光子學基礎課程報告

1、光子學基礎課程自學報告總結報告題 目( D)：稀土摻雜特種光纖：制備、特性與應用 組 號：稀土摻雜特種光纖任課教師： 組 長：成 員： 成 員： 成 員： 聯(lián)系方式： 1、 引言稀土摻雜特種光纖在光纖激光器、放大器和傳感器中有著廣泛的應用, 并且最近幾年得到T 很大的發(fā)展, 所用的摻雜劑有Nd, Er, Ge, Pr, Ho，Eu，Yb3，Tm 3 + 等。稀土摻雜光纖對于光纖激光器放大器和傳感器等各種應用具有很大的吸引力。它的特點是具有圓柱形波導結構, 芯徑小, 很容易實現(xiàn)高密度泵浦, 使激射閾值低, 散熱性能好, 其芯徑大小與通信光纖很匹配, 耦合容量及效率高, 可形成傳輸光纖與有源光纖的

2、一體化, 是實現(xiàn)全光通信的基礎。隨著集成光學和光纖通信的發(fā)展, 需要有微型的激光器和放大器。而稀土摻雜光纖放大器能直接放大光信號, 有利于大容量、長距離通信, 使光纖通信取得更大的發(fā)展。目前, 大多數(shù)摻雜光纖與通信光纖使用的基材相同, 都是石英玻璃材料, 可以采用成熟的光纖制造技術來生產(chǎn)摻雜玻璃光纖, 同時生產(chǎn)過程中允許嚴格控制其摻雜濃度, 因此, 摻雜玻璃的應用和研究得到了很大程度的推廣。作為稀土離子摻雜宿主的玻璃基質種類繁雜。通常可以將用于激光介質的玻璃分為四類: 氧化物玻璃、鹵化物玻璃、鹵氧化物玻璃及硫屬化合物玻璃。2、 稀土摻雜特種光纖制備“稀土元素”鑭系元素以及與鑭系元素在化學性質上

3、相近的、在鑭系元素格子上方的釔和鈧，共17種元素總稱為稀土元素，用RE表示。按照稀土元素的電子層結構及物理和化學性質，把釓以前的7個元素：La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm和Eu稱為輕稀土元素或鈰組稀土元素；釓和釓以后的7個元素：Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu，再加上Sc和Y共10個元素，稱為重稀土元素或釔組稀土元素。稀土摻雜光纖在測量、通信、傳感、材料、加工和醫(yī)療等方面具有十分廣泛的用途. 近年來, 國內(nèi)外的很多大學和科研單位都在積極開展稀土摻雜光纖放大器、激光器、傳感器和超熒光光源的研發(fā)工作, 但仍有待于進一步深入研究。下面我們介紹一下稀土摻雜特種光纖的制備方法： 主要是采

4、用兩步法： 1、改進型化學氣相沉積工藝（MCVD）結合溶液摻雜法的工藝是目前商用的制備稀土摻雜光纖預制棒的最主要工藝。所謂溶液摻雜法是將內(nèi)壁沉積有疏松層的石英沉積管從沉積車床取下，豎直浸泡在含有稀土摻雜離子和共摻雜離子的溶液中，經(jīng)過或更長時間后，摻雜離子進入疏松芯層。然后將沉積管裝回沉積車床，經(jīng)過干燥、燒結、縮棒等處理，最終得到實心的光纖預制棒。該工藝源自于通信光纖預制棒的制造技術，可制得低損耗、光學質量優(yōu)異的光纖預制棒，同時因其簡便性和靈活性而被廣泛用于稀土摻雜光纖預制棒的制造。然而，與通信光纖通常傳輸?shù)湍芄庑盘柌煌糜诟吖β始す獾墓饫w通常需要更大的纖芯包層比和復雜得多的結構。尤其是隨著大

5、模場等光纖設計的出現(xiàn)，對制備光纖預制棒的工藝提出了更多、更新、更高的要求，如更大尺寸的芯棒、更高的摻雜濃度、更復雜并精確可控的摻雜濃度（折射率）分布、更小的折射率差和更低的芯層數(shù)值孔徑（）等。氣相摻雜工藝中用到的稀土離子的氯化物要在高于的溫度下才能具有足夠的蒸氣壓以參與氣相沉積過程，且物料在輸送過程中容易發(fā)生凝結，對工藝設備的要求很高。所以，熔液摻雜法是目前工藝中實現(xiàn)稀土摻雜的主要方法。但是，傳統(tǒng)結合溶液摻雜法的工藝制備的芯徑和包層的折射率差大于，這對于應用在近紅外波段的光纖意味著，欲實現(xiàn)單模運轉則芯徑必須小于。另外，受預制棒的缺陷率隨沉積層數(shù)增加而增大以及氫氧焰加熱能力不足等問題限制，傳統(tǒng)的

6、結合溶液摻雜法的工藝在制備具有大尺寸芯部的非單模用途預制棒時亦面臨著很大的挑戰(zhàn)，一般僅用于制備沉積層數(shù)層的光纖。稀土螯合物在左右就具有比較高的蒸氣壓，相比于稀土離子的氯化物，產(chǎn)生氣相的設備較簡單，同時在傳輸過程中不易發(fā)生凝結，因而可實現(xiàn)與的共沉積。印度中央玻璃與陶瓷研究所的等采用芬蘭公司的包含有氣相摻雜物輸送單元的工藝設備來制備稀土摻雜石英光纖預制棒（圖）。通過這一氣相輸送單元，以氦氣為載氣，將加熱成為氣體的稀土螯合物及等物質輸送至反應沉積區(qū)，與另一管道中輸送過來的等用于形成玻璃的物質氣體同時反應沉積到沉積管內(nèi)壁上，實現(xiàn)摻雜。該工藝中，為得到均勻的摻雜，最為關鍵的是沉積管頭部的帶狀燃燒器的溫度

7、。若溫度過高，稀土化合物會在到達反應沉積區(qū)之前就發(fā)生分解，進而以不可控的行為在反應沉積區(qū)沉積，還有可能在輸送管內(nèi)發(fā)生碳沉積。若溫度過低，稀土化合物會在尚未到達帶狀燃燒器前就在輸送管內(nèi)發(fā)生冷凝、重結晶等，影響反應區(qū)的沉積效果。通過對工藝過程的優(yōu)化，該工藝可以沉積多層芯層，制備直徑、長度最大為的預制棒和最高摻雜濃度為（物質的量分數(shù)）的均勻摻雜（預制棒頭尾兩端的摻雜濃度波動為）光纖。南安普頓大學光電子研究中心（）的等提出在線溶液摻雜技術以替代工藝中的傳統(tǒng)溶液摻雜技術來制備稀土摻雜光纖預制棒。該工藝與傳統(tǒng)的溶液摻雜技術類似，但其不需要將沉積有疏松層的沉積管從車床上拿下，而是在沉積完疏松層后，從沉積管尾

8、部通入一根細管，直接將含有摻雜物質的溶液輸送至沉積管中實現(xiàn)摻雜（圖）。這根輸送細管一端與蠕動泵相連，可以根據(jù)疏松層的厚度調整溶液的輸送速度。待疏松層被完全浸透后，撤去輸送管。接下來，經(jīng)過干燥、燒結、縮棒等處理，最后得到稀土摻雜預制棒。與傳統(tǒng)的溶液摻雜法相比，在線溶液摻雜工藝中沉積管在溶液浸泡過程中并未被完全填充滿，但與傳統(tǒng)溶液摻雜中沉積管是豎向放置的不同，該工藝中沉積管的橫向放置方式使得疏松層表面在摻雜物質的溶液的輸送管被撤去后仍保留有一層摻雜溶液，這些殘留的溶液在后面的干燥過程中揮發(fā)，保證了芯部的摻雜濃度。采用該工藝制備的摻雜濃度為（質量分數(shù)）的共摻光纖預制棒的芯部數(shù)值孔徑為（對應的折射率差

9、約為），折射率波動約×。拉制成雙包層石英光纖后測得其處的背景損耗為，采用長的該光纖最大獲得 激光輸出，對應的斜率效率為。通過向內(nèi)包層摻入，還制得了光纖芯部數(shù)值孔徑為、內(nèi)包層數(shù)值孔徑為、摻雜濃度為（質量分數(shù)）的光纖，獲得的最大激光功率約為，對應的斜率效率為。同為南安普頓大學光電子研究中心的等提出另一種替代傳統(tǒng)溶液摻雜技術的工藝，即化學坩堝沉積法（）。該方法基于制造低濃度稀土摻雜通信光纖的鑭系螯合物氣相摻雜工藝進行改進，不同于原有工藝中復雜的外部稀土螯合物加熱及傳輸系統(tǒng)，該工藝在沉積管內(nèi)部通過一個與加熱源相連接的玻璃坩堝（圖），對沉積管內(nèi)盛有螯合物的坩堝加熱，并通過反饋回路精確控制坩堝溫

10、度在±范圍內(nèi)，保證摻雜物質均勻、穩(wěn)定地揮發(fā)。同時通入氦氣作為載氣，將氣相螯合物傳輸至反應區(qū)，氣態(tài)的玻璃形成物質與螯合物氣體同時沉積在玻璃基質管內(nèi)壁，實現(xiàn)摻雜。螯合物與氣態(tài)的玻璃形成物質在反應區(qū)之前是隔離開的，且整個過程中沉積管保持旋轉。最后經(jīng)過干燥、燒結、縮棒等處理，得到稀土摻雜光纖預制棒。在化學坩堝沉積工藝中，稀土摻雜物直接在沉積車床上的沉積管的內(nèi)部靠近沉積區(qū)處加熱，有利于增加沿套管長度方向摻雜物質的均勻性。另外， 稀土離子和共摻雜離子與二氧化硅沉積物同時沉積在玻璃基質管內(nèi)壁上，有利于改善稀土離子的團簇聚集現(xiàn)象。采用該工藝制備的摻無源石英光纖預制棒的數(shù)值孔徑為，折射率波動小于；拉制

11、成芯徑外徑為的光纖后，測得其處的背景損耗最低為。制備的摻雜濃度最高為（質量分數(shù)）的共摻光纖，其處的背景損耗隨濃度不同在波動。采用制備的摻雜濃度為（質量分數(shù)）、形內(nèi)包層結構的雙包層光纖進行激光測試，最大獲得的激光輸出，對應的斜率效率為。除上述兩種方法之外，也有一些研究人員基于工藝提出了其他的一些改進措施，包括將氫氧焰加熱改為窄溫區(qū)的特殊石墨爐加熱方法以消除氫氧焰引入羥基的影響，以及一些針對傳統(tǒng)溶液摻雜方法的改進，如原子層沉積法以及其他氣相摻雜法等，但這些基于的工藝仍然難以制備具有高光學質量、高均勻性和大尺寸的稀土離子摻雜光纖預制棒。在工藝中，沉積的疏松層的孔隙度難以精確調控，稀土摻雜依賴于稀土離

12、子在疏松芯層中的擴散過程，這些都使得對摻雜濃度（折射率）均勻性的精確控制不易實現(xiàn)。另一方面，石英玻璃是一種導熱性很差的材料，制備的預制棒直徑很大時，很難保證從預制棒的外表面到芯部的溫度是均勻的。同時，稀土離子在高溫軟化的玻璃中存在由低溫部位向高溫部位遷移的趨勢，因而直徑過大的稀土摻雜預制棒容易出現(xiàn)摻雜濃度不均勻的現(xiàn)象。所有這些問題在將工藝應用在制造對折射率要求更加苛刻的復雜結構激光光纖，如大模場面積光子晶體光纖等時愈發(fā)凸顯，嚴重限制了工藝在大模場面積激光光纖的制備方面的應用。再加上制備大尺寸稀土離子摻雜芯棒的效率低、周期長，成本高，因此，迫切需要開發(fā)其他芯棒制造工藝以滿足高功率激光光纖技術發(fā)展

13、的需要。2、等離子體激活化學汽相沉積法-PCVD法 PCVD法是采用微波腔體代替MCVD法中的H-O火焰來加熱實現(xiàn)材料的沉積，由荷蘭菲利浦研究室發(fā)明。它的原理是把中小功率(數(shù)百瓦到千瓦級)的微波能送入諧振腔內(nèi)，在諧振腔中的石英反應管內(nèi)的低壓氣體受激產(chǎn)生輝光放電來實現(xiàn)低溫氧化，沉積玻璃。該法的特點是石英反應管內(nèi)氣體放電時，管內(nèi)工作物質(氧氣，氣態(tài)四氯化硅和四氯化鍺)的電子，原子和分子遠離熱平衡狀態(tài)，電子溫度可達10000K，而原子和分子的溫度可維持在幾百度甚至室溫。其工藝圖如圖5所示。PCVD法的優(yōu)點是：不用H-O火焰加熱沉積，沉積溫度低于相應的熱反應溫度，反應管不容易變形，控制性能好，由于氣體

14、電離不受反應管的熱容量限制，所以微波加熱腔體可以沿著反應管作快速往復移動，一次沉積厚度小于 1µ m，制得的光纖幾何特性和化學特性的重復性好，沉積效率高。3、棒外汽相沉積法-OVD法 OVD法的沉積順序正好與MCVD法相反，它是先沉積芯層，后沉積包層。它可以用來制造單模光纖，多模光纖，大芯徑高數(shù)值孔徑光纖，單偏振光纖。沉積中能熔融成玻璃的摻雜劑也很廣，除了常見的以外，甚至還可以用等摻雜材料。OVD工藝是1970年美國康寧公司研發(fā)和獨家采用的簡單快捷工藝。其沉積過程需要先有一根芯棒，如果芯棒是用氧化鋁陶瓷或者高純石墨制成的，整個沉積過程是先沉積芯層，后沉積包層。如果芯棒是一根合成的高純

15、石英玻璃時，這時沉積只需要沉積包層材料即可。其機理為火焰水解，即氣態(tài)鹵化物(SiCl4 等)與氫氧焰或甲烷焰進行反應，生成大量的“粉塵”，隨棒體沿燃燒器來回運動，逐漸一層一層沉積在芯棒外表面。反應式為：水解反應一般發(fā)生在離燈頭12cm內(nèi)，這時顆粒的直徑約 0. 1µm ，由于溫度很高(約 C1200 )，顆粒流在火焰中的顏色呈亮白色。與燈頭的距離越來越遠，溫度逐漸降低，這些極細小的顆粒逐漸互相碰撞和聚合，形成較大的顆粒團，直徑約為 1 2µm，在火焰中呈灰白色。這樣的顆粒就會沉積在棒體上。OVD技術的顆粒沉積到棒體上的原理與其他汽相沉積技術類似，是靠熱泳進行沉積的。當火焰中

16、的顆粒遇到較冷的棒體時，會在棒的周圍形成一層溫差較大的熱邊界層。由于溫度較高一邊的氣體活動較溫度低的一邊更劇烈，就將邊界上的顆粒向較冷的棒表面推動。同時，芯棒沿旋轉軸方向來回移動，使粉塵能均勻地沉積到芯棒的有效部分上去，如圖6所示。在所有影響沉積速率的因素中，棒的直徑、棒的移動速度、氫氣和氧氣流量是三個重要的參數(shù)。棒的直徑越大，棒的表面積越大，熱邊界層的面積越大，顆粒就有更多的機會和棒體接觸，而增加被捕獲的幾率；棒的移動速度越快，則單位時間內(nèi)熱邊界層的面積就越大，但速度過快也會導致密度過低；氫氣和氧氣流量越大，則顆粒流的溫度越高，熱泳作用越劇烈，但溫度不能過高，否則顆粒過小不易捕獲，且疏松體因

17、受熱過多而過于致密。 OVD法的優(yōu)點是能生產(chǎn)出大型的預制棒，不需要高質量的石英管做套管，能進行大規(guī)模的生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低，沉積速率高，但沉積效率低，兩端有錐度，而且要抽去芯棒中間的棒靶等，會導致芯棒的中間出現(xiàn)折射率凹陷等問題。4、汽相軸向沉積法-VAD法VAD工藝是1977年由日本電報電話（NTT）公司的伊澤立男等人，為避免與康寧公司的OVD專利的糾紛而發(fā)明的。它的原理圖如圖7所示，VAD工藝的化學反應機理與OVD工藝相同，也是火焰水解。與OVD工藝不同的是，VAD工藝沉積的預制棒的生長方向是由下向上軸向生長的。原先燒結和沉積是在同一臺設備中不同空間同時完成的，即預制棒是連續(xù)制造的。VAD法的主

18、要特點是：靠大量的載送化學試劑(SiCl4，GeCl4 )的氣體通過H-O火焰，大幅度提高氧化物粉末(SiO2 ，GeO2 )的沉積速度，并且一次性形成相當于纖芯和包層的粉塵棒。用VAD法制作的預制棒，理論上長度沒有限制，且外徑較均勻，但該法的沉積速率較滿5、全氣相沉積方法：一種改進的新方法 在800攝氏度左右的溫度下,將稀土化物的氯化物的氣化物引入到沉積系統(tǒng)中,與氧氣同時發(fā)生反應直接生成透明的摻稀土材料"同時,采用氣相流量的控制方法,較好地解決稀土離子的摻雜工藝難題,實現(xiàn)了稀土離子的均勻摻入技術難題,稀土離子的摻雜濃度大大提高,稀土離子的摻雜濃度由原來的5000ppm提升到I000

19、Oppm以上"制造的摻鏡光纖芯棒折射率剖面圖與摻餌光纖芯棒折射率剖面圖"摻鏡芯棒的芯子相對折射率差為0.00166,芯棒芯層部分直徑為2.72mm;摻餌芯棒的芯子相對折射率差為0.01916,其芯棒芯層部分直徑為1.36mm"光纖預制棒外包制備方法： 這里用簡單的表格方式列出來，直觀而簡潔。3、 稀土摻雜特種光纖特性在長距離傳輸中,單模(SM)石英光纖以其低損耗和高帶寬的優(yōu)點成為當前最適合的傳輸媒介,但是在短距離(10m0以內(nèi))的信號傳輸過程中,如果要滿足單模光纖的條件,石英光纖的芯徑必須在IOmu以下"在一般家庭!辦公室內(nèi)的用戶系統(tǒng)!有線電視網(wǎng)等分支多

20、!連接部件多的短距離信號傳送場合,石英光纖的分叉!連接都十分的困難,且費用昂貴"在這種情況下,聚合物光纖(POF)逐漸被運用于短距離通信網(wǎng)絡,引起了人們極大地興趣"。聚合物光纖相對于單模石英光纖具有:(l)同批量生產(chǎn)時制造成本較為便宜,僅為石英光纖的一半;(2)光纖的芯徑較大,易于端接,連接成本低,通常連接一個聚合物光纖接口僅需幾美分;(3)極好的韌性,重量輕,易于加工,同時對振動不敏感,無電磁干擾問題,適用于一般場合;(4)新型廉價的光源(LDE及LD)!檢測器和聯(lián)接器更便于發(fā)揮聚合物光纖的優(yōu)勢"光纖通信技術是解決高速低耗寬頻通信技術的最佳途徑"目前通

21、信主干線普遍采用的石英光纖,入戶后改為帶寬僅幾個Mb的雙絞銅線或同軸電纜,由于帶寬的限制,轉送距離短,且電纜重(709/m),價格高,同時噪聲很大,在100Mbit/s以上的傳送速率下,電磁輻射,噪音遠超過FCC的規(guī)定值,傳輸信息容量受到極大限制,成為制約高速信息公路的/瓶頸0,而光纖正好相反,幾乎無噪音干擾"石英光纖具有寬帶寬,低傳輸損耗等特點,是長距離通信干線的理想傳輸介質,但在光纖入戶時卻遇到了巨大困難,其芯徑細(8一62.sum),在光纖耦合,對接中需要高精度對準,幾微米的連接偏差就會引起很大的耦合損耗,連接器的成本和安裝費用大大增加了系統(tǒng)的造價,其成本將達到3000美元/戶

22、,這對接入用戶來說將難于接受"而直徑大于100微米的石英光纖由于材料脆性以及彎曲性能不好等原因,也不適用于多接點的接入網(wǎng)"因此,在接入網(wǎng)中應用具有與石英光纖相匹配帶寬(大于GIbs/)的聚合物光纖成為今后一段時間最有希望的解決方案之一"POF有可能成為光纖入戶工程理想的首選材料,在信息高速公路工程中起到舉足輕重的作用,具有廣闊的應用前景和巨大的社會和經(jīng)濟效益。聚合物光纖之所以不能應用于長距離通信,主要在于其損耗較大且?guī)捿^小,如果能夠減小聚合物光纖的損耗同時增大其帶寬,那么聚合物光纖的應用范圍將會更加的廣闊"。聚合物光纖的衰減機理可分為兩大類:內(nèi)在損耗和

23、外因損耗"內(nèi)在損耗是由組成材料的吸收和瑞利散射=的引起的"它們與光纖的組成有關,且無法消除"材料吸收和瑞利散射引起的內(nèi)在損耗決定了光纖的最大傳輸損耗極限"產(chǎn)生材料吸收和瑞利散射的原因有:C一H、N一H和D一H基團的分子振動吸收,分子鍵中的不同能級間電子躍遷引發(fā)的吸收筍組成!取向和密度波動引起的散射"理想光纖中不會出現(xiàn)外因損耗,POF外因損耗是由過渡金屬和有機污染物引起的吸收!粉塵顆粒!微小雜質!氣泡和其它結構缺陷"此外,還有光纖幾何尺寸的(宏觀和微觀)波動造成的輻射損耗"。光纖損耗是光纖的一個重要傳輸參數(shù)"由于光纖

24、有衰減,光纖中光功率隨距離的增加按指數(shù)的規(guī)律減小的"但是,對于單模光纖或近似穩(wěn)態(tài)的模式分布的多模光纖衰減系數(shù)a是一個與位置無關的常數(shù)"若設PL為Z二Z1處的光功率,即輸入光功率,PZ為2z處的光功率,即這段光纖的輸出功率,L為所測量光纖的長度"。圖(a)表示階躍折射率聚合物光纖(SIPOF)的譜損,圖(b)表示梯度折射率聚合物光纖(GIPOF)的譜損"由譜損圖可見,PMMA摻雜的聚合物光纖的損耗較大,主要窗口在780nm,650nm,570nm,520nm附近,pMMA為基質的階躍型聚合物光纖損耗明顯低于漸變型聚合物光纖,實驗測得SIPOF在650mn處

25、的損耗是11OdB/km,可以通過廉價的GAa認s#L印(峰值波長為66Omn)進行信號傳輸,而GIPOF稍大,為158dB/km"。從圖中可看出,FP聚合物芯GI一POF從可見光到近紅外區(qū)(例如1.3四)都可用于信號傳輸,現(xiàn)在1.3林m波長區(qū)損耗己達16dB/mk,改進光纖制作條件后,損耗還可進一步降低"氟化聚合物在650一1300mn波長范圍的低吸收!低色散可使其應用于近紅外波段,充分利用近紅外材料色散較低的優(yōu)勢,在1300mn波長處的理論帶寬達到80GHz#mK,高于Si偽一Ge仇多模光纖的帶寬"理論估計氟化聚合物GPIOP的衰減極限為0.ZdB/mk&qu

26、ot;目前主要問題是原料較貴,但成本問題有望在批量生產(chǎn)中加以解決"4、 稀土摻雜特種光纖應用 對摻雜光纖作為增益介質的光纖激光器的研究始于20世紀60年代，而直到80年代后期，隨著光纖制造工藝與半導體激光器生產(chǎn)技術的日趨成熟，以及光通訊技術的迅猛發(fā)展，大功率光纖激光器領域的研究才取得實質性突破。由于光纖激光器以靈巧的半導體激光二極管作為泵源,以柔軟的光纖作為波導和增益介質,同時可采用光纖光柵,耦合器等光纖元件,因此無需光路機械調整,結構緊湊,便于集成，其特有的全光纖結構使器件的抗電磁干擾性強，溫度膨脹系數(shù)小，在頻域上應用WDM及光纖傳感技術可實現(xiàn)多波長可調諧輸出，在時域上結合激光鎖模

27、技術可產(chǎn)生幾乎沒有啁啾的皮秒級超短變換極限光脈沖。與固體激光器和半導體激光器相比，光纖激光器具有無可比擬的優(yōu)點。目前光纖激光器作為光源在光通信領域已得到廣泛應用，而隨著大功率雙保層光纖激光器的出現(xiàn)，其應用正向著激光加工、圖像顯示和生物醫(yī)療等更廣闊的領域迅速擴展。本文以下內(nèi)容概述了光纖激光器的基本結構、特點、應用及其發(fā)展前景。 光纖激光器主要由泵源，耦合器，摻稀土元素光纖，諧振腔等部件構成。泵源由一個或多個大功率激光二極管構成，其發(fā)出的泵浦光經(jīng)特殊的泵浦結構耦合入作為增益介質的摻稀土元素光纖，泵浦波長上的光子被摻雜光纖介質吸收，形成粒子數(shù)反轉，受激發(fā)射的光波經(jīng)諧振腔鏡的反饋和振蕩形成激

28、光輸出。光纖激光器利用摻雜稀土元素的光纖研制成的光纖放大器給光波技術領域帶來了革命性的變化。由于任何光放大器都可通過恰當?shù)姆答仚C制形成激光器，因此光纖激光器可在光纖放大器的基礎上開發(fā)。目前開發(fā)研制的光纖激光器主要采用摻稀土元素的光纖作為增益介質。由于光纖激光器中光纖纖芯很細，在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質的激光能級“粒子數(shù)反轉”。因此，當適當加入正反饋回路（構成諧振腔）便可形成激光振蕩。另外由于光纖基質具有很寬的熒光譜，因此，光纖激光器一般都可做成可調諧的，非常適合于WDM系統(tǒng)應用。和半導體激光器相比，光纖激光器的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：光纖激光器是波導式結構，可容強泵浦

29、，具有高增益、轉換效率高、閾值低、輸出光束質量好、線寬窄、結構簡單、可靠性高等特性，易于實現(xiàn)和光纖的耦合。    我們可以從不同的角度對光纖激光器進行分類，如根據(jù)光纖激光器的諧振腔采用的結構可以將其分為Fabry-Perot腔和環(huán)行腔兩大類。也可根據(jù)輸出波長數(shù)目將其分為單波長和多波長等。對于不同類型光纖激光器的特性主要應考慮以下幾點：（1）閾值應越低越好；（2）輸出功率與抽運光功率的線性要好；（3）輸出偏振態(tài)；（4）模式結構；（5）能量轉換效率；（6）激光器工作波長等。  Erbium-doped Fiber Amplifi

30、er （EDFA）摻鉺光纖放大器 制作光纖時,采用特殊工藝,在光纖芯層沉積中摻入極小濃度的鉺離子,制作出相應的摻鉺光纖。光纖中摻雜離子在受到泵浦光激勵后躍遷到亞穩(wěn)定的高激發(fā)態(tài),在信號光誘導下,產(chǎn)生受激輻射,形成對信號光的相干放大。EDFA工作在1550窗口。已商用的EDFA噪聲低,增益曲線好,放大器帶寬大,與波分復用(WDM)系統(tǒng)兼容,泵浦效率高,工作性能穩(wěn)定,技術成熟,在現(xiàn)代長途高速光通信系統(tǒng)中備受青睞。5、 稀土摻雜特種光纖具體應用稀土摻雜ZNS 納米晶中稀土離子與納米基質之間的能量傳遞發(fā)光中心被摻入納米晶基質后其某些發(fā)光性能與在體材料中時不盡相同，如摻雜中心在納米基質

31、中不需要共激活劑就能夠被激活發(fā)光，因而一致認為納米基質顆粒在摻雜中心的發(fā)光過程中起著很重要的作用，但討論的分歧點在于量子限制效應能否令Mn離子中心的發(fā)光壽命從體材料中的ms數(shù)量級縮短到在納米基質中的ns數(shù)量級。盡管有分歧存在，但大家都一致認為摻雜納米晶是一類新型的材料。目前的研究大多是以Mn離子做摻雜劑，以ZnS，CdS 作為納米基質，而另一類常用的發(fā)光中心，鑭系稀土元素摻雜的族納米晶則研究的較少。三價離子中 4f4f 躍遷帶來的非常窄的發(fā)光帶，利用這種4f4f躍遷的發(fā)光已得到不同波長的激光物質，因此我們想將三價稀土離子摻入ZnS半導體納米晶中，利用稀土離子特殊的4f4f 躍遷及納米晶的尺寸限制效應得到一些新型的低維發(fā)光材料。稀土離子一般是用高溫熔融或高溫固相反應的方法摻入基質材料中而三價稀土離子的氧化物的熔點比化合物的熔點高很多，所以用固相反應不容易將三價稀土離子摻入ZnS 等族半導體基質中。制備納米材料是在不太高的溫度（室溫至100）下完成的，這樣的條件下如果解決了有效摻雜的問題，那么稀土摻雜的納米晶材料作為一種新型發(fā)光材料在LED、平面顯示等領域將得到應用。本文對稀土摻雜的ZnS 納米晶