【正文】 從而，實驗所得的數(shù)據(jù)有限，從而該論文對于此摻餌光纖光源在實際應(yīng)用過程中的指導(dǎo)意義也又一定的局限性。使得對光源的進一步完善提供了可能。 （3）運用的理論分析，介紹了摻鉺光纖超熒光光源的基本原理，同時在此基礎(chǔ)上，對摻鉺光纖光源的制作進行了詳細的介紹。（2）對摻鉺光纖光源研制過程中的主要光電器件從原理及性能等方面作了系統(tǒng)的描述。論文主要利用實驗室的現(xiàn)有條件，圍繞寬摻鉺光纖光源進行了一些理論和實驗研究。C 波段光源已經(jīng)非常成熟化，目前主要的研究 L 波段和 C+L 波段的寬帶光源。以摻鉺光纖為主要核心的摻鉺光纖放大器和摻鉺光纖光源自 1987 年以來一直是光纖通信領(lǐng)域的研究熱點。若將短波方向的光部分引回光纖，以提高長波的功率，使其與短波方向功率相匹配，則可同時得到C＋L 波段的 ASE 輸出 [1922]。在實驗中我們通過改變泵浦功率觀察輸出光譜，發(fā)現(xiàn)輸出功率隨著泵浦功率的變化，平坦度有所改變。隨著抽運光功率的增加，粒子得以反轉(zhuǎn)充分，出射光向短波長方向偏移，在 1531nm 附近出現(xiàn)一個較為明顯的波峰，且峰值處的增長速率遠遠高于其它波長處。另外，從表 41 中分析可知，隨著泵浦電流的增加，光源的波峰并不是一個固定的值，它將向短波方向發(fā)生漂移，但改變值并不是很大，泵浦電流從 100mA 增加到 200mA 的過程中，光源波峰向短波方向漂移了。在泵浦電流增加的過程中光源的輸出功率比泵浦電流減小過程中的輸出功率相對要大一些，即兩個值并不完全擬合（見圖 44） 。圖 43 實驗裝置圖 實驗數(shù)據(jù)分析及結(jié)論摻鉺光纖光源的輸出功率隨抽運電流變化如表 41 所示，基本上呈線性關(guān)系變化。此外，在溫度控制系統(tǒng)內(nèi)，還有一塊是用于實現(xiàn)摻鉺光纖光源輸出功率的可調(diào)節(jié)控制。為了使泵浦激光器有穩(wěn)定的輸出功率，在光纖光源箱內(nèi)部集成了自動溫度控制系統(tǒng) (見圖 42)。 。所用的摻鉺光纖的截止波長為800~960nm，在 1200nm 處的光纖損耗＜5dB/km，1530nm 處的峰值吸收系數(shù)為~，數(shù)值孔徑(NA) 為 177。與雙程前向裝置相比，雙程后向裝置具有更高的輸出功率，更好的波長穩(wěn)定性以及更大的線寬 [1611]。單程裝置只利用了一個方向的自發(fā)輻射，而雙程裝置則包括了兩個方向的自發(fā)輻射，所以雙程裝置要比單程裝置有更高的轉(zhuǎn)換效率和較低的泵浦功率。圖36(a)所示為單程前向裝置(SPF)，圖 36(b)所示為單程后向裝置 (SPB)，圖 36(c)所示為雙程前向裝置(DPF)，圖 36(d)所示為雙程后向裝置 (DPB)。如果光纖兩端面均是非反射性的，則稱為單程裝置；如果光纖端面中有一端是非反射性的，而另一端是高反的(對超熒光中心波長附近的光而言)，則稱為雙程裝置。 超熒光光源的四種結(jié)構(gòu)多種結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖超熒光光源已被提出和研究。[或 ]越大，則變窄程度越大。在放大的自發(fā)輻射較強的高增益系統(tǒng)中，在 的區(qū)lz?d域內(nèi) 隨著 z 的變化較 慢的多，而 可與 相比擬的區(qū)域?qū)Ψ糯蟮淖园l(fā)輻z??0()vzg?lz?射的貢獻很小，因此在式(311)中可以平均值 代替 ，并提出積分號外。在一個無損耗的非飽和放大器中，光強 的變化率為(,)Ivz (39)0 0210[(,)](), (,)4IzgvIzdAnhgvdd?????上式右側(cè)第一項為受激輻射的貢獻，第二項為自發(fā)輻射的貢獻， 為 z 處一??點對終端孔徑所張的立體角。在考慮到放大的自發(fā)輻射時，與物質(zhì)發(fā)生互相作用的光與工作物質(zhì)的譜線寬度可比擬，因此不能按照單色光問題來處理。圖 35 ASE 產(chǎn)生過程示意圖 放大的自發(fā)輻射產(chǎn)生的原理方程及線寬超熒光是介于激光與熒光之間的一種過渡狀態(tài)。圖 35 表示粒子由密度較大的上能級向粒子數(shù)密度較小的下能級躍遷的過程，左邊的躍遷是自發(fā)的稱為自發(fā)輻射過程，與此同時產(chǎn)生光子，該光子沿增益介質(zhì)（光纖）向前運動，在運動過程與另一個粒子相遇，從而誘發(fā)受激輻射。因此，用于 L 波段的摻鉺光纖通常是選用高摻雜、低損耗的鉺光纖 [14]。由于 L 波段放大自發(fā)輻射用到的是鉺離子增益帶的尾部，其發(fā)射和吸收系數(shù)都比 C 波段小 34 倍。 C 波段 ASE 是由 4I13/2 和4I15/2 主能級的斯塔克分裂能級的高能級之間躍遷產(chǎn)生，與 C 波段 ASE 不同的是，L波段的 ASE 是由 4I13/2 和 4I15/2 主能級的斯塔克分裂能級的低能級之間的躍遷產(chǎn)生的。由于 E2 和 E3 能量差較小，E 3 能級上的粒子數(shù)不為零，這是和典型的三能級系統(tǒng)不同的，可稱之為準三能級系統(tǒng)。當采用波長為1480nm 的泵浦光是，基態(tài)（E 1）的 Er3+被激勵到 4I13/2 能帶中的高能級（E 3） ，然后通過無輻射躍遷到達 4I13/2 能帶中的低能級（E 2） ，在 E2 和 E1 能級間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。該能級的壽命長達 10ms 的亞穩(wěn)態(tài)，因此在 4I13/2 和基態(tài)間形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，可以將波長為1520~1565nm 間的信號光放大。當然許多躍遷可用來泵浦鉺離子，其中最有效的泵浦波長是980nm 和 1480nm。 摻鉺光纖中 ASE 能級間躍遷基本原理摻鉺光纖中的硅基質(zhì)（石英，主要成分為 SiO2）的非晶特性使鉺離子的能級展寬為帶狀。雙程結(jié)構(gòu)分兩種情況：?L band ASE Phonon relaxation4I15／2AbsorptionCASE980nm 1480nm4I13／24I11／2Er3+ ASEC band L bandEDF4I15／2LbandCASE980nm 1480nm4I11／24I13／21）雙程前向結(jié)構(gòu)為 j(0)sjPR???()， ??0 (10)jPLj??， 2,.， ， ??P0p??2）雙程后向結(jié)構(gòu)為 ??j， j() sjR)， ,.， ， p這里，R s 是光纖端面反射鏡對信號光的反射率。方程組的邊界條件依然于 SFS 的具體結(jié)構(gòu)。N分別表示前、后向傳播的頻率為 的超熒光在光纖內(nèi)距泵浦光輸,()1,23.)iSVPz?? iv入端 z 處的光功率， 表示泵浦光的功率。 超熒光光源的物理模型對于摻鉺光纖光源的物理模型可以用等效的三能級系統(tǒng)來描述。利用這種放大的自發(fā)輻射原理制作的無諧振腔的摻鉺光纖放大器稱為摻鉺超熒光光纖光源。由于反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的程度尚未達到振蕩閾值，激光振蕩沒有形成，光子并未集結(jié)在少數(shù)或單個狀態(tài)內(nèi)。此時輸出光中所包含的放大的自發(fā)輻射可以忽略。當抽運光足夠強，在摻雜光纖中特定方向上的“放大的自發(fā)輻射”將大大加強，這種加強了的輻射稱為“超熒光” 。（2）反轉(zhuǎn)激發(fā)狀態(tài)：隨著抽運功率的增強，0﹤△ n﹤△ nt，0﹤g 0﹤ / ， （△n t 為閾?l值條件，g 0 為摻鉺光纖的增益系數(shù)， 為摻鉺光纖的單程損耗)。這兩種帶被一個狹窄的低增益區(qū)隔開，如圖 31 所示。第三章 摻鉺光纖光源基本原理及結(jié)構(gòu) C 波段和 L 波段介紹摻鉺光纖放大的波長范圍大約是從 1500nm 到 1600nm。工作臺面應(yīng)和腕帶應(yīng)保持清潔以確保有效靜電防護，器件未使用時，應(yīng)存放在防靜電插座上。（5）電的預(yù)防措施：一般地講，人體最高可產(chǎn)生約 35000V 的靜電，靜電放電（ESD ）也是導(dǎo)致 LD 過早失效的主要原因之一，因此在包裝、運輸和使用過程中要特別注意靜電感應(yīng)電流。器件應(yīng)處于自然不受力狀態(tài)，任何對器件封裝外殼的壓力都有可能使產(chǎn)品的性能發(fā)生變化。帶有連接器的器件在裝卸時要將器件與光纖連接器同時拿起。（4）尾纖與管殼的防護：對帶有尾纖的激光二極管，要特別注意對光纖的保護，不可彎曲光纖，不可放在硬物上，以免操作人員無意中折斷光纖。器件在與底座焊接時，可能會切斷器件的引腳，不正當?shù)姆椒ㄇ袛嗥骷囊_線會造成物理沖擊，其沖擊可導(dǎo)致光纖移位并由此引起耦合效率的變化。在管殼邊緣 2mm 以內(nèi)的管腳引線絕對不允許彎曲，以免器件受力，引線針彎曲造成器件損傷。使用 螺釘和小于 15 牛頓必須非常小心仔細地操作附加的尾纖，使之不要扭絞，也不要使用超過 5 牛頓的牽引力牽引尾纖。同時在拋棄光纖碎片或切斷光纖時應(yīng)特別仔細。一般情況下激光二極管的輸出功率不能超過其限制值的3/4，決不能大于額定極限值，否則會引起光發(fā)射器件反射鏡面的破壞，造成其輸出可靠性的下降，并在規(guī)定的使用溫度范圍內(nèi)。只有在管座安裝到適合的熱沉上之后，器件才可焊接到電路中，器件管腳的焊接時間必須小于 10 秒鐘，并在 260℃焊接溫度以下進行焊接。為此，必須將器件安裝在熱沉（例如銅或鋁）上。在操作時的預(yù)防措施：（1）熱的預(yù)防措施：激光二極管是一種高功率密度的熱功耗器件，使用時應(yīng)盡量遠離熱源。因此，在觀察激光數(shù)時，千萬不宜用肉眼直接觀察，應(yīng)使用紅外可見光變換器或者帶有圖像管的 TV 攝像機觀看激光輸出。這樣產(chǎn)生的即為輸入信號的放大。當無光信號輸入時，大量鉺離子累積在中間能級上，在中間能級 2 上生存一段時間后自發(fā)躍遷到能級 1 上的過程中，輻射出 15001620nm 的光，即成為放大的自發(fā)輻射（ ASE） ，而當離子在中間能級，有 15001620nm 的光信息信號通過這個粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的摻鉺光纖時，它將激勵鉺離子從能級 2 到能級 1 的躍遷。因為鉺離子在這個能級上的生存周期是較長的，且形成積累，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)由于其能帶間吸收帶相當寬，即使在吸收帶的邊峰，其截面大小也可與 980nm 的相比較，同時這個抽運帶的吸收變化并不明顯，不需要精心選擇抽運激光器的波長，對抽運源的波長穩(wěn)定性要求不高。當直接完成抽運時（采用 1480nm） ，則只包含兩個能級 4I13/2 和 4I15/2。因此被抽運到較高能級的鉺離子會很快落到中間能級，并將停留在這個能級上一段較長的時間。生存期或自發(fā)輻射的時間（ ）是原子自發(fā)轉(zhuǎn)移到下一個能級前停留在一個sp?特定能級上的平均持續(xù)時間。利用這個帶進行抽運時有較高的轉(zhuǎn)化效率，當使用 980nm 波長激光進行抽運時，鉺離子不斷從較低的能級轉(zhuǎn)移到較高的能級（能級 3）上，在無輻射地迅速衰減帶中間能級（能級 2）上，再落到較低的能級上（能級 1） ，輻射出所需要的波長（1500~1620nm） ，這就是三能級機制。因此 800nm 波長抽運較少應(yīng)用。但在大多數(shù)情況下用這個帶進行抽運的光器件性能較差。從鉺離子能級圖中可以看出，直接在 1480nm 或間接在980nm 波長上抽運。 泵浦源介紹 泵浦源的特性 摻鉺光纖要能產(chǎn)生輻射，必須要完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這意味著在中間能級（能級2）上有比在下面能級（能級 1）上更多的鉺離子。10lg(/)iiP??? 偏振敏感性在輸入功率 不變的條件下，某輸出端的功率 隨著輸入偏振態(tài)改變時的最大0Pi 相對變化量，稱為此輸出支路的偏振敏感性或偏振敏感損耗（Polarization Dependent Loss，PDL ） （單位：dB ） (26)minax10lgPDL??此外，耦合器的均勻性（等比例耦合器）以及工作波長窗口通常也是很重要的性能指標。ipipdB） (25)39。 WDM 的特征參數(shù)波分復(fù)用器的性能可從以下幾方面來描述。圖 25 可用來定性地表示熔融拉錐型光纖耦合器的工作原理，入射光功率在雙錐體結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生功率再分配，一部分光功率從直通臂 1 繼續(xù)傳輸，另一部分則由耦合臂傳到另一光路 2 端，設(shè)從輸入臂注入的光功率為 P1，忽略耦合等損耗，對于單模光纖從兩臂輸出的光功率分別由以下兩式?jīng)Q定 [10] （2])([cosin1LkP??1） （2])([sin22LkP??2）其中，k( λ)是波長的函數(shù)， L 為耦合區(qū)的長度，也是一個與波長相關(guān)的參數(shù)，控制 k(λ)、 L，即可制成波分復(fù)用器。由于熔錐法制成的波分復(fù)用器具有更低的插入損耗和較低的成本的特點，實用性更大。圖 24 環(huán)形器a)3端口裝置 b)4端口裝置 c)工作原理 全光纖波分復(fù)用器 WDM 工作原理波分復(fù)用器是 EDFA 必不可少的組成部分，它的作用是將兩種不同波長的光耦合或者分離出來的一種全光纖無源器件，即可以同時工作在兩個或更多的波長上，屬于一種特殊的耦合器。光束不能到端口1，因為 PBS 沒有重新組合它們到那個方向。進入端口 2 的光在硅偏振器上經(jīng)歷相同的旋轉(zhuǎn)但是在法拉第旋轉(zhuǎn)器上旋轉(zhuǎn)相反所以兩個光束保持原來的偏振狀態(tài)（這個光的操作沒有顯示在圖中） 。角，所以垂直偏振光成水平偏振，反之亦然。角。圖 24(c)顯示垂直偏振光束沿圖的上部傳播，水平偏振光束沿圖的下部傳播。環(huán)形器的工作原理在圖 24（c）中描述。圖 24（ b）給處了四端口結(jié)構(gòu)。 環(huán)形器環(huán)形器是一種非可逆裝置，它僅在一個方向上引導(dǎo)一個端口的光到另一個順序的端口。光隔離器是一種單向光傳輸器件，在 EDFA 系統(tǒng)的輸入端加入光隔離器是為了抑制光路中的反射，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠，并降低噪聲避免了頻率漂移和激光振蕩。如果回射光進入激光器和光放大器等其它裝置，則這些設(shè)備的性能將被嚴重降低。圖 23 連接器的三