《光纤光学教学课件》第十七讲
合集下载
光纤光学课件第一章
光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众 制
幻灯片 1
光纤光学 第一章
光纤传输的基本理论
W-C Chen
幻灯片 2 §1. 前言
Foshan Univ.
低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。光纤在工程上的 使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科——光纤光学。
NA ni sinim n12 n22 n1 2
*相对折射率差:
(n12 n22 ) / 2n12
约束光： z zc
*折射光: z zc
幻灯片 14 *渐变折射率分布：
子午光线：渐变折射率分布
n(r) n1 1 2(r / a)2 1/2 n2
0ra ra
*光线轨迹: 限制在子午平面内传播的周期曲线。 轨迹曲线在光纤端面投影线仍 是过圆心的直线，但一般不与纤壁相交。
波动理论的数学基础——麦克斯韦方程：
H D/ t J
E B / t
D
B 0
幻灯片 20 从麦克斯韦方程组出发导出一般波导介质中电场的波动方程
2E
(E
)
E
2E t 2
J t
由
E
B
E
t
B
( H )
t
t
根据恒等式关系，有
10
光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众 制
幻灯片 26
模式的基本性质
当采用波动理论来分析光波在光纤中的传输时,须求解波导场方程。其方法是首先求出
纵向场分量 Ez 和 Hz,然后利用纵横关系式求出场的横向分量。求出 Ez 和 Hz，再通过
麦克斯韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。
幻灯片 1
光纤光学 第一章
光纤传输的基本理论
W-C Chen
幻灯片 2 §1. 前言
Foshan Univ.
低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。光纤在工程上的 使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科——光纤光学。
NA ni sinim n12 n22 n1 2
*相对折射率差:
(n12 n22 ) / 2n12
约束光： z zc
*折射光: z zc
幻灯片 14 *渐变折射率分布：
子午光线：渐变折射率分布
n(r) n1 1 2(r / a)2 1/2 n2
0ra ra
*光线轨迹: 限制在子午平面内传播的周期曲线。 轨迹曲线在光纤端面投影线仍 是过圆心的直线，但一般不与纤壁相交。
波动理论的数学基础——麦克斯韦方程：
H D/ t J
E B / t
D
B 0
幻灯片 20 从麦克斯韦方程组出发导出一般波导介质中电场的波动方程
2E
(E
)
E
2E t 2
J t
由
E
B
E
t
B
( H )
t
t
根据恒等式关系，有
10
光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众 制
幻灯片 26
模式的基本性质
当采用波动理论来分析光波在光纤中的传输时,须求解波导场方程。其方法是首先求出
纵向场分量 Ez 和 Hz,然后利用纵横关系式求出场的横向分量。求出 Ez 和 Hz，再通过
麦克斯韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。
光纤技术基础单模光纤PPT课件
大，便于耦合,在传感系统中应用
性能
没有模式色散，传输带宽大
用于长距离大容量光纤通信系统
2023/11/6
2
2
n12 n2 2
2n12
单模光纤
芯径
光纤技术基础
V k0 a n n k0 an1 2
2
1
15
第十五页，课件共有81页
2 12
阶跃折射率单模光纤
光纤技术基础
Ex H y 0
第十三页，课件共有81页
阶跃折射率单模光纤
光纤技术基础
多模光纤和单模光纤
设计光纤结构，选择工作波长，控制光纤中导模数量
V k0a n12 n22 k0an1 2
多模光纤：
单模光纤：
2023/11/6
同时支持多个导模传输的光纤
只支持基模传输的光纤
14
第十四页，课件共有81页
阶跃折射率单模光纤
Rmn r E0 mn exp
2 n 1
w
2w
2w
m
与m, n有关的常数
w
2
x
n 1
m n 1
e
d
x
m
x
Ln 1 x
m
n 1
n 1! x dx e
a
k0 n0 2
传输常数本征值
2023/11/6
K 0 W
纵向分量 /横向分量
2023/11/6
a k
U 2 a 2 k0 n1 2 , W 2 a 2 2 k0 n2
17
性能
没有模式色散，传输带宽大
用于长距离大容量光纤通信系统
2023/11/6
2
2
n12 n2 2
2n12
单模光纤
芯径
光纤技术基础
V k0 a n n k0 an1 2
2
1
15
第十五页，课件共有81页
2 12
阶跃折射率单模光纤
光纤技术基础
Ex H y 0
第十三页，课件共有81页
阶跃折射率单模光纤
光纤技术基础
多模光纤和单模光纤
设计光纤结构，选择工作波长，控制光纤中导模数量
V k0a n12 n22 k0an1 2
多模光纤：
单模光纤：
2023/11/6
同时支持多个导模传输的光纤
只支持基模传输的光纤
14
第十四页，课件共有81页
阶跃折射率单模光纤
Rmn r E0 mn exp
2 n 1
w
2w
2w
m
与m, n有关的常数
w
2
x
n 1
m n 1
e
d
x
m
x
Ln 1 x
m
n 1
n 1! x dx e
a
k0 n0 2
传输常数本征值
2023/11/6
K 0 W
纵向分量 /横向分量
2023/11/6
a k
U 2 a 2 k0 n1 2 , W 2 a 2 2 k0 n2
17
光纤光学课件第一章
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------光纤光学课件第一章1幻灯片 1 光纤光学第一章光纤传输的基本理论 W-C Chen Foshan Univ. 幻灯片 2 1. 前言低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。
光纤在工程上的使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科光纤光学。
幻灯片 3 光纤的分类幻灯片 4 2实用光纤主要的三种基本类型 (a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤；（c ）单模光纤横截面2a2brn折射率分布纤芯包Ait(a)输入脉冲光线传播路径～多模光纤幻灯片 5 阶跃折射率光纤剖面测量图（华工光通信研究所）3 单模光纤多模光纤幻灯片 6 光纤结构光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯(Core)和外围的包层(Cladding)同轴组成的圆柱形细丝。
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。
包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。
设纤芯和包层的折射率分别为 n1 和 n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。
幻灯片 7 主要用途：1 / 15突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。
渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。
单模光纤用在大容量长距离的系统。
特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55 m 色散移位光纤实现了 10 Gb/s 容量的 100 km 的超大容量超长距离系统。
色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。
偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。
4幻灯片 8 2.光纤的研究方法光线理论几何光学方法波动光学方法适用条件研究对象光线模式基本方程射线方程波导场方程研究方法折射/反射定理边值问题主要特点约束光线模式幻灯片 9 光线理论光线分类子午光线倾斜光线射线方程几何光学法分析问题的两个出发点数值孔径时间延迟幻灯片 10 设纤芯和包层折射率分别为 n1 和 n2，空气的折射率 n0=1，纤芯中心轴线与 z 轴一致。
光纤通信光纤PPT课件
n2
θ2
•
n1
θ1
•
θ
•
θ0
NA n12 n22 n1 2
定义光纤的数值孔径为入射临界角θ0 的正弦,即:
2021/5/18
27
• △ 越大,NA越大，光纤第2聚7页光/共能52页力越强，可得到越高的
2021/5/18
临界光锥 c
非全反射光
全反射光
纤 芯 n( ＞n ) 12 包 层 n( 2)
•
n0
n2
θ2
•
n1
θ1
•
θ
•
θ0
2021/5/18
第二种情况:
光线以大于θ0的角度入射光纤端面,它产生的界 面入射角将小于θc ，光线在包层中的折射角小于 900 ，该光线将射入包层（24 散失掉）。
第24页/共52页
阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分 析(续)
•
n0
n2
θ2
•
n1
θ1
•
θ
•
θ0
2021/5/18
第三种情况:
光线以小于θ0的角度入射光纤端面,它产生的界面 入射角将大于θc ，光线在包层中的折射角大于900 , 该 光 线 将 在 界 面 产 生 全 反25射 ( 从 而 向 前 传 播 ) 。
第25页/共52页
阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分 析(续)
τ= (n1l)/c = (n1Lsecθ1 )/c ≌ (n1L)/c*(1+ θ12/2)
式中C为真空中第的30光页3/0共速52页。
阶跃光纤(step-index fiber)时间延迟
由上式得到最大入射角(θ= θ0)和最小入射角 (θ=0)的光线之间时间延迟差近似为:
光纤基础知识PPT演示课件
62.5/50m
8～10m
1.0m
125m2m
2%
245m10m
15m
2m
•16
光纤：参数
光纤的光学及传输特性参数
• 模场直径 • 衰减系数 • 色散系数 • 截止波长 • 弯曲损耗 • 偏振模色散
•17
光纤：参数
光纤的光学及传输特性参数
模场直径：
高斯分布的单模光纤， 模场直径是光场幅度 分布1/e处各点所围成 圆的直径，也等于光 功率分布1/e2处各点 所围成圆的直径。
一部分入射光将被反射
一部分入射光将进入第二种媒质，并产生折射
1 2
媒质1 折射率n1
媒质2 折射率n2
1=2
媒质1
1
折射率n1
2
媒质2
折射率n2
n1·Sin1=n2·Sin2
•3
折射率 n＝光在真空中的传播速度/光在该媒质中的传播速度
媒质 真空 空气 水 多模光纤 单模光纤 玻璃 钻石
折射率 1.0 1.0003 1.33 1.457 1.471 1.5~1.9 2.42
1
4
4
3
1 非色散位移光纤 2 色散位移光纤 3 色散平坦光纤 4 非零色散位移光纤
2
0 1200
1400 1500 1600 1700 1800 nm
-4
-8
波长(nm)
•22
光纤：参数
光纤的光学及传输特性参数
截止波长：
光纤作为单模光纤工作的最短波长。工作 波长超过此波长时，只能传输基模，此时光纤 为单模光纤；工作波长低于此波长时，除基模 外，高次模也可传输，此时光纤为多模光纤。
如：Corning的Submarine Leaf光纤 Lucent的TrueWave XL光纤
光纤光学
第一章绪论¾光纤技术的起源；¾光通信的需求；为什么是光纤；¾光纤及其分类；¾光纤的制作；¾光纤光学的内容及发展通信的发展给社会和人们的生活方式带来革命性的变化通信促进各行业的发展通信网和应用工业自动化电子政务医疗卫生智能家居智慧农业§1 光纤的出现和发展通信改变人们的生活方式4通信网和应用投资理财旅游订票网上购物交友聊天游戏娱乐带来革命性的变化给人们带来的困扰5通信网和应用包括诈骗在内的网络犯罪日益猖獗上网和游戏成瘾个人信息和公司机密的泄露带来革命性的变化交通安全¾通俗讲的通信是人们在日常生活中相互之间传递信息的过程。
（信息是消息中包含的有意义的内容）¾现代通信技术，就是随着科技的不断发展，如何采用最新的技术来不断优化通信的各种方式，让人与人的沟通变得更为便捷、有效。
现代通信技术通信系统有线通信系统有线载波通信光通信架空明线对称电缆同轴电缆空间光通信光纤通信无线通信系统微波中继通信卫星通信移动通信微波散射通信流星余迹通信中继站终端站地面微波中继通信干线己被光纤取代多工作在3000MHz 以上频段，通过中继站接力传输。
60,70年代曾是通信干线的主要方式之一。
数字微波通信：利用波长为1m~1mm 范围内的电磁波通过中继站传输信号的一种通信方式。
注：移动通信、卫星通信、无线接入虽工作在微波频段，但一般不划归于微波通信这一类。
“微波通信”一般是指微波接力通信。
卫星通信：利用人造地球卫星作为中继站来转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行通信的技术。
优点: 通信距离远，覆盖面大，不受地形条件限制，可达海洋、沙漠、高山。
缺点：可靠性不及光纤、微波中继通信卫星移动通信：指通信双方至少有一方在移动中进行的信息交换的通信。
己成为目前世界最普及的通信工具。
当前主要推广第三代（3G），正在研究发展第四代。
至公用电话网车载台手持机移动电话局基站公用移动电话系统结构示意图光纤通信：是以光波为载频，以光导纤维为传输介质的一种通信方式，其主要特点是频带宽，比常用微波频率高104~105倍。
《光纤光学教学课件》第二十讲PPT资料21页
的反应时间。
PCF还可利用表面增强拉曼散射效应（Surface-Enhanced
Raman Scattering，简称SERS ）来对一些物质进行探测 。
15.10.2020
© HUST 2012
15.10.2020
气体和液体探测
光子晶体光纤气体检测实验方案
15.10.2020 © HUST 2012
发 展 历 史
1870年
John Tyndall
2019年
1870+年
1956年
Glass rod light guide
E. Curtiss
Cladded optical fiber
2019年
silica P. Russell air et al.
15.10.2020
© HUST 201S2 olid-core photonic crystal fiber
整个光纤的外径通常和商用普通光纤保持一致，为
125m
导光基本原理：PCF中空气孔排列组
成的光纤包层的有效折射率低于纤芯
的折射率，而光总是趋向存在于高折
15.10.2020 © HUST 2012
射率材料中，因此光波可以被束缚在
芯层里。
15.10.2020
光子晶体光纤的类型
折射率导光型光子晶体光纤
二 阶 模
T E 01
H
E
1 21
H
E
2 21
T M 01
若PCF包层微结构的占空比较高，则除基模外的高阶
模式也存在。具较小占空比的PCF只支持基模传播 。
15.10.2020
© HUST 2012
15.10.2020
比较
PCF还可利用表面增强拉曼散射效应（Surface-Enhanced
Raman Scattering，简称SERS ）来对一些物质进行探测 。
15.10.2020
© HUST 2012
15.10.2020
气体和液体探测
光子晶体光纤气体检测实验方案
15.10.2020 © HUST 2012
发 展 历 史
1870年
John Tyndall
2019年
1870+年
1956年
Glass rod light guide
E. Curtiss
Cladded optical fiber
2019年
silica P. Russell air et al.
15.10.2020
© HUST 201S2 olid-core photonic crystal fiber
整个光纤的外径通常和商用普通光纤保持一致，为
125m
导光基本原理：PCF中空气孔排列组
成的光纤包层的有效折射率低于纤芯
的折射率，而光总是趋向存在于高折
15.10.2020 © HUST 2012
射率材料中，因此光波可以被束缚在
芯层里。
15.10.2020
光子晶体光纤的类型
折射率导光型光子晶体光纤
二 阶 模
T E 01
H
E
1 21
H
E
2 21
T M 01
若PCF包层微结构的占空比较高，则除基模外的高阶
模式也存在。具较小占空比的PCF只支持基模传播 。
15.10.2020
© HUST 2012
15.10.2020
比较
《光纤光学教学课件》第七讲.ppt
2020/10/9
子午光线：
，I
2
0，d
dz
0
光线保持在同一平面内传播。
偏斜光线：
方位角φ随z单调增 加，角度
变化率 ：
d dz I nr2
r随z在rmin与rmax之间振荡,φ的变化率也呈周期振荡
2020/10/9
© HUST 2012
2020/10/9
径向分量方程：
d
n
dr
nr
d
2
n22
I2 r2
rg1 rg 2
a
r
2020/10/9
隧道光线
条件： n22
I2 a2
n2
n22
n12
光线存在区域: rl1 r rl2 r rl3
n22
n22
I2 a2
nl2
内散焦面半径： rl1
0
rl1
外散焦面半径： rl2
辐射散焦面半径: rl3
2020/10/9 © HUST 2012
2020/10/9
角向运动特点
• 光线的角动量：
r2 r2 d dt I c n 2 恒为常数；
• 这表明,光线角向运动速度将取决于光线 轨迹到纤轴距离r：在最大的r处光线转动 最慢;在最小的r处光线转动最快；
• 对于子午光线，有： 900 I 0
2020/10/9 © HUST 2012
sin z
r0 cos
r0
r
z
er
dz ds
r0
cosz r0
r rer zez
2020/10/9 © HUST 2012
r0
r0d
z dz
ds
chapter光纤光学ppt课件
Pin(dBm)=10log10[Pin(mW)/1mW] =10log10[200×10-3mW/1mW]=-7dBm
在z=30km时的输出功率（用dBm表示） Pout(dBm)=Pin(dBm)-αz
=-7dBm-0.8dB/km×30km =-31dBm
Pout=10-31/10(mW)=0.79×10-3mW=0.79uW
整理ppt
35
2.群延时
延时差：
d( 1 )
g
Vg d
色散系数
整理ppt
36
3.色散系数
引进色散系数D，指的是光信号在单位轴向距离上、单位波长间隔
产生的时延差：Dd dgd d V 1 g 2 2c2 cd d2n 2
群速率色散参数β2
()n()c01012202...
mdd mm0
(dB /km )1 z0log10[P P ((0 z))]4.343 p
整理ppt
5
dB=10log10(PA/PB)是功率增益的单位，是一个相对值。 例如：PA的功率比PB的功率大一倍，那么
10log10(PA/PB)=10log10(2)=3dB
为了方便计算光纤链路中的光功率，通常将dBm作为光功率 的运算单位，这个单位的含义是相对于1mW的功率。
=10log10[PA(mW)/PB(mW)] 例1：如果PA的功率为46dBm，PB的功率为40dBm,则PA比PB大 6dB。
46dBm-40dBm=6dB
10log10[PA/PB]=6 PA/PB=100.6=3.98≈4
整理ppt
7
例2：设想一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为 0.8dB/km，如果我们从一端注入功率为200uW的光信号，求 其输出功率Pout。 解：首先将输入功率的单位转换成dBm。
在z=30km时的输出功率（用dBm表示） Pout(dBm)=Pin(dBm)-αz
=-7dBm-0.8dB/km×30km =-31dBm
Pout=10-31/10(mW)=0.79×10-3mW=0.79uW
整理ppt
35
2.群延时
延时差：
d( 1 )
g
Vg d
色散系数
整理ppt
36
3.色散系数
引进色散系数D，指的是光信号在单位轴向距离上、单位波长间隔
产生的时延差：Dd dgd d V 1 g 2 2c2 cd d2n 2
群速率色散参数β2
()n()c01012202...
mdd mm0
(dB /km )1 z0log10[P P ((0 z))]4.343 p
整理ppt
5
dB=10log10(PA/PB)是功率增益的单位，是一个相对值。 例如：PA的功率比PB的功率大一倍，那么
10log10(PA/PB)=10log10(2)=3dB
为了方便计算光纤链路中的光功率，通常将dBm作为光功率 的运算单位，这个单位的含义是相对于1mW的功率。
=10log10[PA(mW)/PB(mW)] 例1：如果PA的功率为46dBm，PB的功率为40dBm,则PA比PB大 6dB。
46dBm-40dBm=6dB
10log10[PA/PB]=6 PA/PB=100.6=3.98≈4
整理ppt
7
例2：设想一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为 0.8dB/km，如果我们从一端注入功率为200uW的光信号，求 其输出功率Pout。 解：首先将输入功率的单位转换成dBm。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光纤环形镜特性： • 耦合器的耦合分光比为1：1时，光纤环形镜作为全反射镜； • 耦合器的耦合分光比不为1：1时，光纤环形镜等效部分反射镜；
反射功率与透射功率为 : Pt (1 2k ) 2 Pin Pr 4k (1 k ) Pin
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
（4）双光纤环形镜
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
2、放大器与激光器的差别
•光放大器：无谐振腔，无反馈，外界信号引起的受激辐射 •激光器： 有谐振腔，有反馈，内部自发辐射导致的受激辐射
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
铒离子在外界泵浦光的作用下 激发态
外界信号光引起受激辐射 亚稳态
第六章光纤无源及有源器件
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
上节课内容回顾：
掺铒光纤放大器泵浦光源的选择：1480nm、980nm 泵浦源的性能对比 光放大的三个物理过程 受激吸收、受激发射、自发发射 EDFA结构
EDFA的物理基础
能级速率方程 光场传输方程
信号光放大、泵浦光吸收 增益和饱和输出功率
分布反馈（DFB）光纤激光器：利用直接在稀土掺杂光纤写入的 光栅来构成谐振腔的。有源区和反馈区同为一体，只用一个光栅 来实现光反馈和波长选择，因而频率稳定性较好，边模抑制比高。
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
（3）光纤环形镜＋平面反射镜 • 光纤环形镜：将X型光纤耦合器的两输出端相连，所构成的Sagnac环
a
b
c
-45
-50
-55
-60
-65
-70 1549.6
1549.8
1550.0 1550.2 Wavelength (nm)
1550.4
1550.6
2020/4/4
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
• 可调谐掺铒光纤激光器
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
激光输出 1550 nm
基态
2020/4/4 © HUST 2012
EDFL
基态
2020/4/4
3、构成激光振荡的必要条件
•粒子数反转 N2 N1 0 ：需要外界光泵浦 •形成对激射光子的正反馈： 需要激光谐振腔
I
(z)
I
e(Ga)z
0
G n 21
n n2
f2 f1
n1
光纤激光器＝光纤放大器＋激光谐振腔
PC1
FBG
EDF 2
980/1550 nm WDM
PC2 980nm LD
FBG F-P Circulator
2/8 OC
90% PD ESA 10% OSA
2020/4/4 © HUST 2012
Optical power (dBm)
-35
FBG-based F-P filter
-40
Uniform FBG
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
（2）含光纤耦合器的Fabry-Perot 腔
泵浦光注入 EDF
WDM
激光输出
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
光纤光栅Fabry-Perot腔 分布布拉格反射（DBR）光纤激光器：使用两个较高反射率的光
纤光栅作为反射镜置于掺杂光纤的两端，构成线形谐振腔来增强 模式选择，可以把光纤光栅熔接到掺杂光纤上，也可以直接把光 纤光栅写到掺杂光纤上。
• 阈值泵浦功率： Ppth1 epLx pPp,sat
• 斜率效率： d d la p iP L n P s s p1 R R 1 1 R 1 R 2 R 2 1 ex p
• 最佳掺铒光纤长度
© HUST 2012
L op tgg apl na g P P p,p isn a tlg n R 1 2R 022 0/4/4
1528
1530
1532
Wavelength (nm)
1534
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
• 多波长单纵模掺铒光纤激光器
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
• 锁模掺铒光纤激光器（光孤子光源）
• 多波长掺铒光纤激光器
EDF
980nm
FRM
pump LD
-20
3dB coupler
WDM
OSA
-25
Optical Power (dBm)
Isolator
-30
2/8 coupler
-35
PC1
Driving signal
-40
Phase
-45
modulator
-50
-55
Lyot-Sagnac filt高的内量子效率：泵浦光与激射光在纤芯中功率密度大，相互作用强； • 高的泵浦效率：半导体激光器泵浦，波长对准； • 既可连续、又可脉冲工作：激光上能级寿命长。
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
7、掺铒光纤激光器应用举例
• 窄线宽掺铒光纤激光器
980nm LD 980/1550 nm EDF 1 WDM
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
（5）光纤光栅＋光纤环形镜
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
（5）光纤光栅＋光纤环行器
泵浦注入 3
2
EDF FBG
1 激光输出
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
（6）光纤环形腔激光器
分支器
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
5、光纤激光器的特性分析
• 阈值泵浦功率 • 激光器的输出特性：输出功率、斜率效率 • 光谱特性 • 脉冲工作时的时域特性
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
Plaser
自发辐射 荧光
受激辐射 激光
受激辐射饱和 激光
斜率效率＝tg
I
(z)
I
e(Ga)z
0
G n 21
n n2
f2 f1
n1
Pth
2020/4/4 © HUST 2012
Ppump
2020/4/4
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
重要的计算公式
• 输出光功率：
P la L s s p 1 P p ,s R a R R 1 t 1 1 R R 2 2 P P p p ,i sn a 1 t e x p p L
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
• 构建光纤激光器所需的基本元器件
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
• 光纤激光器的实物图
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
2020/4/4
Pumping LD (980nm)
Pumping LD (98020n2m0/4)/4
© HUST 2012
• 端面泵浦技术 • 侧面泵浦技术 • 分布式泵浦技术 • 双向泵浦技术 • 泵浦合束技术
FBG1
FBG2
EDF
Pumping LD (980nm)
Lasing Light (1550nm)
信号光放大
泵浦光子 980 or 1480 nm
外界信号光子 1550 nm
放大的光信号 1550 nm
基态
2020/4/4 © HUST 2012
EDFA
基态
2020/4/4
铒离子在外界泵浦光的作用下 激发态
自发辐射光引起受激辐射 亚稳态
产生激光
泵浦光子 980 or 1480 nm
内部自发辐射光子 1550 nm
增益谱
2020/4/4 © HUST 2012
增益平坦
2020/4/4
七、掺铒光纤激光器
1、光纤激光器的特点
•实现灵活的激光光源（窄线宽、可调谐、多波长、超短光脉冲源） •易获得高功率、高的光脉冲能量 •激光波长与光纤通信传输窗口相匹配 •采用激光器泵浦形式（半导体激光器泵浦） •热稳定性、价格低廉、易小型化
• 光纤激光器的构成：
• 激光增益介质： 有源光纤
• 激光谐振腔： 直腔、环行腔
• 泵浦源：
光泵
激光谐振腔是光纤激光器与光纤放大器在结构上的唯一差别
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
4、光纤激光器的谐振腔类型
（1）Fabry-Perot 腔
泵浦（980nm）
EDF
激光输出（1550nm）
反射功率与透射功率为 : Pt (1 2k ) 2 Pin Pr 4k (1 k ) Pin
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
（4）双光纤环形镜
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
2、放大器与激光器的差别
•光放大器：无谐振腔，无反馈，外界信号引起的受激辐射 •激光器： 有谐振腔，有反馈，内部自发辐射导致的受激辐射
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
铒离子在外界泵浦光的作用下 激发态
外界信号光引起受激辐射 亚稳态
第六章光纤无源及有源器件
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
上节课内容回顾：
掺铒光纤放大器泵浦光源的选择：1480nm、980nm 泵浦源的性能对比 光放大的三个物理过程 受激吸收、受激发射、自发发射 EDFA结构
EDFA的物理基础
能级速率方程 光场传输方程
信号光放大、泵浦光吸收 增益和饱和输出功率
分布反馈（DFB）光纤激光器：利用直接在稀土掺杂光纤写入的 光栅来构成谐振腔的。有源区和反馈区同为一体，只用一个光栅 来实现光反馈和波长选择，因而频率稳定性较好，边模抑制比高。
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
（3）光纤环形镜＋平面反射镜 • 光纤环形镜：将X型光纤耦合器的两输出端相连，所构成的Sagnac环
a
b
c
-45
-50
-55
-60
-65
-70 1549.6
1549.8
1550.0 1550.2 Wavelength (nm)
1550.4
1550.6
2020/4/4
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
• 可调谐掺铒光纤激光器
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
激光输出 1550 nm
基态
2020/4/4 © HUST 2012
EDFL
基态
2020/4/4
3、构成激光振荡的必要条件
•粒子数反转 N2 N1 0 ：需要外界光泵浦 •形成对激射光子的正反馈： 需要激光谐振腔
I
(z)
I
e(Ga)z
0
G n 21
n n2
f2 f1
n1
光纤激光器＝光纤放大器＋激光谐振腔
PC1
FBG
EDF 2
980/1550 nm WDM
PC2 980nm LD
FBG F-P Circulator
2/8 OC
90% PD ESA 10% OSA
2020/4/4 © HUST 2012
Optical power (dBm)
-35
FBG-based F-P filter
-40
Uniform FBG
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
（2）含光纤耦合器的Fabry-Perot 腔
泵浦光注入 EDF
WDM
激光输出
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
光纤光栅Fabry-Perot腔 分布布拉格反射（DBR）光纤激光器：使用两个较高反射率的光
纤光栅作为反射镜置于掺杂光纤的两端，构成线形谐振腔来增强 模式选择，可以把光纤光栅熔接到掺杂光纤上，也可以直接把光 纤光栅写到掺杂光纤上。
• 阈值泵浦功率： Ppth1 epLx pPp,sat
• 斜率效率： d d la p iP L n P s s p1 R R 1 1 R 1 R 2 R 2 1 ex p
• 最佳掺铒光纤长度
© HUST 2012
L op tgg apl na g P P p,p isn a tlg n R 1 2R 022 0/4/4
1528
1530
1532
Wavelength (nm)
1534
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
• 多波长单纵模掺铒光纤激光器
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
• 锁模掺铒光纤激光器（光孤子光源）
• 多波长掺铒光纤激光器
EDF
980nm
FRM
pump LD
-20
3dB coupler
WDM
OSA
-25
Optical Power (dBm)
Isolator
-30
2/8 coupler
-35
PC1
Driving signal
-40
Phase
-45
modulator
-50
-55
Lyot-Sagnac filt高的内量子效率：泵浦光与激射光在纤芯中功率密度大，相互作用强； • 高的泵浦效率：半导体激光器泵浦，波长对准； • 既可连续、又可脉冲工作：激光上能级寿命长。
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
7、掺铒光纤激光器应用举例
• 窄线宽掺铒光纤激光器
980nm LD 980/1550 nm EDF 1 WDM
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
（5）光纤光栅＋光纤环形镜
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
（5）光纤光栅＋光纤环行器
泵浦注入 3
2
EDF FBG
1 激光输出
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
（6）光纤环形腔激光器
分支器
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
5、光纤激光器的特性分析
• 阈值泵浦功率 • 激光器的输出特性：输出功率、斜率效率 • 光谱特性 • 脉冲工作时的时域特性
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
Plaser
自发辐射 荧光
受激辐射 激光
受激辐射饱和 激光
斜率效率＝tg
I
(z)
I
e(Ga)z
0
G n 21
n n2
f2 f1
n1
Pth
2020/4/4 © HUST 2012
Ppump
2020/4/4
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
重要的计算公式
• 输出光功率：
P la L s s p 1 P p ,s R a R R 1 t 1 1 R R 2 2 P P p p ,i sn a 1 t e x p p L
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
• 构建光纤激光器所需的基本元器件
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
• 光纤激光器的实物图
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
2020/4/4
Pumping LD (980nm)
Pumping LD (98020n2m0/4)/4
© HUST 2012
• 端面泵浦技术 • 侧面泵浦技术 • 分布式泵浦技术 • 双向泵浦技术 • 泵浦合束技术
FBG1
FBG2
EDF
Pumping LD (980nm)
Lasing Light (1550nm)
信号光放大
泵浦光子 980 or 1480 nm
外界信号光子 1550 nm
放大的光信号 1550 nm
基态
2020/4/4 © HUST 2012
EDFA
基态
2020/4/4
铒离子在外界泵浦光的作用下 激发态
自发辐射光引起受激辐射 亚稳态
产生激光
泵浦光子 980 or 1480 nm
内部自发辐射光子 1550 nm
增益谱
2020/4/4 © HUST 2012
增益平坦
2020/4/4
七、掺铒光纤激光器
1、光纤激光器的特点
•实现灵活的激光光源（窄线宽、可调谐、多波长、超短光脉冲源） •易获得高功率、高的光脉冲能量 •激光波长与光纤通信传输窗口相匹配 •采用激光器泵浦形式（半导体激光器泵浦） •热稳定性、价格低廉、易小型化
• 光纤激光器的构成：
• 激光增益介质： 有源光纤
• 激光谐振腔： 直腔、环行腔
• 泵浦源：
光泵
激光谐振腔是光纤激光器与光纤放大器在结构上的唯一差别
2020/4/4 © HUST 2012
2020/4/4
4、光纤激光器的谐振腔类型
（1）Fabry-Perot 腔
泵浦（980nm）
EDF
激光输出（1550nm）