（凝聚态物理专业论文）基于模式匹配法的布拉格反射器件特性研究.pdf

摘要 实现光通信网络的关键是性能优越的光器件，采用布拉格反射结构可以构成波 分复用解复用器、垂直腔面发射激光器、分布反馈激光器、波长转换器、色散补偿 器等各种性能优越的全光型光子器件，因此布拉格反射结构的理论和应用研究具有 重要的实际意义。其中，光纤光栅和深刻d f b 反射器是两种典型的基于布拉格反射 原理的光无源器件。光纤光栅利用石英光纤的紫外光敏特性将光栅直接做在光纤上 而形成的，具有插入损耗低、对偏振不敏感、与普通光纤连接简单等优点。而深刻 d f b 反射器是由结构紧凑、反射率高的优点，是构成d f b 激光器的重要器件。 本文根据模式匹配法原理采用m a t l a b 语言编制了模拟计算程序，并分别在直角 座标和圆柱座标下对深刻布拉格反射器和光纤光栅进行了详细研究。 首先我们采用法布里珀罗腔模型给出了快速计算深刻布拉格反射器反射谱的 快速方法，其次采用模式匹配法精确计算了在满足和不满足d b r 反射条件时深刻布 拉格反射器中的光场分布。 进一步用模式匹配法计算了圆柱坐标下均匀b r a g g 和线性啁啾两种光纤光栅的 光谱特性，发现它们随参数结构不同具有如下变化规律：随着均匀b r a g g 光纤光栅 和啁啾光纤光栅长度的增加，反射带宽变窄，反射率增加，并趋于饱和；随着周期 长度增加光纤光栅的中心反射波长变大。随着折变量的增大，光纤光栅的反射率下 降、反射带宽增宽。而对于啁啾量不同的啁啾光纤光栅，啁啾量越大，光栅反射带 宽也越宽。根据这些规律可实现光纤光栅的最优化设计 关键词：模式匹配法、布拉格反射、光纤光栅 顽士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t o p t i c a l d e v i c e sa reo fv i t a l i m p o r t a n c e f o r t h ec o n s t r u c t i o no f o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i ti st h e r e f o r eo fg r e a ti m p o r t a n c et os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so f b r a g gr e f l e c t o r , f o r al o to f o p t i c a l d e v i c e ss u c ha s w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x o r d e m u l t i p l e x o r , v c s e l , d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r , w a v e l e n g t hc o n v e r t e r , d i s p e r s i o nc o m p e n s a t o r , a r eb a s e do ni t f i b e rb r a g gg r a t i n ga n dd e e p e t c hb r a g g r e f l e c t o r , f o re x a m p l e ，a r ct w oi m p o r t a n tp a s s i v eo p t i c a le l e m e n t st h a tf o l l o wb r a g g r e f l e c t i o np r i n c i p l e f i b e rb r a g gg r a t i n g , w h i c hi sf a b r i c a t e dd i r e c t l yi n t oaf i b e rb y u l t r a v i o l e te x p o s u r e ，h a st h ea d v a n t a g eo fl o wi n s e r t i o nl o s s ，i n s e n s i t i v i t yt op o l a r i z a t i o n a n dg o o dm a t c h i n gw i t haf i b e r w h i l ed e e p e t c hb r a g gr e f l e c t o ri sa b l et oa c h i e v ev e r y h i g hr e f l e c t i o ni nac o m p a c ts t r u c t u r ea n di t sw i d d yu s e di nd f bs e m i c o n d u c t o rl a s e r s t h et h e s i sc o m p o s e dap r o g r a mi nm a u a bl a n g u a g ef o rm o d e - m a t c h i n gm e t h o da n d a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e e p - e t c hb r a g gr e f l e c t o ri nt h er e c t a n g u l a rc o o r d i n a t e s a n df i b e rb r a g g g r a t i n gi nt h ec y l i n d r i c a lc o o r d i n a t e ss e p a r a t e l y f i r s taq l l i c ka n a l y t i c a lm e t h o dw a sp r e 靴n t e df o rt h ec a l c u l a t i o no ft h er e f l e c t i o n s p e c t r u mo fad e e p - e t c hb r a g gr e f l e c t o r t h e nt h ee x a c to p t i c a lf i d d si n s i d ead e e p - e t c h b r a g gr e f l e c t o rw e r ec a l c u l a t e du s i n gm o d e - m a t c h i n gm e t h o dw h e nt h eb r a g gr e f l e c t i o n c o n d i t i o ni sa n di sn o ts a t i s f i e ds e p a r a t e l y n e x t , s p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so fu n i f o r mf i b e rb r a g gg r a t i n ga n dl i n e a r l yc h i r p e d f i b e rb r a g gg r a t i n gw e r ei n v e s t i g a t e d i tw a sf i n dt h a tf o rb o t hu n i f o r mf i b e rb r a g g g r a t i n ga n dl i n e a r l yc h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n ga st h e i rl e n g t h si n c r e a s e ，t h e i rr e f l e c t i o n b a n db e c o m en a r r o w e ra n dt h er e f l e c t i o nr a t e si n c r e a s et o w a r do n e ；t h ec e n t r a lr e f l e t i o n w a v e l e n g t hb e c o m e sl o n g e ra st h ep e r i o db e c o m e sl a r g e r ；t h er e f l e c t i o nb a n db e c o m e s w i d e ra n dt h er e f l e c t i o nr a t e sd e c r e a s ea st h c i rr e f r a c t i o ni n d e xm o d u l a t i o ni n c r e a s e ；a n d f o rl i n e a r l yc h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g , t h er e f l e c t i o nb a n db e c o m e sw i d e ra st h e c h i r p i n gv a l u eb e c o m el a r g e nt h e s ep r i n c i p l e sa r ev e r yu s e f u lf o rt h eo p t i m u md e s i g no f af i b e rb r a g gg r a t i n g k e yw o r d s ：m o d e m a t c h i n gm e t h o d ，b r a g gr e f l e c t i o n ，f i b e rb r a g gg r a t i n g s 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：棱刁墅受 日期：肋僻月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名：燃 日期：2 , 0 0 锌6 月2 日 导师签名：刁飞一) 日期：口坼石月1 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。圄童途塞握銮卮造厦；旦坐生；旦= 玺；堕三生筮查! 作者签名：物戤 日期：刀d 僻多月z 目 导师签名：7 字也p 日期：。2 _ j 碑月l 日 项士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第一章绪论 1 1 光通信网络及其关键器件 1 1 1 光通信系统的发展 1 9 6 6 年英籍华人高馄博士就光纤传输的前景发表了意义重大的论文，提出了解 决光在光纤中的传输损耗的办法。1 9 7 0 年，美国c 0 m i i l g 公司的科学家成功拉制出损 耗低至2 0 d b k m 的可实用光纤，美匡i b e l l 实验室制作出可在常温下连续工作的铝稼砷 ( a m a a s ) 半导体激光器。这两项研究成果使得光通信进入实用化时代。 1 9 7 7 年，世界上第一个商用光通信系统在美国芝加哥的两个相距7 k i n 的电话局 之间开通，该系统采用多模光纤，工作波长为o 8 5 p m ，光纤损耗为2 7 3 d b k m ，传 输速率为4 4 7 3 6 m b i l s ，这就是通常所说的第一代光通信系统。1 9 7 7 年一1 9 8 2 年的第 二代光通信系统采用1 3 1 um 长波长多模光纤，光纤损耗为o 5 5 一l d b k m ，传输速率 为1 4 0 m b i t s ，中继距离为2 0 - 5 0 k i n ，于1 9 8 2 年开始陆续投入使用，一般用于中、短 距离通信线路。1 9 8 2 年，1 9 8 8 年的第三代光通信系统采用1 3 1 9 m 长波长单模光纤， 光纤损耗可以降至0 3 0 5 d b k m ，实用化、大规模应用是其主要特征，传输信号为 准同步数字系列( p d h ：p l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 的各次群信号，中继距离为 5 0 - 1 0 0 k i n ，于1 9 8 3 年以后陆续投入使用，主要用于长途干线和海底通信。1 9 8 8 年 1 9 9 6 年的第四代光通信系统开始采用1 5 和m 波长窗1 2 1 的光纤，光纤损耗进一步降 至0 2 d b k m ，主要用于建设同步数字系列( s d h ：s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 同步传 送网络，传输速率达2 7 g b i t s ，中继距离为8 0 1 2 0 k m ，并开始采用掺饵光纤放大器 ( e d f a ：e rd o p i n gf i b e ra m p l i f i e r ) 和波分复用( w d m ：w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 器等新型器件。 二十年来，光通信技术得到了空前的发展，光通信系统更新换代了四次，实现 了光纤从多模向单模的过渡，从短波长到长波长的跨越，传输设备实现了从准同步 系列到同步系列的转型，系统的传输速率达1 0 gb i t s ，无中继距离达1 2 0 k m 。随着 远程通信和计算机通信的飞速发展，特别是因特网业务的爆炸式崛起，通信业务对 全球网络的容量和速率提出了更高的要求。w d m 技术利用单模光纤的低损耗窗 口，在一根光纤中同时传输多路波长载波，并采用e d f 崃取代传统的光电中继系 统，被认为是充分利用光纤低损耗区近3 0 t h z 带宽的一种可行技术，是提高光通信 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 容量的一种有效途径。目前，基于w d m 技术的高速、大容量、支持多种业务的全 光通信网，即光通信网络，已成为世界上许多国家的研究机构和通信公司的研究热 点。 1 1 2 光通信网络中的关键器件 基于波分复用的全光网络具有透明性、可扩展性和可重构性，是宽带通信网未 来的发展目标，而要实现这样的目标需要靠先进的光子器件及技术来保证。目前， 各种用于组建光通信网络的关键器件及技术尚需进行进一步的探索及完善，这些相 关器件i f - e l 主要包括： ( 1 ) 波分复用器和解复用器( w a v e l e n g t hm u l t i p l e x e ra n dd e m u l t i p l e x e r ) 波分复用器是把各信源来的各个不同波长的光信号复接成为一个多波长信号信 号) ，进入光纤传输线路。( 即波分复用多路而解复用器则是把光纤线路上传来的多 波长信号分接成为各个不同波长的信号目前主要用马赫一曾德尔( m a c h z e n d e 0 滤波器、阵列波导光栅( a w g ) 、星型耦合器等来实现。 ( 2 ) 光开关阵列( o p t i c a ls w i t c h a r r a y ) 光开关阵列是光通信网络中用量非常大的一种重要的无源器件，用于控制光纤 传输信道中光信号的通、断，或实现路由转换，可用于光通信网络中系统保护，系 统监测等，实现全光交叉连接( o x c ：o p t i c a lc r o s sc o n n e c t i o n ) 系统( 图1 1 1 ) 中的路由交换，其市场潜力十分巨大。就目前的光开关发展现状而言，按照光束在 开关中传输的媒质来分类，可分为自由空间型和波导型光开关按照开关机理来分 类，主要有机械光开关、热光开关和电光开关。在机械光开关中，包括以新型的微 机械工艺为基础的微机械光开关，自由空间型光开关主要是利用各种透射镜、反射 镜和棱镜等折射镜的移动或旋转来进行开关动作。波导型光开关主要是利用波导的 热光、电光或磁光的效应来改变波导的性质，从而实现开关动作。 ( 3 ) 光分插复用器( o a d m ：o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 光分插复用器的功能是从传输设备中选择上行线路或下行线路，即负责将本地 需要的光波长信号从w d m 信号中分离出来，同时将本地上行的光波长信号复用到 w d m 信号中去，而让与本节点无关的其它各个波长的信号顺利通过。由于光分插 复用器允许通信系统在光域内进行信号分插复用操作，同时不影响其它波长信道的 传输，因此具有透明性，也就是说，它可以处理任何格式和速率的信号。这一点比 电领域的分插复用器更加优越，是克服全光网络中各节点的电子瓶颈的关键器件之 一。目前，光分插复用器的配置有以下几种：光纤布拉格光栅和环行器、马赫一曾 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 德尔( m a c h z e h n d e o 干涉计和用作波长选择的光纤布拉格光栅、摩尔( m o i r e ) 光纤光 栅和环行器、阵列波导。 图1 1 1 光交叉连接示意图 ( 4 ) 光放大器 对于长距离的光通信传输系统，全光放大器起着非常重要的作用，光放大器主 要用于补偿长距离光纤链路的传输损耗和各种接入设备的接入损耗。与传统的光纤 传输系统所采用的光电光的中继器相比较，其主要的优势是可避免高成本的两次 光电转换设备的使用，并能同时实现多路光信号的放大以及对不同光信号的透明 性，这意味着设备数量的减少、维护成本的降低、网络的可靠性提高及网络的透明 性能增强。这对系统的模块化和升级作用是十分明显的。目前适用于光通信的光放 大器主要有光纤放大器( o f a ：o p t i c a lf i b e ra m p l i f i e r ) 、半导体光放大器( s o a ： s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ) 和拉曼限锄卸) 光放大器三种类型，其中光纤放大器 相对比较成熟，又可具体分为掺饵光纤放大：器( e d f a ) 、掺镨光纤放大器( p d f a ) 、 掺铌光纤放大- 器( n d f a ) 等。目前使用最普遍的是e d f a ，这是由于e d f a 具备高增 益、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振无关等一系列优点。 光通信系统的发展有赖于这些关键器件的研制与开发。光通信系统的兴起极大 地推动了人们对各类光子器件、光电子器件的研究。光纤光栅作为一种新型的光子 器件，从一诞生就引起了人们的广泛关注。随着研究的深入以及制作技术的不断提 高，其独特的光谱特性及良好的应用前景越来越引起光通信领域的关注。 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 布拉格反射器件 1 2 1 光纤光栅 1 光纤光栅的发展 1 9 7 8 年加拿大握太华通信研究中心的i c o hi l l 及其同事首次在掺锗石英光纤中 发现光纤的光敏性【9 1 ，并采用驻波法制成世界上第一只光纤光栅。h i l l 的光栅是采用 4 8 8 n m 氢离子激光的驻波在光纤纤芯中制成的。进一步的研究发现，这种内写入法 的曝光过程是一个双光子过程，其写入效率很低。另外，采用内写入法所形成光栅 的周期受光源波长的限制，即为光源波长的一半。 由于上述原因，在卷纤光敏性被发现后的十年内未引起太大的注意，直到1 9 8 9 年，美国联合技术研究中心的g m e l t z 等人利用高强度的紫外激光所形成的干涉条纹 对光纤进行侧面横向曝光来产生光纤纤芯中的折射率调制【1 0 l ，即形成光纤光栅。紫 外曝光给出了一个单光子过程，其光敏度是在用可见激光情况下的上百万倍。此外， 横向曝光技术允许在光纤任何位置制作出任意布拉格响应波长的光纤光栅。采用不 同的曝光长度及光束形状可以控制布拉格共振谱的特性。后来的测试表明，光子诱 导所致的光纤光栅是永久性的，这种光栅是由微小的折射率变化造成的，并且在光 通信带宽波长内无吸收或散射损耗。 横向写入法的发明使得光纤光栅技术取得了突破性的进展，此后的十多年里， 光纤光栅成为光通信和光纤传感领域的研究热点到目前为止，人们对光纤光栅的 研究己取得飞跃发展，光纤掺杂元素从单纯的g e 元素发展到e b a i e r c e 等元素， 所用紫外光源也从四倍频n d ：y a g 激光器的2 6 6 n m 至l j 加f 准分子激光器的1 9 3 n m 都有 应用，光纤光栅的写入法有相位掩模法、逐点写入法、振幅掩模法等等。用来研究 光波在光纤光栅中的传输理论也多种多样，主要有传输矩阵理论、耦合模理论、 r o u 砌理论、b 1 0 c h 理论等等。有关光纤光栅在滤波【1 1 冽、色散补偿1 2 1 删、增益均衡 1 4 6 - 5 4 等方面的应用研究有大量报道。 在良好市场前景的驱动下，全世界的各个研究机构和公司都大力研究光纤光栅， 就单独的光纤光栅而言，目前就有几十家公司推出商业产品，还不包括含光纤光栅 的其它产品。总之，光纤光栅领域已进入成熟和实际应用的阶段，研究热点主要集 中在光纤布拉格光栅的封装及温度补偿技术、啁啾光纤光栅在色散补偿中的应用、 长周期光纤光栅在掺饵光纤放大器增益均衡中的应用、新型光纤光栅滤波器的设计 等方面。 4 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 光纤光栅的制作方法 从1 9 7 8 年驻波写入法至1 1 9 8 9 年横向写入法出现至今，光纤光栅的制作技术已取 得许多重要的进展。目前，光纤光栅的写入方法很多，可分为内写入法和外写入法 两大类，其中外写入法包括：横向全息曝光法、相位掩模法、振幅掩模法、逐点写入 法等等。 ( 1 ) 内部写入法( 驻波法) 【9 】 。_ _ _ 一 - _ _ _ 图1 2 1 驻波法( 内写入法) 制作光纤光栅示意图 图1 2 2h i l l 早期用于制作光纤光栅的实验装置 h i l l 早在1 9 7 8 年采用图1 2 1 所示的驻波法，利用图1 2 2 所示的实验装置制作 了第一个光纤布拉格光栅。在实验过程中来自氩离子激光器的4 8 8 n m 波长的光经 过分光器由光电探测器1 监测。而透射光则由光电探测器2 接收从前端注入到光 纤中的激光光束与反向传输的光( 光纤远端的菲涅尔反射光) 相干涉，在光纤纤芯 中形成一个弱的驻波强度分布。如果纤芯对光子敏感，纤芯折射率就被永久地改变 了，尤其是在干涉区中光强强的位置要比光强弱的位置改变的多这样，折射率扰 动( 折射率光栅) 就形成了，且其光栅周期与干涉光场的空间周期相同。驻波法的 缺点是写入效率低，光栅周期受光源波长的限制。 ( 2 ) 横向全息曝光法【1 0 l 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图1 2 3用横向全息曝光法制作光纤光栅 1 9 8 9 年m e l t z 等人发明了横向全息曝光法( 图1 2 3 ) 。这种方法是将纤芯掺锗浓 度较高的一段紫外光敏光纤在两束紫外光束交叠区域所形成的干涉场中曝光，引起 纤芯折射率的周期性扰动从而形成b r a g g 光栅。此法的优点是可以随意调节光栅 b r a g g 波长，只需改变两束相干光的夹角，以及仅要求简单的光学元件，但对光源 的相干性和系统的稳定性要求较高。 ( 3 ) 相位掩模法【5 6 j l j vl a s e rs o e r e e 图1 2 4相位掩模法 相位掩模法( 图1 2 4 ) 是目前应用较多的一种方法。具体的操作是：将光纤紧 贴相位掩模板放置，紫外光透过掩模板后的一级衍射光在光敏光纤上形成干涉条 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 纹，即可写成光纤光栅相位掩模板是由一片对紫外光2 4 8 n m 附近，透明的高质量熔 凝石英上面刻蚀出一维条纹制成的，其周期为光纤光栅周期的一半。因为我们要用 的是+ 1 级或1 级衍射光。所以需要将0 级衍射光进行抑制，这一点可以通过适当 设计掩模板刻槽深度来实现。相位掩模法的发明是光纤光栅制作的一个重要进展。 其突出优点有；光栅周期与写入光源波长无关，仅由掩模板周期决定。制作过程简 单对写入装置的稳定性和光源的相干性要求不高，对相位掩模板稍加改进，可方便 地制作各种非均匀光纤光栅。 ( 4 ) 振幅掩模法【刎 n o r m a l l yi n c i d e n tu v b e a m 一 竺， a m p l i t u d em a s k 一 一 五b 盯 图1 2 5振幅掩模法 如图1 2 5 所示是制作长周期光纤光栅的一种有效方法。它的原理是利用紫外光 透过预先制作好的振幅掩模板照射到光敏光纤上引起光纤纤芯折射率的周期性变 化而形成光纤光栅。因为长周期光纤光栅的周期一般为几百微米，其掩模板的制作 很方便，而且精度容易得到保证，所以用这种方法制作的长周期光纤光栅，其一致 性和光谱特性较好。 ( 5 ) 逐点写入法【5 6 1 逐点写入法( 图1 2 6 ) 是利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而形成光纤光栅。每 写一个条纹光栅移动一定距离，需要用精密机构控制光纤运动位移，通过控制光纤 的移动，可以方便地控制光栅的周期，但技术操作较难，一般用于制作长周期光纤 光栅。 7 m o t o ra n d 幽毗盯c o n t r o l l e r p r o g r a m c o n t r o l l e dm o t o r 醪螂 图1 2 6 逐点写入法 在上述这些方法的基础上，光栅制作的研究和挑战主要包括如何制作切趾光纤 光栅、啁啾光纤光栅、可调谐光纤光栅等等。目前，切趾光纤光栅的制作主要通过 调节掩模或光纤的平移速度来实现；啁啾光纤光栅可用带啁啾的相位掩模板来制作： 可调谐光纤光栅的制作主要有：将光栅粘在压电元件上，通过调节压电元件上的电压 来调节光栅的周期，从而实现可调谐功能；将光栅封装在一个温度可调的容器内，通 过调节温度来改变光栅的响应波长。 3 光纤光栅在光通信网络中的应用 在光通信网络中，由于光纤光栅的独特性能，将影响到光源、光放大、光纤色 散补偿、光信号处理等各个方面，是下一代高速光通信系统中不可缺少的关键器件 之一同时，光纤光栅也使各种全光器件的研制成为可能，如全光纤激光器、全光 纤滤波器等，因而所谓的全光纤一维光子集成，即将各种全光纤器件集成在一条光 纤里，形成许多集成型光纤信息系统也将成为现实。它迫使人们不得不重新考虑光 通信系统的每一个设计，将来光通信系统中如果没有光纤光栅就如传统光学系统中 没有镜片一样令人难以置信，光纤光栅几乎可以运用到光通信的每一个领域，其主 要应用有： 1 1 光纤激光器1 5 8 - 5 9 它是利用光纤光栅的反射性，构成光纤激光器所需的谐振腔，实现光纤激光器。 其与光纤光栅的兼容性、输出稳定性和光谱纯度比半导体激光器好，且具有较高的 光输出功率、极窄的线宽和较宽的调谐范围。图1 2 7 为一个光纤激光器的结构图。 e n d p u m p b 图1 2 7 基于光纤布拉格光栅谐振腔的光纤激光器 8 2 ) 半导体激光器的外腔反馈镜 6 0 1 光纤布拉格光栅可用作半导体激光器的外腔反馈镜，实现波长稳定的单模激光 输出。 3 ) 波分复用解复用器【6 1 - 7 0 l 由于光纤光栅具有良好的波长选择性，可以在同一根光纤中复用，解复用多个空 间排列紧密的波长信道，增加光通信的容量，从而方便地实现w d m 光通信系统的 光复用解复用。图1 2 8 为一个以干涉臂上两个相同的布拉格光栅的马赫一曾德尔 干涉仪为基础的波分复用解复用器，它可以把一个波长信道从传输线路上分离出 来，也可把一个波长信道加入到传输线路上去。 u v t r i m m i n gf o rp a t h 图1 2 8 基于光纤布拉格光栅的波分复用解复用器 钔e d f a 的增益均衡 掺饵光纤放大器增益谱的不平坦限制了其真正的使用带宽。早期有人提出用闪 耀光纤光栅来平坦e d f a 的增益谱，但制作难度较大。由于长周期光纤光栅能将正 向传播的纤芯导模耦合到同向传播的包层模中去，因此无背向反射，今年来，人们 普遍倾向于用长周期光纤光栅来实现e d f a 增益谱的均衡。a m 。v e n g s a r k a r 等人利 用长周期光纤光栅使e d f a 在3 0 n m 带宽内实现了增益均衡。 5 ) 色散补偿器 c l 卸e df i b e rb r a g gg r a t i n g 兰兰 c i r c u l a t o r 图1 2 9 啁啾光纤布拉格光栅用于色散补偿的示意图 9 光纤的色散和损耗是影响光通信能力的两个重要因素。e d f a 的出现使光纤损 耗不再是光通信系统的主要问题，色散补偿成为光通信中急需解决的问题。对于普 通单模光纤，在1 5 5 0 r i m 处，色散为正，处在反常色散区，蓝移分量较红移分量传 播的快。这样，光脉冲通过一段普通单模光纤传输后，则发生展宽。在啁啾光栅的 不同反射点有不同的反射波长，在1 5 5 0 r i m 负色散区，蓝移分量快于红移分量，若 使光栅周期大的一端在前，即使红移分量在光栅前端反射而蓝移分量在光栅的末端 反射。蓝移分量比红移分量多走了两倍光栅长度的距离，这样便在红、蓝移分量之 间产生一时延差，经光栅后，滞后的红移分量便会赶上蓝移分量。图1 2 9 为用啁 啾布拉格光栅进行色散补偿的示意图。 1 2 2 垂直腔面发射激光器 1 垂直腔面发射激光器的介绍 在垂直腔面发射激光器( v c s e l ：v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r s ) 诞生之 前，传统的边发射激光器一直在光通信中扮演着主要角色。尽管这些年来，边发射 激光器在结构优化，制造技术，工作特性以及应用领域方面都取得了巨大进展，但 仍存在一些不足。比如在芯片解理之前，不能进行单个器件的基本特性测试；光束 发散角过大且呈椭圆状；不易构成二维光源阵列；而且制造成本也仍然偏高。正是 在这样的背景下诞生了垂直腔面发射的激光器。v c s e l 是光从垂直于半导体衬底 表面方向出射的一种半导体激光器，具有模式好、阈值低、稳定性好、寿命长、调 制速率高、集成高、发散角小、耦合效率高、价格便宜等很多优点。因为在垂直于 衬底的方向上可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行 光互连等领域，它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联，以它很高的性 能价格比，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用。 2 垂直腔面发射激光器的结构和特点 典型的v c s e l 结构如图1 2 1 0 所示，其有源区由多量子阱组成，有源区上下两边 分别由多层四分之一波长厚的高低折射率交替的外延材料形成的d b r ，相邻层之间 的折射率差使每组叠层的b r a g g 波长附近的反射率达到极高( 9 9 ) 的水平，需要制 作的高反射率器的对数依据每对层的折射率而定，激光器的偏置电流流过反射器， 它们是高掺杂的以便减小串联电阻由一组少量的量子阱提供光增益，典型的量子 阱数为1 至4 个，它们被置于驻波图形的最大处附近，以便获得最大的受激辐射效率 而进入振荡场。出射光方向可以是顶部或衬底，这主要取决于衬底材料对所发出的 激射光是否透明以及上下d b r 究竟那一个取值更大一些。 1 0 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s a 酬垤轴 笛h s a l m r a t e 图1 2 1 0 垂直腔面发射激光器结构示意图 v c s e l 与传统边发射激光器不同的结构带来了许多优势：小的发散角和圆形对 称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高，现已证实与多模光纤的耦合效 率竟能大于9 0 ；v c s e l 的光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温 度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；腔体积减小使得其自发辐射因子较普 通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善；可以在片测试， 极大地降低了开发成本；出光方向垂直衬底，可实现高密度二维面阵的集成；最吸 引人的是它的制造工艺与发光二极管( l e d ) 兼容，大规模制造的成本很低。 由于a l a s o a a sd b r 的高反射率、高热传导率和良好的导电特性，以及a l a s 氧化技术的开发，8 5 0 r i mv c s e l 技术已经相当成熟，批量生产成本较低。由于其 优异的性能，8 5 0 r i m 的v c s e l 已经主宰了单通道短距离光学互连的市场，如i e e e 8 0 2 3 千兆以太网1 0 0 0 b a s c - - - s x 系列标准中就采用低成本8 5 0 a mv c s e l 作为光 源。用在并行传输多通道发送机模块中的一维v c s e l 阵列也有产品进入市场。 在光纤通信系统中，1 3pm 和1 5 5um 的长波长激光光源是不可缺少的关键性 器件，主要由边发射的f p 及d f b 半导体激光器占领市场。目前投入到实际应用的 v c s e l 主要集中在波长在8 5 0 9 8 0 n m 范围内，适合于短距离传输。而人们正在将 目光更多集中到长波长v c s e l 的研制中，希望能将波长为1 3um 和1 5 5i i1 1 1 的 v c s e l 应用到并行光通信领域中，实现长距离的并行光传输。长波长1 3 0 0 、1 5 5 0 r i m 波段的v c s e l 目前的技术水平还达不到8 5 0 n m 波段成熟的程度，存在很多的问题， 如：价带间吸收较大；体系d b r 折射率差太小，需要多层，热导率也很小，难以 高温操作；批量生产工艺复杂等。科学家们通过引入各种技术和开发新材料、新工 艺，在长波长带的v c s e l 方面也取得了很大进展，器件性能水平有了很大提升。 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 垂直腔面发射激光器的市场现状和应用前景 目前8 5 0 r i m 的v c s e i 赦术已经十分成熟，在采用多模光纤的短距离光互连领域 应用已经相当广泛，随着长波长v c s e l 的成熟，v c s e l 可作为低成本高性能激光光 源，在光纤通信网络、高速数据传输、并行光互连等方面具有重大应用前景。特别 是在中、长距离高速传输方面具有短波长v c s e l 无法比拟的优点。光纤接入网的发 展和将来的光纤到户和光纤到路边等的实施必将给长波长v c s e l 提供广阔的市场 需求空间。波长可调谐的v c s e l 阵列在局域网、长距离超大容量信息传输方面的应 用有着巨大的潜力，它可提供更多的波长，使v c s e l 的光空间并行性和波长特性实 现良好的结合，极大地提高系统的容量和传输速率，是用于波分复用( w d m ) n 络和 全光网建设的最佳选择。多波长激光器阵列也成为w d m 系统的关键器件之一。 除了并行光传输和光互连，v c s e l 在其他方面也有不错的应用前景。在光打印 方面，激光打印机中的多边镜等光扫描技术的电子化是多年未能解决的课题，随着 技术的发展，已逐步得到改善。如果采用l e d 阵列，电能消耗是个瓶颈，而导入 v c s e l 阵列则可以解决这个问题。采用数千个v c s e i 胸成的阵列形式的多光束将可 能成为取代多边镜扫描的最好方式。相比过去的单个激光管，v c s e l 的阵列集成结 构可以同时进行多行的扫描。这可以大大提高激光打印机的扫描速度并相应延长其 使用寿命。在光显示方面，通常的显示器都是利用红、绿i 蓝三元色发光管构成的， 如果能够制成具有红、绿、蓝三元色的激光器，则可以应用在大型显示器的技术领 域中。目前，波长范围从蓝色覆盖到紫外波段的g a n 系列激光器正处在研究阶段。 这个系列的v c s e l 是解决未来图像显示的有力技术。在照明方面，v c s e l 的电光转 换效率达到5 0 以上，远远高于目前的照明光源，如果它的波长能从紫外波段覆盖 到可见光区，可以期待它在照明领域里面也能有着广泛的应用前景，实现白光照明。 例如，可调节光线强度的室内照明，笔记本电脑的背景灯，交通指示灯以及户外照 明灯等许多方面。另外在气体检测、高密度光存储方面也有希望得到应用。 v c s e l 的低成本、高集成度、高调制速率等特点使得它在万兆以太网、高速并 行光互连等领域已经得到广泛的应用，未来在光纤局域网( u 蝌) 中，v c s e l ：有机 会与常规边射型激光一较长短，并大有取代传统的边发射激光器的趋势。v c s e l 的 诸多技术优势必将推动v c s e i 放术的不断成熟和广泛应用，市场前景和应用前景广 阔。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 3 分布反馈激光器 1 分布反馈激光器的工作原理 分布反馈激光器( d b f ：d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r ) 用靠近有源层沿长度方向制 作的周期性结构( 波纹状) 衍射光栅实现光反馈。衍射光栅的折射率为周期性变化， 使有源层分布反馈。由有源蕾层发出的光从一个方向向另一个方向传播时，一部分 在光栅波纹峰反射，另一部分继续前进，在邻近的光栅波纹峰反射。若两部分反射 光相互迭加则产生更强反馈，而其它波长的光将被抵消；虽然每个光栅波纹峰反射 光不大，但整个光栅有成百上千的波纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。 2 分布反馈激光器的结构 d b f 激光器是采用折射率周期变化的结构实现谐振腔反馈功能的半导体激光 器。这种结构不仅使半导体激光器的某些性能( 如模式，温度系数等) 获得改善，而 且由于它采用平面工艺，在集成光路中便于与其它组件耦合和集成。 1 9 7 0 年采用双异质结的g a a s g a a i a s 注入式半导体激光器实现了室温连续工 作。与此同时，贝尔实验室h 利戈尼克等发现在周期结构中可由反向布拉格散射提 供反馈，可以代替解理面。在实验中，最初是把这种结构用于染料激光器，1 9 7 3 年 开始用于半导体激光器，1 9 7 5 年g a a s 分布反馈激光器已实现室温连续工作。 折缓锌 - 折射l 翠周潮变化的耋冉掏卜，l 一一 怎弦阚$ 陆 1 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s p b s n t e 和c d s 等。非半导体材料的分布反馈激光器主要采用染料作为活性介质。 泵浦方式主要采用电注入，也采用光泵和电子束激励。半导体分布反馈激光器有多 种结构，如同质结，单异质结，双异质结，光和载流子分别限制异质结、沟道衬底 平面结构、具有横向消失场分布反馈的沟道衬底平面结构、隐埋异质结、具有横向 消失场分布反馈的条形隐埋异质结等。周期结构有的是做在激光器表面，有的是在 激光器内部的界面，有的则在衬底上。周期结构做在内部界面的激光器，一般需要 二次液相外延，或采用液相外延与分子束外延结合的办法；周期结构做在衬底或表 面的激光器则只需一次外延。在有源层和限制层之间皱折界面处，注入载流子的无 辐射复合影响器件低阈值室温工作。解决这个问题的办法是：采用光和载流子分别 限制异质结，把皱折界面与有源层分开；采用分布布拉格反散镜0 ) b r ) 结构，把光 栅与有源区分开。 3 分布反馈激光器的性能与特点 同激光二极管只在两个端面形成反射，进行反馈不同，d b l 噌敏光器依靠光栅中 各个波纹峰的反射进行反馈，尽管每个波纹峰处的反射很小，但由于波纹峰多，波 纹周期完全相同，使反射光叠加成较大的反射，可得到较大的功率( 2 0 m w 以上) 输出；另外光栅还增强了谐振腔的选频作用，以保证激光器中只形成一个频率，一 种模式的光振荡，做到单模输出。d f b 激光器还采用了一些提高线性的措施，使其 在注入电流大于阈值电流( 高质量d f b 激光器的阈值电流通量小于2 0 m a ) 时输出 功率基本与注入电流成正比。 同激光二极管相比，d f b 激光器具有单色性好，( 谱线宽度仅为激光二极管的十 分之一) ，温度系数小，输出功率大，线性好，便于调制，容易引起单模振荡，可 以传输较宽频带的优点。从1 9 8 9 年美国o r l 1 巳i ，从司研制成大功率、高线性的d f b 激 光器开始，d f b 激光器就在有线电视领域得到了最广泛的应用，目前市场上的光发 射机在约有6 0 是采用d f b 激光器。 目前g a a s - g a a l a s 分布反馈激光器已实现室温连续工作，闺值3 4x1 0 安厘米 ( 3 2 0 目。2 8 2 k t 得到的最大连续输出功率为4 0 毫瓦。蚀刻光栅的表面总是残留有不 完整性，带来一些散射损耗，因此分布反馈激光器阈值较高。 分布反馈激光器具有很好的波长选择性和单纵模工作，这种选择性是由布拉格 效应对波长的灵敏性产生的，分布反馈激光器的阈值随着偏离布拉格波长而增加。 单纵模工作的谱线宽度小于1 埃。激射波长随温度和电流的变化比较小，例如 g a a s g a a i a s 和i n p i n g a a s p 分布反馈激光器，激射波长随温度的依赖关系约为 0 5 - - 0 9 依，