光的干涉及衍射

光的干涉及衍射第一頁，共一百五十頁，2022年，8月28日13.1.1從機(jī)械諧振到光學(xué)諧振干涉就是兩列波或多列波疊加時，因?yàn)橄辔魂P(guān)系有時相互加強(qiáng)，有時相互消弱的一種波的基本現(xiàn)象。例如，在水池中，在相隔不遠(yuǎn)的兩處同時分別投進(jìn)一塊石頭，就會產(chǎn)生同樣的水波，都向四周傳播。例如，長L的一根弦線兩端被夾住時所作的各種固有振動。第二頁，共一百五十頁，2022年，8月28日2圖3.1.1水池中兩列水波的干涉波紋仔細(xì)觀察兩列水波會合處的情景，即可發(fā)現(xiàn)其幅度時而因相長干涉增大，時而因相消干涉減小

第三頁，共一百五十頁，2022年，8月28日3圖3.1.2一根長為L的繃緊弦線及其三種可能的振動方式在振動弦線中，邊界條件要求弦線兩端各有一個節(jié)點(diǎn)，這意思是說，選擇波長

時一定要使（）第四頁，共一百五十頁，2022年，8月28日4光的干涉和衍射

—激光器和濾波器基礎(chǔ)第五頁，共一百五十頁，2022年，8月28日5圖3.1.3法布里珀羅(F-P)諧振腔及其特性不是任意一個波長都能在諧振腔內(nèi)形成駐波，對于給定的m，只有滿足式（）的波長才能形成駐波，并記為m，稱為腔模式，如圖（b）所示。第六頁，共一百五十頁，2022年，8月28日6法布里-珀羅諧振腔發(fā)明家法國物理學(xué)家法布里（Fabry,1867~1945）和玻羅（Perot,1863~1925）第七頁，共一百五十頁，2022年，8月28日7自由頻譜范圍（FSR）所以對應(yīng)這些模式的頻率是諧振腔的諧振頻率式中f是對應(yīng)基模（m=1）的頻率，在所有模式中它的頻率最低。兩個相鄰模式的頻率間隔是稱為自由頻譜范圍（FSR）。第八頁，共一百五十頁，2022年，8月28日83.1.2法布里-珀羅（F-P）光學(xué)諧振器假如諧振腔沒有損耗，即兩個鏡面對光全反射，那么式（）定義的頻率的峰值將很尖銳。如果鏡面對光不是全反射，一些光將從諧振腔輻射出去，峰值就不尖銳，而具有一定的寬度。很顯然，這種簡單的鍍有反射鏡面的光學(xué)諧振腔只有在特定的頻率內(nèi)能夠儲存能量，這種諧振腔就叫做法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學(xué)諧振器。第九頁，共一百五十頁，2022年，8月28日9F-P諧振腔的精細(xì)度

鏡面反射率R越小意味著諧振腔有越大的輻射損耗，從而影響到腔體內(nèi)電場強(qiáng)度的分布。由式（）可知，R越小峰值展寬越大，而且電場強(qiáng)度最大值和最小值的差也越小，如圖所示。該圖也定義了法布里珀羅諧振腔的頻譜寬度，它是單個腔模式曲線半最大值的全寬（FWHM），可用下面式（）的簡單表達(dá)式計(jì)算式中

F

稱為諧振腔的精細(xì)度，它隨諧振腔損耗的減小而增加（因R增加）。精細(xì)度越大，模式峰值越尖銳。精細(xì)度是模間隔對頻譜寬度的比.

第十頁，共一百五十頁，2022年，8月28日10圖3.1.4入射光通過由部分反射鏡組成的法布里珀羅諧振腔，其透射光可作為濾波器的輸出法布里-珀羅光學(xué)諧振腔已廣泛應(yīng)用到激光器、干涉濾波器和分光鏡中。

第十一頁，共一百五十頁，2022年，8月28日11商用干涉濾波器考慮一束光入射進(jìn)法布里-珀羅諧振腔，如上圖所示。諧振腔由部分反射和透射的兩個平板組成，因此入射光束的一部分進(jìn)入諧振腔。我們知道只有特定腔模的光才能在腔內(nèi)存在，因?yàn)槠渌ㄩL的光產(chǎn)生相消干涉。于是，假如入射光束中有一個波長的光與腔模中的一個對應(yīng)，它就可以在腔內(nèi)維持振蕩，因此就產(chǎn)生了透射光束。輸出光是腔內(nèi)光強(qiáng)的一部分。商用干涉濾波器就是基于這種原理，只是兩個腔體用一組電介質(zhì)鏡串聯(lián)組成，其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜而已，如圖所示。我們可以調(diào)節(jié)腔長L來掃描不同的波長，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。第十二頁，共一百五十頁，2022年，8月28日12表3.1.1各種激光器的組成和作用第十三頁，共一百五十頁，2022年，8月28日133.1.3固體激光器固體激光器主要由工作物質(zhì)、法布里-珀羅諧振腔和泵浦源組成。工作物質(zhì)是均勻摻入少量激活離子的光學(xué)晶體或光學(xué)玻璃。常用的泵浦源有電泵浦源和光泵浦源兩類。泵浦源能將工作物質(zhì)中的粒子從低能級激發(fā)到高能級，使處于高能級的粒子數(shù)大于處于低能級的粒子數(shù)，構(gòu)成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，這是產(chǎn)生激光的必要條件。處于高能級級的的原子或分子稱為受激原子或分子。第十四頁，共一百五十頁，2022年，8月28日14圖3.1.7固體激光器的能級系統(tǒng)在構(gòu)成晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶。如果占據(jù)高能帶的電子躍遷到低能帶上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出，如圖所示。

第十五頁，共一百五十頁，2022年，8月28日15脈沖固體激光器泵浦源脈沖固體激光器泵浦源采用脈沖氙燈，連續(xù)激光器采用氪燈或碘鎢燈。泵浦燈的發(fā)射光譜覆蓋很寬的波長范圍，其中只有與激光工作物質(zhì)吸收波長相匹配波段的光可有效用于光激勵。采用放電燈激勵的固體激光器如圖所示。為了使氣體放電燈發(fā)出的非相干光有效地射入激光工作物質(zhì)，聚光裝置是必不可少的，通常采用內(nèi)壁鍍有高反射率的橢圓柱聚光腔，激勵燈和激光工作物質(zhì)棒分別置于兩個焦點(diǎn)上。相互平行的全反射鏡和部分反射鏡構(gòu)成F-P光學(xué)諧振腔。第十六頁，共一百五十頁，2022年，8月28日163.1.4氣體激光器氣體激光器（gaslaser）的工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸氣，通過氣體放電產(chǎn)生激勵，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。它的種類很多，波長覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外整個光譜區(qū)，目前已向兩端擴(kuò)展X射線波段和毫米波波段。由于氣體工作物質(zhì)均勻性好，輸出光束的質(zhì)量相當(dāng)高，其單色性和方向性一般優(yōu)于固體和半導(dǎo)體激光器，是很好的相干光源。代表性的氣體激光器有氦-氖（He-Ne）激光器、氬離子（Ar+）激光器和二氧化碳（CO2）激光器。第十七頁，共一百五十頁，2022年，8月28日17圖3.1.8內(nèi)腔式氦氖氣體激光器

氦-氖激光器工作物質(zhì)由氦氣和氖氣組成，是一種原子氣體激光器。在激光器電極上施加幾千伏電壓，使毛細(xì)管中的氦氖氣體成為激活介質(zhì)，發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如果在激光管的軸線上安裝高反射率的多層介質(zhì)膜反射鏡作為F-P諧振腔，則可獲得連續(xù)激光輸出。氦-氖激光器主要輸出波長有632.8nm、1.15m和3.39m，波長穩(wěn)定度為10–6左右，輸出功率為一毫瓦至數(shù)十毫瓦，主要用于精密計(jì)量、全息技術(shù)和準(zhǔn)直測量等。第十八頁，共一百五十頁，2022年，8月28日18

圖3.1.9縱向二氧化碳激光器二氧化碳激光器的工作物質(zhì)主要是二氧化碳，摻入少量的N2和He等氣體，是典型的分子氣體激光器。輸出激光波長范圍是9～11m的紅外區(qū)域，典型的波長是10.6m。二氧化碳激光器的激勵方式通常有低氣壓縱向連續(xù)激勵和橫向激勵兩種，它是氣體激光器中連續(xù)輸出功率最大和轉(zhuǎn)換效率最高的一種器件，輸出功率從十瓦到數(shù)千瓦。大氣壓橫向激勵激光器以脈沖放電方式工作，輸出能量大，峰值功率可達(dá)千兆瓦，脈沖寬度為2～3s。恒流橫向激勵激光器可以獲得幾萬瓦的輸出功率。二氧化碳激光器已廣泛應(yīng)用于金屬材料切割、熱處理、寶石加工和手術(shù)治療等方面。第十九頁，共一百五十頁，2022年，8月28日193.1.5染料激光器染料激光器（dyelaser）的工作物質(zhì)是液體，通常有兩類液體，一類是溶于適當(dāng)溶劑中的有機(jī)染料，另一類是含有稀土金屬離子的無機(jī)化合物。染料激光器采用光泵浦的方式，可用閃光燈泵浦或激光泵浦。激光泵浦又有脈沖光泵浦和連續(xù)光泵浦之分。有機(jī)染料對紫外光或可見光具有很強(qiáng)的吸收帶，染料分子的能級由準(zhǔn)連續(xù)的能帶組成，這種寬帶結(jié)構(gòu)使得染料激光在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。使用不同的染料溶液，已在紫外（330nm）到近紅外（1.85m）相當(dāng)寬的范圍內(nèi)，獲得了連續(xù)可調(diào)諧的激光輸出。染料激光器除了可調(diào)諧性能外，另一個重要特點(diǎn)是可以獲得很窄的超短激光脈沖。因此，染料激光器在激光光譜、同位素分離、醫(yī)學(xué)及科研領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。近來，有人又想把它用于激光武器中。第二十頁，共一百五十頁，2022年，8月28日203.1.6化學(xué)激光器化學(xué)激光器是特殊的氣體激光器。一般氣體激光器的工作物質(zhì)是氦氣（He）、氖氣（Ne）、氬氣（Ar）、二氧化碳（CO2）氣或其混合氣體；而化學(xué)激光器的工作物質(zhì)是氟化氫（HF）、氟化氘（DF）、氧碘氣體。氣體激光器是在電極上施加高電壓，使毛細(xì)管中的氣體成為激活介質(zhì)，通過氣體放電產(chǎn)生激勵，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；而化學(xué)激光器是通過化學(xué)反應(yīng)釋放能量，使諧振腔內(nèi)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這就是化學(xué)激光器和一般氣體激光器在本質(zhì)上的區(qū)別。第二十一頁，共一百五十頁，2022年，8月28日21化學(xué)激光器工作原理和工作波長在化學(xué)激光器中，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的原子或分子往往處于圖能級圖中的高能級（激發(fā)態(tài)），在特殊情況下，可能會有足夠數(shù)量的原子或分子被激發(fā)到高能級，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)這些高能原子或分子返回到低能級時，就使受激發(fā)射能量等于其能級差的光子，形成激光發(fā)射。光波波長為近紅外到中紅外范圍，氟化氫（HF）激光器的波長范圍是2.6～3.3m，氟化氘（DF）激光器是3.6～4.1m，一氧化碳（CO）激光器是4.9～5.8m。第二十二頁，共一百五十頁，2022年，8月28日22化學(xué)激光器的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生激光的能源化學(xué)激光器具有輸出能量大、光束質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，比如波長為3.6～4.1m的DF激光器，最大輸出功率可達(dá)2.2MW，大氣透過率約為100%，氧碘激光器的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)40%?；瘜W(xué)激光器有脈沖和連續(xù)兩種工作方式。為使化學(xué)反應(yīng)迅速進(jìn)行，必須有大量的自由原子或分子產(chǎn)生，通常采用紫外照射、電子轟擊、電弧加熱工作物質(zhì)或者利用工作物質(zhì)自身的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。前者需要外部能源，后者則不需要。第二十三頁，共一百五十頁，2022年，8月28日233.1.7堿金屬蒸氣激光器堿金屬蒸氣激光器（DPAL）是一種新型的半導(dǎo)體激光泵浦的氣體激光器，增益介質(zhì)是蒸氣狀態(tài)的銣、銫、鉀、鈉等。它綜合了傳統(tǒng)氣體激光器和固體激光器的優(yōu)勢，采用氣體介質(zhì)流動散熱，高功率二極管激光器陣列泵浦，具有95%以上的量子效率，易于獲得高質(zhì)量的光束，激光波長較短，鉀766.70nm，銣794.98nm，銫894.95nm，使得衍射光斑功率密度更高，激光介質(zhì)可重復(fù)使用，結(jié)構(gòu)簡單。第二十四頁，共一百五十頁，2022年，8月28日24堿金屬銣原子能級圖

銣原子是一種三能級系統(tǒng)，當(dāng)銣原子吸收780nm泵浦光的能量后，激發(fā)到高能級52P3/2，因?yàn)?2P3/2能級和52P1/2能級間的能級差很小，所以52P3/2能級的原子很容易自發(fā)輻射回到52P1/2能級；當(dāng)52P1/2能級的原子躍遷回基態(tài)能級52S1/2時，就發(fā)出能量等于這兩能級差的光子，該光子的波長為795nm。第二十五頁，共一百五十頁，2022年，8月28日25銣蒸氣激光器工作原理圖

半導(dǎo)體激光器陣列有19個發(fā)光單元，經(jīng)壓窄線寬和光束整形后，光束經(jīng)偏振分光器射入長約7mm的銣蒸氣室，銣?zhǔn)页淙?9kPa的甲烷作為緩沖氣體。諧振腔長約為105mm。第二十六頁，共一百五十頁，2022年，8月28日263.1.8法布里-珀羅

濾波器基本法布里-珀羅（F-P）干涉儀是由兩塊平行鏡面組成的光學(xué)諧振腔構(gòu)成的，一塊鏡面固定，另一塊可移動，以改變諧振腔的長度。鏡面是經(jīng)過精細(xì)加工并鍍有金屬反射膜或多層介質(zhì)膜的玻璃板。第二十七頁，共一百五十頁，2022年，8月28日27圖3.1.12F-P濾波器的傳輸特性它具有多個諧振峰，每兩個諧振峰間的頻率間距為自由光譜區(qū)FSR

第二十八頁，共一百五十頁，2022年，8月28日28F-P調(diào)諧濾波器的自由光譜范圍FSR每兩個諧振峰間的頻率間距（自由光譜范圍）FSR可用下面的式（）量度：式中，n是構(gòu)成F-P濾波器的材料折射率，L是諧振腔長度。FSR就是濾波器的自由光譜區(qū)。假如濾波器設(shè)計(jì)成只允許復(fù)用信道中的一個信道通過，如圖（c）中的信道的頻率正好對準(zhǔn)傳輸特性的諧振峰，所以只有vj=v1的信道才能通過濾波器，而其它信道被抑制了。

第二十九頁，共一百五十頁，2022年，8月28日29F-P濾波器的精細(xì)度F

它決定濾波器的選擇性，即能分辯的最小頻率差，從而也決定所能選擇出的最大信道數(shù)。精細(xì)度的概念與F-P干涉儀理論中的相同。假如諧振腔內(nèi)部損耗忽略不計(jì)，則精細(xì)度由鏡面反射率R決定假設(shè)兩個鏡面的R相等，此時可用下面的式（）量度:第三十頁，共一百五十頁，2022年，8月28日30F-P濾波器復(fù)用信號的總帶寬

和最多可以選擇出的信道數(shù)第三十一頁，共一百五十頁，2022年，8月28日31圖3.1.13光纖法布里-珀羅（FF-P）干涉濾波器間隙型FF-P濾波器

內(nèi)波導(dǎo)型FF-P濾波器

第三十二頁，共一百五十頁，2022年，8月28日32光纖FF-P調(diào)諧濾波器的基本物理機(jī)理光纖端面本身就充當(dāng)兩塊平行的鏡面。如果將光纖（即F-P的反射鏡面）固定在壓電陶瓷上，通過外加電壓使壓電陶瓷產(chǎn)生電致伸縮作用來改變諧振腔的長度，同樣可以從復(fù)用信道中選取所需要的信道。這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)小型化。

第三十三頁，共一百五十頁，2022年，8月28日33圖3.1.14雙腔F-P濾波器級聯(lián)使精細(xì)度F擴(kuò)大

第三十四頁，共一百五十頁，2022年，8月28日343.1.9半導(dǎo)體激光器法布里-珀羅光學(xué)諧振腔是半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)。激光器工作在正向偏置下，當(dāng)注入正向電流時，高能帶中的電子密度增加，這些電子自發(fā)地由高能帶躍遷到低能帶發(fā)出光子，形成激光器中初始的光場。若注入電流增加到一定值后，受激發(fā)射占主導(dǎo)地位，光場迅速增強(qiáng)，此時的PN結(jié)區(qū)成為對光場有放大作用的區(qū)域（稱為有源區(qū)），從而形成受激發(fā)射。使有源區(qū)產(chǎn)生足夠多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這是使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的首要條件。第三十五頁，共一百五十頁，2022年，8月28日35另一個條件是半導(dǎo)體激光器中必須存在光學(xué)諧振腔，并在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩。有源區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，受激發(fā)射占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是，激光器初始的光場來源于導(dǎo)帶和價帶的自發(fā)輻射，頻譜較寬，方向也雜亂無章。為了得到單色性和方向性好的激光輸出，必須構(gòu)成光學(xué)諧振腔。LD發(fā)射激光的

第二個條件---光學(xué)諧振腔第三十六頁，共一百五十頁，2022年，8月28日36法布里-珀羅（Fabry-Perot）

光學(xué)諧振器鍍有反射鏡面的光學(xué)諧振腔只有在特定的頻率內(nèi)能夠儲存能量，這種諧振腔就叫做法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學(xué)諧振器。它把光束閉鎖在腔體內(nèi)，使之來回反饋。當(dāng)諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時，就保持振蕩，形成和腔體端面平行的等相面駐波。此時的增益就是激光器的閾值增益，達(dá)到該增益所要求的注入電流稱作閾值電流。第三十七頁，共一百五十頁，2022年，8月28日37光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件

與電諧振一樣，光也有諧振。要使光在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩，必須滿足一定的閾值條件和相位條件。閾值條件---使腔內(nèi)獲得的光功率正好與腔內(nèi)損耗相抵消。只有諧振腔里的光增益和損耗值保持相等，并且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時，才能在諧振腔的兩個端面輸出譜線很窄的相干光束。相位條件---使諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干。第三十八頁，共一百五十頁，2022年，8月28日38LD的工作原理

圖3.1.15半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個法布里-珀羅諧振腔圖3.1.16激光器頻譜特性的形成過程第三十九頁，共一百五十頁，2022年，8月28日39圖3.1.17F-P光腔諧振器第四十頁，共一百五十頁，2022年，8月28日40圖3.1.18C3激光器的結(jié)構(gòu)及其

單縱模輸出原理C3指的是切開的耦合腔，這種激光器是這樣制成的，把常規(guī)多模半導(dǎo)體激光器從中間切開，一段長為L，另一段為D，分別加以驅(qū)動電流。中間是一個很窄的空氣隙（寬約1m），切開界面的反射約為30%，只要間隙不是太寬，就可以在兩部分之間產(chǎn)生足夠強(qiáng)的耦合。在本例中，因?yàn)長>D，所以L腔中的模式波長間距要比D腔中的密。這兩腔的模式波長只有在較長的距離上才能完全一致，產(chǎn)生復(fù)合腔的發(fā)射模。因此C3激光器可以實(shí)現(xiàn)單縱模工作。第四十一頁，共一百五十頁，2022年，8月28日413.1.10半導(dǎo)體光放大器（SOA）

——沒有反饋的F-P光學(xué)諧振腔

第四十二頁，共一百五十頁，2022年，8月28日42半導(dǎo)體

光放大器的

機(jī)理半導(dǎo)體光放大器的機(jī)理與激光器的相同，即通過受激發(fā)射放大入射光信號。光放大器只是一個沒有反饋的激光器，其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。該增益通常不僅與入射信號的頻率（或波長）有關(guān)，而且與放大器內(nèi)任一點(diǎn)的局部光強(qiáng)有關(guān)，該頻率和光強(qiáng)與光增益的關(guān)系又取決于放大器介質(zhì)。第四十三頁，共一百五十頁，2022年，8月28日43

行波光放大器是一個沒有反饋的激光器。其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。行波半導(dǎo)體光放大器第四十四頁，共一百五十頁，2022年，8月28日44半導(dǎo)體激光器由于在解理面存在反射，當(dāng)偏流低于閾值時是放大器。減小腔體界面反射，可使激光器變?yōu)榉糯笃鳌＿@種放大器就稱為F-P放大器。F-PSOA的結(jié)構(gòu)和原理第四十五頁，共一百五十頁，2022年，8月28日45F-P諧振腔反射率R越大，SOA的增益越大。但是，當(dāng)R超過一定值后，光放大器將變?yōu)榧す馄鳌．?dāng)GsR=1時，式（）將變?yōu)闊o限大，此時，SOA產(chǎn)生激光發(fā)射。不同反射率時的F-PSOA的增益頻譜

第四十六頁，共一百五十頁，2022年，8月28日46減小LD解理端面反射反饋的方法第四十七頁，共一百五十頁，2022年，8月28日47角度解理面或有源區(qū)傾斜結(jié)構(gòu)。在解理面處的反射光束，因角度解理面的緣故已與前向光束分開。在大多數(shù)情況下，使用抗反射膜和有源區(qū)傾斜，可以使反射率小于<0.1%）圖3.1.21a減小反射率的方法第四十八頁，共一百五十頁，2022年，8月28日48有源區(qū)端面和解理面之間插入透明窗口區(qū)。光束在到達(dá)半導(dǎo)體和空氣界面前，在該窗口區(qū)已發(fā)散，經(jīng)界面反射的光束進(jìn)一步發(fā)散，只有極小部分光耦合進(jìn)薄的有源層。圖

減小反射率的方法第四十九頁，共一百五十頁，2022年，8月28日49光程差器件

在節(jié)討論平面電磁波的時候，引入了在波矢量k傳播方向被分開的兩點(diǎn)間的相位差的概念，如式（）所示。下面介紹幾種光程差器件：馬赫-曾德爾濾波器；馬赫-曾德爾干涉濾波復(fù)用/解復(fù)用器；電介質(zhì)鏡；介質(zhì)薄膜光濾波器解復(fù)用器。第五十頁，共一百五十頁，2022年，8月28日503.1.11馬赫-曾德爾濾波器馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉濾波器由兩個3dB耦合器串聯(lián)組成一個馬赫-曾德爾干涉儀，干涉儀的兩臂長度不等，光程差為L

。圖3.1.22馬赫-曾德爾（MZ）濾波器第五十一頁，共一百五十頁，2022年，8月28日51兩臂長度差產(chǎn)生的相位差 式中n是波導(dǎo)折射率指數(shù)復(fù)合后每個波長的信號光在滿足一定的相位條件下，在兩個輸出光纖中的一個相長干涉，而在另一個相消干涉。如果在輸出端口3，滿足相長條件，滿足相消條件，則輸出光；如果在輸出端口4，滿足相消條件，滿足相長條件，則輸出光。

M-Z干涉濾波器工作原理

第五十二頁，共一百五十頁，2022年，8月28日52圖3.1.23級聯(lián)M-Z干涉濾波器

第五十三頁，共一百五十頁，2022年，8月28日533.1.11

馬赫-曾德爾干涉濾波復(fù)用/解復(fù)用器在節(jié)介紹的馬赫-曾德爾（M-Z）干涉濾波器只能讓復(fù)用信道中的一個信道通過，從而實(shí)現(xiàn)對復(fù)用信號的解復(fù)用。反過來用，這種濾波器也可以構(gòu)成多個波長的復(fù)用器。圖由3個M-Z干涉儀組成的4信道復(fù)用器。每個M-Z干涉儀的一臂比另一臂長，使兩臂之間產(chǎn)生與波長有關(guān)的相移。光程差的選擇要使不同波長的兩個輸入端的總功率只傳送到一個指定的輸出端，從而可以制成更有效的波分復(fù)用器。整個結(jié)構(gòu)可以用波導(dǎo)制作在一塊硅片上。第五十四頁，共一百五十頁，2022年，8月28日543.1.13

從電介質(zhì)鏡到光子晶體

所有從前后相挨的兩個界面上反射的波都具有相長干涉的特性，經(jīng)過幾層這樣的反射后，透射光強(qiáng)度將很小，而反射系數(shù)將達(dá)到1

（a）反射光相長干涉（b）反射系數(shù)與波長的關(guān)系圖3.1.25多層電介質(zhì)鏡工作原理第五十五頁，共一百五十頁，2022年，8月28日55電介質(zhì)鏡的工作原理第五十六頁，共一百五十頁，2022年，8月28日56圖3.1.26光子晶體這種折射率周期性變化的電介質(zhì)鏡是一種一維的光子晶體，如果折射率以二維或三維的方式變化，則可以構(gòu)成二維或三維的光子晶體，如圖所示。一維光子晶體有一個頻率帶寬，在該帶寬內(nèi)它反射光；反過來說，有一個截止帶寬，在該帶寬內(nèi)光不能通過電介質(zhì)鏡。在折射率指數(shù)周期性變化的z方向，不允許一定頻率范圍的光波通過，這個頻帶就稱為光（或光子）帶隙。第五十七頁，共一百五十頁，2022年，8月28日57光子晶體應(yīng)用光子晶體應(yīng)用很廣，用它可以制作:控制光子流動的高性能反射鏡;在拐角處能量損失很小的直角光子晶體波導(dǎo);分開波長很接近光的波分復(fù)用棱鏡;以及可以制作無損耗、大模場直徑、色散可設(shè)計(jì)的單模光子晶體光纖等。第五十八頁，共一百五十頁，2022年，8月28日58光子晶體光纖光子晶體光纖（PhotonicCrystalFiber,PCF）是一種微結(jié)構(gòu)光纖，它的橫截面上有復(fù)雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長大致在同一個量級，并且貫穿PCF整個長度，光波可以被限制在低折射率的纖芯區(qū)傳播。有兩種PCF，一種是折射率導(dǎo)光型，一種是光子帶隙全反射型;前者用于色散控制、非線性光學(xué)、多芯光纖、雙包層光纖（見節(jié)）和光纖傳感器等；后者用于大直徑單模光纖高功率導(dǎo)光、光纖傳感等方面。第五十九頁，共一百五十頁，2022年，8月28日593.1.14介質(zhì)薄膜光濾波器解復(fù)用器在高折射率層反射光的相位不變，而在低折射率層反射光的相位改變180o。連續(xù)反射光在前表面相長干涉復(fù)合，在一定的波長范圍內(nèi)產(chǎn)生高能量的反射光束，在這一范圍之外，則反射很小。這樣通過多層介質(zhì)膜的干涉，就使一些波長的光通過，而另一些波長的光透射。第六十頁，共一百五十頁，2022年，8月28日60圖3.1.28用介質(zhì)薄膜濾波器構(gòu)成的幾種解復(fù)用器第六十一頁，共一百五十頁，2022年，8月28日61圖3.1.28用介質(zhì)薄膜濾波器構(gòu)成的幾種解復(fù)用器插入損耗2波復(fù)用為1.5dB，6波復(fù)用為2dB，所以插入損耗很低，但是波長不能微調(diào)。第六十二頁，共一百五十頁，2022年，8月28日623.1.15自由電子激光器自由電子激光器（FEL）工作介質(zhì)是電子，直接由受控的通過電子加速器加速的高能定向電子束產(chǎn)生激光輻射。在空間周期變化磁場中，只要改變電子束的速度，就可產(chǎn)生可調(diào)諧的、波長從X射線到微波的相干電磁輻射。這種激光器的波長和功率不再像傳統(tǒng)激光器那樣受限于激光工作介質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)，激光波長可通過改變電子束能量大小和磁場強(qiáng)弱來調(diào)諧。但是，這種激光器的工作原理仍然是基于帶有反射鏡的光學(xué)諧振腔運(yùn)行機(jī)制，或者是基于這種波長的種子激光與接近光速的電子束相互作用時滿足共振（諧振）關(guān)系的運(yùn)行機(jī)制

第六十三頁，共一百五十頁，2022年，8月28日63圖3.1.29高增益自由電子激光器（FEL）基本構(gòu)成原理示意圖自由電子激光是一種使用接近光速的電子束通過周期性變化的磁場，以受激輻射方式放大電磁輻射的新型強(qiáng)相干光源，可分為低增益和高增益兩種類型。通常，高增益FEL由高亮度電子槍、射頻直線加速器和波振蕩器系統(tǒng)三部分組成。電子槍和直線加速器提供品質(zhì)優(yōu)異的高能電子束，之后電子束被注入到磁極性交替變換的電磁波振蕩器中，使電子做扭擺運(yùn)動，輻射場與電子束相互作用，而在其前進(jìn)方向上自發(fā)地發(fā)射電磁輻射。

第六十四頁，共一百五十頁，2022年，8月28日64自由電子激光器工作原理低增益FEL以帶有反射鏡的光學(xué)諧振腔FEL為代表，主要應(yīng)用在太赫茲（THz）、紅外和可見光波段，它的基本工作原理是通過光學(xué)諧振腔將電子束產(chǎn)生的自發(fā)輻射進(jìn)行多次反射、不斷放大，最后達(dá)到飽和輸出。高增益FEL利用高品質(zhì)的電子束僅單次通過一個足夠長的電磁波振蕩器，實(shí)現(xiàn)了光場的指數(shù)式增益放大，并最終達(dá)到高功率FEL的飽和輸出。種子型高增益自由電子激光器是在圖所示基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入一個相干性好的激光作為種子激光，使其在電磁波振蕩器中與電子束相互作用，種子激光的波長同樣必須滿足共振（諧振）條件，這樣的相互作用，可對種子激光直接放大；也可通過調(diào)制，使電子束產(chǎn)生微群聚，并同時將種子激光的相位信息傳遞給電子束，進(jìn)而使電子束通過波振蕩器產(chǎn)生相干輻射。第六十五頁，共一百五十頁，2022年，8月28日653.2光的衍射及應(yīng)用3.2.1弗瑯荷費(fèi)衍射3.2.2衍射光柵3.2.3反射光柵解復(fù)用器3.2.4陣列SOA集成光柵腔體波長可調(diào)激光器3.2.5布拉格光柵3.1.6光纖光柵濾波器3.2.7布拉格光柵——分布反饋激光器的基礎(chǔ)3.2.8波長可調(diào)激光器/光放大器3.2.9垂直腔表面發(fā)射激光器3.2.10光纖激光器第六十六頁，共一百五十頁，2022年，8月28日66光的衍射

彌散（Airy，愛里）環(huán)波的一個重要特性是它的衍射效應(yīng)，光的衍射是指直線傳播的光實(shí)際上繞射到障礙物背后去的一種現(xiàn)象;

例如聲波在傳播過程中可以彎曲和偏轉(zhuǎn);光波也有類似的特性，例如一束光在遇到障礙物時也彎曲傳播，盡管這種彎曲很小。圖表示準(zhǔn)直光通過孔徑為a的小孔時產(chǎn)生光的偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生明暗相間的光強(qiáng)花紋，稱為彌散（Airy，愛里）環(huán)，這種現(xiàn)象稱為光的衍射，光強(qiáng)的分布圖案稱為衍射光斑;衍射現(xiàn)象通常分為兩類：弗瑯荷費(fèi)（Fraunhofer）衍射和菲涅耳（Fresnel）衍射。

第六十七頁，共一百五十頁，2022年，8月28日67菲涅耳

（Fresnel，1788～1827）法國物理學(xué)家，光的波動性理論的主要提倡者

第六十八頁，共一百五十頁，2022年，8月28日68圖3.2.1光的弗瑯荷費(fèi)衍射

在弗瑯荷費(fèi)衍射中，入射光束是平面波（準(zhǔn)直光束），衍射光斑的觀察或探測遠(yuǎn)離孔徑，因此接收波也是一個平面波。我們可以把裂縫寬度a劃分成N個相干的光源，每個長，如果N足夠大，就可把該光源看做點(diǎn)光源。

第六十九頁，共一百五十頁，2022年，8月28日69衍射光柵相長干涉

出現(xiàn)強(qiáng)度最大的

光斑位置條件第七十頁，共一百五十頁，2022年，8月28日703.2.2衍射光柵最簡單的衍射光柵是在不透明材料上具有一排周期性分布的裂縫。入射光波在一定的方向上被衍射，該方向與波長和光柵特性有關(guān)。圖（b）表示光通過有限數(shù)量的裂縫后，接收到的衍射光強(qiáng)分布。由圖可見，沿一定的方向（）具有很強(qiáng)的衍射光束，根據(jù)它們出現(xiàn)位置的不同分別標(biāo)記為零階（中心）及其分布在其兩側(cè)的一階和二階等。假如光通過無限數(shù)量的裂縫，則衍射光波具有相同的強(qiáng)度。事實(shí)上，任何折射率的周期性變化，都可以作為衍射光柵。我們假定入射光束是平行波，因此裂縫變成相干光源。并假定每個裂縫的寬度a比把裂縫分開的距離d更小，如圖（a）所示。從兩個相鄰裂縫以角度

發(fā)射的光波間的路徑差是dsin（或圖中的ysin）。第七十一頁，共一百五十頁，2022年，8月28日71衍射方程——為布拉格衍射條件第七十二頁，共一百五十頁，2022年，8月28日72澳大利亞出生的英國物理學(xué)家布拉格（Bragg，1890～1971）于25歲時發(fā)明，并獲得了諾貝爾獎第七十三頁，共一百五十頁，2022年，8月28日73圖3.2.4三種不同的光柵衍射光柵可以分為傳輸光柵和反射光柵。入射光波和衍射光波在光柵兩側(cè)的是傳輸光柵，如圖（a）所示；同在光柵一側(cè)的是反射光柵，如圖（b）所示。光柵是由周期性變化的反射表面構(gòu)成的，這可通過在金屬薄膜上刻蝕平行的凹槽得到。沒有刻蝕表面的反射可作為同步的二次光源，它們發(fā)射的光波沿一定的方向干涉就產(chǎn)生零階、一階和二階等衍射光波。第七十四頁，共一百五十頁，2022年，8月28日743.2.3反射光柵解復(fù)用器圖3.2.5光柵型解復(fù)用器圖（b）為反射光柵解復(fù)用器原理圖。輸入的多波長復(fù)合信號聚焦在反射光柵上，光柵對不同波長光的衍射角不一樣，從而把復(fù)合信號分解為不同波長的分量，然后由透鏡聚焦在每根輸出光纖上。使用漸變折射率透鏡可以簡化裝置，使器件相當(dāng)緊湊，如圖（c）所示。第七十五頁，共一百五十頁，2022年，8月28日753.2.4陣列SOA集成光柵腔體

波長可調(diào)激光器這種激光器發(fā)射波長可以精確設(shè)置在指定位置。借助激活該器件的不同SOA，不同波長梳中的任一波長光均可發(fā)射，其波長間距也可以精確地預(yù)先確定，而且該器件的制造也比較簡單，除半絕緣電流阻擋層外，僅使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻掩埋技術(shù)和干/濕化學(xué)腐蝕技術(shù)。第七十六頁，共一百五十頁，2022年，8月28日76圖3.2.6陣列SOA集成光柵腔體波長可調(diào)激光器

該激光器由一個集成的固定光柵和一個SOA陣列組成。當(dāng)注入電流泵浦SOA陣列中的任何一個時，該SOA就以它在光柵中的相對位置確定的波長發(fā)射光譜。因?yàn)檫@種幾何位置是被光刻掩埋精確定位的，所以SOA發(fā)射波長在光梳中的位置也是精確定位的。第七十七頁，共一百五十頁，2022年，8月28日773.2.5布拉格光柵布拉格（Bragg）光柵由間距為的一列平行半反射鏡組成，

稱為布拉格間距，如圖所示。如果半反射鏡數(shù)量N（布拉格周期）足夠大，那么對于某個特定波長的光信號，從第一個反射鏡反射出來的總能量約為入射的能量，即使功率反射系數(shù)R很小。布拉格光柵的基本特性就是以共振波長為中心的一個窄帶光學(xué)濾波器，該共振波長稱為布拉格波長。式（）的物理意義是，光柵的作用如同強(qiáng)的反射鏡，該原理適用于光纖光柵、分布反饋（DFB）激光器和分布布拉格反射（DBR）激光器等。

第七十八頁，共一百五十頁，2022年，8月28日78

布拉格光柵

第七十九頁，共一百五十頁，2022年，8月28日793.2.6光纖光柵濾波器光纖光柵是利用光纖中的光敏性而制成的。所謂光敏性，是指強(qiáng)激光（在10~40

ns脈沖內(nèi)產(chǎn)生幾百毫焦耳的能量）輻照摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化的大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系。例如，用特定波長的激光干涉條紋（全息照相）從側(cè)面輻照摻鍺光纖，就會使其內(nèi)部折射率呈現(xiàn)周期性變化，就像一個布拉格光柵，成為光纖光柵，如圖（a）所示。這種光柵大約在500℃以下穩(wěn)定不變，但用500℃以上的高溫加熱時就可擦除。在InP襯底上用材料制成凸凹不平結(jié)構(gòu)的表面，就構(gòu)成了一個間距為的布拉格光柵，如圖（b）所示。第八十頁，共一百五十頁，2022年，8月28日80圖3.2.8光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵是一小段光纖，其纖芯折射率經(jīng)兩束相互干涉的紫外光照射后產(chǎn)生周期性地調(diào)制，干涉條紋周期由兩光束之間的夾角決定。大多數(shù)光纖的纖芯對于紫外光來說是光敏的，將纖芯直接曝光于紫外光下將導(dǎo)致纖芯折射率永久性變化。第八十一頁，共一百五十頁，2022年，8月28日81圖3.2.8光纖布拉格光柵強(qiáng)激光輻照摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化的大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系。如用特定波長的激光干涉條紋（全息照相）從側(cè)面輻照摻鍺光纖，就會使其內(nèi)部折射率呈現(xiàn)周期性變化，就象一個布拉格光柵，成為光纖光柵第八十二頁，共一百五十頁，2022年，8月28日82圖3.2.9光纖光柵帶通濾波器利用光纖布拉格光柵反射布拉格共振波長附近光的特性，可以做成波長選擇分布式反射鏡或帶阻濾光器如果在一個22光纖耦合器輸出側(cè)的兩根光纖上寫入同樣的布拉格光柵，則還可以構(gòu)成帶通濾波器

第八十三頁，共一百五十頁，2022年，8月28日833.2.7分布反饋激光器

——布拉格光柵的應(yīng)用在光纖通信系統(tǒng)中，最常用的激光器是分布反饋（DFB）激光器，它是一種單縱模（SLM）或單頻半導(dǎo)體激光器。單頻激光器是指半導(dǎo)體激光器的頻譜特性只有一個縱模（譜線）的激光器。DFB激光器工作原理離不開光的衍射現(xiàn)象。除小孔衍射、裂縫衍射外，事實(shí)上，任何物質(zhì)折射率的周期性變化，都可以作為衍射光柵。利用DFB原理制成的半導(dǎo)體激光器可分為兩類：分布反饋（DFB）激光器和分布布拉格反射（DBR）激光器。第八十四頁，共一百五十頁，2022年，8月28日84在普通LD中，只有有源區(qū)在其界面提供必要的光反饋；但在DFB激光器內(nèi)，光的反饋就像DFB名稱所暗示的那樣，不僅在界面上，而且分布在整個腔體長度上。

DFBLD的諧振腔損耗與模式有關(guān)，不同的縱模具有不同的損耗。這是通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使DFBLD內(nèi)部具有一個對波長有選擇性的衍射光柵，從而使只有滿足布拉格波長條件的（

mB/2）光波才能建立起振蕩。圖3.2.10DFBLD結(jié)構(gòu)及其原理第八十五頁，共一百五十頁，2022年，8月28日85圖3.2.11DBRLD結(jié)構(gòu)及其原理DBR激光器除有源區(qū)外，還在緊靠其右側(cè)增加了一段分布式布拉格反射器，它起著衍射光柵的作用。DBR激光器的輸出是反射光相長干涉的結(jié)果。只有當(dāng)波長等于兩倍光柵間距時，反射波才相互加強(qiáng)，發(fā)生相長干涉。例如當(dāng)部分反射波A和B具有路程差2

時，它們才發(fā)生相長干涉。第八十六頁，共一百五十頁，2022年，8月28日86圖3.2.12單縱模為主模的半導(dǎo)體激光器增益和損耗曲線DBR激光器與法布里-珀羅激光器相比，其激光發(fā)射的閾值條件有所不同。它的諧振腔損耗不再與模式無關(guān)，而是設(shè)計(jì)成對不同的縱模具有不同的損耗；由圖可見，增益曲線首先和具有最小損耗模式曲線接觸的模開始起振，并且變成主模。其他相鄰模式由于其損耗較大，不能達(dá)到閾值，因而也不會從自發(fā)輻射中建立起振蕩。第八十七頁，共一百五十頁，2022年，8月28日87

波長可調(diào)激光器/光放大器用工作在1.55m波段的材料，制成內(nèi)部包含一個或多個布拉格光柵的平板波導(dǎo)，就構(gòu)成DBR半導(dǎo)體激光器，它的波長調(diào)諧可通過對諧振腔注入電流實(shí)現(xiàn)。類似于多腔DBR半導(dǎo)體激光器使用的相位控制腔，也用于DBR激光器的調(diào)諧。這種調(diào)諧速度很快，約為幾個納秒，而且可以提供增益。因?yàn)樗鼈兪褂猛环N半導(dǎo)體材料，所以可以把放大器、接收機(jī)和激光器集成在一起。InGaAsP/InP激光器的這些特性對WDM應(yīng)用很有吸引力。第八十八頁，共一百五十頁，2022年，8月28日88圖3.2.13波長可調(diào)諧耦合腔半導(dǎo)體構(gòu)構(gòu)成單縱模（SLM）激光器的一個簡單方式是從半導(dǎo)體激光器耦合出部分光能，到外部衍射光柵。通過簡單地旋轉(zhuǎn)光柵，可在較寬范圍內(nèi)對波長實(shí)現(xiàn)調(diào)諧（典型值為50nm）。這種激光器的缺點(diǎn)是不能單片集成在一起。

DFB和DBR的多腔設(shè)計(jì)，可解決激光器的穩(wěn)定性和調(diào)諧性不能同時兼顧的矛盾。通過控制注入三腔的電流，激光器的波長可在5~7nm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。第八十九頁，共一百五十頁，2022年，8月28日89耦合腔半導(dǎo)體激光器耦合腔半導(dǎo)體激光器可以實(shí)現(xiàn)單縱模工作，這是靠把光耦合到一個外腔實(shí)現(xiàn)的，如圖所示。外腔鏡面把光的一部分反射回激光腔。外腔反饋回來的光不一定與激光腔內(nèi)的光場同相位，因?yàn)樵谕馇恢挟a(chǎn)生了相位偏移。只有波長幾乎與外腔縱模中的一個模相同時才能產(chǎn)生同相反饋。實(shí)際上，面向外腔的激光器界面的有效反射與波長有關(guān)，從而導(dǎo)致產(chǎn)生如圖所示的損耗曲線，它最接近增益峰，并且具有最低腔體損耗的縱模才變成主模。第九十頁，共一百五十頁，2022年，8月28日90DBR波長可調(diào)激光器第九十一頁，共一百五十頁，2022年，8月28日91圖4.4.4商用波長可調(diào)LD和調(diào)制器集成了波長可調(diào)激光器、放大器和調(diào)制器的PIC第九十二頁，共一百五十頁，2022年，8月28日923.2.9垂直腔表面發(fā)射激光器垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser）顧名思義，它的光發(fā)射方向與腔體垂直，而不是像普通激光器那樣，與腔體平行。這種激光器的光腔軸線與注入電流方向相同。第九十三頁，共一百五十頁，2022年，8月28日93圖3.2.15VCSEL激光器示意圖顧名思義，它的光發(fā)射方向與腔體垂直，而不是像普通激光器那樣，與腔體平行。這種激光器的光腔軸線與注入電流方向相同。有源區(qū)的長度L與邊發(fā)射器件比較非常短，光發(fā)射是從腔體表面，而不是腔體邊沿。腔體兩端的反射器是由節(jié)介紹的電介質(zhì)鏡組成，即由厚度為的高低折射率層交錯組成。第九十四頁，共一百五十頁，2022年，8月28日94VCSEL激光器第九十五頁，共一百五十頁，2022年，8月28日95VCSEL激光器工作原理第九十六頁，共一百五十頁，2022年，8月28日96VCSEL激光器陣列第九十七頁，共一百五十頁，2022年，8月28日97VCSEL激光器第九十八頁，共一百五十頁，2022年，8月28日983.2.10光纖激光器將光纖放大器放在能提供光反饋的光纖諧振腔內(nèi)，就可以轉(zhuǎn)化為激光器，這種激光器就稱為光纖激光器（fiberlaser）。光纖放大器可以由摻雜光纖實(shí)現(xiàn)，光纖諧振腔可以在摻雜光纖兩端制作布拉格光柵提供。所以光纖激光器就是由摻雜光纖提供增益的激光器，許多稀土元素，如鉺、銩和鐿等都可以用于制造光纖激光器。與固體激光器類似，光纖激光器輸出波長與摻雜元素有關(guān)，一般位于近紅外區(qū)域，其工作波長在0.4～4m之間。從1989年開始，研究焦點(diǎn)集中在摻鉺光纖激光器上，因?yàn)樗茉?.55m波段產(chǎn)生超短脈沖。2000年后，摻鐿光纖激光器由于增益譜和吸收譜較寬（可達(dá)152nm），覆蓋了1010～1162nm波長范圍，具有產(chǎn)生高功率的潛力而重新受到關(guān)注。第九十九頁，共一百五十頁，2022年，8月28日99圖3.2.17光纖激光器構(gòu)成圖把摻鉺光纖相隔一定長度的兩處寫入光柵，兩光柵之間相當(dāng)于諧振腔，用980nm或1480nm泵浦激光激發(fā)，鉺離子就會產(chǎn)生增益放大。由于光柵的選頻作用，諧振腔只能反饋某一特定波長的光，輸出單頻激光，再經(jīng)過光隔離器即能輸出線寬窄、功率高和噪聲低的激光，第一百頁，共一百五十頁，2022年，8月28日100雙包層光纖激光器早期，光纖激光器都是將泵浦光直接入射到光纖纖芯中進(jìn)行泵浦，如圖所示。但是，因纖芯非常細(xì)，高強(qiáng)度泵浦光耦合到細(xì)小的纖芯非常困難，同時也會引起不必要的非線性效應(yīng)，所以，從上世紀(jì)80年代后期開始，光纖激光器就采用雙包層光纖（DCF），如圖所示。在這種雙包層光纖激光器中，信號光仍在纖芯單模波導(dǎo)中傳輸，而泵浦光則改在內(nèi)包層多模波導(dǎo)中傳輸。內(nèi)包層由折射率比纖芯低的SiO2制成，一方面約束信號光在纖芯中傳輸，一方面又讓泵浦光通過。內(nèi)包層的種類很多，可以是圓形、矩形、正六角形等，但截面積都比較大（圓形的直徑為數(shù)百微米），數(shù)值孔徑大（約為0.46），允許更多的泵浦光功率進(jìn)入，同時功率密度也低，可以使用大功率多模LD進(jìn)行有效的泵浦。外包層由低折射率聚合物（樹脂材料）制成，相對泵浦光起到包層的作用。因?yàn)樾枰髷?shù)值孔徑的內(nèi)包層，所以內(nèi)包層和外包層的折射率差比較大。第一百零一頁，共一百五十頁，2022年，8月28日101圖3.2.16a用摻鐿普通單模光纖（纖芯數(shù)值孔徑?。┳鳛樵鲆娼橘|(zhì)用于光纖激光器第一百零二頁，共一百五十頁，2022年，8月28日102

圖3.2.16b用摻鐿雙包層單模光纖（內(nèi)包層數(shù)值孔徑大）作為增益介質(zhì)用于光纖激光器第一百零三頁，共一百五十頁，2022年，8月28日103圖3.2.18由5段鉺光纖光柵構(gòu)成5個波長的激光源近年來，隨著大模場面積雙包層摻雜光纖制造工藝和激光二極管泵浦技術(shù)的發(fā)展，單根單模雙包層光纖激光器的輸出功率迅速提高。高能單模光纖激光器光纖插頭輸出功率可達(dá)10kW，電光效率大于30%，甚至有輸出50kW的系統(tǒng)。第一百零四頁，共一百五十頁，2022年，8月28日104摻鐿光纖激光器摻鐿光纖激光器仍處于發(fā)展中的高功率激光系統(tǒng)，由于電光效率高、熱管理方便、結(jié)構(gòu)緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)高功率和高光束質(zhì)量激光輸出，摻鐿光纖激光器輸出功率潛力及軍事應(yīng)用前景被普遍看好，得到非常多的關(guān)注。在美國海軍激光武器系統(tǒng)項(xiàng)目中，最近成功演示了光纖激光器的軍事應(yīng)用。同時光纖激光器進(jìn)軍材料加工領(lǐng)域后，正在逐步替代CO2激光器的統(tǒng)治地位，因?yàn)槠洳ㄩL能夠與大多數(shù)金屬更好地耦合，并且利用光纖可以很方便地將激光導(dǎo)入到工作臺。第一百零五頁，共一百五十頁，2022年，8月28日1053.3陣列波導(dǎo)光柵

（AWG）器件3.3.1AWG星形耦合器3.3.2陣列波導(dǎo)光柵（AWG）的工作原理3.3.3AWG復(fù)用/解復(fù)用器3.3.4AWG多頻激光器3.3.5AWG濾波器3.3.6AWG分插復(fù)用器3.3.7AWGPIC多信道光接收機(jī)3.3.8AWG用于LED頻譜分割多波長光源3.3.9AWG用于ONU無色WDM-PON第一百零六頁，共一百五十頁，2022年，8月28日1063.3.1AWG星形耦合器AWG星形耦合器是一種集成光學(xué)結(jié)構(gòu)，它是在對稱扇形結(jié)構(gòu)的輸入和輸出波導(dǎo)陣列之間插入一塊聚焦平板波導(dǎo)區(qū)，即在Si或InP平面波導(dǎo)襯底上制成的自由空間耦合區(qū)，它的作用是把連接到任一輸入波導(dǎo)的單模光纖的輸入光功率輻射進(jìn)入該區(qū)，均勻地分配到每個輸出端，讓輸出波導(dǎo)陣列有效地接收，如圖所示。第一百零七頁，共一百五十頁，2022年，8月28日107圖相位中心星形耦合器

輸入陣列波導(dǎo)法線方向直接指向輸出陣列波導(dǎo)的相位中心P點(diǎn)，輸出法線方向直接指向輸入波導(dǎo)的相位中心Q點(diǎn)；其目的是為了確保當(dāng)發(fā)射陣列的邊緣波導(dǎo)有出射光時，接收陣列的邊緣波導(dǎo)能夠接收到相同的功率。第一百零八頁，共一百五十頁，2022年，8月28日108（b）光柵圓-羅蘭圓中心耦合區(qū)原理圖

自由空間區(qū)兩邊的輸入/輸出波導(dǎo)的位置滿足羅蘭圓和光柵圓規(guī)則，即輸入/輸出波導(dǎo)的端口以等間距設(shè)置在半徑為R的光柵圓周上，并對稱地分布在聚焦平板波導(dǎo)的兩側(cè)，輸入波導(dǎo)端面法線方向指向右側(cè)光柵圓的圓心P點(diǎn)；輸出波導(dǎo)端面的法線方向指向左側(cè)光柵圓的圓心Q點(diǎn)。兩個光柵圓周的圓心在中心輸入/輸出波導(dǎo)的端部，并使中心輸入和輸出波導(dǎo)位于光柵圓與羅蘭圓的切點(diǎn)處。第一百零九頁，共一百五十頁，2022年，8月28日1093.3.2陣列波導(dǎo)光柵

（AWG）的工作原理平板陣列波導(dǎo)光柵（AWG）器件由N個輸入波導(dǎo)、N個輸出波導(dǎo)、兩個在節(jié)介紹的NM平板波導(dǎo)星形耦合器以及一個有M個波導(dǎo)的平板陣列波導(dǎo)光柵組成，這里M可以等于N，也可以不等于N。N

M平板波導(dǎo)星形耦合器中心耦合區(qū)如圖所示。這種光柵相鄰波導(dǎo)間具有恒定的路徑長度差，如圖（a）所示。第一百一十頁，共一百五十頁，2022年，8月28日110(a)AWG構(gòu)成原理圖（b）表示AWG頻譜特性的傳輸特性

圖3.3.2陣列波導(dǎo)光柵（AWG）第一百一十一頁，共一百五十頁，2022年，8月28日111從干涉理論解釋

陣列波導(dǎo)光柵（AWG）工作原理第一百一十二頁，共一百五十頁，2022年，8月28日112從光程差解釋

AWG的工作機(jī)理AWG光柵工作原理是基于馬赫-曾德爾干涉儀的原理，即多個相干單色光經(jīng)過不同的光程傳輸后的干涉理論。由于陣列波導(dǎo)中的波導(dǎo)長度不等，相位延遲也不等，其相鄰波導(dǎo)間的相位差為這里

k是波矢量，k=2n/，是相鄰波導(dǎo)間的路徑長度差，通常為幾十微米，所以輸出端口與波長有一一對應(yīng)的關(guān)系。

第一百一十三頁，共一百五十頁，2022年，8月28日113陣列波導(dǎo)光柵（AWG）參數(shù)第一百一十四頁，共一百五十頁，2022年，8月28日114圖3.3.31616AWG的TM波輸出頻譜當(dāng)光頻增加c/2nL時，相位增加2，傳輸函數(shù)以自由光譜范圍FSR為周期重復(fù)第一百一十五頁，共一百五十頁，2022年，8月28日1153.3.3陣列波導(dǎo)光柵（AWG）

復(fù)用/解復(fù)用器第一百一十六頁，共一百五十頁，2022年，8月28日116陣列波導(dǎo)光柵（AWG）復(fù)用/解復(fù)用器工作原理這種光柵相鄰波導(dǎo)間具有恒定的路徑長度差L，如圖所示。輸入光從第一個星形耦合器輸入，該耦合器把光功率幾乎平均地分配到波導(dǎo)陣列輸入端中的每一個波導(dǎo)，由于陣列波導(dǎo)中的波導(dǎo)長度不等，相位延遲也不等，由式（）可知，其相鄰波導(dǎo)間的相位差為:AWG光柵工作原理是基于馬赫-曾德爾干涉儀的原理，即兩個相干單色光經(jīng)過不同的光程傳輸后的干涉理論。所以輸出端口與波長有一一對應(yīng)的關(guān)系，也就是說，由不同波長組成的入射光束經(jīng)陣列波導(dǎo)光柵傳輸后，依波長的不同就出現(xiàn)在不同的波導(dǎo)出口上。

第一百一十七頁，共一百五十頁，2022年，8月28日117圖3.3.54040Gb/s多信道發(fā)送機(jī)每信道40Gb/s，有40個信道；每個發(fā)送信道包含一個具有后向功率監(jiān)控的調(diào)諧DFB激光器，一個電吸收調(diào)制器(EAM)，一個功率平坦元件（PEE）和前向功率監(jiān)控器。PEE用來均衡每個信道的輸出功率陣列波導(dǎo)光柵(AWG)用來復(fù)用40個不同波長信道。第一百一十八頁，共一百五十頁，2022年，8月28日118(c)40個信道歸一化頻譜曲線第一百一十九頁，共一百五十頁，2022年，8月28日119(d)40個信道的光頻安排信道間距是50GHz;設(shè)計(jì)制造的40信道的AWG滿足這種要求第一百二十頁，共一百五十頁，2022年，8月28日120（b）1010Gb/s多信道發(fā)送機(jī)模塊

第一百二十一頁，共一百五十頁，2022年，8月28日1213.3.4AWG多頻激光器中間是波導(dǎo)光柵路由器（WGR）濾波器右側(cè)是陣列半導(dǎo)體光放大器（SOA）左側(cè)是一個功率放大SOA芯片右側(cè)鏡面鍍高反射率（HR）膜，左側(cè)則鍍半反射膜以便輸出AWG多頻激光器諧振腔的光。第一百二十二頁，共一百五十頁，2022年，8月28日122(b)AWG多頻激光器頻譜圖AWG多頻激光器的信道間距取決于AWG腔體內(nèi)的波導(dǎo)光柵路由器的幾何尺寸；因此，每個激光器的波長非常穩(wěn)定，制造時可重復(fù)性好。AWG多頻激光器第一百二十三頁，共一百五十頁，2022年，8月28日1233.3.5AWG濾波器通常濾波器的調(diào)諧既可以用改變折射率指數(shù)實(shí)現(xiàn)，也可以用機(jī)械改變F-P腔的長度實(shí)現(xiàn)。電流注入改變折射率指數(shù)調(diào)諧速度很快（納秒量級），然而電流改變與調(diào)諧特性的關(guān)系卻很難預(yù)見，也很難重復(fù)，機(jī)械調(diào)諧的速度又很慢。為了克服以上的這些缺點(diǎn)，科學(xué)家們在InP襯底上開發(fā)出了基于陣列波導(dǎo)光柵（AWG）和半導(dǎo)體光放大器（SOA）的數(shù)字調(diào)諧濾波器，其PIC芯片尺寸為618mm2。這種AWG在輸入和輸出端分別安排2個相同的AWG，而在中間集成了一個SOA與它們相連，如圖（a）所示。第一百二十四頁，共一百五十頁，2022年，8月28日124圖3.3.7基于AWG路由器和SOA的數(shù)字調(diào)諧濾波器AWG路由器在輸入和輸出端分別安排2個相同的AWG，而在中間又集成了一個半導(dǎo)體光放大器（SOA）陣列與它們相連；第1個AWG用作波分解復(fù)用；第2個AWG用作WDM復(fù)用器，。第一百二十五頁，共一百五十頁，2022年，8月28日125陣列波導(dǎo)光柵(AWG)濾波器該單片集成濾波器可以作為信道分出（下載）濾波器，信道均衡器，WDM接收機(jī)和WDM光源。波長信道是數(shù)字接入，而間距是由波導(dǎo)光柵路由器（WGR）的幾何尺寸確定，因此具有高的精度和可重復(fù)性在WDM系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。第一百二十六頁，共一百五十頁，2022年，8月28日126圖3.3.7基于AWG路由器和SOA的數(shù)字調(diào)諧濾波器(b)只有一個信道被SOA接通輸出頻譜(c)SOA接通輸出功率和輸入信號波長的關(guān)系第一百二十七頁，共一百五十頁，2022年，8月28日1273.3.6AWG光分插復(fù)用器利用1N解復(fù)用器和N1復(fù)用器，可以構(gòu)成常規(guī)的OADM。利用AWGNN解復(fù)用器/復(fù)用器卻可以構(gòu)成星形NN波長分插復(fù)用（ADM）互聯(lián)系統(tǒng)，如圖所示。第一百二十八頁，共一百五十頁，2022年，8月28日1283.3.7AWG

光分插復(fù)用器圖3.3.8用AWG構(gòu)成的NN星形波長分插復(fù)用（ADM）互聯(lián)系統(tǒng)(a)分插復(fù)用器構(gòu)成原理圖(b)所有端口都環(huán)回在一起時輸出端口9b的頻譜響應(yīng)第一百二十九頁，共一百五十頁，2022年，8月28日129圖3.3.8用AWG構(gòu)成的NN星形波長分插復(fù)用（ADM）互聯(lián)系統(tǒng)(c)13a-13b斷開時輸出端口9b的頻譜響應(yīng)(d)13a-13b斷開時13b端口的頻譜響應(yīng)第一百三十頁，共一百五十頁，2022年，8月28日1303.3.7AWGPIC

多信道光接收機(jī)單片集成了AWG路由（WGR）波長解復(fù)用器和陣列PIN光電探測器并且在PIN之后又集成了異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）作為前置放大器

第一百三十一頁，共一百五十頁，2022年，8月28日131圖3.3.10平面波導(dǎo)集成電路（PIC）

多信道光接收機(jī)1010Gb/s的WDM光信號由AWG解復(fù)用AWG輸出進(jìn)入PIN光電探測器陣列。第一百三十二頁，共一百五十頁，2022年，8月28日132PIC多信道光接收機(jī)照片第一百三十三頁，共一百五十頁，2022年，8月28日1333.3.8AWG用于多波長光源圖3.3.11使用陣列波導(dǎo)光柵（AWG）對寬譜光進(jìn)行光譜分割首先用信號光調(diào)制LED的輸出光，然后將其輸出連接到AWG的輸入端，此時LED的寬光譜就被AWG分割成許多波長的光信號，在AWG的每個端口輸出。其結(jié)果是將調(diào)制后的信號以不同的波長分配給許多用戶，這些不同的波長是由AWG的特性決定的。第一百三十四頁，共一百五十頁，2022年，8月28日1343.3.9AWG用于ONU無色WDM-PON

圖3.3.12

ONU寬譜光源WDM

-

PON

系統(tǒng)的上行部分第一百三十五頁，共一百五十頁，2022年，8月28日135圖3.3.13ONU中無光源WDM-

PON

上行系統(tǒng)所有的ONU共用的寬譜光源置于OLT處，并通過AWG進(jìn)行譜分割，然后向每個ONU提供波長互不相同的光信號，而ONU直接對此光信號進(jìn)行調(diào)制，以產(chǎn)生上行信號。第一百三十六頁，共一百五十頁，2022年，8月28日1363.4光纖轉(zhuǎn)速傳感器——光纖陀螺陀螺儀（Gyroscope）是一種光程差干涉器件，它是導(dǎo)航、精密測量、姿態(tài)控制、定位等的關(guān)鍵設(shè)備。目前，波音、空客等飛機(jī)和衛(wèi)星、宇宙飛船都已采用了激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。由于光纖陀螺體積小、質(zhì)量輕、動態(tài)范圍寬，精度可從低到高，因此在軍事上它可用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船與坦克等許多運(yùn)動平臺系統(tǒng)。第一百三十七頁，共一百五十頁，2022年，8月28日1373.4.1真空中的薩格奈克效應(yīng)所有陀螺儀是根據(jù)薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)構(gòu)成的，該效應(yīng)是在一個環(huán)路中以相對方向傳輸?shù)膬墒獾母缮娆F(xiàn)象，當(dāng)環(huán)路以角速度

旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)愛因斯坦相對論，這兩束光將產(chǎn)生一個與角速度

成正比的光程差L。第一百三十八頁，共一百五十頁，2022年，8月28日138

圖3.4.2真空中的薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)假如有一只半徑為R的圓盤，它以