光的干涉及衍射

光的干涉及衍射1第1頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1從機(jī)械諧振到光學(xué)諧振干涉就是兩列波或多列波疊加時(shí)，因?yàn)橄辔魂P(guān)系有時(shí)相互加強(qiáng)，有時(shí)相互消弱的一種波的基本現(xiàn)象。例如，在水池中，在相隔不遠(yuǎn)的兩處同時(shí)分別投進(jìn)一塊石頭，就會(huì)產(chǎn)生同樣的水波，都向四周傳播。例如，長(zhǎng)L的一根弦線兩端被夾住時(shí)所作的各種固有振動(dòng)。2第2頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.1水池中兩列水波的干涉波紋仔細(xì)觀察兩列水波會(huì)合處的情景，即可發(fā)現(xiàn)其幅度時(shí)而因相長(zhǎng)干涉增大，時(shí)而因相消干涉減小

3第3頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.2一根長(zhǎng)為L(zhǎng)的繃緊弦線及其三種可能的振動(dòng)方式在振動(dòng)弦線中，邊界條件要求弦線兩端各有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這意思是說，選擇波長(zhǎng)

時(shí)一定要使（3.1.1）4第4頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月光的干涉和衍射

—激光器和濾波器基礎(chǔ)5第5頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.3法布里珀羅(F-P)諧振腔及其特性不是任意一個(gè)波長(zhǎng)都能在諧振腔內(nèi)形成駐波，對(duì)于給定的m，只有滿足式（3.1.3）的波長(zhǎng)才能形成駐波，并記為m，稱為腔模式，如圖3.1.3（b）所示。6第6頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月法布里-珀羅諧振腔發(fā)明家法國物理學(xué)家法布里（Fabry,1867~1945）和玻羅（Perot,1863~1925）7第7頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月自由頻譜范圍（FSR）所以對(duì)應(yīng)這些模式的頻率是諧振腔的諧振頻率式中f是對(duì)應(yīng)基模（m=1）的頻率，在所有模式中它的頻率最低。兩個(gè)相鄰模式的頻率間隔是稱為自由頻譜范圍（FSR）。8第8頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2法布里-珀羅（F-P）光學(xué)諧振器假如諧振腔沒有損耗，即兩個(gè)鏡面對(duì)光全反射，那么式（3.1.4）定義的頻率的峰值將很尖銳。如果鏡面對(duì)光不是全反射，一些光將從諧振腔輻射出去，峰值就不尖銳，而具有一定的寬度。很顯然，這種簡(jiǎn)單的鍍有反射鏡面的光學(xué)諧振腔只有在特定的頻率內(nèi)能夠儲(chǔ)存能量，這種諧振腔就叫做法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學(xué)諧振器。9第9頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月F-P諧振腔的精細(xì)度

鏡面反射率R越小意味著諧振腔有越大的輻射損耗，從而影響到腔體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的分布。由式（3.1.4）可知，R越小峰值展寬越大，而且電場(chǎng)強(qiáng)度最大值和最小值的差也越小，如圖3.1.4c所示。該圖也定義了法布里珀羅諧振腔的頻譜寬度，它是單個(gè)腔模式曲線半最大值的全寬（FWHM），可用下面式（3.1.7）的簡(jiǎn)單表達(dá)式計(jì)算式中

F

稱為諧振腔的精細(xì)度，它隨諧振腔損耗的減小而增加（因R增加）。精細(xì)度越大，模式峰值越尖銳。精細(xì)度是模間隔對(duì)頻譜寬度的比.

10第10頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.4入射光通過由部分反射鏡組成的法布里珀羅諧振腔，其透射光可作為濾波器的輸出法布里-珀羅光學(xué)諧振腔已廣泛應(yīng)用到激光器、干涉濾波器和分光鏡中。

11第11頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月商用干涉濾波器考慮一束光入射進(jìn)法布里-珀羅諧振腔，如上圖所示。諧振腔由部分反射和透射的兩個(gè)平板組成，因此入射光束的一部分進(jìn)入諧振腔。我們知道只有特定腔模的光才能在腔內(nèi)存在，因?yàn)槠渌ㄩL(zhǎng)的光產(chǎn)生相消干涉。于是，假如入射光束中有一個(gè)波長(zhǎng)的光與腔模中的一個(gè)對(duì)應(yīng)，它就可以在腔內(nèi)維持振蕩，因此就產(chǎn)生了透射光束。輸出光是腔內(nèi)光強(qiáng)的一部分。商用干涉濾波器就是基于這種原理，只是兩個(gè)腔體用一組電介質(zhì)鏡串聯(lián)組成，其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜而已，如圖3.5.5所示。我們可以調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)L來掃描不同的波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。12第12頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月表3.1.1各種激光器的組成和作用13第13頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.3固體激光器固體激光器主要由工作物質(zhì)、法布里-珀羅諧振腔和泵浦源組成。工作物質(zhì)是均勻摻入少量激活離子的光學(xué)晶體或光學(xué)玻璃。常用的泵浦源有電泵浦源和光泵浦源兩類。泵浦源能將工作物質(zhì)中的粒子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)，使處于高能級(jí)的粒子數(shù)大于處于低能級(jí)的粒子數(shù)，構(gòu)成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，這是產(chǎn)生激光的必要條件。處于高能級(jí)級(jí)的的原子或分子稱為受激原子或分子。14第14頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.7固體激光器的能級(jí)系統(tǒng)在構(gòu)成晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶。如果占據(jù)高能帶的電子躍遷到低能帶上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出，如圖3.1.7所示。

15第15頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月脈沖固體激光器泵浦源脈沖固體激光器泵浦源采用脈沖氙燈，連續(xù)激光器采用氪燈或碘鎢燈。泵浦燈的發(fā)射光譜覆蓋很寬的波長(zhǎng)范圍，其中只有與激光工作物質(zhì)吸收波長(zhǎng)相匹配波段的光可有效用于光激勵(lì)。采用放電燈激勵(lì)的固體激光器如圖3.1.6所示。為了使氣體放電燈發(fā)出的非相干光有效地射入激光工作物質(zhì)，聚光裝置是必不可少的，通常采用內(nèi)壁鍍有高反射率的橢圓柱聚光腔，激勵(lì)燈和激光工作物質(zhì)棒分別置于兩個(gè)焦點(diǎn)上。相互平行的全反射鏡和部分反射鏡構(gòu)成F-P光學(xué)諧振腔。16第16頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.4氣體激光器氣體激光器（gaslaser）的工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸氣，通過氣體放電產(chǎn)生激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。它的種類很多，波長(zhǎng)覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光譜區(qū)，目前已向兩端擴(kuò)展X射線波段和毫米波波段。由于氣體工作物質(zhì)均勻性好，輸出光束的質(zhì)量相當(dāng)高，其單色性和方向性一般優(yōu)于固體和半導(dǎo)體激光器，是很好的相干光源。代表性的氣體激光器有氦-氖（He-Ne）激光器、氬離子（Ar+）激光器和二氧化碳（CO2）激光器。17第17頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.8內(nèi)腔式氦氖氣體激光器

氦-氖激光器工作物質(zhì)由氦氣和氖氣組成，是一種原子氣體激光器。在激光器電極上施加幾千伏電壓，使毛細(xì)管中的氦氖氣體成為激活介質(zhì)，發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如果在激光管的軸線上安裝高反射率的多層介質(zhì)膜反射鏡作為F-P諧振腔，則可獲得連續(xù)激光輸出。氦-氖激光器主要輸出波長(zhǎng)有632.8nm、1.15m和3.39m，波長(zhǎng)穩(wěn)定度為10–6左右，輸出功率為一毫瓦至數(shù)十毫瓦，主要用于精密計(jì)量、全息技術(shù)和準(zhǔn)直測(cè)量等。18第18頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖3.1.9縱向二氧化碳激光器二氧化碳激光器的工作物質(zhì)主要是二氧化碳，摻入少量的N2和He等氣體，是典型的分子氣體激光器。輸出激光波長(zhǎng)范圍是9～11m的紅外區(qū)域，典型的波長(zhǎng)是10.6m。二氧化碳激光器的激勵(lì)方式通常有低氣壓縱向連續(xù)激勵(lì)和橫向激勵(lì)兩種，它是氣體激光器中連續(xù)輸出功率最大和轉(zhuǎn)換效率最高的一種器件，輸出功率從十瓦到數(shù)千瓦。大氣壓橫向激勵(lì)激光器以脈沖放電方式工作，輸出能量大，峰值功率可達(dá)千兆瓦，脈沖寬度為2～3s。恒流橫向激勵(lì)激光器可以獲得幾萬瓦的輸出功率。二氧化碳激光器已廣泛應(yīng)用于金屬材料切割、熱處理、寶石加工和手術(shù)治療等方面。19第19頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.5染料激光器染料激光器（dyelaser）的工作物質(zhì)是液體，通常有兩類液體，一類是溶于適當(dāng)溶劑中的有機(jī)染料，另一類是含有稀土金屬離子的無機(jī)化合物。染料激光器采用光泵浦的方式，可用閃光燈泵浦或激光泵浦。激光泵浦又有脈沖光泵浦和連續(xù)光泵浦之分。有機(jī)染料對(duì)紫外光或可見光具有很強(qiáng)的吸收帶，染料分子的能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)的能帶組成，這種寬帶結(jié)構(gòu)使得染料激光在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。使用不同的染料溶液，已在紫外（330nm）到近紅外（1.85m）相當(dāng)寬的范圍內(nèi)，獲得了連續(xù)可調(diào)諧的激光輸出。染料激光器除了可調(diào)諧性能外，另一個(gè)重要特點(diǎn)是可以獲得很窄的超短激光脈沖。因此，染料激光器在激光光譜、同位素分離、醫(yī)學(xué)及科研領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。近來，有人又想把它用于激光武器中。20第20頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.6化學(xué)激光器化學(xué)激光器是特殊的氣體激光器。一般氣體激光器的工作物質(zhì)是氦氣（He）、氖氣（Ne）、氬氣（Ar）、二氧化碳（CO2）氣或其混合氣體；而化學(xué)激光器的工作物質(zhì)是氟化氫（HF）、氟化氘（DF）、氧碘氣體。氣體激光器是在電極上施加高電壓，使毛細(xì)管中的氣體成為激活介質(zhì)，通過氣體放電產(chǎn)生激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；而化學(xué)激光器是通過化學(xué)反應(yīng)釋放能量，使諧振腔內(nèi)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這就是化學(xué)激光器和一般氣體激光器在本質(zhì)上的區(qū)別。21第21頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)激光器工作原理和工作波長(zhǎng)在化學(xué)激光器中，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的原子或分子往往處于圖3.1.7能級(jí)圖中的高能級(jí)（激發(fā)態(tài)），在特殊情況下，可能會(huì)有足夠數(shù)量的原子或分子被激發(fā)到高能級(jí)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)這些高能原子或分子返回到低能級(jí)時(shí)，就使受激發(fā)射能量等于其能級(jí)差的光子，形成激光發(fā)射。光波波長(zhǎng)為近紅外到中紅外范圍，氟化氫（HF）激光器的波長(zhǎng)范圍是2.6～3.3m，氟化氘（DF）激光器是3.6～4.1m，一氧化碳（CO）激光器是4.9～5.8m。22第22頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)激光器的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生激光的能源化學(xué)激光器具有輸出能量大、光束質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，比如波長(zhǎng)為3.6～4.1m的DF激光器，最大輸出功率可達(dá)2.2MW，大氣透過率約為100%，氧碘激光器的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)40%。化學(xué)激光器有脈沖和連續(xù)兩種工作方式。為使化學(xué)反應(yīng)迅速進(jìn)行，必須有大量的自由原子或分子產(chǎn)生，通常采用紫外照射、電子轟擊、電弧加熱工作物質(zhì)或者利用工作物質(zhì)自身的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。前者需要外部能源，后者則不需要。23第23頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.7堿金屬蒸氣激光器堿金屬蒸氣激光器（DPAL）是一種新型的半導(dǎo)體激光泵浦的氣體激光器，增益介質(zhì)是蒸氣狀態(tài)的銣、銫、鉀、鈉等。它綜合了傳統(tǒng)氣體激光器和固體激光器的優(yōu)勢(shì)，采用氣體介質(zhì)流動(dòng)散熱，高功率二極管激光器陣列泵浦，具有95%以上的量子效率，易于獲得高質(zhì)量的光束，激光波長(zhǎng)較短，鉀766.70nm，銣794.98nm，銫894.95nm，使得衍射光斑功率密度更高，激光介質(zhì)可重復(fù)使用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。24第24頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月堿金屬銣原子能級(jí)圖

銣原子是一種三能級(jí)系統(tǒng)，當(dāng)銣原子吸收780nm泵浦光的能量后，激發(fā)到高能級(jí)52P3/2，因?yàn)?2P3/2能級(jí)和52P1/2能級(jí)間的能級(jí)差很小，所以52P3/2能級(jí)的原子很容易自發(fā)輻射回到52P1/2能級(jí)；當(dāng)52P1/2能級(jí)的原子躍遷回基態(tài)能級(jí)52S1/2時(shí)，就發(fā)出能量等于這兩能級(jí)差的光子，該光子的波長(zhǎng)為795nm。25第25頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月銣蒸氣激光器工作原理圖

半導(dǎo)體激光器陣列有19個(gè)發(fā)光單元，經(jīng)壓窄線寬和光束整形后，光束經(jīng)偏振分光器射入長(zhǎng)約7mm的銣蒸氣室，銣?zhǔn)页淙?9kPa的甲烷作為緩沖氣體。諧振腔長(zhǎng)約為105mm。26第26頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.8法布里-珀羅

濾波器基本法布里-珀羅（F-P）干涉儀是由兩塊平行鏡面組成的光學(xué)諧振腔構(gòu)成的，一塊鏡面固定，另一塊可移動(dòng)，以改變諧振腔的長(zhǎng)度。鏡面是經(jīng)過精細(xì)加工并鍍有金屬反射膜或多層介質(zhì)膜的玻璃板。27第27頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.12F-P濾波器的傳輸特性它具有多個(gè)諧振峰，每?jī)蓚€(gè)諧振峰間的頻率間距為自由光譜區(qū)FSR

28第28頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月F-P調(diào)諧濾波器的自由光譜范圍FSR每?jī)蓚€(gè)諧振峰間的頻率間距（自由光譜范圍）FSR可用下面的式（3.1.10）量度：式中，n是構(gòu)成F-P濾波器的材料折射率，L是諧振腔長(zhǎng)度。FSR就是濾波器的自由光譜區(qū)。假如濾波器設(shè)計(jì)成只允許復(fù)用信道中的一個(gè)信道通過，如圖3.1.12（c）中的信道的頻率正好對(duì)準(zhǔn)傳輸特性的諧振峰，所以只有vj=v1的信道才能通過濾波器，而其它信道被抑制了。

29第29頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月F-P濾波器的精細(xì)度F

它決定濾波器的選擇性，即能分辯的最小頻率差，從而也決定所能選擇出的最大信道數(shù)。精細(xì)度的概念與F-P干涉儀理論中的相同。假如諧振腔內(nèi)部損耗忽略不計(jì)，則精細(xì)度由鏡面反射率R決定假設(shè)兩個(gè)鏡面的R相等，此時(shí)可用下面的式（3.1.13）量度:30第30頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月F-P濾波器復(fù)用信號(hào)的總帶寬

和最多可以選擇出的信道數(shù)31第31頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.13光纖法布里-珀羅（FF-P）干涉濾波器間隙型FF-P濾波器

內(nèi)波導(dǎo)型FF-P濾波器

32第32頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖FF-P調(diào)諧濾波器的基本物理機(jī)理光纖端面本身就充當(dāng)兩塊平行的鏡面。如果將光纖（即F-P的反射鏡面）固定在壓電陶瓷上，通過外加電壓使壓電陶瓷產(chǎn)生電致伸縮作用來改變諧振腔的長(zhǎng)度，同樣可以從復(fù)用信道中選取所需要的信道。這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)小型化。

33第33頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.14雙腔F-P濾波器級(jí)聯(lián)使精細(xì)度F擴(kuò)大

34第34頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.9半導(dǎo)體激光器法布里-珀羅光學(xué)諧振腔是半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)。激光器工作在正向偏置下，當(dāng)注入正向電流時(shí)，高能帶中的電子密度增加，這些電子自發(fā)地由高能帶躍遷到低能帶發(fā)出光子，形成激光器中初始的光場(chǎng)。若注入電流增加到一定值后，受激發(fā)射占主導(dǎo)地位，光場(chǎng)迅速增強(qiáng)，此時(shí)的PN結(jié)區(qū)成為對(duì)光場(chǎng)有放大作用的區(qū)域（稱為有源區(qū)），從而形成受激發(fā)射。使有源區(qū)產(chǎn)生足夠多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這是使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的首要條件。35第35頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月另一個(gè)條件是半導(dǎo)體激光器中必須存在光學(xué)諧振腔，并在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩。有源區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，受激發(fā)射占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是，激光器初始的光場(chǎng)來源于導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)輻射，頻譜較寬，方向也雜亂無章。為了得到單色性和方向性好的激光輸出，必須構(gòu)成光學(xué)諧振腔。LD發(fā)射激光的

第二個(gè)條件---光學(xué)諧振腔36第36頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月法布里-珀羅（Fabry-Perot）

光學(xué)諧振器鍍有反射鏡面的光學(xué)諧振腔只有在特定的頻率內(nèi)能夠儲(chǔ)存能量，這種諧振腔就叫做法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學(xué)諧振器。它把光束閉鎖在腔體內(nèi)，使之來回反饋。當(dāng)諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時(shí)，就保持振蕩，形成和腔體端面平行的等相面駐波。此時(shí)的增益就是激光器的閾值增益，達(dá)到該增益所要求的注入電流稱作閾值電流。37第37頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件

與電諧振一樣，光也有諧振。要使光在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩，必須滿足一定的閾值條件和相位條件。閾值條件---使腔內(nèi)獲得的光功率正好與腔內(nèi)損耗相抵消。只有諧振腔里的光增益和損耗值保持相等，并且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時(shí)，才能在諧振腔的兩個(gè)端面輸出譜線很窄的相干光束。相位條件---使諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干。38第38頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月LD的工作原理

圖3.1.15半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)法布里-珀羅諧振腔圖3.1.16激光器頻譜特性的形成過程39第39頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.17F-P光腔諧振器40第40頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.18C3激光器的結(jié)構(gòu)及其

單縱模輸出原理C3指的是切開的耦合腔，這種激光器是這樣制成的，把常規(guī)多模半導(dǎo)體激光器從中間切開，一段長(zhǎng)為L(zhǎng)，另一段為D，分別加以驅(qū)動(dòng)電流。中間是一個(gè)很窄的空氣隙（寬約1m），切開界面的反射約為30%，只要間隙不是太寬，就可以在兩部分之間產(chǎn)生足夠強(qiáng)的耦合。在本例中，因?yàn)長(zhǎng)>D，所以L腔中的模式波長(zhǎng)間距要比D腔中的密。這兩腔的模式波長(zhǎng)只有在較長(zhǎng)的距離上才能完全一致，產(chǎn)生復(fù)合腔的發(fā)射模。因此C3激光器可以實(shí)現(xiàn)單縱模工作。41第41頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.10半導(dǎo)體光放大器（SOA）

——沒有反饋的F-P光學(xué)諧振腔

42第42頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體

光放大器的

機(jī)理半導(dǎo)體光放大器的機(jī)理與激光器的相同，即通過受激發(fā)射放大入射光信號(hào)。光放大器只是一個(gè)沒有反饋的激光器，其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時(shí)，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。該增益通常不僅與入射信號(hào)的頻率（或波長(zhǎng)）有關(guān)，而且與放大器內(nèi)任一點(diǎn)的局部光強(qiáng)有關(guān)，該頻率和光強(qiáng)與光增益的關(guān)系又取決于放大器介質(zhì)。43第43頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月

行波光放大器是一個(gè)沒有反饋的激光器。其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時(shí)，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。行波半導(dǎo)體光放大器44第44頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體激光器由于在解理面存在反射，當(dāng)偏流低于閾值時(shí)是放大器。減小腔體界面反射，可使激光器變?yōu)榉糯笃?。這種放大器就稱為F-P放大器。F-PSOA的結(jié)構(gòu)和原理45第45頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月F-P諧振腔反射率R越大，SOA的增益越大。但是，當(dāng)R超過一定值后，光放大器將變?yōu)榧す馄鳌．?dāng)GsR=1時(shí)，式（3.1.22）將變?yōu)闊o限大，此時(shí)，SOA產(chǎn)生激光發(fā)射。不同反射率時(shí)的F-PSOA的增益頻譜

46第46頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月減小LD解理端面反射反饋的方法47第47頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月角度解理面或有源區(qū)傾斜結(jié)構(gòu)。在解理面處的反射光束，因角度解理面的緣故已與前向光束分開。在大多數(shù)情況下，使用抗反射膜和有源區(qū)傾斜，可以使反射率小于<0.1%）圖3.1.21a減小反射率的方法48第48頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月有源區(qū)端面和解理面之間插入透明窗口區(qū)。光束在到達(dá)半導(dǎo)體和空氣界面前，在該窗口區(qū)已發(fā)散，經(jīng)界面反射的光束進(jìn)一步發(fā)散，只有極小部分光耦合進(jìn)薄的有源層。圖3.1.21b

減小反射率的方法49第49頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月光程差器件

在1.3.1節(jié)討論平面電磁波的時(shí)候，引入了在波矢量k傳播方向被分開的兩點(diǎn)間的相位差的概念，如式（1.3.4）所示。下面介紹幾種光程差器件：馬赫-曾德爾濾波器；馬赫-曾德爾干涉濾波復(fù)用/解復(fù)用器；電介質(zhì)鏡；介質(zhì)薄膜光濾波器解復(fù)用器。50第50頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.11馬赫-曾德爾濾波器馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉濾波器由兩個(gè)3dB耦合器串聯(lián)組成一個(gè)馬赫-曾德爾干涉儀，干涉儀的兩臂長(zhǎng)度不等，光程差為L(zhǎng)

。圖3.1.22馬赫-曾德爾（MZ）濾波器51第51頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月兩臂長(zhǎng)度差產(chǎn)生的相位差 式中n是波導(dǎo)折射率指數(shù)復(fù)合后每個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)光在滿足一定的相位條件下，在兩個(gè)輸出光纖中的一個(gè)相長(zhǎng)干涉，而在另一個(gè)相消干涉。如果在輸出端口3，滿足相長(zhǎng)條件，滿足相消條件，則輸出光；如果在輸出端口4，滿足相消條件，滿足相長(zhǎng)條件，則輸出光。

M-Z干涉濾波器工作原理

52第52頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.23級(jí)聯(lián)M-Z干涉濾波器

53第53頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.11

馬赫-曾德爾干涉濾波復(fù)用/解復(fù)用器在3.1.11節(jié)介紹的馬赫-曾德爾（M-Z）干涉濾波器只能讓復(fù)用信道中的一個(gè)信道通過，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)用信號(hào)的解復(fù)用。反過來用，這種濾波器也可以構(gòu)成多個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)用器。圖3.1.24由3個(gè)M-Z干涉儀組成的4信道復(fù)用器。每個(gè)M-Z干涉儀的一臂比另一臂長(zhǎng)，使兩臂之間產(chǎn)生與波長(zhǎng)有關(guān)的相移。光程差的選擇要使不同波長(zhǎng)的兩個(gè)輸入端的總功率只傳送到一個(gè)指定的輸出端，從而可以制成更有效的波分復(fù)用器。整個(gè)結(jié)構(gòu)可以用波導(dǎo)制作在一塊硅片上。54第54頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.13

從電介質(zhì)鏡到光子晶體

所有從前后相挨的兩個(gè)界面上反射的波都具有相長(zhǎng)干涉的特性，經(jīng)過幾層這樣的反射后，透射光強(qiáng)度將很小，而反射系數(shù)將達(dá)到1

（a）反射光相長(zhǎng)干涉（b）反射系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系圖3.1.25多層電介質(zhì)鏡工作原理55第55頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月電介質(zhì)鏡的工作原理56第56頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.26光子晶體這種折射率周期性變化的電介質(zhì)鏡是一種一維的光子晶體，如果折射率以二維或三維的方式變化，則可以構(gòu)成二維或三維的光子晶體，如圖3.1.26所示。一維光子晶體有一個(gè)頻率帶寬，在該帶寬內(nèi)它反射光；反過來說，有一個(gè)截止帶寬，在該帶寬內(nèi)光不能通過電介質(zhì)鏡。在折射率指數(shù)周期性變化的z方向，不允許一定頻率范圍的光波通過，這個(gè)頻帶就稱為光（或光子）帶隙。57第57頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月光子晶體應(yīng)用光子晶體應(yīng)用很廣，用它可以制作:控制光子流動(dòng)的高性能反射鏡;在拐角處能量損失很小的直角光子晶體波導(dǎo);分開波長(zhǎng)很接近光的波分復(fù)用棱鏡;以及可以制作無損耗、大模場(chǎng)直徑、色散可設(shè)計(jì)的單模光子晶體光纖等。58第58頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月光子晶體光纖光子晶體光纖（PhotonicCrystalFiber,PCF）是一種微結(jié)構(gòu)光纖，它的橫截面上有復(fù)雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長(zhǎng)大致在同一個(gè)量級(jí)，并且貫穿PCF整個(gè)長(zhǎng)度，光波可以被限制在低折射率的纖芯區(qū)傳播。有兩種PCF，一種是折射率導(dǎo)光型，一種是光子帶隙全反射型;前者用于色散控制、非線性光學(xué)、多芯光纖、雙包層光纖（見3.2.10節(jié)）和光纖傳感器等；后者用于大直徑單模光纖高功率導(dǎo)光、光纖傳感等方面。59第59頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.14介質(zhì)薄膜光濾波器解復(fù)用器在高折射率層反射光的相位不變，而在低折射率層反射光的相位改變180o。連續(xù)反射光在前表面相長(zhǎng)干涉復(fù)合，在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生高能量的反射光束，在這一范圍之外，則反射很小。這樣通過多層介質(zhì)膜的干涉，就使一些波長(zhǎng)的光通過，而另一些波長(zhǎng)的光透射。60第60頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.28用介質(zhì)薄膜濾波器構(gòu)成的幾種解復(fù)用器61第61頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.28用介質(zhì)薄膜濾波器構(gòu)成的幾種解復(fù)用器插入損耗2波復(fù)用為1.5dB，6波復(fù)用為2dB，所以插入損耗很低，但是波長(zhǎng)不能微調(diào)。62第62頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.15自由電子激光器自由電子激光器（FEL）工作介質(zhì)是電子，直接由受控的通過電子加速器加速的高能定向電子束產(chǎn)生激光輻射。在空間周期變化磁場(chǎng)中，只要改變電子束的速度，就可產(chǎn)生可調(diào)諧的、波長(zhǎng)從X射線到微波的相干電磁輻射。這種激光器的波長(zhǎng)和功率不再像傳統(tǒng)激光器那樣受限于激光工作介質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)，激光波長(zhǎng)可通過改變電子束能量大小和磁場(chǎng)強(qiáng)弱來調(diào)諧。但是，這種激光器的工作原理仍然是基于帶有反射鏡的光學(xué)諧振腔運(yùn)行機(jī)制，或者是基于這種波長(zhǎng)的種子激光與接近光速的電子束相互作用時(shí)滿足共振（諧振）關(guān)系的運(yùn)行機(jī)制

63第63頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.29高增益自由電子激光器（FEL）基本構(gòu)成原理示意圖自由電子激光是一種使用接近光速的電子束通過周期性變化的磁場(chǎng)，以受激輻射方式放大電磁輻射的新型強(qiáng)相干光源，可分為低增益和高增益兩種類型。通常，高增益FEL由高亮度電子槍、射頻直線加速器和波振蕩器系統(tǒng)三部分組成。電子槍和直線加速器提供品質(zhì)優(yōu)異的高能電子束，之后電子束被注入到磁極性交替變換的電磁波振蕩器中，使電子做扭擺運(yùn)動(dòng)，輻射場(chǎng)與電子束相互作用，而在其前進(jìn)方向上自發(fā)地發(fā)射電磁輻射。

64第64頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月自由電子激光器工作原理低增益FEL以帶有反射鏡的光學(xué)諧振腔FEL為代表，主要應(yīng)用在太赫茲（THz）、紅外和可見光波段，它的基本工作原理是通過光學(xué)諧振腔將電子束產(chǎn)生的自發(fā)輻射進(jìn)行多次反射、不斷放大，最后達(dá)到飽和輸出。高增益FEL利用高品質(zhì)的電子束僅單次通過一個(gè)足夠長(zhǎng)的電磁波振蕩器，實(shí)現(xiàn)了光場(chǎng)的指數(shù)式增益放大，并最終達(dá)到高功率FEL的飽和輸出。種子型高增益自由電子激光器是在圖3.1.29所示基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)相干性好的激光作為種子激光，使其在電磁波振蕩器中與電子束相互作用，種子激光的波長(zhǎng)同樣必須滿足共振（諧振）條件，這樣的相互作用，可對(duì)種子激光直接放大；也可通過調(diào)制，使電子束產(chǎn)生微群聚，并同時(shí)將種子激光的相位信息傳遞給電子束，進(jìn)而使電子束通過波振蕩器產(chǎn)生相干輻射。65第65頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2光的衍射及應(yīng)用3.2.1弗瑯荷費(fèi)衍射3.2.2衍射光柵3.2.3反射光柵解復(fù)用器3.2.4陣列SOA集成光柵腔體波長(zhǎng)可調(diào)激光器3.2.5布拉格光柵3.1.6光纖光柵濾波器3.2.7布拉格光柵——分布反饋激光器的基礎(chǔ)3.2.8波長(zhǎng)可調(diào)激光器/光放大器3.2.9垂直腔表面發(fā)射激光器3.2.10光纖激光器66第66頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月光的衍射

彌散（Airy，愛里）環(huán)波的一個(gè)重要特性是它的衍射效應(yīng)，光的衍射是指直線傳播的光實(shí)際上繞射到障礙物背后去的一種現(xiàn)象;

例如聲波在傳播過程中可以彎曲和偏轉(zhuǎn);光波也有類似的特性，例如一束光在遇到障礙物時(shí)也彎曲傳播，盡管這種彎曲很小。圖3.2.1a表示準(zhǔn)直光通過孔徑為a的小孔時(shí)產(chǎn)生光的偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生明暗相間的光強(qiáng)花紋，稱為彌散（Airy，愛里）環(huán)，這種現(xiàn)象稱為光的衍射，光強(qiáng)的分布圖案稱為衍射光斑;衍射現(xiàn)象通常分為兩類：弗瑯荷費(fèi)（Fraunhofer）衍射和菲涅耳（Fresnel）衍射。

67第67頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月菲涅耳

（Fresnel，1788～1827）法國物理學(xué)家，光的波動(dòng)性理論的主要提倡者

68第68頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.2.1光的弗瑯荷費(fèi)衍射

在弗瑯荷費(fèi)衍射中，入射光束是平面波（準(zhǔn)直光束），衍射光斑的觀察或探測(cè)遠(yuǎn)離孔徑，因此接收波也是一個(gè)平面波。我們可以把裂縫寬度a劃分成N個(gè)相干的光源，每個(gè)長(zhǎng)，如果N足夠大，就可把該光源看做點(diǎn)光源。

69第69頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月衍射光柵相長(zhǎng)干涉

出現(xiàn)強(qiáng)度最大的

光斑位置條件70第70頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2衍射光柵最簡(jiǎn)單的衍射光柵是在不透明材料上具有一排周期性分布的裂縫。入射光波在一定的方向上被衍射，該方向與波長(zhǎng)和光柵特性有關(guān)。圖3.2.3（b）表示光通過有限數(shù)量的裂縫后，接收到的衍射光強(qiáng)分布。由圖可見，沿一定的方向（）具有很強(qiáng)的衍射光束，根據(jù)它們出現(xiàn)位置的不同分別標(biāo)記為零階（中心）及其分布在其兩側(cè)的一階和二階等。假如光通過無限數(shù)量的裂縫，則衍射光波具有相同的強(qiáng)度。事實(shí)上，任何折射率的周期性變化，都可以作為衍射光柵。我們假定入射光束是平行波，因此裂縫變成相干光源。并假定每個(gè)裂縫的寬度a比把裂縫分開的距離d更小，如圖3.2.3（a）所示。從兩個(gè)相鄰裂縫以角度

發(fā)射的光波間的路徑差是dsin（或圖3.2.1中的ysin）。71第71頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月衍射方程——為布拉格衍射條件72第72頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月澳大利亞出生的英國物理學(xué)家布拉格（Bragg，1890～1971）于25歲時(shí)發(fā)明，并獲得了諾貝爾獎(jiǎng)73第73頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.2.4三種不同的光柵衍射光柵可以分為傳輸光柵和反射光柵。入射光波和衍射光波在光柵兩側(cè)的是傳輸光柵，如圖3.2.4（a）所示；同在光柵一側(cè)的是反射光柵，如圖3.2.4（b）所示。光柵是由周期性變化的反射表面構(gòu)成的，這可通過在金屬薄膜上刻蝕平行的凹槽得到。沒有刻蝕表面的反射可作為同步的二次光源，它們發(fā)射的光波沿一定的方向干涉就產(chǎn)生零階、一階和二階等衍射光波。74第74頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3反射光柵解復(fù)用器圖3.2.5光柵型解復(fù)用器圖3.2.5（b）為反射光柵解復(fù)用器原理圖。輸入的多波長(zhǎng)復(fù)合信號(hào)聚焦在反射光柵上，光柵對(duì)不同波長(zhǎng)光的衍射角不一樣，從而把復(fù)合信號(hào)分解為不同波長(zhǎng)的分量，然后由透鏡聚焦在每根輸出光纖上。使用漸變折射率透鏡可以簡(jiǎn)化裝置，使器件相當(dāng)緊湊，如圖3.2.5（c）所示。75第75頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4陣列SOA集成光柵腔體

波長(zhǎng)可調(diào)激光器這種激光器發(fā)射波長(zhǎng)可以精確設(shè)置在指定位置。借助激活該器件的不同SOA，不同波長(zhǎng)梳中的任一波長(zhǎng)光均可發(fā)射，其波長(zhǎng)間距也可以精確地預(yù)先確定，而且該器件的制造也比較簡(jiǎn)單，除半絕緣電流阻擋層外，僅使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻掩埋技術(shù)和干/濕化學(xué)腐蝕技術(shù)。76第76頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.2.6陣列SOA集成光柵腔體波長(zhǎng)可調(diào)激光器

該激光器由一個(gè)集成的固定光柵和一個(gè)SOA陣列組成。當(dāng)注入電流泵浦SOA陣列中的任何一個(gè)時(shí)，該SOA就以它在光柵中的相對(duì)位置確定的波長(zhǎng)發(fā)射光譜。因?yàn)檫@種幾何位置是被光刻掩埋精確定位的，所以SOA發(fā)射波長(zhǎng)在光梳中的位置也是精確定位的。77第77頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.5布拉格光柵布拉格（Bragg）光柵由間距為的一列平行半反射鏡組成，

稱為布拉格間距，如圖3.2.7所示。如果半反射鏡數(shù)量N（布拉格周期）足夠大，那么對(duì)于某個(gè)特定波長(zhǎng)的光信號(hào)，從第一個(gè)反射鏡反射出來的總能量約為入射的能量，即使功率反射系數(shù)R很小。布拉格光柵的基本特性就是以共振波長(zhǎng)為中心的一個(gè)窄帶光學(xué)濾波器，該共振波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng)。式（3.2.14）的物理意義是，光柵的作用如同強(qiáng)的反射鏡，該原理適用于光纖光柵、分布反饋（DFB）激光器和分布布拉格反射（DBR）激光器等。

78第78頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月

布拉格光柵

79第79頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.6光纖光柵濾波器光纖光柵是利用光纖中的光敏性而制成的。所謂光敏性，是指強(qiáng)激光（在10~40

ns脈沖內(nèi)產(chǎn)生幾百毫焦耳的能量）輻照摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化的大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系。例如，用特定波長(zhǎng)的激光干涉條紋（全息照相）從側(cè)面輻照摻鍺光纖，就會(huì)使其內(nèi)部折射率呈現(xiàn)周期性變化，就像一個(gè)布拉格光柵，成為光纖光柵，如圖3.2.8（a）所示。這種光柵大約在500℃以下穩(wěn)定不變，但用500℃以上的高溫加熱時(shí)就可擦除。在InP襯底上用材料制成凸凹不平結(jié)構(gòu)的表面，就構(gòu)成了一個(gè)間距為的布拉格光柵，如圖3.2.8（b）所示。80第80頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.2.8光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵是一小段光纖，其纖芯折射率經(jīng)兩束相互干涉的紫外光照射后產(chǎn)生周期性地調(diào)制，干涉條紋周期由兩光束之間的夾角決定。大多數(shù)光纖的纖芯對(duì)于紫外光來說是光敏的，將纖芯直接曝光于紫外光下將導(dǎo)致纖芯折射率永久性變化。81第81頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.2.8光纖布拉格光柵強(qiáng)激光輻照摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化的大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系。如用特定波長(zhǎng)的激光干涉條紋（全息照相）從側(cè)面輻照摻鍺光纖，就會(huì)使其內(nèi)部折射率呈現(xiàn)周期性變化，就象一個(gè)布拉格光柵，成為光纖光柵82第82頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.2.9光纖光柵帶通濾波器利用光纖布拉格光柵反射布拉格共振波長(zhǎng)附近光的特性，可以做成波長(zhǎng)選擇分布式反射鏡或帶阻濾光器如果在一個(gè)22光纖耦合器輸出側(cè)的兩根光纖上寫入同樣的布拉格光柵，則還可以構(gòu)成帶通濾波器

83第83頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.7分布反饋激光器

——布拉格光柵的應(yīng)用在光纖通信系統(tǒng)中，最常用的激光器是分布反饋（DFB）激光器，它是一種單縱模（SLM）或單頻半導(dǎo)體激光器。單頻激光器是指半導(dǎo)體激光器的頻譜特性只有一個(gè)縱模（譜線）的激光器。DFB激光器工作原理離不開光的衍射現(xiàn)象。除小孔衍射、裂縫衍射外，事實(shí)上，任何物質(zhì)折射率的周期性變化，都可以作為衍射光柵。利用DFB原理制成的半導(dǎo)體激光器可分為兩類：分布反饋（DFB）激光器和分布布拉格反射（DBR）激光器。84第84頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月在普通LD中，只有有源區(qū)在其界面提供必要的光反饋；但在DFB激光器內(nèi)，光的反饋就像DFB名稱所暗示的那樣，不僅在界面上，而且分布在整個(gè)腔體長(zhǎng)度上。

DFBLD的諧振腔損耗與模式有關(guān)，不同的縱模具有不同的損耗。這是通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使DFBLD內(nèi)部具有一個(gè)對(duì)波長(zhǎng)有選擇性的衍射光柵，從而使只有滿足布拉格波長(zhǎng)條件的（

mB/2）光波才能建立起振蕩。圖3.2.10DFBLD結(jié)構(gòu)及其原理85第85頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.2.11DBRLD結(jié)構(gòu)及其原理DBR激光器除有源區(qū)外，還在緊靠其右側(cè)增加了一段分布式布拉格反射器，它起著衍射光柵的作用。DBR激光器的輸出是反射光相長(zhǎng)干涉的結(jié)果。只有當(dāng)波長(zhǎng)等于兩倍光柵間距時(shí)，反射波才相互加強(qiáng)，發(fā)生相長(zhǎng)干涉。例如當(dāng)部分反射波A和B具有路程差2

時(shí)，它們才發(fā)生相長(zhǎng)干涉。86第86頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.2.12單縱模為主模的半導(dǎo)體激光器增益和損耗曲線DBR激光器與法布里-珀羅激光器相比，其激光發(fā)射的閾值條件有所不同。它的諧振腔損耗不再與模式無關(guān)，而是設(shè)計(jì)成對(duì)不同的縱模具有不同的損耗；由圖可見，增益曲線首先和具有最小損耗模式曲線接觸的模開始起振，并且變成主模。其他相鄰模式由于其損耗較大，不能達(dá)到閾值，因而也不會(huì)從自發(fā)輻射中建立起振蕩。87第87頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.8

波長(zhǎng)可調(diào)激光器/光放大器用工作在1.55m波段的材料，制成內(nèi)部包含一個(gè)或多個(gè)布拉格光柵的平板波導(dǎo)，就構(gòu)成DBR半導(dǎo)體激光器，它的波長(zhǎng)調(diào)諧可通過對(duì)諧振腔注入電流實(shí)現(xiàn)。類似于多腔DBR半導(dǎo)體激光器使用的相位控制腔，也用于DBR激光器的調(diào)諧。這種調(diào)諧速度很快，約為幾個(gè)納秒，而且可以提供增益。因?yàn)樗鼈兪褂猛环N半導(dǎo)體材料，所以可以把放大器、接收機(jī)和激光器集成在一起。InGaAsP/InP激光器的這些特性對(duì)WDM應(yīng)用很有吸引力。88第88頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.2.13波長(zhǎng)可調(diào)諧耦合腔半導(dǎo)體構(gòu)構(gòu)成單縱模（SLM）激光器的一個(gè)簡(jiǎn)單方式是從半導(dǎo)體激光器耦合出部分光能，到外部衍射光柵。通過簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)光柵，可在較寬范圍內(nèi)對(duì)波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧（典型值為50nm）。這種激光器的缺點(diǎn)是不能單片集成在一起。

DFB和DBR的多腔設(shè)計(jì)，可解決激光器的穩(wěn)定性和調(diào)諧性不能同時(shí)兼顧的矛盾。通過控制注入三腔的電流，激光器的波長(zhǎng)可在5~7nm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。89第89頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月耦合腔半導(dǎo)體激光器耦合腔半導(dǎo)體激光器可以實(shí)現(xiàn)單縱模工作，這是靠把光耦合到一個(gè)外腔實(shí)現(xiàn)的，如圖3.2.13所示。外腔鏡面把光的一部分反射回激光腔。外腔反饋回來的光不一定與激光腔內(nèi)的光場(chǎng)同相位，因?yàn)樵谕馇恢挟a(chǎn)生了相位偏移。只有波長(zhǎng)幾乎與外腔縱模中的一個(gè)模相同時(shí)才能產(chǎn)生同相反饋。實(shí)際上，面向外腔的激光器界面的有效反射與波長(zhǎng)有關(guān)，從而導(dǎo)致產(chǎn)生如圖3.2.12所示的損耗曲線，它最接近增益峰，并且具有最低腔體損耗的縱模才變成主模。90第90頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月DBR波長(zhǎng)可調(diào)激光器91第91頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4.4.4商用波長(zhǎng)可調(diào)LD和調(diào)制器集成了波長(zhǎng)可調(diào)激光器、放大器和調(diào)制器的PIC92第92頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.9垂直腔表面發(fā)射激光器垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser）顧名思義，它的光發(fā)射方向與腔體垂直，而不是像普通激光器那樣，與腔體平行。這種激光器的光腔軸線與注入電流方向相同。93第93頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.2.15VCSEL激光器示意圖顧名思義，它的光發(fā)射方向與腔體垂直，而不是像普通激光器那樣，與腔體平行。這種激光器的光腔軸線與注入電流方向相同。有源區(qū)的長(zhǎng)度L與邊發(fā)射器件比較非常短，光發(fā)射是從腔體表面，而不是腔體邊沿。腔體兩端的反射器是由3.3.3節(jié)介紹的電介質(zhì)鏡組成，即由厚度為的高低折射率層交錯(cuò)組成。94第94頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月VCSEL激光器95第95頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月VCSEL激光器工作原理96第96頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月VCSEL激光器陣列97第97頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月VCSEL激光器98第98頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.10光纖激光器將光纖放大器放在能提供光反饋的光纖諧振腔內(nèi)，就可以轉(zhuǎn)化為激光器，這種激光器就稱為光纖激光器（fiberlaser）。光纖放大器可以由摻雜光纖實(shí)現(xiàn)，光纖諧振腔可以在摻雜光纖兩端制作布拉格光柵提供。所以光纖激光器就是由摻雜光纖提供增益的激光器，許多稀土元素，如鉺、銩和鐿等都可以用于制造光纖激光器。與固體激光器類似，光纖激光器輸出波長(zhǎng)與摻雜元素有關(guān)，一般位于近紅外區(qū)域，其工作波長(zhǎng)在0.4～4m之間。從1989年開始，研究焦點(diǎn)集中在摻鉺光纖激光器上，因?yàn)樗茉?.55m波段產(chǎn)生超短脈沖。2000年后，摻鐿光纖激光器由于增益譜和吸收譜較寬（可達(dá)152nm），覆蓋了1010～1162nm波長(zhǎng)范圍，具有產(chǎn)生高功率的潛力而重新受到關(guān)注。99第99頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.2.17光纖激光器構(gòu)成圖把摻鉺光纖相隔一定長(zhǎng)度的兩處寫入光柵，兩光柵之間相當(dāng)于諧振腔，用980nm或1480nm泵浦激光激發(fā)，鉺離子就會(huì)產(chǎn)生增益放大。由于光柵的選頻作用，諧振腔只能反饋某一特定波長(zhǎng)的光，輸出單頻激光，再經(jīng)過光隔離器即能輸出線寬窄、功率高和噪聲低的激光，100第100頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月雙包層光纖激光器早期，光纖激光器都是將泵浦光直接入射到光纖纖芯中進(jìn)行泵浦，如圖3.2.16a所示。但是，因纖芯非常細(xì)，高強(qiáng)度泵浦光耦合到細(xì)小的纖芯非常困難，同時(shí)也會(huì)引起不必要的非線性效應(yīng)，所以，從上世紀(jì)80年代后期開始，光纖激光器就采用雙包層光纖（DCF），如圖3.2.16b所示。在這種雙包層光纖激光器中，信號(hào)光仍在纖芯單模波導(dǎo)中傳輸，而泵浦光則改在內(nèi)包層多模波導(dǎo)中傳輸。內(nèi)包層由折射率比纖芯低的SiO2制成，一方面約束信號(hào)光在纖芯中傳輸，一方面又讓泵浦光通過。內(nèi)包層的種類很多，可以是圓形、矩形、正六角形等，但截面積都比較大（圓形的直徑為數(shù)百微米），數(shù)值孔徑大（約為0.46），允許更多的泵浦光功率進(jìn)入，同時(shí)功率密度也低，可以使用大功率多模LD進(jìn)行有效的泵浦。外包層由低折射率聚合物（樹脂材料）制成，相對(duì)泵浦光起到包層的作用。因?yàn)樾枰髷?shù)值孔徑的內(nèi)包層，所以內(nèi)包層和外包層的折射率差比較大。101第101頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.2.16a用摻鐿普通單模光纖（纖芯數(shù)值孔徑小）作為增益介質(zhì)用于光纖激光器102第102頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖3.2.16b用摻鐿雙包層單模光纖（內(nèi)包層數(shù)值孔徑大）作為增益介質(zhì)用于光纖激光器103第103頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.2.18由5段鉺光纖光柵構(gòu)成5個(gè)波長(zhǎng)的激光源近年來，隨著大模場(chǎng)面積雙包層摻雜光纖制造工藝和激光二極管泵浦技術(shù)的發(fā)展，單根單模雙包層光纖激光器的輸出功率迅速提高。高能單模光纖激光器光纖插頭輸出功率可達(dá)10kW，電光效率大于30%，甚至有輸出50kW的系統(tǒng)。104第104頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)借O光纖激光器摻鐿光纖激光器仍處于發(fā)展中的高功率激光系統(tǒng)，由于電光效率高、熱管理方便、結(jié)構(gòu)緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)高功率和高光束質(zhì)量激光輸出，摻鐿光纖激光器輸出功率潛力及軍事應(yīng)用前景被普遍看好，得到非常多的關(guān)注。在美國海軍激光武器系統(tǒng)項(xiàng)目中，最近成功演示了光纖激光器的軍事應(yīng)用。同時(shí)光纖激光器進(jìn)軍材料加工領(lǐng)域后，正在逐步替代CO2激光器的統(tǒng)治地位，因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)能夠與大多數(shù)金屬更好地耦合，并且利用光纖可以很方便地將激光導(dǎo)入到工作臺(tái)。105第105頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3陣列波導(dǎo)光柵

（AWG）器件3.3.1AWG星形耦合器3.3.2陣列波導(dǎo)光柵（AWG）的工作原理3.3.3AWG復(fù)用/解復(fù)用器3.3.4AWG多頻激光器3.3.5AWG濾波器3.3.6AWG分插復(fù)用器3.3.7AWGPIC多信道光接收機(jī)3.3.8AWG用于LED頻譜分割多波長(zhǎng)光源3.3.9AWG用于ONU無色WDM-PON106第106頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1AWG星形耦合器AWG星形耦合器是一種集成光學(xué)結(jié)構(gòu)，它是在對(duì)稱扇形結(jié)構(gòu)的輸入和輸出波導(dǎo)陣列之間插入一塊聚焦平板波導(dǎo)區(qū)，即在Si或InP平面波導(dǎo)襯底上制成的自由空間耦合區(qū)，它的作用是把連接到任一輸入波導(dǎo)的單模光纖的輸入光功率輻射進(jìn)入該區(qū)，均勻地分配到每個(gè)輸出端，讓輸出波導(dǎo)陣列有效地接收，如圖3.3.3所示。107第107頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.3.1a相位中心星形耦合器

輸入陣列波導(dǎo)法線方向直接指向輸出陣列波導(dǎo)的相位中心P點(diǎn)，輸出法線方向直接指向輸入波導(dǎo)的相位中心Q點(diǎn)；其目的是為了確保當(dāng)發(fā)射陣列的邊緣波導(dǎo)有出射光時(shí)，接收陣列的邊緣波導(dǎo)能夠接收到相同的功率。108第108頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月（b）光柵圓-羅蘭圓中心耦合區(qū)原理圖

自由空間區(qū)兩邊的輸入/輸出波導(dǎo)的位置滿足羅蘭圓和光柵圓規(guī)則，即輸入/輸出波導(dǎo)的端口以等間距設(shè)置在半徑為R的光柵圓周上，并對(duì)稱地分布在聚焦平板波導(dǎo)的兩側(cè)，輸入波導(dǎo)端面法線方向指向右側(cè)光柵圓的圓心P點(diǎn)；輸出波導(dǎo)端面的法線方向指向左側(cè)光柵圓的圓心Q點(diǎn)。兩個(gè)光柵圓周的圓心在中心輸入/輸出波導(dǎo)的端部，并使中心輸入和輸出波導(dǎo)位于光柵圓與羅蘭圓的切點(diǎn)處。109第109頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2陣列波導(dǎo)光柵

（AWG）的工作原理平板陣列波導(dǎo)光柵（AWG）器件由N個(gè)輸入波導(dǎo)、N個(gè)輸出波導(dǎo)、兩個(gè)在3.3.1節(jié)介紹的NM平板波導(dǎo)星形耦合器以及一個(gè)有M個(gè)波導(dǎo)的平板陣列波導(dǎo)光柵組成，這里M可以等于N，也可以不等于N。N

M平板波導(dǎo)星形耦合器中心耦合區(qū)如圖3.3.1所示。這種光柵相鄰波導(dǎo)間具有恒定的路徑長(zhǎng)度差，如圖3.3.2（a）所示。110第110頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)AWG構(gòu)成原理圖（b）表示AWG頻譜特性的傳輸特性

圖3.3.2陣列波導(dǎo)光柵（AWG）111第111頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月從干涉理論解釋

陣列波導(dǎo)光柵（AWG）工作原理112第112頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月從光程差解釋

AWG的工作機(jī)理AWG光柵工作原理是基于馬赫-曾德爾干涉儀的原理，即多個(gè)相干單色光經(jīng)過不同的光程傳輸后的干涉理論。由于陣列波導(dǎo)中的波導(dǎo)長(zhǎng)度不等，相位延遲也不等，其相鄰波導(dǎo)間的相位差為這里

k是波矢量，k=2n/，是相鄰波導(dǎo)間的路徑長(zhǎng)度差，通常為幾十微米，所以輸出端口與波長(zhǎng)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

113第113頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月陣列波導(dǎo)光柵（AWG）參數(shù)114第114頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.3.31616AWG的TM波輸出頻譜當(dāng)光頻增加c/2nL時(shí)，相位增加2，傳輸函數(shù)以自由光譜范圍FSR為周期重復(fù)115第115頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3陣列波導(dǎo)光柵（AWG）

復(fù)用/解復(fù)用器116第116頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月陣列波導(dǎo)光柵（AWG）復(fù)用/解復(fù)用器工作原理這種光柵相鄰波導(dǎo)間具有恒定的路徑長(zhǎng)度差L，如圖3.3.4所示。輸入光從第一個(gè)星形耦合器輸入，該耦合器把光功率幾乎平均地分配到波導(dǎo)陣列輸入端中的每一個(gè)波導(dǎo)，由于陣列波導(dǎo)中的波導(dǎo)長(zhǎng)度不等，相位延遲也不等，由式（3.3.3）可知，其相鄰波導(dǎo)間的相位差為:AWG光柵工作原理是基于馬赫-曾德爾干涉儀的原理，即兩個(gè)相干單色光經(jīng)過不同的光程傳輸后的干涉理論。所以輸出端口與波長(zhǎng)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，也就是說，由不同波長(zhǎng)組成的入射光束經(jīng)陣列波導(dǎo)光柵傳輸后，依波長(zhǎng)的不同就出現(xiàn)在不同的波導(dǎo)出口上。

117第117頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.3.54040Gb/s多信道發(fā)送機(jī)每信道40Gb/s，有40個(gè)信道；每個(gè)發(fā)送信道包含一個(gè)具有后向功率監(jiān)控的調(diào)諧DFB激光器，一個(gè)電吸收調(diào)制器(EAM)，一個(gè)功率平坦元件（PEE）和前向功率監(jiān)控器。PEE用來均衡每個(gè)信道的輸出功率陣列波導(dǎo)光柵(AWG)用來復(fù)用40個(gè)不同波長(zhǎng)信道。118第118頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月(c)40個(gè)信道歸一化頻譜曲線119第119頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月(d)40個(gè)信道的光頻安排信道間距是50GHz;設(shè)計(jì)制造的40信道的AWG滿足這種要求120第120頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月（b）1010Gb/s多信道發(fā)送機(jī)模塊

121第121頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4AWG多頻激光器中間是波導(dǎo)光柵路由器（WGR）濾波器右側(cè)是陣列半導(dǎo)體光放大器（SOA）左側(cè)是一個(gè)功率放大SOA芯片右側(cè)鏡面鍍高反射率（HR）膜，左側(cè)則鍍半反射膜以便輸出AWG多頻激光器諧振腔的光。122第122頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月(b)AWG多頻激光器頻譜圖AWG多頻激光器的信道間距取決于AWG腔體內(nèi)的波導(dǎo)光柵路由器的幾何尺寸；因此，每個(gè)激光器的波長(zhǎng)非常穩(wěn)定，制造時(shí)可重復(fù)性好。AWG多頻激光器123第123頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.5AWG濾波器通常濾波器的調(diào)諧既可以用改變折射率指數(shù)實(shí)現(xiàn)，也可以用機(jī)械改變F-P腔的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)。電流注入改變折射率指數(shù)調(diào)諧速度很快（納秒量級(jí)），然而電流改變與調(diào)諧特性的關(guān)系卻很難預(yù)見，也很難重復(fù)，機(jī)械調(diào)諧的速度又很慢。為了克服以上的這些缺點(diǎn)，科學(xué)家們?cè)贗nP襯底上開發(fā)出了基于陣列波導(dǎo)光柵（AWG）和半導(dǎo)體光放大器（SOA）的數(shù)字調(diào)諧濾波器，其PIC芯片尺寸為618mm2。這種AWG在輸入和輸出端分別安排2個(gè)相同的AWG，而在中間集成了一個(gè)SOA與它們相連，如圖3.3.7（a）所示。124第124頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.3.7基于AWG路由器和SOA的數(shù)字調(diào)諧濾波器AWG路由器在輸入和輸出端分別安排2個(gè)相同的AWG，而在中間又集成了一個(gè)半導(dǎo)體光放大器（SOA）陣列與它們相連；第1個(gè)AWG用作波分解復(fù)用；第2個(gè)AWG用作WDM復(fù)用器，。125第125頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月陣列波導(dǎo)光柵(AWG)濾波器該單片集成濾波器可以作為信道分出（下載）濾波器，信道均衡器，WDM接收機(jī)和WDM光源。波長(zhǎng)信道是數(shù)字接入，而間距是由波導(dǎo)光柵路由器（WGR）的幾何尺寸確定，因此具有高的精度和可重復(fù)性在WDM系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。126第126頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.3.7基于AWG路由器和SOA的數(shù)字調(diào)諧濾波器(b)只有一個(gè)信道被SOA接通輸出頻譜(c)SOA接通輸出功率和輸入信號(hào)波長(zhǎng)的關(guān)系127第127頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.6AWG光分插復(fù)用器利用1N解復(fù)用器和N1復(fù)用器，可以構(gòu)成常規(guī)的OADM。利用AWGNN解復(fù)用器/復(fù)用器卻可以構(gòu)成星形NN波長(zhǎng)分插復(fù)用（ADM）互聯(lián)系統(tǒng)，如圖3.3.8所示。128第128頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.7AWG

光分插復(fù)用器圖3.3.8用AWG構(gòu)成的NN星形波長(zhǎng)分插復(fù)用（ADM）互聯(lián)系統(tǒng)(a)分插復(fù)用器構(gòu)成原理圖(b)所有端口都環(huán)回在一起時(shí)輸出端口9b的頻譜響應(yīng)129第129頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.3.8用AWG構(gòu)成的NN星形波長(zhǎng)分插復(fù)用（ADM）互聯(lián)系統(tǒng)(c)13a-13b斷開時(shí)輸出端口9b的頻譜響應(yīng)(d)13a-13b斷開時(shí)13b端口的頻譜響應(yīng)130第130頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.7AWGPIC

多信道光接收機(jī)單片集成了AWG路由（WGR）波長(zhǎng)解復(fù)用器和陣列PIN光電探測(cè)器并且在PIN之后又集成了異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）作為前置放大器

131第131頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.3.10平面波導(dǎo)集成電路（PIC）

多信道光接收機(jī)1010Gb/s的WDM光信號(hào)由AWG解復(fù)用AWG輸出進(jìn)入PIN光電探測(cè)器陣列。132第132頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月PIC多信道光接收機(jī)照片133第133頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.8AWG用于多波長(zhǎng)光源圖3.3.11使用陣列波導(dǎo)光柵（AWG）對(duì)寬譜光進(jìn)行光譜分割首先用信號(hào)光調(diào)制LED的輸出光，然后將其輸出連接到AWG的輸入端，此時(shí)LED的寬光譜就被AWG分割成許多波長(zhǎng)的光信號(hào)，在AWG的每個(gè)端口輸出。其結(jié)果是將調(diào)制后的信號(hào)以不同的波長(zhǎng)分配給許多用戶，這些不同的波長(zhǎng)是由AWG的特性決定的。134第134頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.9AWG用于ONU無色WDM-PON

圖3.3.12

ONU寬譜光源WDM

-

PON

系統(tǒng)的上行部分135第135頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.3.13ONU中無光源WDM-

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上行系統(tǒng)所有的ONU共用的寬譜光源置于OLT處，并通過AWG進(jìn)行譜分割，然后向每個(gè)ONU提供波長(zhǎng)互不相同的光信號(hào)，而ONU直接對(duì)此光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以產(chǎn)生上行信號(hào)。136第136頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4光纖轉(zhuǎn)速傳感器——光纖陀螺陀螺儀（Gyroscope）是一種光程差干涉器件，它是導(dǎo)航、精密測(cè)量、姿態(tài)控制、定位等的關(guān)鍵設(shè)備。目前，波音、空客等飛機(jī)和衛(wèi)星、宇宙飛船都已采用了激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。由于光纖陀螺體積小、質(zhì)量輕、動(dòng)態(tài)范圍寬，精度可從低到高，因此在軍事上它可用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船與坦克等許多運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)。137第137頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1真空中的薩格奈克效應(yīng)所有陀螺儀是根據(jù)薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)構(gòu)成的，該效應(yīng)是在一個(gè)環(huán)路中以相對(duì)方向傳輸?shù)膬墒獾母缮娆F(xiàn)象，當(dāng)環(huán)路以角速度

旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)愛因斯坦相對(duì)論，這兩束光將產(chǎn)生一個(gè)與角速度

成正比的光程差L。138第138頁，課件共150頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖3.4.2真空中的薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)假如有一只半徑為R的圓盤，它以角速度