导波光学

南开大学光子技术中心吕福云董孝义2002，06，26导波光学（下）第一章光纤第二章光纤放大器第三章光纤激光器第四章光纤受激喇曼散射第五章光纤受激布里渊散射第一章光纤1.1历史的回顾1.2光纤的基本特性1.3光纤的非线性特性1.4光纤的掺杂1.4.1有源光纤（掺稀土离子增益光纤）1.4.2紫敏光纤（光纤光栅侧直写入）第二章光纤放大器2.1掺Er3＋光纤放大的自发辐射谱2.21550nm波段宽带光源2.3掺Er3＋光纤放大器第三章光纤激光器3.1光纤激光器谐振腔3.2掺Er3＋光纤激光器3.3掺Yb3＋光纤激光器3.4包层泵浦光纤激光器3.5调Q光纤激光器3.6锁模光纤激光器第四章受激喇曼散射4.1受激喇曼散射的基本理论4.1.1喇曼增益和阈值4.1.2喇曼散射的产生4.2受激喇曼散射的应用4.2.1喇曼光纤激光器4.2.2级联喇曼激光器4.2.3分立式喇曼光纤放大器4.2.4分布式喇曼光纤放大5.1受激布里渊散射的理论5.1.1布里渊增益5.1.2布里渊阈值5.1.3泵浦消耗和增益饱和5.1.4动态特性5.2受激布里渊散射的应用5.2.1布里渊光纤激光器5.2.2布里渊光纤放大器5.2.3布里渊调Q激光器第五章光纤受激布里渊散射第一章光纤1.1历史的回顾1854年，就认识到光纤导光传播的基本原理—全内反射。十九世纪二十年代，制成了无包层的玻璃光纤；二十世纪五十年代，用包层可以改善光纤特性，当时的主要目的是传输图像。1967年，N.S.Kapany，FiberOptics：PrinciplesandAplications(Academic，NewYork)缺点：损耗大α~1000dB/km七十年代：随着光纤制造技术的突破，使损耗降低到~0.2dB/km（1.55μm附近）仅受瑞利散射损耗限制。1973年从理论上预言通过光纤的色散和非线性互作用可以产生光孤子；1980年从实验上获得了光孤子，将超短光脉冲压缩到了6fs。掺铒光纤放大器掺杂光纤激光器受激喇曼散射受激布里渊散射光纤群速色散,自相位调制——超短光脉冲的产生、压缩和控制光纤通信领域的革命低损耗光纤非线性光纤光学新领域诞生1.2．光纤的基本特性1.2.1光纤的分类和基本参数一、分类Si光纤P光纤1．按基质材料分类氟化物光纤玻璃光纤阶跃光纤2．按折射率分布分类折射率渐变光纤（自聚焦光纤）包层微结构光纤保偏光纤单模光纤3．按传输模式分类普通单模光纤多模光纤单包层有源光纤有源光纤4．按掺杂稀土元素与否双包层有源光纤无源光纤图1.1阶跃折射率光纤的横界面和折射率分布示意图二、光纤的最基本参数121nnn212221nnnNANAaNAakV20纤芯对包层的相对折射率差纤芯对包层的数值孔径归一化频率单模光纤：V2.405普通单模光纤：~310-3a=2~4m多模光纤：a=25~60mb125m二、光纤的最基本参数1.2.2.材料与制造以Si光纤为例。纤芯：SiO2，掺杂少量GeO2和P2O5，以提高折射率；包层：SiO2，掺氟。首先用MCVD（汽相沉积法）制预制棒，2cm1m。图1.2通常用于光纤制造的MCVD过程示意图1.2.3.光纤的损耗PT=P0e-L01PPlnLT3434100.PPlogLTdB用dbm表示光纤的一个重要的参量是光信号在光纤内传输时的功率损耗，若P0为入纤功率，传输功率光纤损耗图1.3单模光纤的损耗曲线，虚线表示纯石英中由瑞利散射和吸收引起的本征损耗。10dB/km相当于=210-5cm-1,纯石英的高吸收区在紫外线和超过2m的远红外线。但是OH（杂质）的吸收峰在2.37m，1.37m和1.23m是其谐波。光学损耗光纤损耗弯曲损耗熔接损耗端面损耗（本征损耗）c=0.7~0.9dB/km（与纤芯组分有关）石英光纤在1.55m损耗最小，少量OH导致显著吸收峰1.37m、1.23m4cR1.2.4光纤色散光纤色散分为材料色散和波导色散定义：当一束光波与电介质中的束缚电子相互作用时，介质的响应与光波频率有关，这种特性称为色散，即。描述材料色散的Sellmeier方程：令m=3，将上式理论曲线和实例曲线拟合，可以得谐振强度Bj和谐振频率（j=1,2,3）。n222121jjjmjBn用实验可测n()与理论拟合求得Bj和j,令j=3,块石英B1=0.6961663B2=0.4079426B3=0.89747941=0.06840432=0.11624143=9.896161由于色散，光脉冲在光纤中传播时会展宽。用傅里叶函数展开，光脉冲可看作为不同频率分量的单色波。正常色散：，光脉冲的高频分量（蓝色）速度慢；光脉冲的低频分量（红色）速度快。Vn，，令光脉冲的中心频率为0，其在光纤中的模传播常数为0，将()在0附近用泰勒级数展开，有：对于石英材料，=1.27m时2＝0令D＝=1.27m零色散波长nc0......nc20201021ggvcnddnncdd11012223222222210dndcdndddncddgn群折射率gv群速度ddvvddgg2121群速色散2称为群速色散(GVD)，定义走离参量图1.4体熔石英中的2和d12随波长的变化关系211112dD，02正常色散D，02反常色散色散位移光纤定义：总色散=波导色散+材料色散，纤芯半径a和芯一包层折射率差为，影响波导色散。所以改变光纤的设计可以使零色散波长从1.3m移到1.55m。这种光纤叫色散位移光纤。在光纤通信中有很大应用价值，还可以设计色散平坦光纤。图1.5石英单模光纤零色散波长移到了1.312m图1.6三种不同光纤中色散参量随波长的变化曲线SC、DC、QC分别代表单包层、双包层和四包层。1.3光纤的非线性当较强的光波通过光纤时，会引起材料束缚电子的非线性极化，电偶极子的极化强度（j=1，2，3）——j阶电极化率—线性极化率—二阶电极化率[中心对称晶体中二阶非线性系数=0]—三阶电极化率EEExEExExp)()()(3210)j(x)(x1)(x2)(x31.3.1非线性折射率—非线性折射率折射率对光场的依赖关系导致了大量有趣的非线性效应，例如：自相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM）。222En)(n)E,(n)(xnn3283光纤中的最低阶非线性效应起源于三阶电极化率，在强光入射时，光纤的折射率自相位调制（SPM）：光波在光纤中传播时，光场本身引起的相移。Lk)Enn(Lkn=LkEnLnk=NL光脉冲频谱展宽在反常色散区，群速色散（GVD）+SPM,光孤子产生自相位调制（SPM）引起的相移与以下物理过程有关交叉相位调制(XPM)：不同波长的光脉冲在同一光纤中传播，引起的非线性相移。令总光场为：频率为1的光场的非线性相移为：.c.ceEeExEtiti212121xnSNLNLEELkn22210221.3.2受激非弹性散射受激喇曼散射和受激布里渊散射(SRS和SBS)图1.8分子散射的跃迁过程SRSSBSSPRsIIgdzdISBBsIIgdzdI带宽30THz10GHz（窄带泵浦）（宽带泵浦）gR=110-11cm/wgB=610-9cm/w)g/(IRthR16)/(21BthgIB1W10mW光学声子声学声子pBBvv.g1.3.3光纤非线性的重要意义石英光纤的非线性折射系数，比其他介质至少少两个数量级极易实现。非线性效率（高斯光束）块介质光纤Leff仅与损耗有关w/cm.n21621023effLI20PI20effLeffLIP200PeIIzLLzzeffdzePdzeILI00200LeffePLI120非线性增强因子：（L»1）当＝1.55m，＝510-7（0.2dB/km）时，增强因子＝10920bulkefffibereffLI)LI(1.4光纤的掺杂1.4.1有源光纤（掺稀土离子增益光纤）稀土元素有15种，位于元素周期表第五行，原子序号从57到71。外层电子包括5s,5p，占据4f的内层电子主导了大多数稀土元素的光学特性。序号元素1（K）2(L)3(M)4(N)5(O)6(P)7(Q)sspspdspdfspdfspdfspdf59镨（Pr）22626102610326260钕（Nd）22626102610426267钬（Ho）226261026101126268铒(Er)226261026101226269铥(Tm)226261026101326270镱（Yb）2262610261014262常用稀土元素的电子结构稀土元素的离子化通常形成3价的离子，例如Nd3+失去两个6s电子和一个4f电子成为三价正离子，5f和5p层的电子保持不变。4f层的电子的剩余电子被部分屏蔽而不易受到外场的微扰。钕离子的吸收荧光谱线以及有关的能级吸收谱吸收对应波长荧光谱荧光发射波长4I9/2至4F5/2800nm4F3/2至4I5/2900nm4I9/2至4F3/2900nm4F3/2至4I11/21060nm4F3/2至4I13/21320nm80090010601320nm吸收谱发射谱硅基光纤中钕离子的吸收谱和发射谱Er3+离子的吸收荧光谱线以及有关的能级吸收谱吸收对应波长荧光谱荧光发射波长4I15/2至4I9/2800nm4I13/2至4I15/21550nm4I15/2至4I11/2980nm4I13/2至4I15/21550nm4I15/2至4I13/21550nm4I13/2至4I15/21550nm800nm980nm1550nm(b)铒离子（Er3+）能级结构4I11/24I13/24I15/2980nm泵浦1480nm泵浦(a)示意图E3E1E2Er3+的能级结构1550nmYb3＋的能级结构Yb3+的电子组态为[Xe](4f)13，其能级结构非常简单，只包含2F5/2和2F7/2两个简并的多重态。将Yb3＋掺入石英等基质材料中后，原有的能级结构将发生分裂和展宽，显示出精细结构。能级分裂的主要原因是基质材料中电场的非均匀分布引起Yb3＋能级的Stark分裂。能级展宽的机制主要有两种：一种是声子展宽，即两个能级之间发生跃迁时将伴随着声子的产生和湮灭，这些声子在给定的温度下存在着一定的能量分布，能够引起能级的扩展，从而也会引起吸收和发射波长的扩展；另一种机制是基质电场对能级的微扰。cm-1g11630f11000e10260d1490c1060b600a02F5/22F7/2图3.1Yb3＋能级的精细结构图915nm1036nm975nmYb3+吸收和发射截面(a)示意图E3E0E1E2Yb3+三能级和准四能级结构系统cm-12F7/22F5/2ed{c{ba11000103006500(b)Yb3+离子能级结构900915nm泵浦976nm泵浦976nm1036nm无辐射跃迁一、单包层掺稀土离子光纤纤芯中掺杂稀土元素有Er、Yb、Nd、Tm、Pr、Er/Yb、Ho等纤芯直径～4m，NA0.1包层直径～125m，形状为圆形纤芯中掺杂稀土元素有：Er、Yb、Nd、Tm、Pr、Er/Yb、Ho等单模光纤：纤芯小4m，NA0.1纤芯结构分类大芯多模光纤：纤芯大（30m），NA大大模面积（LMA）：纤芯大（30m），NA小（0.1）2、双包层光纤内包层光纤芯外包层保护层激光输出泵浦光内包层形状圆形（同心、偏心）方形、矩形、、六边形、星形和D形圆形偏心内包层圆形同芯内包