【正文】 種結構能夠得到更高的輸出功率、更大的帶寬和更好的波長穩(wěn)定性。纖維光學是上個世紀下半葉最重要的幾項技術革命之一，光纖通信和計算機軟件、微電子等技術共同開創(chuàng)了信息社會。20 世紀 80 年代中葉的日本已在光子材料與器件的研制與開發(fā)方面呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。美國雖然在 20 世紀 6070 年代對光子器件的研究占有領先地位，但在 80 年代中葉已感到光子器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已落后于日本，于是加大了發(fā)展光子學技術的力度。隨著全球信息化時代的日益臨近，當前我國企業(yè)界和政府部門已對發(fā)展光電子學的深遠意義和巨大潛力予以了充分重視，在國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(“973”規(guī)劃) 中已經(jīng)落實部署了“支撐高速、大容量信息網(wǎng)絡系統(tǒng)中光子集成基礎研究”的項目，相繼投入了更多的人力和財力支持。西部大開發(fā)戰(zhàn)略已經(jīng)實施，西安作為西部開發(fā)的重鎮(zhèn)，在教育、科技研發(fā)諸方面有相當?shù)膶嵙?，現(xiàn)已逐步在高新區(qū)興建光電子產(chǎn)業(yè)科技園。為建設一個高度信息化的世界強國，光子學必將作出歷史性的重大貢獻。第 2 章 摻鉺光纖光源研究所需的器件及其原理 摻鉺光纖摻鉺光纖（Erbium Doped Fiber，EDF）是光源中的關鍵部件，它是在硅基光纖的纖芯中摻入一定濃度的 Er3+ ，并將 Er3+ 作為激活離子，使光纖成為能對波長λ=1550 nm 的光進行放大增益。而為了增加光纖中的 Er3+ 濃度，即增加單位硅基光纖體積中的 Er3+ 的濃度，在制作時可以盡量減小摻鉺光纖的纖芯直徑，也就是減少了模場直徑（Mode Field Diameter，MFD，單位為 m） 。對于摻鉺光纖，為了能有效地利用，不僅制作時減小纖芯直徑，而且將大多數(shù)的 Er3+集中在小纖芯的中心區(qū)域（如圖 21） ，在中心區(qū)域的 Er3+的濃度變化范圍從百萬分之 100 到 2022。摻鉺光纖的包層和涂覆層的尺寸是很重要的。??根據(jù)應用范圍的不同，光纖在數(shù)值孔徑上有所不同，具有低數(shù)值孔徑（NA）的摻鉺光纖用于制造具有高增益和高輸出功率的 ASE 光源和 EDFA。截止波長（Cutoff Wavelength）的規(guī)范確定了光纖在單模時能夠支持的最小波長。峰值吸收波長（Peak Absorption Wavelength） （nm）指產(chǎn)生最大吸收的波長，如圖 22“標準橫截面和波長” ，輻射或吸收的橫截面是指一個光子通量有關的橫截面區(qū)域（單位量綱為 m2） ，對摻在硅光纖中的鉺離子的典型值范圍大約是10－25 m2 到 10－25 m2，橫截面的重要性是由于增益系數(shù)（ 1/m）等于橫截面（m 2）乘粒子數(shù)反轉密度（m －3 ） 。峰值衰減（Peak Attenuation） （dB/m）指在峰值吸收波長上測得的衰減，有時將峰值吸收波長和峰值衰減兩個參數(shù)結合起來作為一個來用，如指定峰值吸收在1530nm，其衰減范圍為 dB/m 到 dB/m。飽和功率（Saturation Power） （mW）指的是輸入飽和功率，其典型輸出范圍是 12 dB/m（16mW）到 16 dB/m（40mW） 。進行這種光纖端面切割的簡便方法是使用光纖切割刀具。光纖與光纖的連接：光纖間的連接分為永久性連接和活動性連接。永久連接一般分為粘接劑（如臺灣思科科技的 ET—353 光纖粘接劑）和熱熔接兩種方式。對這種器件的基本要是使發(fā)射光纖輸出的光能量最大限度耦合到接收光纖。連接器“尾纖”用于和光源或檢測器耦合，構成發(fā)射機或接收機的輸出或輸入接口；或者構成光纜線路或各種光無源器件兩端的接口。對連接器要求主要是連接損耗（插入損耗）小，回波損耗大，多次插拔重復性圖 21 摻鉺光纖的幾何結構 圖 22 標準橫截面和波長好，互換性好，環(huán)境溫度變化是性能保持穩(wěn)定，并有足夠的機械強度。因此，需要精密的機械和光學設計和加工裝配，以保證兩個光纖端面和角度達到高精度匹配，并保證適當?shù)拈g隙。光纖插針的端面有平面、球面（PC）或斜面（ APC） ，如圖 23 所示。放大自發(fā)輻射（ASE）也屬于這一范疇。所以需要一個裝置來阻止回射光的傳播。對它的要求是插入損耗低和與偏振無關，此外還要求有較大的隔離度。目前商業(yè)上有 3，4 和 6 端口環(huán)形器供選擇，如圖 24（a）提供了三端口結構。從任何端口進入的光能被定向到任何其他的端口，但必須按順序通過所有的其他中間的端口?？梢钥吹竭M入端口 1 的非偏振光被偏振光束分離器（Polarized Beam Splitter，PBS）分離成垂直和水平偏振光束。法拉第旋轉器旋轉兩束的偏振面 45176。一個硅旋轉器， 厚平板，旋轉兩光束的偏振面2/?另一個 45176。這兩個光束被另一 PBS 重新組合并在端口 2 離開裝置。PBS 重新組合這兩個光束，并將它們導向到端口 3。所以說環(huán)形器與隔離器有很多共同點。對它的主要要求是插入損耗低、耦合效率、耦合頻率具有一定的寬度而且對偏振不敏感。所常用的熔融拉錐法是把兩根除去涂覆層的裸光纖以一定的方式靠在一起，在高溫加熱下使之熔化，同時在光纖兩端拉伸，使光纖熔融區(qū)成為錐形過渡段，從而構成耦合器。 圖 25 熔接雙錐漸細（FBT）耦合器示意圖熔融拉錐漸細波分復用器具有以下幾個主要優(yōu)點：一，波分復用器在光纖耦合區(qū)的耦合是一個低損耗處理過程，光從纖芯模式轉換到耦合模式再轉回在理論上是無損耗的，但實質(zhì)上由于光通過短包層長度的傳播產(chǎn)生損耗，其損耗相對于組合耦合器來說是一個相當?shù)偷牧恐?；二，在耦合區(qū)的耦合過程中光從未離開過光纖結構，所以從未遇到任何界面，因此這種類型的波分復用器實質(zhì)上是無回射的；三，由于熔接雙錐漸細波分復用器是由常規(guī)光纖制作的，連接的過程中可以減小接合損耗（因為其是一個低損耗過程） 。 耦合比它表示由光纖輸入端 i 耦合到指定輸出端 j 的功率大小，定義為輸出端 Pi 與輸入功率 Pj 之比 Tij=Pj /Pi (23) 附加損耗它表示由耦合器帶來的總損耗，定義為輸出端功率之和與輸入端功率之比（單位：dB ） (24)10lg[()/]njiP???? 回波損耗它表示由輸入端返回的功率大小，定義為返回功率 與輸入功率 之比（單位：39。 39。均勻性定義為兩個指定輸出端口的插入損耗之差，工作波長窗口通常是表征耦合比與波長關系的參數(shù) [11]。要獲得粒子數(shù)反轉，我們需要把鉺離子抽運到中間能級。另外，鉺離子在 800nm 附近具有吸收峰，即可用功率較高而價格又相對較便宜的 AlGaAs 激光器進行抽運。這是由于對這個帶的激態(tài)吸收較弱，并且這個帶還與較強的激發(fā)態(tài)吸收帶相重合，980nm 抽運的吸收帶比 800nm 大 3~4 倍。鉺離子 4I13/2 至 4I11/2 能級的躍遷對應于 970nm 和 980nm 之間的吸收帶峰。使用三能級機制的關鍵是兩個較高能級的生存期。鉺離子在較高能級（能級 3）上的生存周期僅為1 s，而鉺離子在中間能級（能級 2）上的生存周期大于 10ms（由于其長的生存周?期，這個能級稱為亞穩(wěn)態(tài)） 。于是才使得大量鉺離子能夠積累在這個中間能級上，產(chǎn)生了粒子數(shù)反轉效應。鉺離子被在 1480nm 上的外部光能連續(xù)不斷地從低能級取出并轉移到中間能級上。這兩個過程的結果是中間能級比低能級有更多的鉺離子的粒子數(shù)。這種受激躍遷將伴隨于輸入光子具有相同波長、相同方向和相位的光子的受激輻射。 使用泵浦源的注意事項和防護措施作為抽運光源的激光二極管發(fā)射出對人眼有害的、肉眼看不見的紅外電磁輻射，如果在接近范圍內(nèi)觀看，這種輻射可能有足夠的強度引起人眼視網(wǎng)膜瞬間的損傷。注意在激光二極管表面或包裝上貼的描述激光輻射和方向的“警告標記”和“窗口標記”等激光器安全標記。在高于規(guī)定的最高溫度（T opmax）時，激光二極管將會引起性能和壽命的快速退化。熱沉的面積需盡可能地大（如 10cm2） 。（2）嚴格注意器件限制值：在使用激光二極管時，應嚴格注意器件的限制值，特別是它的輸出光功率。（3）力的預防措施：在我們實驗中用到了光纖，光纖斷裂時薄的玻璃膜和碎片具有穿入皮膚或者其他織物的可能性，特別是對人眼的損傷，在操縱這些產(chǎn)品時應帶上保護眼鏡。激光二極管及其附加的尾纖都是十分脆弱的，無論在安裝或操作過程中都必須盡量避免過大的扭絞力、牽引力和扭矩，以免光纖折斷造成永久性損傷。此外，在擺弄尾纖時不能隨意彎曲尾纖，即使需要彎曲，其彎曲半徑不能小于 20mm，決不能通過引出尾纖牽引器件。 厘米的扭矩將器件安裝在具有表面平整度度小于 50μm的熱沉砧板上，當安裝底座插拔器件時，勿壓或牽引管殼尾部的保護套管。氣密封裝是保證產(chǎn)品性能的可靠性的關鍵，應避免損傷器件的氣密封裝，操作時應注意器件的封裝外殼絕不允許有任何方式的損傷，決不能對管殼/光纖接合處施加過度外力，光電器件引腳不能重復使其變形，不要對引腳施加過度外力。任何堅硬物體對器件碰撞也足以對耦合效率產(chǎn)生不良影響。對帶有尾纖的激光二極管器件在裝卸時還需注意光纖與封裝外殼連接處的保護，不要在光纖與器件封裝外殼施力。對同軸類封裝激光器產(chǎn)品，要注意引腳的使用，過多地將引線從根部彎折可能引起致管腳的斷裂或者真空絕緣子的破壞，造成器件漏氣。在將器件管腳焊接在電路板上時，除了嚴格遵守焊接溫度（240℃或 260℃）和焊接時間（10s）外，應特別注意的是，在焊接過程中器件必須處于不帶電狀態(tài)，焊接烙鐵也要良好接地，在焊接時不要焊接管殼自身，以免因熱傳導損傷管芯，管殼也應接地。在平常工作條件下，光電器件是非?？煽康模侨绨b、使用不當?shù)撵o電會對器件造成損傷，為了防止運輸和儲存器件的經(jīng)典損傷，器件應存放在防靜電的環(huán)境中，如光電器件的管腳插入導電泡沫材料中或將管腳電學短路，為了防止使用器件的靜電損傷，必須采取相應的防靜電措施，例如操作人員配帶防靜電手觸（接地電阻約 1MΩ） ，防護工作服（如尼龍制造的）應采用含導電的材料制作，用接地良好的工作臺（接地電阻約 1MΩ）和工具，測試設備應有感應電壓、電流的雙重保護，工作室采用防靜電地板以及器件管殼接地等。由于激光二極管是一種正向工作器件，一定注意不能對器件加反向偏置，以防擊穿。而目前的摻鉺光纖光源主要工作在這兩個波段，一種稱為 C 波段（Conventional Band） ，光譜范圍從1530nm 到 1560nm；第二種增益帶稱為 L 波段(Longwavelength Band)，占據(jù)光譜范圍從 1560nm 到 1610nm。圖 31 EDFA 的 C波段和 L波段 超熒光產(chǎn)生的基本原理在摻鉺光纖光源中，按照抽運光功率強度的變化，摻鉺光纖可處于三種不同的狀態(tài)： （ 1）弱激發(fā)狀態(tài)：當抽運功率較低時，△ n﹤0，粒子數(shù)正常分布，摻雜光纖中只存在自發(fā)輻射熒光，并且摻鉺光纖對熒光又吸收作用，其中△n 為反轉粒子數(shù)。如果激勵足夠強，?使 g0﹥a (a 為摻鉺光纖內(nèi)部總損耗系數(shù))，則摻鉺光纖對自發(fā)輻射有放大作用，但由于不滿足閾值條件，因而不能形成自激振蕩，輸出光是放大的自發(fā)輻射。 （3）超閾值激發(fā)狀態(tài)：若抽運光很強，使得摻雜光纖中的△n﹥△n t，g 0﹥ / ，即輻射放大增益完全抵消了系統(tǒng)的損耗，此時，摻鉺光纖內(nèi)將形?l成自激振蕩而產(chǎn)生激光。放大的自發(fā)輻射是介于激光與熒光之間的一種過渡狀態(tài)。但是，這種輻射又與熒光的狀態(tài)分布不同，放大的自發(fā)輻射狀態(tài)分布不在是均勻的了，因此超熒光雖然具有較好的空間相干性，卻難以獲得良好的時間相干性。具有輸出功率高，溫度穩(wěn)定性好，有一定的相干性和較寬的光譜線寬等諸多優(yōu)點 [12]。將光源的信號頻譜分成 個波長帶，在每一個波長帶內(nèi)，輸出光視為單色光。在摻鉺光纖中，抽運光和信號光在都(Pz以 模，則它們沿摻鉺光纖的傳播方程為：01L (31),)()()2)iii isv hsvsesvidzPzz n?????? (32),([ ]i ii isvsvsesvi?? (33)()()ppdzz? (34)0, ,2,1[()]i i isvevavsAN??? (34), ,()i ievevszz (35)01[()]ppaA?其中， 、 和 分別為超熒光頻率、發(fā)射截面和吸收截面， 為泵浦光iv,iev?,iav pa?吸收截面， 為纖芯面積， 為超熒光模面積， 為泵浦光模面積， 為普朗克0As ph常數(shù)， 為頻寬， ， 和 分別為單位體積內(nèi)激光上，下能級上鉺h?1n?()Nz2()離子濃度，令 ， 為泵浦光頻率， 為熒光壽命， 為總的,()iiisvsvsvPzP??p??鉺離子濃度，采用 980 nm 光泵浦時 (37),1,1,1,()()()()iiiiinsvievnspi ssevaaPzhANzzz???????? (38)21()()Nzz??這是一