光纖放大器和激光器

在某些光應(yīng)用中，往往要求光具有很高的能量（或功率，如激光核聚變，等，但欲獲得高能光束，直接通過激光器來獲取一般是很的，這是因?yàn)樘岣呒す馄鞯妮敵龉β实耐瑫r(shí)又要保持優(yōu)良的光束特性是互相的。因此為了獲得性能優(yōu)良的高能量光束，光放大技術(shù)是一種最佳選擇。光纖激光器是近年來激光領(lǐng)域中最具的研究課題之一特別是應(yīng)用到光纖通信窗了解EDFA構(gòu)建EDFA測(cè)量EDFAEDFA是目前性能最完美，技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的光放大器。它具有高增益，低噪1所示，基態(tài)4I152E1，激發(fā)態(tài)4I112E3，亞穩(wěn)態(tài)4I132E2。粒子在這些980nmE3E3上的粒子將以無輻射躍能級(jí)E2上，粒子在E2上 較長，10ms圖1鉺離子三能級(jí)圖 E1E2E2E11550nm1480nmE1E2放大的自發(fā)輻射(Amplifierspontaneousemission,光子在EDF中也會(huì)得到放大，形成背景噪聲，使信噪比下降，這對(duì)信號(hào)是有害的。EDFAL,x方2所示。地被消耗，所以單位體積中光子數(shù)(x,t)粒子數(shù)n(x,t是時(shí)間tx圖 級(jí)系統(tǒng)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的速率方程為n(x,t)2n(x,t)c(x,t)1n(x,t)

，n0(x)為工作物質(zhì)初始時(shí)（t0反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，2n(x,t)c(x,t)1n(x,t)

再工作物質(zhì)在xxdx體積元中光子數(shù)密度變化的情況。引起光子數(shù)發(fā)生變化因dt時(shí)間內(nèi)dx體積元中受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)為c(x,t)n(x,t)dxdt。dtxdx體積元的光子數(shù)c(x,t)dtxdx處流出的光子數(shù)為c(xdx,t)dt。因而在dt時(shí)間內(nèi)進(jìn)入體積元的凈光子數(shù)為(x,t(xdx,t)cdt，如果放大器中各種損耗不計(jì)，則dt(x,t)dxdt(x,t)(xdx,t)cdtc(x,t)n(x,(x,t)c(x,t)c(x,t)n(x, 由于光強(qiáng)（光子流強(qiáng)度）I(x,t)c(x,t)hI(x,t1I(x,t)I(x,t)n(x,t)I(x,

I(x,tIn(x,t寫成n，則（1）（3）

n

1 011I

c 態(tài)，可以認(rèn)為dn0，穩(wěn)態(tài)情況下，從（4）dt

對(duì)（5）

1c

1dI

I

上式中1dIg表示，則（7）Ig

1IIs

，I

。Is也稱為飽和光強(qiáng)。

g0g

時(shí)，gg0gI IIs即輸入信號(hào)是小信號(hào)時(shí)，則EDFAg1dIL

Idx I(L)I0exp(g0

I0為初始時(shí)信號(hào)光強(qiáng)，小信號(hào)下總增益0GILexpgLI00

為放大器單位長度損耗系數(shù)，1dI

n

gIdxL

構(gòu)建EDFAEDFA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由兩個(gè)波長為980nm的泵浦激光器（WDMWDM1，WDM2980nm泵浦光耦合到摻鉺光纖中去,抽運(yùn)鉺器1的作用是防止線反射光和EDFASE光返回3EDFA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)器的作用是調(diào)節(jié)輸入到EDFA中信號(hào)功率大小。測(cè)量半導(dǎo)體激光器的電流和功980nm1550nm信4圖4半導(dǎo)體激光器電流和功率關(guān)系 率急劇增大，輻射激光ASEASE3的實(shí)驗(yàn)裝置采用以下的實(shí)驗(yàn)步驟。表 ASE測(cè)量實(shí)驗(yàn)記錄ASEASEASE輸出功ASE輸出功率，1中。1550nm處損耗非常小，為0.2dBkm收信號(hào)光，因此摻鉺光纖損耗特別大，可達(dá)到3~5dBm。損耗系數(shù)的計(jì)算 10

(dB

3的實(shí)驗(yàn)裝置采用以下實(shí)驗(yàn)步驟：測(cè)量EDF1，10%的分束一端作為輸入Pin的測(cè)量。測(cè)量EDF在WDM2的輸出端，測(cè)量輸出信號(hào)功率Pout,并 （13）計(jì)算損耗系數(shù)LEDF長G

3Pout功率，故此時(shí)增益(14)應(yīng)改G10

poutPASE

不同的信號(hào)功率下，測(cè)量EDFA23dB3dB2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，測(cè)量EDFA的增益也可用輸入調(diào)制信號(hào)測(cè)量。把周期性信號(hào)調(diào)制到信號(hào)激光器上，使1550nm信號(hào)激光器輻射光功率帶有周期性而變，經(jīng)EDFA后輸出光功和EDFA輸出信號(hào)的幅值高度，就可以測(cè)量EDFA的增益，用調(diào)制信號(hào)進(jìn)量即直觀

1E2躍遷到基態(tài)4I152，E1上 長在1550nm左右。5示出光纖激光器諧振腔結(jié)過,但使腔內(nèi)激光發(fā)生全反射。sagnacSagnac光纖環(huán)色鏡。Sagnac2對(duì)圖5光纖激光器諧振腔結(jié)構(gòu)示意 1550nm激圖（d），，R1R2exp2gL（8）I

LI

ALp

光強(qiáng)與功率之間關(guān)系為PAIL，腔內(nèi)I或功率I

IIs PPs I Ip,Pp分別為泵浦光光強(qiáng)和功率，Ipth,Ppth分別為泵浦光閾值光強(qiáng)和閾值功率，Ps

AIs，若腔內(nèi)激光透過率為TPout

（簡(jiǎn)稱sagnac）

Sgnc儀是由光纖耦合器光纖耦合器是四端口器件（二輸入和二輸出端口場(chǎng)分為相干的兩部分，它的結(jié)構(gòu)是6所示的結(jié)構(gòu)，其中間是一圖 光纖耦合 個(gè)耦合區(qū)根據(jù)耦合模理論如果率為P0P1P0cos2KLp2P0sin2KL(1

式中，L是耦合區(qū)的長度，K為耦合系數(shù)，為功率分束比，如果KL4

，那么

P03dB2Sagnac儀如圖7所出端口連接起來構(gòu)成儀，輸入光場(chǎng)分成沿相反方向傳在耦合區(qū)發(fā)生相干相反圖7sagnac 位決定輸入光是被sagnac涉儀反射還是透射，利用光纖耦合器的特性可以得到反射率R和透射率TR4(1)

T14(1

若0.5，即耦合器為3dB耦合器，R1，由上式可得 儀對(duì)入射光的反射為100%

0.53Sagnac儀的特性測(cè)61550nmP0，從耦合器一端輸入，用功率計(jì)測(cè)量二端輸出功P1P2，然后由（19）和1，那么功率分束比為1)。由上述光纖耦合器構(gòu)成sagnac透射光可通過sagnac環(huán)的另一端輸直接測(cè)量透射功率為了測(cè)量反射光方便起見9：1的耦合涉儀的反射光可由耦合器2來測(cè)率T1)圖 有兩個(gè)耦合器的sagnac測(cè)量餌離子亞穩(wěn)態(tài)4I172980nmPumpLight

9WDM1EDF及WDM2WDM1信號(hào)輸入端WDM2信號(hào)輸出端將會(huì)產(chǎn)生ASE，如果泵浦激光器是帶由調(diào)制信號(hào)，它出射的光強(qiáng)（功率）10圖9測(cè)量能級(jí)實(shí)驗(yàn)裝置圖 功率時(shí)開時(shí)閉開時(shí)它足以使EDF所示，通過上下圖比較，ASE功率下降到1e（0.3