微波光子学

掺铒光纤（EDF）是使掺铒光纤放大器(EDFA)具有放大特性的关键技术之一，它多用石英光纤作为基质，也有采用氟化物光纤的。掺铒光纤的制作是以传统的改进化学气相沉积工艺，气相轴向沉积工艺，外气相沉积工艺为基础，结合气相掺杂技术或液相掺杂技术来完成的，其中液相掺杂技术使用的更为普遍。在掺铒光纤放大器技术中，掺铒光纤工艺至关重要，在光纤中可认为信号光与泵浦光的场近似高斯分布，在光纤芯轴线上的光强最强，所以掺杂时尽量使杂志粒子集中在近轴区域，以使光域物质的作用最充分，从而提高能量转换效率。一般单模光纤纤芯直径在9微米左右，如果将掺杂光纤拉得比常规光纤更细，可提高信号光和泵浦光的能量密度，从而提高其相互作用的效率。但芯径的减小将会带来新的问题，芯径小的掺杂光纤与常规光纤的模场不匹配，从而带来较大的反射和连接损耗。通常的解决办法是在光纤中掺氟(F)元素，以降低其折射率（但并不改变半径），从而改变模场直径，使之增大到与常规光纤可匹配程度，此时连接损耗可以降至0.5dB以下，这种方法称为扩散成锥法，即在光纤尾端形成模场直径锥。

在掺铒光纤的制造过程中还有一个最佳掺杂光纤长度的问题。掺杂光纤太短，掺杂离子对泵浦光的吸收不充分，不能形成离子数反转；掺杂光纤太长，在输出端介质吸收激光光子，使输出功率下降。因而掺铒光纤存在一个最佳长度，以获得最小的阀值功率，使所能得到的泵浦光子数和离子反转数在泵浦端达到最大值，以充分得到高的泵浦光转换效率。

掺铒光纤的设计对于宽带平坦的增益是非常重要的，掺铒光纤的参量包括材料特性和波导特性两个方面。掺铒光纤的优化设计包括优化芯部组分（芯部共掺杂离子，掺杂浓度及在纤芯的分布等）和波导结构两方面内容。优化芯部组分设计，提高铒离子掺杂离子在石英玻璃中的分散性是光纤材料设计的重要内容。目前掺铒光纤采用的最多的基质材料是Ge/Al/Si体系，同时进行共掺杂的还有其它稀离子（如La3+等）、研究发现，改变掺量，将引起吸收峰和荧光带中心的移动和峰值的改变，可以有效地改善EDFA的增益平坦度。

铒离子的掺杂浓度和与铒离子共掺杂元素的选择对EDF的性能产生重要的影响，若掺杂浓度过低，在掺杂离子总数有效数低于入射光子的区域，基态有可能耗尽倒空，增益作用被终止。原则上，铒离子掺入的浓度越高，单位光纤长度上的光增益越高，从而可以用较短的光纤长度获得所需要的光增益。若掺杂浓度过高，则可能出现浓度抑制问题，即过高地掺杂浓度可能使铒离子靠得很近，铒离子之间将存在能量转移，导致激光上能级的有效粒子数降低，荧光寿命降低，激光过程受到限制，从而使光纤的性能退化，故存在适宜的掺杂浓度范围。适度提高掺杂浓度的前提是提高分散性，可以通过改善基质材料的溶解特性，如采取高掺杂AlLa材料设计，可以改进制备工艺．提高掺杂离子的分散性和均匀性，避免掺杂不均匀带来的浓度偏析影响。为获得最佳泵浦效果，铒离子沿光纤剖面理想的浓度分布应与泵浦光束的光强度匹配，但在实际掺杂工艺条件下，实现上述理想分布较为困难。一股可行的工艺设计是考虑将铒离子集中掺杂在纤芯的中央区域，这样可以避免光强较弱的边缘部分因铒离子未被充分激励而成为吸收体，使增益下降，同时可以使中央区域的铒离子到充分激励。所以掺铒光纤的增益系数井不单纯与纤芯半径有关，还取决于掺杂的半径。

掺铒光纤的设计，除了选定基质与掺杂浓度外，对光纤波导参数（芯径或模场直径、数值孔径．截止波长等）的合理选择也是很重要的。这直接关系到信号光与泵浦光、放大光纤与传输单模光纤之间的模场匹配与能量耦合效率。掺铒光纤的光学结构说到底是由EDF在EDFA中的性能要求和光纤制造工艺共同决定的。增益和泵浦效率是EDFA的重要参数。它们依赖于折射率剖面、铒离子掺杂区域和浓度等光纤结构。获得高增益和泵浦效率需要粒子数反转率高，目的是使较小的泵浦功率下获得最大的信号增益功率，尽可能充分利用耦合入EDF的泵浦功率，因此，EDF选择合适的结构及光学参数及其重要。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅。所谓光纤中的光敏性是指掺杂光纤中通过激光时，光纤的折射率将随着光强的空间分布发生相应的变化，这种现象也称为光致折射率变化效应，如用激光干涉条纹侧面辐照掺锗光纤，就会在光纤中的一段长度内，形成光纤长度方向折射率的周期扰动，从而形成光纤光栅，或称为光纤Bragg光栅，而且这种光栅在

C

500以下稳定不变，用C

500以上高温可擦抹。光纤光栅的作用实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件，且光纤光栅（FBG）具有体积小、重量轻、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性能好、可与其他光纤器件融成一体等特性，其制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，具有很好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的，这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为光学领域理想的关键器件之一。

光纤光栅的传统应用主要集中在光纤

通信和光纤传感器等领域。在光纤通信领域，光纤光栅的影响将涉及到光发送、光放大、光纤色散补偿、光接收等各个方面，同时，光纤光栅也使得各种全光纤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，形成诸多集成型光纤信息系统也将成为现实。在光纤传感领域，由于受到光纤光栅制造成本和可靠性的制约，虽然光纤光栅传感器有抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、耐温性好、复用能力强、传输距离远、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易于变形等优点，其大规模的生产仍然受到了限制，但随着通信技术的迅速发展，对于光纤布拉格光栅的需求也在急剧增加，同时，光纤光栅的制作技术也日臻成熟和可靠，这些因素促进了光纤光栅的成批量生产的出现，也使得光纤光栅传感器的制作成本大幅度下降，可靠性得到进一步提高，光纤光栅传感器开始逐步走向现实应用。总之，由于光纤光栅在通信、传感等领域中的应用价值和广泛的应用前景，近年来对光纤光栅的研究得到了十分迅速的发展，并成为当今全球的一个研究热点。

随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多。根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅，其中均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期（也称光纤光栅的周期）均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如均匀光纤布拉格光栅和均匀长周期光纤光栅；而非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，由于不同的栅格周期对应于不同的反射波长，啁啾光栅能够形成很宽的反射带，且线性啁啾光纤光栅能够产生大而稳定的色散，其带宽足以覆盖整个脉冲的谱宽，被广泛应用于波分复用光纤通信系统中的色散补偿元件。啁啾光纤光栅易于同光纤系统集成，已在光纤通信、光纤传感和光信息处理等领域得到了广泛的应用。