掺铒光纤光源原理及应用技术研究

掺铒光纤光源原理及应用技术研究 摘 要:掺铒光纤光源是基于自发辐射放大原理的一种新型宽带超荧光光源，它有着高输出功率、低噪声等优点，因此在现代光通信中得到广泛的应用。本文主要研究以掺铒光纤为增益介质的光纤光源研制中的相关技术，描述了用于制作掺铒光纤光源的相关器件的基本原理、结构，介绍了掺铒光纤光源中的单程前向、单程后向、双程前向、双程后向抽运等多种结构。论文的第一部分介绍了纤维光学的产生背景、发展现状、光纤在通信等领域的应用现状、掺铒光纤光源的发展及应用特色。论文的第二部分对掺铒光纤光源研制过程中的主要光电器件从原理及结构等各方面作了描述，介绍了各个光电器件的性能指标。论文的第三部分，介绍了超荧光产生的基本原理和物理模型，并且论述了掺铒光纤中Er3+的跃迁特性，同时对超荧光光源的四种结构做了简单的介绍。论文的第四部分，主要是通过实验的方法对实验室现有的掺铒光纤光源进行研究，分析了结构为单程前向的光纤光源相关参数变化对光源性能的影响。最后，结合论文中研究情况指出了论文研究的不足之处，并根据现在国内外的研究现状对掺杂光纤光源相关领域的下一步的目标和未来研究方向进行了展望。关键词：掺铒光纤光源；放大自发辐射；C波段The Principle and Application of Technology for Erbium-doped Fiber SourceAbstract: Erbium-doped fiber light, based on the principle of amplified spontaneous emission, is a new type of broadband light source which possesses the advantages of high output power, low noise, etc. Thus, it is widely used in modern optical communication, such as providing optical signal for optical devices measurement, fiber Bragg grating (FBG) sensing system, and fiber-optic gyroscope. Especially in optical communication light source is the indispensable unit. This paper makes a research on the relevant technologies for the production of fiber light source which involves a gain medium of Erbium-doped fiber (EDF). It is also introduces the basic principles and structures of devices related in producing the erbium-doped fiber source, in which the structures of single-pass forward pumping(SPF), single-pass backward pumping(SPB), double-pass forward pumping(DPF), double-pass backward pumping(DBF) are put forward. The first part of this paper introduces the background, recent developments, applications of fiber-optics and the characters of Erbium-doped fiber light. The second part describes principles and structures of the optoelectronic devices in producing the Erbium-doped fiber light and their performances. The third part introduces the basic principles and the physical models of the ASE; and discusses ASE transitions among energy levels in the erbium-doped fiber. Meanwhile, it gives a brief introduction of the four ultra-structure of ASE light source. The fourth part mainly studies the existing erbium-doped fiber light source through the method of laboratory experiments and analyzes the influences of changes of the relevant parameters of single-pass forward pumping on the light source performance. Finally, the disadvantages of the study are analyzed, and then prospect the future of the doped fiber light source according to the recent developments.Keywords: Erbium-doped fiber source； Amplified spontaneous emission；C-band 目录第1章 绪论11.1 引言11.2 国内外的研究现状11.3 本论文研究的目的和意义3第2章 掺铒光纤光源研究所需的器件及其原理52.1 掺铒光纤52.2 光纤连接技术62.2.1 光纤的处理62.3 光纤隔离器和环形器72.3.1 隔离器72.3.2 环形器72.4 全光纤波分复用器82.4.1 WDM工作原理82.4.2 WDM 的特征参数92.5 泵浦源介绍102.5.1 泵浦源的特性102.5.2 使用泵浦源的注意事项和防护措施11第三章 掺铒光纤光源基本原理及结构133.1 C波段和L波段介绍133.2 超荧光产生的基本原理133.3 超荧光光源的物理模型143.4 掺铒光纤中ASE能级间跃迁基本原理153.5 放大的自发辐射产生的原理方程及线宽163.6 超荧光光源的四种结构18第四章 掺铒光纤光源的C波段的研究194.1 实验装置194.2 实验数据分析及结论19第五章 总结23参考文献2425 第1章 绪论1.1 引言光纤技术是现代光通信、光纤传感以及分析测量领域的关键技术之一，但在上世纪50年代前，光纤技术并未得到人们足够的认识，其发展也相当的缓慢。随着发展的需要，人们在解决玻璃光纤信号衰减方面取得了理论性的进步。1966年，美籍物理学家高锟博士提出，当玻璃光纤中的离子含量降低到10-6数量级以下，则可使玻璃对光的吸收损耗下降到10 dB/km以下1。1970年美国康宁公司用化学气象沉积法制成了高纯度的二氧化硅光纤，它的损耗为20 dB/km，使长距离传输成为了可能。随后，这一成就得到各国的广泛重视，掀起了光纤通信的研究的热潮。目前光纤的损耗已经达到0.154 dB/km(1550 nm波长下)，接近了理论极限值2。随着在光纤领域的研究深入，人们发现光纤在掺入微量的其它杂质之后便会表现出原来没有的特性，而这些特性对于人们的生活实际应用有着重要意义。诸如在光纤中掺入Er3+，使得光纤的吸收波长恰好处于光纤通信的“零损耗”窗口，而用掺铒光纤制成的掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA ）在促进现代光纤通信技术的迅速发展中起到了重大作用。其中掺铒光纤放大器具有的高功率、高输出功率、低噪声，工作在低损耗的波长1550nm 窗口，并能对其较宽的带宽范围内（30nm 以上）提供均衡和稳定的增益特性等优点，在很多领域和场合，正在逐步取代传统再生中继的光电光转换，在现代光通信网络中扮演着不可缺少的重要角色。而且商用化的普通掺铒光纤放大器已经广泛使用于通信传输干线及通信网中。今天的人们对光纤通信网络提出了更加高速更宽宽带的发展需求，对光纤光源的性能也提出了更新更高的要求。对此，研究具有宽带宽、高功率、稳定性的光纤光源有了现实的意义，同时这给光纤光源的研究和开发人员带来了机遇和挑战。1.2 国内外的研究现状把铒以及其它三价稀土元素掺杂到光纤中是60年代早期科学家的构想，在掺铒光纤光源出现以前，主要用激光二极管(Laser Diode，LD)、发光二极管(Light Emitting Diode，LED)、超发光二极管(Super Light Emitting Diode，SLED)等作为光源，它们有光谱窄或功率极低，或稳定度较低等一些缺点。在光纤无源器件生产测试及众多光纤传感器和光纤探测器中，一般都需要时间相干性低的宽带光源，超荧光具有相干度低的特点。目前商用的宽带光源多为SLD，但SLD的寿命较短、波长稳定性差、输出功率低，并且由于空间相干性差，与单模光纤的耦合也受到了限制。掺稀土元素光纤技术的日益成熟，以及抽运机制的快速发展，为人们提供了一种方便可靠的宽带光纤光源。与SLD相比，掺稀土元素光纤中产生的放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)具有温度稳定性强、荧光谱线宽、输出功率高，使用寿命长等特点，在光纤传感系统(如光纤陀螺仪)和某些信号处理、光学层析和医用光学等领域有广泛应用，称之为超荧光光纤光源(Superfluorescent Fiber Source，SFS)3。而通过在光纤中掺杂不同的稀土元素，如Er3+、Nd3+、Yb3+、Pr3+、Tm3+等，可以很方便地获得众多波段的超荧光输出，以满足各种不同应用的需要。在光纤通信和光纤传感中，光源是最基本的源头部分，所以人们一直对其进行研究。掺铒光纤光源包括许多种，从大的范围讲，EDFA和掺铒光纤激光器大致上都与之有相同原理及结构，而我们所关注的主要是称之为掺铒超荧光光源(Erbium-doped Superfluorescent Fiber Source ，ED-SFS)，也称之为ASE光源，是伴随着EDFA出现的一种新型光源，它的应用主要在三个方面：光纤陀螺、波分复用 (Wavelength Division Multiplexing，WDM)或密集型波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)网络和光谱测量（光学器件测试），同时在低相干光学成像等方面也有应用。光源在光纤陀螺中也有相当重要的应用。对于汽车、飞机、轮船、导弹、航天飞机、潜艇等需要严格定位的系统来说，当无法和外界的导航方法如全球定位系统(Global Positioning System，GPS)取得联系的时候，惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)是唯一的选择。由三个加速度计和三个陀螺可以在三维空间中记录从起点开始的所有状态变化，从而达到定位的目的。由于现在这项技术主要应用在军事领域，而其相同的原理，在石油系统的钻井及测井领域，同样可采用光纤陀螺进行定位，用于解决导向钻井中电子仪器定位时的一些重要难题，如电子仪器在井下易受电磁场的干扰，由于工作在井下时，井下处于高温高压状态，电子仪器所常用的井下为有源装置，对电池的工作要求相当高，而光纤陀螺则在井下测试部分为无源装置，而且光纤无电磁干扰，信号从井下向上传输时速率快，信息传输量大。在1987年，EDFA的发明改变了以往对复杂昂贵的电中继器的依赖状况。在普通的光纤制作过程中在光纤纤芯中掺入铒离子，利用抽运光直接对光信号进行放大，提供光增益。由于EDFA的光增益恰好在光纤的低损耗窗口，并且具有高增益、高可靠性、低噪声、低成本和宽带特性，又一次引发了光纤通信领域的一场革命。尽管存在半导体放大器和拉曼放大器的有力竞争，EDFA在目前的光通信领域中仍然占有绝对的优势地位。另外，掺铒光纤以与EDFA相同的原理还被用于宽带光源和各种形式的激光器，在很多领域得到了应用，并且在很多领域开始取代传统的光源。掺铒光纤超荧光光源自1989年被用于光纤陀螺以来，得到了很大的发展，一般来说，SFS按照结构来分可以分为四种基本形式：单程前向或后向（Single-pass Forward/ Backward Pumping， SPF/SPB）、双程前向或后向（Double-pass Forward/ Backward Pumping， DPF/DPB），早期的研究大都采用单程结构以避免产生激光的可能性，但是双程结构的光源有助于提高效率，因而得到了比较多的研究。在选择用于双程光源的反射器时，人们比较了采用薄膜反射器和光纤光栅的区别，人们还在光源中加入其它光纤器件以提高其性能，如采用长周期光纤光栅以使光谱变得更加平坦或补偿其波长稳定性。人们也研究在掺铒光纤超荧光光源输出端或内部长周期光栅对，试图将掺铒光纤超荧光光源改造成多波长光纤光源。这种多波长光纤光源便于在WDM及DWDM系统中得到应用。另外，人们开始考虑并采用双级或多级光纤光源来获得单级光纤光源所不能达到的性能。如美国海军研究室的D.M.Dagenais提出并研究了一种双级后向结构的光源，这种结构的第一级是由一个100mW激光器抽运的单程后向结构的SFS，掺铒光纤（Lucent-HG980）的长度为32m，第二级是由2W大面积激光器泵浦一段3.5m长的Er-Yb双包层光纤作为放大器，最终得到的输出功率为220-240mW，带宽为18-28nm，波长稳定度为1-10ppm的高功率高稳定度光源。然而由于在第二级中需要大功率的激光器，因而在实际应用系统中会出现一些问题。国内对超荧光光纤光源的研究起步比较晚，有关的报道也比较少。1996年，报道了王劼等人对掺Nd氟化物玻璃光纤中的双程前向超荧光进行的分析，从实验上探讨了超荧光的输出特性、宽带特性和超荧光激发特性等，实验得到的超荧光输出功率为8mW，带宽7.5nm，中心波长795nm4。在2000年夏中国科技大学钱景仁等人宣读了他们提出并在实验上验证的一种双级双程前向输出结构的掺铒光纤光源结构，并称通过该结构合理选择参数能得到高稳定度、高功率、宽带宽的荧光输出，论文并同时收录在光子学报中。而现今掺铒光纤光源的性能不断被完善，新的结构也在陆续被提出，高输出功率，高平坦的C波段的光源已相当成熟，光源的输出波谱发展到了C+L波段范围，并且相关研究也越来深入5。2006年，我校光电传感测井重点实验室的乔学光、习聪玲、贾振安等运用3dB宽带耦合器作为光纤反射镜，优化掺铒光纤长度，利用功率控制电路，获得了功率高达26.67mW(14.26 dBm)的C+L波段ASE光输出，平均波长为1550.887 nm6。2008年，中国科学技术大学光电子科学与技术重点实验室的马丽娜利用非线性偏振旋转锁模掺铒光纤激光器和1100m长的掺锗硅基高非线性光纤制作了超连续光源，获得了从1150nm1750nm的超宽带输出光谱，其中11501350nm波段光谱起伏小于3dB，16001700nm波段平坦度优于1dB，并有很好的向长波延展空间7。1.3 本论文研究的目的和意义目前商用的宽带光源大多数为发光二极管（LED）和超发光二极管（SLED），但是它们的寿命较短、波长稳定性差、输出功率低，并且由于空间相干性差，与单模光纤较难耦合，较大程度地限制了在各个领域的应用。光纤掺杂技术的日益成熟，以及半导体抽运激光器的快速发展，为发光二极管和超发光二极管相比，掺铒光纤中的放大自发辐射（ASE）具有温度稳定性好、荧光谱线宽、输出功率高、使用寿命长等优点，称之为宽带超荧光光纤光源（SFS），具有广阔的应用前景。自从1989年提出用激光二极管（LD）抽运的掺铒光纤超荧光光源以来，人们对其进行了广泛的理论和实验研究。目前超荧光光纤光源已经被认为是最有潜力的宽带光源，多种超荧光光源结构已经被相继提出并且得到研究。在这些结构中，单程后向结构由于结构简单并且不容易形成激光而被广泛应用。通过选择适当的掺铒光纤长度，光源的平均波长可以对抽运功率在很大范围内变化不敏感，但是这种结构的输出带宽相对较窄。近年来，由于抽运功率的高稳定性，双程后向结构也在实验中得到了实现。与单程结构相比，双程结构需要增加反射滤波器，但是利用这种结构能够得到更高的输出功率、更大的带宽和更好的波长稳定性。另外，由于单程前向结构的光源在带宽较宽时输出功率很小，因而一般不被采用8。纤维光学是上个世纪下半叶最重要的几项技术革命之一，光纤通信和计算机软件、微电子等技术共同开创了信息社会。光子学的重要性及其对未来信息化社会的深远影响已被世界各国科学与工程界、企业界、政府部门所认识，西方发达国家已把光子学列为国家高科技发展的重点，投入巨大的人力和财力并予以周密的部署。20世纪80年代中叶的日本已在光子材料与器件的研制与开发方面呈现出明显的优势。与此同时，在欧共体制定的“尤里卡”发展计划中，光子学技术摆在了极其重要的位置，德国把光子学发展确立为21世纪初保持在国际科技市场先进地位的九大关键技术之一予以极大的重视。美国虽然在20世纪60-70年代对光子器件的研究占有领先地位，但在80年代中叶已感到光子器件产业的发展已落后于日本，于是加大了发展光子学技术的力度。并认为光子学在国家安全与经济竞争方面有着深远意义和潜力，通信与计算机研究与发展的未来属于光子学。随着全球信息化时代的日益临近，当前我国企业界和政府部门已对发展光电子学的深远意义和巨大潜力予以了充分重视，在国家重点基础研究发展规划(“973”规划)中已经落实部署了“支撑高速、大容量信息网络系统中光子集成基础研究”的项目，相继投入了更多的人力和财力支持。在此大环境下，我国光电子技术的研究和应用发展很快，已成为整个高新技术产业的一个新的增长点。西部大开发战略已经实施，西安作为西部开发的重镇，在教育、科技研发诸方面有相当的实力，现已逐步在高新区兴建光电子产业科技园。我国应根据国力现状抓住机遇，选准方向，有所创新，有所突破，这样一定能把我国光子学技术和光子产业的发展推向国际前沿。为建设一个高度信息化的世界强国，光子学必将作出历史性的重大贡献。为了满足光源迅速增长的带宽需要，拓宽并利用光纤丰富的带宽资源是提高光通信容量的最有效的方法，因此随着C波段的光纤器件研究技术、制造工艺与工程运用不断成熟，L波段和S波段的光器件的研制也引起广泛的关注，光源的研制则首当其冲，致力于研制全波段、超小型化、高稳定度的产品。第2章 掺铒光纤光源研究所需的器件及其原理2.1 掺铒光纤掺铒光纤（Erbium Doped Fiber，EDF）是光源中的关键部件，它是在硅基光纤的纤芯中掺入一定浓度的Er3+ ，并将Er3+ 作为激活离子，使光纤成为能对波长=1550 nm 的光进行放大增益。所以，应当尽可能的提高硅基光纤中Er3+浓度。而为了增加光纤中的Er3+ 浓度，即增加单位硅基光纤体积中的Er3+ 的浓度，在制作时可以尽量减小掺铒光纤的纤芯直径，也就是减少了模场直径（Mode Field Diameter，MFD，单位为m）。掺铒光纤的模场直径范围一般在36m（常规光纤的MFD的典型范围是912m）左右，在掺杂光纤MFD较小的地方（即有较小的纤芯直径的地方），作为掺铒光纤放大器时，Er3+和信号光子之间的碰撞机会增加了，使得小的纤芯直径增大了放大过程的效率。对于掺铒光纤，为了能有效地利用，不仅制作时减小纤芯直径，而且将大多数的Er3+集中在小纤芯的中心区域（如图2-1），在中心区域的Er3+的浓度变化范围从百万分之100到2000。在市场上已有Er3+浓度高达5000ppm的铒光纤。掺铒光纤的包层和涂覆层的尺寸是很重要的。这些尺寸相对于多模和单模传输光纤是标准的，不同之处在于纤芯尺寸，对于多模光纤是62.5m和50m，对于单模光纤是8.3m，掺铒光纤是2.85.2m。根据应用范围的不同，光纤在数值孔径上有所不同，具有低数值孔径（NA）的掺铒光纤用于制造具有高增益和高输出功率的ASE光源和EDFA。同时数值孔径的改变能够改变其噪声系数：高的数值孔径产生低的噪声（对EDFA），为了减少噪声，现已研制出具有数值孔径高达0.29的光纤，相反，对ASE光源，低的数值孔径将产生更高的ASE功率。截止波长（Cutoff Wavelength）的规范确定了光纤在单模时能够支持的最小波长。小于950nm是比较典型的数值，但同时也能找到截止波长达到1450nm的掺铒光纤。峰值吸收波长（Peak Absorption Wavelength）（nm）指产生最大吸收的波长，如图2-2“标准横截面和波长”，辐射或吸收的横截面是指一个光子通量有关的横截面区域（单位量纲为m2），对掺在硅光纤中的铒离子的典型值范围大约是0.11025 m2到4.51025 m2，横截面的重要性是由于增益系数（1/m）等于横截面（m2）乘粒子数反转密度（m3）。同时横截面可以将其看成对铒离子将发射或吸收一个光子的概率的测量，一个铒离子跃迁所吸收或发射的光能的数量等于入射光的强度乘以相应的横截面。图2-1 掺铒光纤的几何结构图2-2 标准横截面和波长峰值衰减（Peak Attenuation）（dB/m）指在峰值吸收波长上测得的衰减，有时将峰值吸收波长和峰值衰减两个参数结合起来作为一个来用，如指定峰值吸收在1530nm，其衰减范围为2.4 dB/m到9.0 dB/m。在980nm的衰减指的是在抽运光波长上的衰减，典型值是2 dB/m到7 dB/m，但在980nm上也能找到衰减为23 dB/m的光纤。饱和功率（Saturation Power）（mW）指的是输入饱和功率，其典型输出范围是12 dB/m（16mW）到16 dB/m（40mW）。2.2 光纤连接技术2.2.1 光纤的处理光纤的切割方法：光纤与光源或探测器耦合时，为了提高耦合效率，将光纤端面抛光成镜面，且垂直于纤芯轴线。进行这种光纤端面切割的简便方法是使用光纤切割刀具。将要切割的裸光纤顺着半径R的（一般为几厘米）刚体放置，金刚刀垂直放置，金刚刀垂直光纤在光纤上压一伤痕，然后对光纤施一张力，伤痕产生的裂纹弯曲应力和张力的作用下逐渐扩大，结果光纤就能平整的被切割9。光纤与光纤的连接：光纤间的连接分为永久性连接和活动性连接。活动连接器一般要购买解决，永久性连接则需要专门的连接器件。永久连接一般分为粘接剂（如台湾思科科技的ET353光纤粘接剂）和热熔接两种方式。而活动型连接则是用连接器是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸（活动）连接的器件。对这种器件的基本要是使发射光纤输出的光能量最大限度耦合到接收光纤。连接器是光纤通信中应用最广泛最基本的光无源器件。连接器“尾纤”用于和光源或检测器耦合，构成发射机或接收机的输出或输入接口；或者构成光缆线路或各种光无源器件两端的接口。连接器“跳线”用于终端设备和光缆线路及各种光无源器件之间的互连，以构成光纤传输系统。对连接器要求主要是连接损耗（插入损耗）小，回波损耗大，多次插拔重复性好，互换性好，环境温度变化是性能保持稳定，并有足够的机械强度。当然价格也是一个重要的因素。因此，需要精密的机械和光学设计和加工装配，以保证两个光纤端面和角度达到高精度匹配，并保证适当的间隙。连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中三部分。光纤插针的端面有平面、球面（PC）或斜面（APC），如图2-3所示。图2-3 连接器的三种常见的物理接触2.3 光纤隔离器和环形器2.3.1 隔离器光在光纤本身和由光纤制作的元件中传播的时候都会被散射和反射，所有这些回射光常常被称为光反馈。放大自发辐射（ASE）也属于这一范畴。如果回射光进入激光器和光放大器等其它装置，则这些设备的性能将被严重降低。所以需要一个装置来阻止回射光的传播。光隔离器是一种单向光传输器件，在EDFA系统的输入端加入光隔离器是为了抑制光路中的反射，保证系统工作的稳定可靠，并降低噪声避免了频率漂移和激光振荡。对它的要求是插入损耗低和与偏振无关，此外还要求有较大的隔离度。2.3.2 环形器环形器是一种非可逆装置，它仅在一个方向上引导一个端口的光到另一个顺序的端口。目前商业上有3，4和6端口环形器供选择，如图2-4（a）提供了三端口结构。图2-4（b）给处了四端口结构。从任何端口进入的光能被定向到任何其他的端口，但必须按顺序通过所有的其他中间的端口。环形器的工作原理在图2-4（c）中描述。可以看到进入端口1的非偏振光被偏振光束分离器（Polarized Beam Splitter，PBS）分离成垂直和水平偏振光束。图2-4(c)显示垂直偏振光束沿图的上部传播，水平偏振光束沿图的下部传播。法拉第旋转器旋转两束的偏振面45角。一个硅旋转器，厚平板，旋转两光束的偏振面另一个45角，所以垂直偏振光成水平偏振，反之亦然。这两个光束被另一PBS重新组合并在端口2离开装置。进入端口2的光在硅偏振器上经历相同的旋转-但是在法拉第旋转器上旋转相反-所以两个光束保持原来的偏振状态（这个光的操作没有显示在图中）。PBS重新组合这两个光束，并将它们导向到端口3。光束不能到端口1，因为PBS没有重新组合它们到那个方向。所以说环形器与隔离器有很多共同点。图2-4 环形器a)3-端口装置 b)4-端口装置 c)工作原理2.4 全光纤波分复用器2.4.1 WDM工作原理波分复用器是EDFA必不可少的组成部分，它的作用是将两种不同波长的光耦合或者分离出来的一种全光纤无源器件，即可以同时工作在两个或更多的波长上，属于一种特殊的耦合器。对它的主要要求是插入损耗低、耦合效率、耦合频率具有一定的宽度而且对偏振不敏感。由于熔锥法制成的波分复用器具有更低的插入损耗和较低的成本的特点，实用性更大。所常用的熔融拉锥法是把两根除去涂覆层的裸光纤以一定的方式靠在一起，在高温加热下使之熔化，同时在光纤两端拉伸，使光纤熔融区成为锥形过渡段，从而构成耦合器。图2-5可用来定性地表示熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理，入射光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配，一部分光功率从直通臂1继续传输，另一部分则由耦合臂传到另一光路2端，设从输入臂注入的光功率为P1，忽略耦合等损耗，对于单模光纤从两臂输出的光功率分别由以下两式决定10 （2-1） （2-2）其中，k()是波长的函数， L为耦合区的长度，也是一个与波长相关的参数，控制k()、 L，即可制成波分复用器。 图2-5 熔接双锥渐细（FBT）耦合器示意图熔融拉锥渐细波分复用器具有以下几个主要优点：一，波分复用器在光纤耦合区的耦合是一个低损耗处理过程，光从纤芯模式转换到耦合模式再转回在理论上是无损耗的，但实质上由于光通过短包层长度的传播产生损耗，其损耗相对于组合耦合器来说是一个相当低的量值；二，在耦合区的耦合过程中光从未离开过光纤结构，所以从未遇到任何界面，因此这种类型的波分复用器实质上是无回射的；三，由于熔接双锥渐细波分复用器是由常规光纤制作的，连接的过程中可以减小接合损耗（因为其是一个低损耗过程）。2.4.2 WDM 的特征参数波分复用器的性能可从以下几方面来描述。2.4.2.1 耦合比它表示由光纤输入端i耦合到指定输出端j的功率大小，定义为输出端Pi与输入功率Pj 之比 Tij=Pj /Pi (2-3)2.4.2.2 附加损耗它表示由耦合器带来的总损耗，定义为输出端功率之和与输入端功率之比（单位：dB） (2-4) 2.4.2.3 回波损耗它表示由输入端返回的功率大小，定义为返回功率与输入功率之比（单位：dB） (2-5) 2.4.2.4 偏振敏感性在输入功率不变的条件下，某输出端的功率随着输入偏振态改变时的最大相对变化量，称为此输出支路的偏振敏感性或偏振敏感损耗（Polarization Dependent Loss，PDL）（单位：dB） (2-6)此外，耦合器的均匀性（等比例耦合器）以及工作波长窗口通常也是很重要的性能指标。均匀性定义为两个指定输出端口的插入损耗之差，工作波长窗口通常是表征耦合比与波长关系的参数11。2.5 泵浦源介绍 2.5.1 泵浦源的特性 掺铒光纤要能产生辐射，必须要完成粒子数反转，这意味着在中间能级（能级2）上有比在下面能级（能级1）上更多的铒离子。要获得粒子数反转，我们需要把铒离子抽运到中间能级。从铒离子能级图中可以看出，直接在1480nm或间接在980nm波长上抽运。另外，铒离子在800nm附近具有吸收峰，即可用功率较高而价格又相对较便宜的AlGaAs激光器进行抽运。但在大多数情况下用这个带进行抽运的光器件性能较差。这是由于对这个带的激态吸收较弱，并且这个带还与较强的激发态吸收带相重合，980nm抽运的吸收带比800nm大34倍。因此800nm波长抽运较少应用。铒离子4I13/2至4I11/2能级的跃迁对应于970nm和980nm之间的吸收带峰。利用这个带进行抽运时有较高的转化效率，当使用980nm波长激光进行抽运时，铒离子不断从较低的能级转移到较高的能级（能级3）上，在无辐射地迅速衰减带中间能级（能级2）上，再落到较低的能级上（能级1），辐射出所需要的波长（15001620nm），这就是三能级机制。使用三能级机制的关键是两个较高能级的生存期。生存期或自发辐射的时间（）是原子自发转移到下一个能级前停留在一个特定能级上的平均持续时间。铒离子在较高能级（能级3）上的生存周期仅为1s，而铒离子在中间能级（能级2）上的生存周期大于10ms（由于其长的生存周期，这个能级称为亚稳态）。因此被抽运到较高能级的铒离子会很快落到中间能级，并将停留在这个能级上一段较长的时间。于是才使得大量铒离子能够积累在这个中间能级上，产生了粒子数反转效应。当直接完成抽运时（采用1480nm），则只包含两个能级4I13/2和4I15/2。铒离子被在1480nm上的外部光能连续不断地从低能级取出并转移到中间能级上。因为铒离子在这个能级上的生存周期是较长的，且形成积累，产生粒子数反转由于其能带间吸收带相当宽，即使在吸收带的边峰，其截面大小也可与980nm的相比较，同时这个抽运带的吸收变化并不明显，不需要精心选择抽运激光器的波长，对抽运源的波长稳定性要求不高。这两个过程的结果是中间能级比低能级有更多的铒离子的粒子数。当无光信号输入时，大量铒离子累积在中间能级上，在中间能级2上生存一段时间后自发跃迁到能级1上的过程中，辐射出1500-1620nm的光，即成为放大的自发辐射（ASE），而当离子在中间能级，有1500-1620nm的光信息信号通过这个粒子数反转的掺铒光纤时，它将激励铒离子从能级2到能级1的跃迁。这种受激跃迁将伴随于输入光子具有相同波长、相同方向和相位的光子的受激辐射。这样产生的即为输入信号的放大。2.5.2 使用泵浦源的注意事项和防护措施作为抽运光源的激光二极管发射出对人眼有害的、肉眼看不见的红外电磁辐射，如果在接近范围内观看，这种辐射可能有足够的强度引起人眼视网膜瞬间的损伤。因此，在观察激光数时，千万不宜用肉眼直接观察，应使用红外可见光变换器或者带有图像管的TV摄像机观看激光输出。注意在激光二极管表面或包装上贴的描述激光辐射和方向的“警告标记”和“窗口标记”等激光器安全标记。在操作时的预防措施：（1）热的预防措施：激光二极管是一种高功率密度的热功耗器件，使用时应尽量远离热源。在高于规定的最高温度（Topmax）时，激光二极管将会引起性能和寿命的快速退化。为此，必须将器件安装在热沉（例如铜或铝）上。热沉的面积需尽可能地大（如10cm2）。只有在管座安装到适合的热沉上之后，器件才可焊接到电路中，器件管脚的焊接时间必须小于10秒钟，并在260焊接温度以下进行焊接。（2）严格注意器件限制值：在使用激光二极管时，应严格注意器件的限制值，特别是它的输出光功率。一般情况下激光二极管的输出功率不能超过其限制值的3/4，决不能大于额定极限值，否则会引起光发射器件反射镜面的破坏，造成其输出可靠性的下降，并在规定的使用温度范围内。（3）力的预防措施：在我们实验中用到了光纤，光纤断裂时薄的玻璃膜和碎片具有穿入皮肤或者其他织物的可能性，特别是对人眼的损伤，在操纵这些产品时应带上保护眼镜。同时在抛弃光纤碎片或切断光纤时应特别仔细。激光二极管及其附加的尾纤都是十分脆弱的，无论在安装或操作过程中都必须尽量避免过大的扭绞力、牵引力和扭矩，以免光纤折断造成永久性损伤。必须非常小心仔细地操作附加的尾纤，使之不要扭绞，也不要使用超过5牛顿的牵引力牵引尾纤。此外，在摆弄尾纤时不能随意弯曲尾纤，即使需要弯曲，其弯曲半径不能小于20mm，决不能通过引出尾纤牵引器件。使用M2.0螺钉和小于15牛顿厘米的扭矩将器件安装在具有表面平整度度小于50m的热沉砧板上，当安装底座插拔器件时，勿压或牵引管壳尾部的保护套管。在管壳边缘2mm以内的管脚引线绝对不允许弯曲，以免器件受力，引线针弯曲造成器件损伤。气密封装是保证产品性能的可靠性的关键，应避免损伤器件的气密封装，操作时应注意器件的封装外壳绝不允许有任何方式的损伤，决不能对管壳/光纤接合处施加过度外力，光电器件引脚不能重复使其变形，不要对引脚施加过度外力。器件在与底座焊接时，可能会切断器件的引脚，不正当的方法切断器件的引脚线会造成物理冲击，其冲击可导致光纤移位并由此引起耦合效率的变化。任何坚硬物体对器件碰撞也足以对耦合效率产生不良影响。（4）尾纤与管壳的防护：对带有尾纤的激光二极管，要特别注意对光纤的保护，不可弯曲光纤，不可放在硬物上，以免操作人员无意中折断光纤。对带有尾纤的激光二极管器件在装卸时还需注意光纤与封装外壳连接处的保护，不要在光纤与器件封装外壳施力。带有连接器的器件在装卸时要将器件与光纤连接器同时拿起。对同轴类封装激光器产品，要注意引脚的使用，过多地将引线从根部弯折可能引起致管脚的断裂或者真空绝缘子的破坏，造成器件漏气。器件应处于自然不受力状态，任何对器件封装外壳的压力都有可能使产品的性能发生变化。在将器件管脚焊接在电路板上时，除了严格遵守焊接温度（240或260）和焊接时间（的区域内随着z的变化较慢的多，而可与相比拟的区域对放大的自发辐射的贡献很小，因此在式(3-11)中可以平均值代替，并提出积分号外。于是由式(3-11)及边界条件可得 (3-12)式中由式(3-12)可求出均匀加宽工作物质中放大的自发辐射的谱线宽度为 (3-13)当z很小时，1时 (3-14)若激光工作物质具有多普勒（非均匀）加宽谱线，则可求出放大的自发辐射的谱线宽度为 (3-15)但z很小，1时，则 (3-16)由式(3-14)及式(3-16)可以看出，放大的自发辐射谱线比自发辐射谱线窄。或越大，则变窄程度越大。变窄的原因是谱线中心的增益系数较偏离中心频率时的增益系数大，而放大的自发辐射强度