光纖放大器和激光器

在某些光應用中，往往要求光具有很高的能量（或功率，如激光核聚變，等，但欲獲得高能光束，直接通過激光器來獲取一般是很的，這是因為提高激光器的輸出功率的同時又要保持優(yōu)良的光束特性是互相的。因此為了獲得性能優(yōu)良的高能量光束，光放大技術是一種最佳選擇。光纖激光器是近年來激光領域中最具的研究課題之一特別是應用到光纖通信窗了解EDFA構建EDFA測量EDFAEDFA是目前性能最完美，技術最成熟，應用最廣泛的光放大器。它具有高增益，低噪1所示，基態(tài)4I152E1，激發(fā)態(tài)4I112E3，亞穩(wěn)態(tài)4I132E2。粒子在這些980nmE3E3上的粒子將以無輻射躍能級E2上，粒子在E2上 較長，10ms圖1鉺離子三能級圖 E1E2E2E11550nm1480nmE1E2放大的自發(fā)輻射(Amplifierspontaneousemission,光子在EDF中也會得到放大，形成背景噪聲，使信噪比下降，這對信號是有害的。EDFAL,x方2所示。地被消耗，所以單位體積中光子數(shù)(x,t)粒子數(shù)n(x,t是時間tx圖 級系統(tǒng)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的速率方程為n(x,t)2n(x,t)c(x,t)1n(x,t)

，n0(x)為工作物質(zhì)初始時（t0反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，2n(x,t)c(x,t)1n(x,t)

再工作物質(zhì)在xxdx體積元中光子數(shù)密度變化的情況。引起光子數(shù)發(fā)生變化因dt時間內(nèi)dx體積元中受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)為c(x,t)n(x,t)dxdt。dtxdx體積元的光子數(shù)c(x,t)dtxdx處流出的光子數(shù)為c(xdx,t)dt。因而在dt時間內(nèi)進入體積元的凈光子數(shù)為(x,t(xdx,t)cdt，如果放大器中各種損耗不計，則dt(x,t)dxdt(x,t)(xdx,t)cdtc(x,t)n(x,(x,t)c(x,t)c(x,t)n(x, 由于光強（光子流強度）I(x,t)c(x,t)hI(x,t1I(x,t)I(x,t)n(x,t)I(x,

I(x,tIn(x,t寫成n，則（1）（3）

n

1 011I

c 態(tài)，可以認為dn0，穩(wěn)態(tài)情況下，從（4）dt

對（5）

1c

1dI

I

上式中1dIg表示，則（7）Ig

1IIs

，I

。Is也稱為飽和光強。

g0g

時，gg0gI IIs即輸入信號是小信號時，則EDFAg1dIL

Idx I(L)I0exp(g0

I0為初始時信號光強，小信號下總增益0GILexpgLI00

為放大器單位長度損耗系數(shù)，1dI

n

gIdxL

構建EDFAEDFA實驗系統(tǒng)的結構如圖3所示，本實驗系統(tǒng)由兩個波長為980nm的泵浦激光器（WDMWDM1，WDM2980nm泵浦光耦合到摻鉺光纖中去,抽運鉺器1的作用是防止線反射光和EDFASE光返回3EDFA實驗系統(tǒng)器的作用是調(diào)節(jié)輸入到EDFA中信號功率大小。測量半導體激光器的電流和功980nm1550nm信4圖4半導體激光器電流和功率關系 率急劇增大，輻射激光ASEASE3的實驗裝置采用以下的實驗步驟。表 ASE測量實驗記錄ASEASEASE輸出功ASE輸出功率，1中。1550nm處損耗非常小，為0.2dBkm收信號光，因此摻鉺光纖損耗特別大，可達到3~5dBm。損耗系數(shù)的計算 10

(dB

3的實驗裝置采用以下實驗步驟：測量EDF1，10%的分束一端作為輸入Pin的測量。測量EDF在WDM2的輸出端，測量輸出信號功率Pout,并 （13）計算損耗系數(shù)LEDF長G

3Pout功率，故此時增益(14)應改G10

poutPASE

不同的信號功率下，測量EDFA23dB3dB2實驗系統(tǒng)中，測量EDFA的增益也可用輸入調(diào)制信號測量。把周期性信號調(diào)制到信號激光器上，使1550nm信號激光器輻射光功率帶有周期性而變，經(jīng)EDFA后輸出光功和EDFA輸出信號的幅值高度，就可以測量EDFA的增益，用調(diào)制信號進量即直觀

1E2躍遷到基態(tài)4I152，E1上 長在1550nm左右。5示出光纖激光器諧振腔結過,但使腔內(nèi)激光發(fā)生全反射。sagnacSagnac光纖環(huán)色鏡。Sagnac2對圖5光纖激光器諧振腔結構示意 1550nm激圖（d），，R1R2exp2gL（8）I

LI

ALp

光強與功率之間關系為PAIL，腔內(nèi)I或功率I

IIs PPs I Ip,Pp分別為泵浦光光強和功率，Ipth,Ppth分別為泵浦光閾值光強和閾值功率，Ps

AIs，若腔內(nèi)激光透過率為TPout

（簡稱sagnac）

Sgnc儀是由光纖耦合器光纖耦合器是四端口器件（二輸入和二輸出端口場分為相干的兩部分，它的結構是6所示的結構，其中間是一圖 光纖耦合 個耦合區(qū)根據(jù)耦合模理論如果率為P0P1P0cos2KLp2P0sin2KL(1

式中，L是耦合區(qū)的長度，K為耦合系數(shù)，為功率分束比，如果KL4

，那么

P03dB2Sagnac儀如圖7所出端口連接起來構成儀，輸入光場分成沿相反方向傳在耦合區(qū)發(fā)生相干相反圖7sagnac 位決定輸入光是被sagnac涉儀反射還是透射，利用光纖耦合器的特性可以得到反射率R和透射率TR4(1)

T14(1

若0.5，即耦合器為3dB耦合器，R1，由上式可得 儀對入射光的反射為100%

0.53Sagnac儀的特性測61550nmP0，從耦合器一端輸入，用功率計測量二端輸出功P1P2，然后由（19）和1，那么功率分束比為1)。由上述光纖耦合器構成sagnac透射光可通過sagnac環(huán)的另一端輸直接測量透射功率為了測量反射光方便起見9：1的耦合涉儀的反射光可由耦合器2來測率T1)圖 有兩個耦合器的sagnac測量餌離子亞穩(wěn)態(tài)4I172980nmPumpLight

9WDM1EDF及WDM2WDM1信號輸入端WDM2信號輸出端將會產(chǎn)生ASE，如果泵浦激光器是帶由調(diào)制信號，它出射的光強（功率）10圖9測量能級實驗裝置圖 功率時開時閉開時它足以使EDF所示，通過上下圖比較，ASE功率下降到1e（0.3