9第九章激光在信息技术中的应用Word格式.docx
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光发射端机的主要任务就是将电信号转变为光信号，即进行E/O变换。
图9-1给出了光发射端机的工作原理[61]。
图9-1光发射端机框图
从图中可以看出，光发射端机的关键器件是光源，而提供这一功能的就是激光器。
激光器种类很多，下面分别对作为通信光源的半导激光器和光纤激光器作一个简要的介绍。
2.作为通信光源的半导体激光器
半导体激光器是光纤通信用的主要光源，由于光纤通信系统具有不同的应用层次和结构，因而需要不同类型的半导体激光器。
例如信息传输速率在2.5Gbit/s以下的光纤接入网、本地网，需要大量结构简单、性能价格比合适的半导体激光器，如法布里－珀罗（FP）激光器。
而在中心城市的市区建设城域网中，其传输距离短、信息量大，要求光源速率达2.5Gbit/s乃至10Gbit/s，需要直接调制的分布反馈（DFB）半导体激光器。
在干线传输网络中，对光源的调制速率和光信号的传输距离都有较高的要求，目前主要用分布反馈半导体激光器（DFB-LD）加电吸收型（EA）外调制器的集成光源。
此外，近几年研制的垂直腔面发射激光器（VCSEL）由于具有二维集成、适于大批量及低成本生产的优点，在光的高速数据传输和接入网等领域有着诱人的应用前景。
这几种典型的半导体激光器将在下面介绍。
（1）法布里－珀罗激光器
法布里－珀罗激光器（FP-LD）是最常见、最普通的半导体激光器（参见5.4节），它的谐振腔由半导体材料的两个解理面构成。
目前光纤通信上采用的FP-LD的制作技术已经相当成熟。
FP-LD半导体激光器存在三个方向的模式问题，沿激光输出方向形成的驻波模式称为纵模，垂直于有源层并和激光输出方向垂直的模式称为垂直横模，平行于有源层并和激光输出方向垂直的模式称为水平横模。
在光通信领域中，至少要求激光器工作在横模状态。
对于FP-LD来说，基横模实现比较容易，主要通过控制激光器有源层的厚度和条宽来实现，纵模控制有一定的困难。
对于一般的FP-LD，当注入电流在阈值电流附近时，可以观察到多个纵模；
进一步加大注入电流，谱峰处的某个波长首先超过阈值电流产生受激辐射，消耗了大部分载流子，压制其它模式的谐振，有可能形成单纵模工作，但是对FP-LD进行高速调制时，原有的激光模式就会发生变化，出现多模工作，这就决定了FP-LD不能应用于高速光纤通信系统。
但是相对其它结构的激光器来说，FP-LD的结构和制作工艺最简单，成本最低，适用于调制速度小于622Mbit/s的光纤通信系统。
目前商用的1.3
FP-LD阈值电流（Ith）在10mA以下，输出功率在10mW左右（注入电流为2－3Ith时），因此它用于在信息传输速率较低的情况[62]。
（2）分布反馈半导体激光器
前述的F-P腔型半导体激光器大多在多纵模状态下工作，在光纤传输系统中便出现了由纵模间功率分配瞬时变化引起的模式分配噪声及模式微分时延，从而限制了通信传输距离，所以很需要高速调制时仍保持单纵模工作的半导体激光器（又称动态单纵模激光器）。
实现动态单纵模工作的最有效的方法之一就是在半导体内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。
分布反馈布拉格半导体激光器（DFB-LD）的特点在于光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益，因此其单色性优于一般的FP-LD。
在DFB－LD中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化引起的布拉格反射，即折射率耦合；
另一种为增益周期性变化引起的分布反馈，即增益耦合。
折射率耦合DFB-LD原理上是双模激射的，而增益耦合DFB-LD是单模激射的，这是因为在端面反射为零的理想情况下，折射率耦合DFB-LD在与布拉格波长对称的位置上存在两个谐振腔损耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD恰好在布拉格波长上存在着一个谐振腔损耗最低的模式。
在DFB-LD制作技术的发展过程中，人们发现直接在有源层刻蚀光栅会引入污染和损伤，于是又提出了图9-2所示的分别限制结构，即将光栅刻制在有源层附近的透明波导层上，这样能有效地降低DFB-LD的阈值电流，这种结构后来被广泛应用。
图9-2DFB-LD结构示意图
对于实际的DFB-LD来说，光栅两端的端面存在反射，不仅反射率的强度不为零，而且两个端面的反射相位也不确定。
这是由于实际器件制作中，端面位于光栅一个周期中的哪一个位置是不可控制的。
对于纯折射率耦合DFB-LD来说，在相当一部分相位下，模式简并可以被消除，器件可以实现单模工作。
最早的折射率耦合DFB-LD就是通过这种方法实现单模工作的。
直接调制DFB-LD的最大优点是在高速调制（2.5Gbit/s-10Gbit/s）的情况下仍能保持动态单模，非常适合高速短距离的光纤通信系统。
目前商用的直接调制DFB-LD能够达到阈值5mA左右，在2.5Gbit/s调制速率下能传输上百公里[63]。
（3）分布布拉格反射半导体激光器
密集波分复用（DWDM）技术的迅猛发展对集成光源提出了新的要求，具有波长可调谐或者波长可选择特性的集成光源成为新的研究热点。
波长可调谐是指激光器波长在一定范围内连续可调。
目前波长调谐主要基于布拉格反射光栅，通常通过改变温度、注入电流等方法，改变光栅的有效折射率，从而改变光栅的布拉格波长。
DFB-LD虽然单模特性稳定，但是波长调谐的范围比较小，一般在2nm左右。
因此，考虑到布拉格光栅反射性好的特点，将光栅置于激光器谐振腔的两侧或一侧，增益区没有光栅，光栅只相当于一个反射率随波长变化的反射镜，这样就构成了DBR-LD。
其中，三电极DBR-LD是最典型的基于DBR-LD的单模波长可调谐半导体激光器，其原理性结构如图9-3。
3个电极分别对应DBR-LD的增益区、相移区和选模光栅注入电流，其中增益区提供增益，光栅区选择纵模，而相移区用来调节相位，使得激光器的谐振波长和光栅的布拉格波长一致。
通过调节3个电极的注入电流，其调谐范围可达到10nm左右。
另外采用特殊的光栅结构，如超结构光栅（SSG），DBR-LD的波长调谐范围还可扩大到103nm。
增益区相位控制区选择光栅区
有源区光栅
图9-3三电极DBR-LD结构示意图
DBR-LD通过改变光栅区的注入电流实现调谐，这就导致了较大的谱线展宽。
此外，DBR-LD需要调节至少两个以上的电极电流，才能将激射波长固定下来，不利于实际应用，而且DBR-LD纵模的模式稳定性相对较差，极易出现跳模现象，所以近几年来有关波长可调谐DBR-LD的研究有所减少[63]。
（4）垂直腔面发射激光器
以上所说的各种激光器都是边发射器，即激光从激光器的侧面输出，因此只能进行一维集成。
但是，光数据传输和交换的多通道往往需要能够二维集成的器件，而垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一个很好的选择。
它与边发射激光器最大的不同点是：
出射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生长的方向。
图9-4为其典型结构图，其上下分别为分布布拉格反射（DBR）介质反射镜，中间（InGaAsN）为量子阱有源区，氧化层有助于形成良好的电流及光场限制结构，电流由P、N电极注入，光由箭头方向发出。
反射镜面
P
N
图9-4VCSEL的典型示意图
与侧面发光激光器相比，VCSEL在原理上有如下优点：
其有源区体积极小因而具有极低阈值电流；
采用DBR结构能动态单模工作；
由于有源区内置而导致其寿命很长（如107小时）；
光束质量高，容易与光纤耦合；
可极大降低成本；
可形成高密度二维阵列。
在这些优点当中，最吸引人的是其制造工艺和发光二极管（LED）兼容，大规模制造成本很低，且容易二维集成，并能在片测试。
VCSEL的一个前途广阔的应用领域是吉比特局域网络，由于它具有光束特性好、易耦合、调制速率高、价格低廉的优势，很多人认为VCSEL必将取代LED、FP-LD在局域网中的地位。
在光纤吉比特以太网中，VCSEL（850nm）主要用于工作在250m距离范围内的光源，如IEEE802.3千兆以太网1000BASE-SX系列标准中采用低成本VCSEL作为光源。
此外，随着VCSEL在短波及长波方面的进展，它还可用于大容量光交换、高密度光存储、平面显示、照明、二维光信息处理等应用领域。
然而由于器件结构及生长材料等原因，VCSEL依然存在着基横模输出功率不高、散热困难、极化控制困难及在长波长方面表现不理想等问题[63]，这就限制了其在长途干线通信等领域中的应用。
（5）基于光子晶体的新型激光器
光子晶体是近年来的研究热点，它的折射率呈空间周期性变化，可产生一定的光学能带间隙（称为“光子带隙”）。
当频率落在这个光子带隙内的入射光可被传输和完全反射。
改变光子晶体的结构，可得到不同的光子带隙，从而使光子晶体具有传统晶体不可能实现的许多“奇异”性能，如具有极低损耗、色散和非线性，可获得反常色散，同时保持单模传输特性，可产生高保偏性等等。
①低阈值激光器
利用光子晶体的优越性能正在开发很多的新型光器件，如高输出功率的光纤激光器和放大器、光开关、滤波器、光纤光栅、波长变换器、利用非线性效应的孤子发生器、光保偏器等。
图9-5是正在研制的一个低阈值激光器，它是在半导体激光器中引入有缺陷的光子晶体（如左图所示），构成一个特殊的波导，这使得自发辐射与激光出射的方向角几乎为0，于是几乎所有的泵浦能量全部用来产生激光，从而使激光器的阈值降低，并且提高了能量转换效率。
图9-5低阈值激光器
②瓦级DFB激光器
在DFB激光器中引入有缺陷的光子晶体，也产生了瓦级DFB激光器，如图9-6所示。
图9-6瓦级DFB激光器
9.1.2光纤激光器
半导体激光器自诞生之日起就有一个缺点，那就是其与光纤之间耦合困难，增大了腔内插入损耗，导致其低效率高阈值。
为了解决这个问题，光纤激光器应运而生。
光纤激光器是一种多波长（其波长间隔符合ITU-T标准）的光源，目前已被广泛地应用于DWDM系统中。
1.光纤激光器的基本原理及其特点
光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光子跃迁的泵浦源三部分组成。
纵向泵浦的光纤激光器的结构如图9-7所示。
一段掺杂稀土金属离子的光纤被放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从左面腔镜耦合进入光纤，左面镜对于泵浦光全部透射并对于激光全反射，以便有效利用泵浦光和防止泵浦光产生谐振而造成输出光不稳定。
右面镜对于激光部分透过，以便造成激光束的反馈和获得激光输出。
这种结构实际上就是法布里－珀罗谐振腔结构，泵浦波长上的光子被介质吸收，形成粒子数反转，最后在掺杂光纤介质中产生受激发射而输出激光。
图9-7光纤激光器原理示意图
对于光纤激光器来说，其激光介质本身就是导波介质，因此其耦合效率高；
光纤纤芯很细，纤内易形成高功率密度，可方便地与光纤传输系统高效连接。
由于光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果好，因此光纤激光器具有很高的转换效率，很低的激光阈值，能在不加强制冷却的情况下连续工作。
又由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可以设计得相当小巧灵活，利于光纤通信系统的应用，同时可借助光纤方向耦合器构成各种柔性谐振腔，使激光器的结构更加紧凑、稳定。
光纤还具有相当多的可调谐参数和选择性，能获得相当宽的调谐范围和相当好的色散性和稳定性。
这些特点决定了光纤激光器比半导体激光器拥有更多的优势。
从效果上看，光纤激光器是一种高效的波长转换器，即由泵浦光波长转换为所掺稀土离子的激射波长。
正因为光纤激光器的激光波长是由基质材料的稀土掺杂元素所决定，它不受泵浦波长的控制，所以可以利用与稀土离子吸收光谱相对应的廉价、短波长、高功率半导体激光器泵浦，获得光纤通信低损耗窗口的1.3
和1.55
以及2-3
中红外波长的激光输出，其泵浦效率很高[64]。
2.光纤激光器的分类及应用
光纤激光器种类很多，按光纤结构可分为：
单包层光纤激光器和双包层光纤激光器；
按掺杂元素可分为：
掺铒、钕、镨、铥、镱、钬等15种；
按增益介质可分为：
稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶体光纤激光器、塑料光纤激光器；
按谐振腔结构可分为：
F-P腔光纤激光器、环行腔光纤激光器、环路反射器光纤谐振腔激光器以及“8”字形腔激光器；
按工作机制分为：
上转换光纤激光器和下转换光纤激光器；
按输出激光又可分为：
脉冲光纤激光器和连续激光器等。
下面具体介绍几类光纤激光器。
（1）稀土类掺杂光纤激光器
稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。
目前在比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有：
铒（Er3+）、钕（Nd3+）、镨（Pr3+）、铥（Tm3+）、镱（Yd3+）。
掺铒光纤在1.55
波长具有很高的增益，它对应于低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒光纤激光器发展十分迅速。
掺镱光纤激光器是波长为1.0-1.2
的通用光源，Yd3+具有相当宽的吸收带（800－1064nm）和相当宽的激发带（970－1200nm），故其泵浦源的选择非常广泛且泵浦源和激光都没有受激态吸收。
掺铥（Tm3+）光纤激光器的激射波长为1.4
波段，它也是重要的光纤通信光源。
其它的掺杂光纤激光器，如在2.1
波长工作的掺钬（Ho3＋）光纤激光器，由于水分子在2.0
附近有很强的中红外吸收峰，它照射到生物体上时，对邻近组织的热损伤小、止血性能好，且该波段对人眼是安全的，故在医疗和生物学研究上有广泛的应用。
近几年来，双包层掺杂光纤激光器利用包层泵浦技术，使输出功率获得极大提高，成为激光器又一新的研究热点。
包层泵浦技术利用的双包层光纤，其芯线采用相应激光波长的单模稀土掺杂光纤，大直径的内包层对泵浦波长是多模的，外包层采用低折射率材料。
内层的形状和直径能够与高功率激光二极管有效地端面耦合。
稀土离子吸收多模泵浦光并辐射出单模激光，使高功率、低亮度激光二极管泵浦激光转换成衍射极限的强激光输出。
为了增加泵浦吸收效率，光纤内包层的形状也由最初的圆形发展到矩形、方形、星形、D形等。
现在人们已经能够利用包层泵浦结构，产生高达2.3mW脉冲的双包层掺镱光纤激光器，使用的是单模或模式数较少的低数值孔径的大有效面积（LMA）光纤，光纤纤芯的有效面积为1300
2，它是普通掺镱单模光纤的50多倍。
（2）光纤受激拉曼散射激光器
这类激光器与掺杂光纤激光器相比具有更高的饱和功率，且没有泵浦源限制，在光纤传感、波分复用（WDM）及相干光通信系统中有着重要应用。
受激拉曼散射（SRS）属于光纤中的三阶非线性效应，SRS是强激光与介质分子相互作用所产生的受激声子对入射光的散射，它在单模光纤的后向发生。
利用SRS的特性，可把泵浦光的能量转换为光信号的能量，制成激光器。
一种简单的全光纤受激拉曼散射激光器见图9-8所示，这是一种单向环形行波腔，耦合器的光强耦合系数为K。
一般典型的受激拉曼分子主要有GeO2、SiO2、P2O5。
图9-8受激拉曼散射光纤激光器示意图
分布反馈光纤拉曼激光器与前面所讲的半导体激光器有着本质的区别：
其一在于光纤中不可避免的克尔（Kerr）效应改变了分布反馈拉曼激光器的激光动态特性。
其二，增益饱和机制完全不同。
在SRS中，腔内信号是被泵浦光直接放大，而不是通过粒子数反转[65]。
（3）光纤光栅激光器
20世纪90年代紫外写入光纤光栅技术的日益成熟，使得光纤光栅激光器愈受重视，其中主要是布拉格Bragg反射光纤光栅激光器（DBR）和分布反馈光纤光栅激光器（DFB）。
DBR光纤激光器基本结构如图9-9所示，利用一段稀土掺杂光纤和一对相同谐振波长的光纤光栅构成谐振腔，它能实现单纵模工作。
利用光纤光栅与纵向拉力的关系，采用拉伸光纤光栅可以实现频率的连续调谐，调谐范围达16nm以上。
泵浦光隔离器光栅掺铒光纤光栅输出
图9-9DBR光纤光栅激光器结构示意图
DFB光纤光栅激光器基本结构如图9-10所示，在稀土掺杂光纤上直接写入的光栅构成谐振腔，其有源区和反馈区同为一体。
这种光纤光栅激光器只用一个光栅来实现光反馈和波长选择，故稳定性更好，它还避免了稀土掺杂光纤与光栅的熔接损耗。
但是，虽然可直接将光栅写入稀土掺杂光纤中，由于纤芯含锗少，光敏性差，DFB光纤光栅激光器实际并不容易制作。
相比之下DBR光纤光栅激光器可将掺锗光纤光栅熔接在稀土掺杂光纤的两端构成谐振腔，制作较为简单。
泵浦光隔离器写有光栅的掺铒光纤输出
图9-10DFB光纤光栅激光器结构示意图
DBR、DFB光纤光栅面临的共同问题有：
由于谐振腔较短，使得泵浦的吸收效率低；
谱线较环形激光器宽，有模式跳跃现象等。
这些问题正在不断的解决之中，提出的方案有：
采用Er:
Yb共掺杂光纤作增益介质、采用内腔泵浦方式、主振荡器和功率放大器一体化等[66]。
基于光子晶体光纤的光纤激光器正在被大量地研究，因为光子晶体光纤（也称微结构光纤：
PCF）和光子晶体一样，具有很多比传统光纤优异得多的性能，如高非线性、全波段的单模运转，大模面积单模传输等，PCF能够有效地扩展和增加光纤的应用领域。
利用PCF为增益介质或利用掺镱双包层PCF，研制了锁模激光振荡器、主动锁模光纤激光器等；
将不同折射率和不同厚度的量子点发光材料涂敷到PCF的空气孔壁后对其传输特性产生影响，使量子点注入PCF激光器的发光效率大大提高；
采用锁模半导体激光器作为种子光源，并利用色散平坦高非线性PCF作为超连续谱光纤，研制了宽带、平坦的超连续谱光源，其谱宽超过100nm，可用于上千信道（间隔为10GHz）的DWDM系统。
还有用于激光加工的高功率光纤激光器，已有上百瓦、超过千瓦的掺钇光纤激光器系列，国内目前生产的光纤激光器功率也能达到500W。
近几年来，光纤激光器的发展越来越受到人们的关注，各种高功率光纤激光器、超短脉冲光纤激光器和窄线宽可调谐激光器层出不穷。
未来光纤激光器发展的主要方向是：
进一步提高光纤激光器的性能，如继续提高输出功率，改善光束质量；
扩展新的激光波段，拓宽激光器的可调谐范围；
压窄激光谱宽；
开发极高峰值的超短脉冲（皮秒和飞秒量级）高亮度激光器；
以及进行整机小型化、实用化、智能化的研究。
9.1.3光放大器
众所周知，在光纤传输系统中，限制传输距离的主要因素是光纤的损耗和色散及光器件的各种噪声。
为了克服这些缺陷，以适应光纤通信系统向高速率、大容量、长距离方向的发展，20世纪80年代出现了光放大器技术，它是光纤通信领域的一次革命。
光放大技术具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低损耗以及波长、速率和调制方式透明的直接光放大功能，是新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术。
此技术既解决了衰减对光网络传输距离的限制，又开创了1550nm波段的波分复用，从而使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，它是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。
由于此技术与光信号的调制形式和比特率无关，它在光纤通信系统中得到广泛应用。
顾名思义，光放大器是放大光信号的器件，它在光纤通信领域中的主要功能有以下几个方面：
1．光功率提升放大。
将光放大器置于光发射机前端，以提高入纤的光功率。
2．在线中继放大。
在光纤通信系统中取代现有的中继器。
3．前置放大。
在接收端的光电检测器之前先将微弱的光信号进行预放，以提高接收的灵敏度。
图9-11为光放大器在干线光纤系统中的应用示意图。
图中（a）为无中继系统，这是最简单的光纤通信系统，由发送机、光纤和接收机组成。
图（b）中采用光放大器作功率放大器和接收机前置放大器，使无中继距离成倍延长。
图（c）为线内多中继系统，该系统没有采用光放大器，因此3R中继器数目较多。
图（d）中用光放大器作为在线中继放大器或1R（仅有整形功能）中继器，从而实现全光通信。
由于这时不包含定时和再生电路，因而是比特透明的，没有“电子瓶颈”限制，只要更换两端的发送和接收设备，很容易实现系统从低速率（如1.6Gb/s）到高速率（如10Gb/s）的转换，不必更换光中继器。
无中继系统
发送机光纤接收机提升放大器前置放大器
（a）（b）
线内多中继系统
3R中继器
（c）
1R中继器
（d）
图9-11光放大器在干线光纤系统中的应用示意图
目前光纤通信中主要的光放大器有以下几类：
1、半导体激光放大器（SLA）；
2、掺稀土光纤放大器，如掺铒光纤放大器（EDFA）等；
3、非线性光纤放大器，如光纤喇曼放大器等。
下面分别介绍这几种放大器[67]。
1.半导体光放大器
半导体激光器在不同的应用条件和不同的端面反射率情况下，可以得到不同类型的半导体光放大器。
若半导体激光器的驱动电流低于其阈值，即未产生激光，这时向其一端输入光信号，只要这个光信号的频率处于激光器的频谱中心附近，它便被放大而从另一端输出，这种半导体光放大器称为法布里－珀罗型激光放大器（FP-SLA）。
若将激光器偏置在阈值以上，从一端输入的微弱单模光信号，此光信号的频率只要处于这个多模激光器的频谱内，光信号就会得到放大，并锁定到某一模式上，这种光放大器称为注入锁定型放大器（IL-SLA）。
若将半导体激光器的两个端镜面涂覆或蒸镀一层防反射膜，使其反射率很小（<
10-4），形不成法布里－珀罗谐振腔，这时光信号通过有源波导层时，将边行进边放大，因此这种光放大器称为行波型光放大器（TW-SL
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