（未來主要能源之一）、油井的溫度和壓力實時監(jiān)控等。窄線寬光纖激光器的應用光纖通信：目前商用光源的激光線寬為0.2nm（20dB），盡管DWDM技術的應用大大提高了信息傳輸?shù)男诺罃?shù)，但由于信號光源激光線寬的限制，其在C波段也僅有80信道。為了適應當前和未來社會對于海量信息傳輸和處理的要求，需要不斷拓展光纖的帶寬（如，當前世界各正在研究的超寬帶（S+C+L）光傳輸技術）。利用單縱模窄線寬光纖激光器作為通信光源，為我們解決該問題提供了另一種技術途徑。單縱模窄線寬光纖激光的線寬僅為目前商用通信光源線寬的十萬分之一，這可以大大減少信道的寬和信道之間的間距，僅在C波段就可以將光纖通信的信道數(shù)提高幾個數(shù)量級，此外，該激光器極窄的線寬減小了傳輸過程中光纖的色散，更有利于遠距離傳輸。窄線寬光纖激光器的應用石油管道預警系統(tǒng)：利用與管道同溝敷設的通信光纜作為分布式土壤振動檢測傳感器，長距離連續(xù)實時監(jiān)測油氣管道沿線的土壤振動情況，在管道沿線4米范圍內(nèi)形成保護帶，采用系統(tǒng)獨有的管道破壞事件專家數(shù)據(jù)庫和神經(jīng)網(wǎng)絡分析識別技術，對可能危害管道安全的動土事件（如：機械施工和打孔盜油等破壞事件）或場站設施的入侵事件進行預警，并準確定位。光纖周界預警：利用激光、光纖傳感和光通信等高科技技術構建的警戒網(wǎng)絡或者安全報警系統(tǒng)，是一種對威脅公眾安全的突發(fā)事件進行監(jiān)控和警報的現(xiàn)代防御體系。這既反映了現(xiàn)代反恐斗爭的需要，也滿足了我國現(xiàn)階段對周界報警的需求。尤其在大型場所如軍事禁區(qū)、核基地、機場等等，都需要這種很先進的防入侵報警系統(tǒng)。窄線寬光纖激光器的應用聲學傳感、水聽器：干涉型光纖水聲光纖傳感器陣列在水下軍事應用、魚群探測和保密監(jiān)聽等方面有很大的應用前景，并以極高的靈敏度、抗電磁干擾、無源檢測等優(yōu)越性而引起了世界各國的高度重視，為下一代水聽器的研究開發(fā)和應用的主要方向之一。激光雷達、測距、遙感：基于FMCW和多普勒頻移，可以實現(xiàn)激光連續(xù)波的測距和雷達，其超長的相干距離提供了長距離的遙感方案。窄線寬光纖激光器的應用相干光通信：窄線寬光纖激光的線寬僅為目前商用通信光源線寬的百萬分之一，這大大減少信道的寬度和信道之間的間距，僅在C波段就可以將光纖通信的信道數(shù)提高幾個數(shù)量級，此外，窄線寬激光極窄的線寬減小了傳輸過程中光纖的色散，更有利于遠距離傳輸。激光光譜學、大氣吸收測量：可以用來研究譜線的精細和超精細分裂、塞曼和斯塔克分裂、光位移、碰撞加寬、碰撞位移等效應。還可以利用激光觀察到有趣的相干瞬變現(xiàn)象等等。激光種子源：可以耦合進光纖放大器，形成更大輸出功率的單頻激光器如1W或5W而不會改變種源的光學特性。Wavelengthselectablerange(nm)1530to15651047to1080Absolutewavelengthaccuracy(nm)±0.05±0.02optional±0.05±0.02optionalPowerstability(%RMS)±0.10BeamqualityM2<1.05PureOscillator/AmplifiedPureOscillatorAmplifiedOutputpower(W)0.25-0.40.25-2.5Lorentzian

Linewidth(Hz)<1<10Linewidthover1msmeasurementtime(Hz)<1000<400/200Frequencynoise(Hz/√Hz)@100Hz<55<55/<30OSNR(dBc)(0.05nmRBW)>85>75SMSR(dBc)(3MHzRBW)>75>75Frequencystability(MHz/°C)±20/1±20/1(Side-ModeSuppressionRatio,縮寫為SMSR)

線寬壓縮技術其實可以歸結為是對諧振腔輸出的激光使用各種窄帶濾波器進行濾波,以實現(xiàn)最終輸出激光的窄線寬或者線寬可調(diào)。下面以光纖激光器的諧振腔結構作為切入點,研究激光器的線寬壓縮技術。光纖激光器的腔體結構可以分為環(huán)腔和線腔兩大類。環(huán)腔光纖激光器飽和吸收體光窄帶濾波器飽和吸收體是由一段未泵浦的摻鉺光纖(EDF)以及一個FBG組成,利用FBG的反射作用,使得入射波和反射波發(fā)生干涉,形成駐波,使得光纖的軸向折射率發(fā)生周期性的空間調(diào)制,形成一個瞬態(tài)的光纖光柵。根據(jù)FBG的耦合模理論,FBG的反射帶寬與FBG的長度成反比,由于這種飽和吸收體中的摻鉺光纖可以遠遠長于普通的FBG,因此這種瞬態(tài)FBG的反射帶寬可以遠遠窄于普通FBG的帶寬,從而可以對傳輸中的信號激光進行窄帶濾波,獲得穩(wěn)定的單頻激光輸出,抑制跳模。飽和吸收體光窄帶濾波器光窄帶濾波器是由一個3dB耦合器和一段未泵浦的單模光纖組成的光纖環(huán)。由于多個次級環(huán)的存在,所以只有同時滿足主環(huán)和所有次級環(huán)諧振相位的光才能起振。通過理論分析可知,多環(huán)腔結構的縱模間隔是各個環(huán)腔各自縱模間隔的最小公倍數(shù),可以實現(xiàn)有效的模式選擇。線腔-FBG的F-P標準具使用兩對FBG的F-P標準具,采用雙向泵浦方式,為了抑制線腔中的空間燒孔效應以及隨之而來的多縱模振蕩,使用了FR(法拉第旋轉(zhuǎn)器)光放大器我們知道光信號沿光纖傳播時將會衰減。因此，為了使信號傳得更遠，我們必須增強光信號。傳統(tǒng)的增強光信號的方法是使用再生器。但是，這種方法存在許多缺點。這種方法有那些缺點？光放大器的特點光放大器是用來提高光信號強度的器件。被放大的光信號輸入光信號光放大器第一，光放大器支持任何比特率和信號格式，因為光放大器簡單地放大所收到的信號。這種屬性通常被描述為光放大器對任何比特率以及信號格式是透明的；第二，光放大器不僅支持單個信號波長放大－像再生器，而且支持一定波長范圍的光信號放大。例如，我們下面將要討論的摻鉺光纖放大器（EDFA），它能夠放大大約從1530nm到1610nm的所有波長。而且，只有光放大器能夠支持多種比特率、各種調(diào)制格式和不同波長的時分復用和波分復用網(wǎng)絡。實際上，只有光放大器特別是EDFA的出現(xiàn)，波分復用技術才得到迅速發(fā)展，并且使波分復用成為大容量光通信系統(tǒng)的主力。EDFA是現(xiàn)在應用最廣泛的光放大器，它的出現(xiàn)極大地推動了波分復用技術的發(fā)展。光放大器的分類半導體光放大器（SOA）：半導體光放大器利用半導體材料固有的受激輻射放大機制，實現(xiàn)光放大，其原理和結構與半導體激光器相似。光纖放大器（OFA）：光纖放大器與半導體放大器不同，光纖放大器的活性介質(zhì)（或稱增益介質(zhì)）是一段特殊的光纖或傳輸光纖，并且和泵浦激光器相連；當信號光通過這一段光纖時，信號光被放大。光纖放大器又可以分為摻稀土離子光纖放大器（RareEarthIonDopedFiberAmplifier）和非線性光纖放大器。像半導體放大器一樣，摻稀土離子光纖放大器的工作原理也是受激輻射；而非線性光纖放大器是利用光纖的非線性效應放大光信號。實用化的光纖放大器有摻鉺光纖放大器（EDFA）和拉曼光纖放大器（RamanFiberAmplifier）。光放大器的主要性能參數(shù)增益增益＝POUT/PIN其中POUT和PIN分別是輸出光功率和輸入光功率，功率的單位為瓦特；通常我們用分貝（dB）為單位來表示增益，也就是：增益（dB）＝10lg（POUT/PIN）噪聲指數(shù)光放大器的噪聲指數(shù)（NF，NoiseFigure）的定義式為光放大器輸入輸出端口的信噪比（SNR，SignaltoNoiseRatio）的比值：

增益帶寬所謂增益帶寬是指光放大器有效的頻率（或波長）范圍，通常指增益從最大值下降3dB時，對應的波長范圍，如1.3.3中λa、λb之間。增益帶寬的單位是納米（nm）。EDFA的優(yōu)缺點優(yōu)點：工作波長與單模光纖的最小衰減窗口一致。耦合效率高。增益高、噪聲指數(shù)較低、輸出功率大，信道間串擾很低。增益特性穩(wěn)定：EDFA對溫度不敏感，增益與偏振相關性小。增益特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無關。缺點：增益波長范圍固定。增益帶寬不平坦。光浪涌問題。飽和輸出功率光放大器的輸入光功率范圍有一定的要求，當輸入光功率大于某一閾值時，如左圖中PT，就會出現(xiàn)增益飽和；增益飽和是指輸出功率不再隨輸入功率增加而增加或增加很小。根據(jù)ITU-T的建議，當增益比正常情況低3dB時的輸出光功率稱為飽和輸出功率，左圖中Ps，其單位通常用dBm表示。摻鉺光纖放大器一種類型的光纖放大器是摻稀土離子光纖放大器。摻稀土離子光纖放大器是利用稀土金屬離子作為工作物質(zhì)，利用離子的受激輻射進行光信號放大。用在光放大器中的稀土金屬離子通常有鉺（Er）、釹（Nd）、鐠（Pr）、銩（Tm）等。摻稀土離子光纖放大器中比較成熟的是摻鉺光纖放大器（Erbium-dopedFiberAmplifier）摻鉺光纖放大器的工作原理摻鉺光纖是光纖放大器的核心，它是一種內(nèi)部摻有一定濃度Er3+的光纖，為了闡明其放大原理，需要從鉺離子的能級圖講起。鉺離子的外層電子具有三能級結構（下圖中E1、E2和E3），其中E1是基態(tài)能級，E2是亞穩(wěn)態(tài)能級，E3是高能級，如下圖所示。當用高能量的泵浦激光來激勵摻鉺光纖時，可以使鉺離子的束縛電子從基態(tài)能級大量激發(fā)到高能級E3上。然而，高能級是不穩(wěn)定的，因而鉺離子很快會經(jīng)歷無輻射躍遷（即不釋放光子）落入亞穩(wěn)態(tài)能級E2。而E2能級是一個亞穩(wěn)態(tài)的能帶，在該能級上，粒子的存活壽命較長（大約10ms）。受到泵浦光激勵的粒子，以非輻射躍遷的形式不斷地向該能級匯集，從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布－即亞穩(wěn)態(tài)能級E2上的離子數(shù)比基態(tài)E1上的多。當具有1550nm波長的光信號通過這段摻鉺光纖時，亞穩(wěn)態(tài)的粒子受信號光子的激發(fā)以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)，并產(chǎn)生出與入射信號光子完全相同的光子，從而大大增加了信號光中的光子數(shù)量，即實現(xiàn)了信號光在摻鉺光纖傳輸過程中的不斷被放大的功能。

自發(fā)輻射（ASE）噪聲：在EDF中絕大多數(shù)受激Er離子因受激輻射而被迫回到基態(tài)E1，但它們中有一部分是自發(fā)回落到基態(tài)的。當這些受激離子衰變時，它們也自發(fā)地輻射光子。自發(fā)輻射的光子與信號光子在相同的頻率（波長）范圍內(nèi)，但它們是隨機的。那些與信號光子同方向的自發(fā)輻射光子也在EDF中放大。這些自發(fā)輻射并被放大的光子組成放大的自發(fā)輻射（ASE）。由于它們是隨機的，它們對信號沒有貢獻，卻產(chǎn)生了在信號光譜范圍內(nèi)的噪聲。摻鉺光纖放大器光學結構

EDF泵浦激光器泵浦激光器輸入信號輸出信號光隔離器分光器波分復用器光探測器波分復用器光隔離器分光器光探測器摻鉺光纖放大器的優(yōu)點工作波長與單模光纖的最小衰減窗口一致。耦合效率高。由于是光纖放大器，易與傳輸光纖耦合連接。能量轉(zhuǎn)換效率高。摻鉺光纖EDF的纖芯比傳輸光纖小，信號光和泵浦光同時在摻鉺光纖EDF中傳播，光能量非常集中。這使得光與增益介質(zhì)Er離子的作用非常充分，加之適當長度的摻鉺光纖，因而光能量的轉(zhuǎn)換效率高。增益高、噪聲指數(shù)較低、輸出功率大，信道間串擾很低。增益特性穩(wěn)定：EDFA對溫度不敏感，增益與偏振相關性小。增益特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無關。摻鉺光纖放大器（EDFA）是大容量密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)中必不可少的關鍵部件。摻鉺光纖放大器的缺點增益波長范圍固定：Er離子的能級之間的能級差決定了EDFA的工作波長范圍是固定的，只能在1550nm窗口。這也是摻稀土離子光纖放大器的局限性，又例如，摻鐠光纖放大器只能工作在1310nm窗口。增益帶寬不平坦：EDFA的增益帶寬很寬，但EFDA本身的增益譜不平坦。在WDM系統(tǒng)中應用時必須采取特殊的技術使其增益平坦。光浪涌問題：采用EDFA可使輸入光功率迅速增大，但由于EDFA的動態(tài)增益變化較慢，在輸入信號能量跳變的瞬間，將產(chǎn)生光浪涌，即輸出光功率出現(xiàn)尖峰，尤其是當EDFA級聯(lián)時，光浪涌現(xiàn)象更為明顯。峰值光功率可以達到幾瓦，有可能造成O/E變換器和光連接器端面的損壞。拉曼光纖放大器拉曼光纖放大器的原理

在常規(guī)光纖系統(tǒng)中，光功率不大，光纖呈線性傳輸特性。當注入光纖－非線性光學介質(zhì)中的光功率非常高時，高能量（波長較短）的泵浦光散射，將一小部分入射功率轉(zhuǎn)移到另一頻率下移的光束，頻率下移量由介質(zhì)的振動模式?jīng)Q定，此過程稱為拉曼效應。量子力學描述為入射光波的一個光子被一個分子散射成為另一個低頻光子，同時分子完成振動態(tài)之間的躍遷。入射光子稱作為泵浦光，低頻的頻移光子稱為斯托克斯波（stokes波）。TOAD（太赫茲光非對稱解復用器）的原理示意圖在沒有控制信號時，CW和CCW信號在環(huán)中經(jīng)受了相同的相移，在耦合器1中相干，并在端口1輸出。這就是光纖環(huán)鏡。當有控制信號時。設控制信號持續(xù)時間。假設CW信號在t0時刻達到SOA，因此CCW信號在時該到達。設控制信號與CCW信號同時達到SOA，此時CW信號已經(jīng)經(jīng)過SOA。如果控制信號功率較強，則CCW信號就會受到XGM和XPM的影響，幅度和相位都可能產(chǎn)生變化。如果相位改變π，而幅度改變不大，則CW和CCW信號脈沖分量回到耦合器1時相干后合成的信號將在端口2輸出，端口1沒有信號。利用TOAD的這個功能可做成光時分解具復用器。普通的拉曼散射需要很強的激光功率。但是在光纖通訊中，作為非線性介質(zhì)的單模光纖，其纖芯直徑非常?。ㄒ话阈∮?0μm），因此單模光纖可將高強度的激光場與介質(zhì)的相互作用限制在非常小的截面內(nèi)，大大提高了入射光場的光功率密度，在低損耗光纖中，光場與介質(zhì)的作用可以維持很長的距離，其間的能量耦合進行的很充分，使得在光纖中利用受激拉曼散射成為可能。實驗證明，石英光纖具有很寬的受激拉曼散射（SRS）增益譜，并在泵浦光