直接调制DFB激光器诱导的啁啾特性研究

1、第一章 绪论在光纤通信的发展进程中，激光器技术一直扮演着重要的作用，自十九世纪六十年代世界上第一台激光器研制成功以来，激光器已经得到了长足的发展与进步。作为非常关键的技术，激光器的研究得到了广大学者和研究机构的重视，它给整个光纤通信技术的发展带来了革命性的变革，另外，它保有着非常强大的生命力和发展势头，在科技、军事和医学等方面得到广泛的使用，为推动社会进步做出了巨大的贡献。1.1 激光器的发展十九世纪初，著名的物理学家普朗克提出了能量量子化的设论，基于此假设又提出了黑体辐射公式，在理论方面阐释了黑体辐射分布规律。十年后，波尔对原子能量量子化提出了假设，提出了利用一系列不连续的能级表征原子内部状

2、态的理论。随后，爱因斯坦博士在以上理论基础上，又针对普朗克公式进行了分析推导，站在光子量子理论角度，定义了受激辐射理论，指出光子与原子相互作用时，原子可以在光子的辐射场的作用下发生跃迁，同时辐射出一个不同频率的光子。这一理论的提出奠定了激光技术的基础。到五十年代，美国Charles博士和前苏联Nikolai博士在爱因斯坦受激辐射理论基础上，利用物质原子的受激辐射来对电磁波进行放大，研制成功了世界上首台微波量子振荡器，微波量子振荡器一经问世，就得到了全世界学者的广泛关注，并成功将其推行至光通信领域，提出了利用开放式光学谐振腔来试验激光器，打造了激光器原型机。六十年代，美国学者Theodore H

3、. Maiman结合前人在激光技术方面的成就和基础上，研制成功了世界上第一台激光器红宝石固体激光器。其输出功率达到几瓦，且在单色性、方向性和相干性方面有非常优良的性能，相对于普通光源来讲，以上特性有着本质的区别，一经演示便引起了科学界非常强烈的反响，得到了全世界的广泛关注。1.2 光纤激光器在1961年，Snitzer博士利用特制的微量元素掺杂光纤作为增益介质，成功地研制出了世界上第一台光纤激光器。此激光器集成了光纤的体积小、结构简单、具有很好的柔韧性和散射性以及无需冷却系统等特点带来的强大优势，在很多指标上已经是远远超过普通的固体激光器。但由于光纤技术的发展制约，其波导纤维传输损耗非常高，达

4、到一千多分贝每公里，光信号的能量衰减极其严重，这直接制约着光纤激光器的发展与应用。众所周知，华裔科学家高坤博士在1966年发表了一篇关于光频率介质纤维表面波导的论文，文中提到光纤的介质自身的损耗由瑞利散射效应决定，但从理论上来讲该数值可以降到很低，由此，人们通过对光纤的加工工艺进行改进最后制造出了损耗较低的光纤。此后不久，Stone博士和Burrus博士在1973年研制成功了一种新型的光纤激光器，其特点是采用断面泵浦的掺钕光纤增益介质，对比于其他的掺杂物，稀土元素钕的增益效果和激光器性能最优。到了十九世纪九十年代，各个激光器研究机构的研究焦点渐渐地集中到了掺饵光纤激光器，这种激光器在1550n

5、m波长变化范围内产生超短脉冲，由此，光纤激光器可以应用在很多工程中，例如传感器和传感器网络、光纤通信系统和机械、医疗等。目前，光纤激光器的主要研究热点集中在高功率、窄线宽、波长可调谐以及超短脉冲等方面，它的主要应用场景可为光信息存储、光纤通信系统、医疗器械和光纤传感等提供非常好的光源。1.3 DFB激光器FBG是Fiber Bragg Grating 的缩写，意为光纤布拉格光栅。简而言之，光纤布拉格光栅是指纤芯折射率周期性变化的光纤，在光纤的纤芯内设计成空间上相位周期性分布的光栅，达到在纤芯内形成一个窄带的能够投射或者反射的滤波器和反光镜。利用这个特性制造出很多性

6、能独特的光纤材料器件。此类器件的突出特点是反射波段打、额外衰减小、体积较、耦合性能优、兼容性非常强，且不会受到复杂电磁环境的干扰，这一系列优异性能，使得光纤布拉格光栅在光纤通信系统领域得到了广泛的关注和应用。 1.4 论文的主要工作就目前而言，分布反馈式（DFB）半导体激光器的理论基础基本已经完善，其主要的运行原理和特性分析都已经分析清楚，但基于外差的半导体激光器系统的理论研究也不是非常全面，理论基础和工作特性都有待深入研究，同时，鉴于外差分布反馈半导体激光器的反馈原理，且仅由瑞利散射效应控制，后向的散射系数较小，因此外差式分布反馈半导体激光器的阈值泵浦功率要求较高，受上述因素影响，激光器的进

7、一步发展受到限制。本论文在导师前期工作的基础上，针对于外差式分布反馈半导体激光器进行了理论分析和仿真分析。文中研究了两种基于外差结构的半导体激光器，并且通过改变调制信号的幅度和频率，通过测量系统的拍品输出激光信号，探究直接调制半导体激光器的啁啾特性与调制电流的幅度和频率之间的变化关系。1.5 论文结构安排本论文主要研究分布反馈式半导体激光器的啁啾特性以及调制电流的幅度和频率之间的作用规律，论文的主要结构安排如下：第一章，绪论部分。介绍激光技术的研究进展、DFB激光器的国内外研究现状，阐明了论文的研究意义与实际价值。第二章，是FDB激光器的基本理论分析。主要对FDB激光器的基本工作原理和系统性能

8、进行了理论分析，并构建数学模型。第三章，利用optisystem软件对FDB激光器结构进行仿真分析，并通过初步的仿真确立了影响FDB激光器性能的主要因素，以及对应的作用规律，并结合数学模型对不同泵浦功率下的输出光谱进行了仿真。第四章，主要提出了两种外差型FDB激光器结构进行了分析。对于不同的啁啾特性对FDB激光器的输出功率和光谱特性进行了详尽的研究分析，总结出两种结构对于激光器整体性能的影响，为进一步提高其性能提供理论和仿真依据。第五章，全文总结。对本论文的研究工作进行整合与总结，并分析目前工作中存在的问题，并对今后的工作作出展望。第二章 反馈光纤布拉格光栅激光器的基本原理2.1 激光的产生众

9、所周知，激光具有传输性能好、功率高、单色性强等特点，尤其是在光纤介质中的传输特性，激光在光纤通信技术、经济、医学和军事等领域起着尤为关键的作用。2.1.1原子能级理论物质都是由原子、分子和离子构成的。原子是由原子核以及围绕其做高速运动的若干电子组成，原子核所带电荷呈正电，电子则带有负电荷，表现出来的总电荷量为零，因此原子为电中性粒子。当原子内部释放出电子后，则原子表现出正电性，形成正离子；反之，形成的是负离子。而分子是若干原子的组成结构。本论文中只以原子为主要研究对象，离子与分子的情况不再做详尽的分析与讨论，但作用机理大致相同。在原子中，原子核和电子分别带有不同属性的电荷，因此二者相互吸引，具

10、有电势能。电子围绕着原子核的高速运动所具有的动能和自身势能统称为原子的内能。电子的运动状态有许多种，其每一种状态对应于一个确定的原子能量值，我们称之为原子能级。根据波尔原子理论可知，原子的能级为一系列不连续的能量值，而且对于同种元素的原子，其能级分布一致。图2-1 原子的能级结构上图为原子的能级结构示意图，其中纵坐标为原子内部能量，由能量变化可以分为高能级和低能级。途中的E1能量为最小，我们称之为基态，E2表示能量高于基态的能级的统称，我们称之为激发态。而通常情况下，绝大多数的原子都是出于基态。2.1.2 光子与物质之间的相互作用爱因斯坦博士在光量子理论的基础上，重新定义推导了普朗克公式，并第

11、一次提出了自发辐射跃迁理论、受激吸收跃迁理论和受激辐射跃迁理论，建立了光子与物质之间相互作用的理论模型。如图2-2所示。其中E1为低能级，而E2为高能级。图2-2 光子与原子相互作用的示意图（a） 自发辐射（b） 受激吸收（c） 受激辐射a）自发辐射原理：当没有外界辐射场作用时，E2能级的原子自发跃迁至E1，同时释放出一个能量为hv的光子，这个过程我们称之为自发辐射跃迁，其释放出的光子就是自发辐射。b）受激吸收原理：当物质收到能量为hv的辐射场激励时，E1能级的原子吸收光子能量并向E2跃迁，此过程即为受激吸收。c）受激辐射原理：原子收到能量为hv的辐射场激励时，处于E2能级的原子跃迁至E1能级

12、并辐射出一个能量为hv的光子，此过程为受激辐射。在一般的情况下，作用介质中几乎同时存在受激吸收、受激辐射和自发辐射三种效应，只是不同情形下的强弱不同。自发辐射跃迁过程不受外界辐射场的干扰，其传播方向、偏振态和相位都没有规律，并无相干性。受激辐射在辐射场的作用下发生跃迁，根据量子理论分析如下：受激辐射出的光子与激励光子的波长、相位、波矢和偏振方向均保持一致，因此，受激辐射和激励源保持相同光子态，在同一激励作用下的受激辐射是相干光。在入射辐射场的作用下，受激辐射光波可以对光波进行放大，这个原理构成了激光器的理论基础。2.1.3 粒子束的反转设E1和E2表示原子的两个能级，前者为低能级，后者代表高能

13、级。E1和E2分别包含g1和g2两个不同的运动状态，我们称之为相应能级的简并度。假设单位体积内处于E1和E2的离子数分别为n1和n2，n1和n2则成为其对应能级的离子数密度。在热平衡状态下，物质各能级上的粒子数是遵循玻尔兹曼统计规律：n2n1=g2g1e-E2-E1/KT=g2g1e-hv/KT （2-1）上式中，K为玻尔兹曼常数，T为热平衡中的绝对温度。上式可以改写为：n2g2g1n1=e-E2-E1/KT （2-2）式中，n2g2和g1n1分别是E2和E1对应的单位能态上的粒子数的密度，处于相同能级上的例子虽然具有相同的能量，但运动状态并不相同，因而能态不同。物理学家认定通常实现粒子数的反

14、转要依靠两个以上的能级，只有注入高功率的泵浦光才能将处于低能级的粒子抽运到高能级态。一般情况下，通常使用气体放电的办法来实现，将具有动能的点子去激发激光材料；另外，也可以采用光激励的方法，即用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子。除此之外，还有热激励和化学激励等方法都可用于激光的产生。尤为重要的是，为将激光持续不断的输出，必须不断地泵浦以不断补充高能级的粒子向低能级跃迁的消耗量。2.2 激光器的基本结构一般激光器是由泵浦光源、增益介质和光学谐振腔三部分组成，如下图所示：图2-3 激光器的基本结构示意图1）泵浦光源需要外界源源不断的为激光器提供能量，维持增益介质处于反转状态，根据增益介质及其工作

15、原理的差异，可将泵浦光源划分为光能、电能及其化学能等。2）增益介质激光器的核心组成部分就是激光增益介质，它是用于粒子数反转和受激辐射。只有在泵浦光源源源不断提供了能量之后，增益介质的粒子处于非热平衡状态，才能实现粒子数的反转，进而粒子由高能级向低能级跃迁，形成激光。3）光学谐振腔通常光学谐振腔是由两个反光镜构成，一个是全反射镜，一个是半透半反型透镜。谐振腔中，增益介质在泵浦源的作用下，电子发生自发辐射，其中沿着谐振腔轴方向的辐射光子由于腔镜的反射作用而形成来回的往复震动。此时，处于激发状态的增益介质不断地激发出更多的光波，从而实现了激光的受激辐射放大，当激光的强度达到了一定的阈值，则可以通过控

16、制另一个半透半反的透镜将激光输出。2.3 激光的种类可以根据激光器的增益介质的差异来对激光器来进行分类：气体、液体、固体和半导体。他们各自有各自的特点与优势：1）气体激光器顾名思义，以气体作为增益介质，通常有氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氮气激光器和准分子激光器。由于气体的密度小分布均匀，气体激光器通常谱线宽小，输出光束的质量高，具有很好的方向性和单色性，此外，还有结构简单、转换效率高等优势。主要用于准直、计量和材料加工等领域。2）液体激光器通常含有有机化合物液体激光器和无机化合物激光器两种。具有激光宽波长可调谐、线宽小和可产生超短脉冲等特点，在激光光谱技术、同位素分离技术以及其他学科领域得到极其广泛的应用。3）固体激光器以固体作为增益介质，激光高能级的寿命长，得到的激光能量较大，通过技术手段可以得到大功率脉冲。此外，固体激光器峰值功率高、集成度好、使用寿命长等特点，多用于国防、工业等领域。4）半导体激光器采用半导体作为增益介质，常用材料有GaAs（砷化镓）、CdS（硫化镉）、PbSnTe（碲锡铅）等。其体积小、结构简单、价格低廉、输出波长范围广，因而在激光通信、激光制导、光存储及激光测距等领域有着广泛的应用。其中，通过采用半导体随机介质可制成随机激光器。不同于传统激光器的光学谐振腔，随机激光器的光腔由