9第九章激光在信息技术中的应用6777415.doc

第9章 激光在信息技术中的应用众所周知，现今是信息时代。从技术角度看，信息领域是一个十分广阔的领域，它包括信息的产生、发送、传输、探测、存储、显示等许多方面。激光在信息领域的应用，包括以激光为信息载体，将声音、图像、数据等各种信息通过激光传送出去；通过激光存储在光学存储器里；通过激光将信息打印或显示出来等等。因此，本章将涉及激光通信、激光显示、激光存储以及激光打印等许多重要的领域。这些领域已经产生许多成熟的技术和应用，有着光明、广阔的应用和发展前途，是21世纪最活跃的激光应用领域。本章将简要地介绍激光在上述各方面的有关应用概况，特别是一些新思想、新概念、新技术、新进展等。9.1 光纤通信系统中的激光器和光放大器激光器和光导纤维的诞生与发展是光纤通信技术和系统的产生与发展的两个支柱。上世纪60年代以来，半导体激光器的成功研制，实现了连续波工作，工作寿命达百万小时,又由于可以直接调制，功率转换效率高等优点，现已成为光纤通信中必不可少的光源。近年来诞生的掺杂光纤作增益介质的光纤激光器耦合效率高、激光阈值低、散热性好，也越来越多的受到关注和研究。当光纤通信系统向高速率、大容量、长距离方向发展时，受到了光纤的损耗和色散等因素的限制，为了拓长光纤通信的距离，通常是在通信线路中设置一定数量的电中继器进行信号的再生放大。由于采用光电光的转换方式使得系统复杂，成本高，对光信号不透明，20世纪80年代光放大器技术应运而生。它是光纤通信领域的一次革命，具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能，成为新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术。光源是光纤通信的重要器件，没有光源所有信息就没有传输的载体；而没有光放大器也不可能实现光通信系统长距离、大容量的透明传输。因此，本节主要对这两个器件进行介绍，在9.1.1和9.1.2节分别介绍作为光源的半导体激光器和光纤激光器，在9.1.3节介绍半导体光放大器、掺稀土光纤放大器和非线性光放大器。9.1.1 半导体激光器1.光纤通信对半导体激光器光源的要求半导体激光器是激光器中的一个大家族。它与固体激光器、气体激光器以及其它类型的激光器相比，具有体积小、重量轻、电光转换效率高、可以直接调制、使用方便等优点，因此它非常适用于光纤通信之中。一个完整的光纤通信系统由发端机、光纤信道、收端机以及辅助设备组成。光发射端机的主要任务就是将电信号转变为光信号，即进行E/O变换。图9-1给出了光发射端机的工作原理61。图9-1 光发射端机框图从图中可以看出，光发射端机的关键器件是光源，而提供这一功能的就是激光器。激光器种类很多，下面分别对作为通信光源的半导激光器和光纤激光器作一个简要的介绍。2.作为通信光源的半导体激光器半导体激光器是光纤通信用的主要光源，由于光纤通信系统具有不同的应用层次和结构，因而需要不同类型的半导体激光器。例如信息传输速率在2.5Gbit/s以下的光纤接入网、本地网，需要大量结构简单、性能价格比合适的半导体激光器，如法布里珀罗（FP）激光器。而在中心城市的市区建设城域网中，其传输距离短、信息量大，要求光源速率达2.5Gbit/s乃至10Gbit/s，需要直接调制的分布反馈（DFB）半导体激光器。在干线传输网络中，对光源的调制速率和光信号的传输距离都有较高的要求，目前主要用分布反馈半导体激光器（DFB-LD）加电吸收型（EA）外调制器的集成光源。此外，近几年研制的垂直腔面发射激光器（VCSEL）由于具有二维集成、适于大批量及低成本生产的优点，在光的高速数据传输和接入网等领域有着诱人的应用前景。这几种典型的半导体激光器将在下面介绍。(1) 法布里珀罗激光器法布里珀罗激光器（FP-LD）是最常见、最普通的半导体激光器（参见5.4节），它的谐振腔由半导体材料的两个解理面构成。目前光纤通信上采用的FP-LD的制作技术已经相当成熟。FP-LD半导体激光器存在三个方向的模式问题，沿激光输出方向形成的驻波模式称为纵模，垂直于有源层并和激光输出方向垂直的模式称为垂直横模，平行于有源层并和激光输出方向垂直的模式称为水平横模。在光通信领域中，至少要求激光器工作在横模状态。对于FP-LD来说，基横模实现比较容易，主要通过控制激光器有源层的厚度和条宽来实现，纵模控制有一定的困难。对于一般的FP-LD，当注入电流在阈值电流附近时，可以观察到多个纵模；进一步加大注入电流，谱峰处的某个波长首先超过阈值电流产生受激辐射，消耗了大部分载流子，压制其它模式的谐振，有可能形成单纵模工作，但是对FP-LD进行高速调制时，原有的激光模式就会发生变化，出现多模工作，这就决定了FP-LD不能应用于高速光纤通信系统。但是相对其它结构的激光器来说，FP-LD的结构和制作工艺最简单，成本最低，适用于调制速度小于622Mbit/s的光纤通信系统。目前商用的1.3FP-LD阈值电流（Ith）在10mA以下，输出功率在10mW左右（注入电流为23Ith时），因此它用于在信息传输速率较低的情况62。(2)分布反馈半导体激光器前述的F-P腔型半导体激光器大多在多纵模状态下工作，在光纤传输系统中便出现了由纵模间功率分配瞬时变化引起的模式分配噪声及模式微分时延，从而限制了通信传输距离，所以很需要高速调制时仍保持单纵模工作的半导体激光器(又称动态单纵模激光器)。实现动态单纵模工作的最有效的方法之一就是在半导体内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。分布反馈布拉格半导体激光器（DFB-LD）的特点在于光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益，因此其单色性优于一般的FP-LD。在DFBLD中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化引起的布拉格反射，即折射率耦合；另一种为增益周期性变化引起的分布反馈，即增益耦合。折射率耦合DFB-LD原理上是双模激射的，而增益耦合DFB-LD是单模激射的，这是因为在端面反射为零的理想情况下，折射率耦合DFB-LD在与布拉格波长对称的位置上存在两个谐振腔损耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD恰好在布拉格波长上存在着一个谐振腔损耗最低的模式。在DFB-LD制作技术的发展过程中，人们发现直接在有源层刻蚀光栅会引入污染和损伤，于是又提出了图9-2所示的分别限制结构，即将光栅刻制在有源层附近的透明波导层上，这样能有效地降低DFB-LD的阈值电流，这种结构后来被广泛应用。p电极欧姆接触层上限制层布拉格光栅有源层下限制层衬底n电极 图9-2 DFB-LD结构示意图对于实际的DFB-LD来说，光栅两端的端面存在反射，不仅反射率的强度不为零，而且两个端面的反射相位也不确定。这是由于实际器件制作中，端面位于光栅一个周期中的哪一个位置是不可控制的。对于纯折射率耦合DFB-LD来说，在相当一部分相位下，模式简并可以被消除，器件可以实现单模工作。最早的折射率耦合DFB-LD就是通过这种方法实现单模工作的。直接调制DFB-LD的最大优点是在高速调制（2.5Gbit/s-10Gbit/s）的情况下仍能保持动态单模，非常适合高速短距离的光纤通信系统。目前商用的直接调制DFB-LD能够达到阈值5mA左右，在2.5Gbit/s调制速率下能传输上百公里63。(3)分布布拉格反射半导体激光器密集波分复用（DWDM）技术的迅猛发展对集成光源提出了新的要求，具有波长可调谐或者波长可选择特性的集成光源成为新的研究热点。波长可调谐是指激光器波长在一定范围内连续可调。目前波长调谐主要基于布拉格反射光栅，通常通过改变温度、注入电流等方法，改变光栅的有效折射率，从而改变光栅的布拉格波长。DFB-LD虽然单模特性稳定，但是波长调谐的范围比较小，一般在2nm左右。因此，考虑到布拉格光栅反射性好的特点，将光栅置于激光器谐振腔的两侧或一侧，增益区没有光栅，光栅只相当于一个反射率随波长变化的反射镜，这样就构成了DBR-LD。其中，三电极DBR-LD是最典型的基于DBR-LD的单模波长可调谐半导体激光器，其原理性结构如图9-3。3个电极分别对应DBR-LD的增益区、相移区和选模光栅注入电流，其中增益区提供增益，光栅区选择纵模，而相移区用来调节相位，使得激光器的谐振波长和光栅的布拉格波长一致。通过调节3个电极的注入电流，其调谐范围可达到10nm左右。另外采用特殊的光栅结构，如超结构光栅（SSG），DBR-LD的波长调谐范围还可扩大到103nm。 增益区 相位控制区 选择光栅区 有源区 光栅图9-3三电极DBR-LD结构示意图DBR-LD通过改变光栅区的注入电流实现调谐，这就导致了较大的谱线展宽。此外，DBR-LD需要调节至少两个以上的电极电流，才能将激射波长固定下来，不利于实际应用，而且DBR-LD纵模的模式稳定性相对较差，极易出现跳模现象，所以近几年来有关波长可调谐DBR-LD的研究有所减少63。(4)垂直腔面发射激光器以上所说的各种激光器都是边发射器，即激光从激光器的侧面输出，因此只能进行一维集成。但是，光数据传输和交换的多通道往往需要能够二维集成的器件，而垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一个很好的选择。它与边发射激光器最大的不同点是：出射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生长的方向。图9-4为其典型结构图，其上下分别为分布布拉格反射（DBR）介质反射镜，中间（InGaAsN）为量子阱有源区，氧化层有助于形成良好的电流及光场限制结构，电流由P、N电极注入，光由箭头方向发出。氧化层反射镜InGaAsN反射镜面NNP反射镜面 PN 图9-4 VCSEL的典型示意图与侧面发光激光器相比，VCSEL在原理上有如下优点：其有源区体积极小因而具有极低阈值电流；采用DBR结构能动态单模工作；由于有源区内置而导致其寿命很长（如107小时）；光束质量高，容易与光纤耦合；可极大降低成本；可形成高密度二维阵列。在这些优点当中，最吸引人的是其制造工艺和发光二极管（LED）兼容，大规模制造成本很低，且容易二维集成，并能在片测试。VCSEL的一个前途广阔的应用领域是吉比特局域网络，由于它具有光束特性好、易耦合、调制速率高、价格低廉的优势，很多人认为VCSEL必将取代LED、FP-LD在局域网中的地位。在光纤吉比特以太网中，VCSEL（850nm）主要用于工作在250m距离范围内的光源，如IEEE802.3千兆以太网1000BASE-SX系列标准中采用低成本VCSEL作为光源。此外，随着VCSEL在短波及长波方面的进展，它还可用于大容量光交换、高密度光存储、平面显示、照明、二维光信息处理等应用领域。然而由于器件结构及生长材料等原因，VCSEL依然存在着基横模输出功率不高、散热困难、极化控制困难及在长波长方面表现不理想等问题63，这就限制了其在长途干线通信等领域中的应用。（5）基于光子晶体的新型激光器光子晶体是近年来的研究热点，它的折射率呈空间周期性变化，可产生一定的光学能带间隙（称为“光子带隙”）。当频率落在这个光子带隙内的入射光可被传输和完全反射。改变光子晶体的结构，可得到不同的光子带隙，从而使光子晶体具有传统晶体不可能实现的许多“奇异”性能，如具有极低损耗、色散和非线性，可获得反常色散，同时保持单模传输特性，可产生高保偏性等等。 低阈值激光器利用光子晶体的优越性能正在开发很多的新型光器件，如高输出功率的光纤激光器和放大器、光开关、滤波器、光纤光栅、波长变换器、利用非线性效应的孤子发生器、光保偏器等。图9-5是正在研制的一个低阈值激光器，它是在半导体激光器中引入有缺陷的光子晶体（如左图所示），构成一个特殊的波导，这使得自发辐射与激光出射的方向角几乎为0，于是几乎所有的泵浦能量全部用来产生激光，从而使激光器的阈值降低，并且提高了能量转换效率。 图9-5 低阈值激光器 瓦级DFB激光器在DFB激光器中引入有缺陷的光子晶体，也产生了瓦级DFB激光器，如图9-6所示。 图9-6 瓦级DFB激光器9.1.2 光纤激光器半导体激光器自诞生之日起就有一个缺点，那就是其与光纤之间耦合困难，增大了腔内插入损耗，导致其低效率高阈值。为了解决这个问题，光纤激光器应运而生。光纤激光器是一种多波长（其波长间隔符合ITU-T标准）的光源，目前已被广泛地应用于DWDM系统中。1. 光纤激光器的基本原理及其特点 光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光子跃迁的泵浦源三部分组成。纵向泵浦的光纤激光器的结构如图9-7所示。一段掺杂稀土金属离子的光纤被放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从左面腔镜耦合进入光纤，左面镜对于泵浦光全部透射并对于激光全反射，以便有效利用泵浦光和防止泵浦光产生谐振而造成输出光不稳定。右面镜对于激光部分透过，以便造成激光束的反馈和获得激光输出。这种结构实际上就是法布里珀罗谐振腔结构，泵浦波长上的光子被介质吸收，形成粒子数反转，最后在掺杂光纤介质中产生受激发射而输出激光。图9-7光纤激光器原理示意图对于光纤激光器来说，其激光介质本身就是导波介质，因此其耦合效率高；光纤纤芯很细，纤内易形成高功率密度，可方便地与光纤传输系统高效连接。由于光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果好，因此光纤激光器具有很高的转换效率，很低的激光阈值，能在不加强制冷却的情况下连续工作。又由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可以设计得相当小巧灵活，利于光纤通信系统的应用，同时可借助光纤方向耦合器构成各种柔性谐振腔，使激光器的结构更加紧凑、稳定。光纤还具有相当多的可调谐参数和选择性，能获得相当宽的调谐范围和相当好的色散性和稳定性。这些特点决定了光纤激光器比半导体激光器拥有更多的优势。从效果上看，光纤激光器是一种高效的波长转换器，即由泵浦光波长转换为所掺稀土离子的激射波长。正因为光纤激光器的激光波长是由基质材料的稀土掺杂元素所决定，它不受泵浦波长的控制，所以可以利用与稀土离子吸收光谱相对应的廉价、短波长、高功率半导体激光器泵浦，获得光纤通信低损耗窗口的1.3 和1.55以及2-3中红外波长的激光输出，其泵浦效率很高64。2. 光纤激光器的分类及应用光纤激光器种类很多，按光纤结构可分为：单包层光纤激光器和双包层光纤激光器；按掺杂元素可分为：掺铒、钕、镨、铥、镱、钬等15种；按增益介质可分为：稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶体光纤激光器、塑料光纤激光器；按谐振腔结构可分为：F-P腔光纤激光器、环行腔光纤激光器、环路反射器光纤谐振腔激光器以及“8”字形腔激光器；按工作机制分为：上转换光纤激光器和下转换光纤激光器；按输出激光又可分为：脉冲光纤激光器和连续激光器等。下面具体介绍几类光纤激光器。(1)稀土类掺杂光纤激光器稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。目前在比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有：铒（Er3+）、钕(Nd3+)、镨(Pr3+)、铥(Tm3+)、镱(Yd3+)。掺铒光纤在1.55波长具有很高的增益，它对应于低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒光纤激光器发展十分迅速。掺镱光纤激光器是波长为1.0-1.2的通用光源，Yd3+具有相当宽的吸收带（8001064nm）和相当宽的激发带（9701200nm），故其泵浦源的选择非常广泛且泵浦源和激光都没有受激态吸收。掺铥（Tm3+）光纤激光器的激射波长为1.4波段，它也是重要的光纤通信光源。其它的掺杂光纤激光器，如在2.1波长工作的掺钬（Ho3）光纤激光器，由于水分子在2.0附近有很强的中红外吸收峰，它照射到生物体上时，对邻近组织的热损伤小、止血性能好，且该波段对人眼是安全的，故在医疗和生物学研究上有广泛的应用。近几年来，双包层掺杂光纤激光器利用包层泵浦技术，使输出功率获得极大提高，成为激光器又一新的研究热点。包层泵浦技术利用的双包层光纤，其芯线采用相应激光波长的单模稀土掺杂光纤，大直径的内包层对泵浦波长是多模的，外包层采用低折射率材料。内层的形状和直径能够与高功率激光二极管有效地端面耦合。稀土离子吸收多模泵浦光并辐射出单模激光，使高功率、低亮度激光二极管泵浦激光转换成衍射极限的强激光输出。为了增加泵浦吸收效率，光纤内包层的形状也由最初的圆形发展到矩形、方形、星形、D形等。现在人们已经能够利用包层泵浦结构，产生高达2.3mW脉冲的双包层掺镱光纤激光器，使用的是单模或模式数较少的低数值孔径的大有效面积（LMA）光纤，光纤纤芯的有效面积为13002，它是普通掺镱单模光纤的50多倍。(2)光纤受激拉曼散射激光器这类激光器与掺杂光纤激光器相比具有更高的饱和功率，且没有泵浦源限制，在光纤传感、波分复用（WDM）及相干光通信系统中有着重要应用。受激拉曼散射（SRS）属于光纤中的三阶非线性效应，SRS是强激光与介质分子相互作用所产生的受激声子对入射光的散射，它在单模光纤的后向发生。利用SRS的特性，可把泵浦光的能量转换为光信号的能量，制成激光器。一种简单的全光纤受激拉曼散射激光器见图9-8所示，这是一种单向环形行波腔，耦合器的光强耦合系数为K。一般典型的受激拉曼分子主要有GeO2、SiO2、P2O5。图9-8 受激拉曼散射光纤激光器示意图分布反馈光纤拉曼激光器与前面所讲的半导体激光器有着本质的区别：其一在于光纤中不可避免的克尔（Kerr）效应改变了分布反馈拉曼激光器的激光动态特性。其二，增益饱和机制完全不同。在SRS中，腔内信号是被泵浦光直接放大，而不是通过粒子数反转65。(3)光纤光栅激光器20世纪90年代紫外写入光纤光栅技术的日益成熟，使得光纤光栅激光器愈受重视，其中主要是布拉格Bragg反射光纤光栅激光器（DBR）和分布反馈光纤光栅激光器（DFB）。DBR光纤激光器基本结构如图9-9所示，利用一段稀土掺杂光纤和一对相同谐振波长的光纤光栅构成谐振腔，它能实现单纵模工作。利用光纤光栅与纵向拉力的关系，采用拉伸光纤光栅可以实现频率的连续调谐，调谐范围达16nm以上。 泵浦 光隔离器 光栅 掺铒光纤 光栅 输出图9-9 DBR光纤光栅激光器结构示意图DFB光纤光栅激光器基本结构如图9-10所示，在稀土掺杂光纤上直接写入的光栅构成谐振腔，其有源区和反馈区同为一体。这种光纤光栅激光器只用一个光栅来实现光反馈和波长选择，故稳定性更好，它还避免了稀土掺杂光纤与光栅的熔接损耗。但是，虽然可直接将光栅写入稀土掺杂光纤中，由于纤芯含锗少，光敏性差，DFB光纤光栅激光器实际并不容易制作。相比之下DBR光纤光栅激光器可将掺锗光纤光栅熔接在稀土掺杂光纤的两端构成谐振腔，制作较为简单。 泵浦 光隔离器 写有光栅的掺铒光纤 输出 图9-10 DFB光纤光栅激光器结构示意图DBR、DFB光纤光栅面临的共同问题有：由于谐振腔较短，使得泵浦的吸收效率低；谱线较环形激光器宽，有模式跳跃现象等。这些问题正在不断的解决之中，提出的方案有：采用Er:Yb共掺杂光纤作增益介质、采用内腔泵浦方式、主振荡器和功率放大器一体化等66。基于光子晶体光纤的光纤激光器正在被大量地研究，因为光子晶体光纤（也称微结构光纤：PCF）和光子晶体一样，具有很多比传统光纤优异得多的性能，如高非线性、全波段的单模运转，大模面积单模传输等，PCF能够有效地扩展和增加光纤的应用领域。利用PCF为增益介质或利用掺镱双包层PCF，研制了锁模激光振荡器、主动锁模光纤激光器等；将不同折射率和不同厚度的量子点发光材料涂敷到PCF的空气孔壁后对其传输特性产生影响，使量子点注入PCF激光器的发光效率大大提高；采用锁模半导体激光器作为种子光源，并利用色散平坦高非线性PCF作为超连续谱光纤，研制了宽带、平坦的超连续谱光源，其谱宽超过100nm，可用于上千信道（间隔为10GHz）的DWDM系统。还有用于激光加工的高功率光纤激光器，已有上百瓦、超过千瓦的掺钇光纤激光器系列，国内目前生产的光纤激光器功率也能达到500W。近几年来，光纤激光器的发展越来越受到人们的关注，各种高功率光纤激光器、超短脉冲光纤激光器和窄线宽可调谐激光器层出不穷。未来光纤激光器发展的主要方向是：进一步提高光纤激光器的性能，如继续提高输出功率，改善光束质量；扩展新的激光波段，拓宽激光器的可调谐范围；压窄激光谱宽；开发极高峰值的超短脉冲（皮秒和飞秒量级）高亮度激光器；以及进行整机小型化、实用化、智能化的研究。9.1.3光放大器众所周知，在光纤传输系统中，限制传输距离的主要因素是光纤的损耗和色散及光器件的各种噪声。为了克服这些缺陷，以适应光纤通信系统向高速率、大容量、长距离方向的发展，20世纪80年代出现了光放大器技术，它是光纤通信领域的一次革命。光放大技术具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低损耗以及波长、速率和调制方式透明的直接光放大功能，是新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术。此技术既解决了衰减对光网络传输距离的限制，又开创了1550nm波段的波分复用，从而使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，它是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。由于此技术与光信号的调制形式和比特率无关，它在光纤通信系统中得到广泛应用。顾名思义，光放大器是放大光信号的器件，它在光纤通信领域中的主要功能有以下几个方面：1 光功率提升放大。将光放大器置于光发射机前端，以提高入纤的光功率。2 在线中继放大。在光纤通信系统中取代现有的中继器。3 前置放大。在接收端的光电检测器之前先将微弱的光信号进行预放，以提高接收的灵敏度。图9-11为光放大器在干线光纤系统中的应用示意图。图中（a）为无中继系统，这是最简单的光纤通信系统，由发送机、光纤和接收机组成。图（b）中采用光放大器作功率放大器和接收机前置放大器，使无中继距离成倍延长。图（c）为线内多中继系统，该系统没有采用光放大器，因此3R中继器数目较多。图（d）中用光放大器作为在线中继放大器或1R（仅有整形功能）中继器，从而实现全光通信。由于这时不包含定时和再生电路，因而是比特透明的，没有“电子瓶颈”限制，只要更换两端的发送和接收设备，很容易实现系统从低速率（如1.6Gb/s）到高速率（如10Gb/s）的转换，不必更换光中继器。 无中继系统发送机 光纤 接收机 提升放大器 前置放大器 (a) (b)线内多中继系统 3R中继器 (c) 1R中继器 (d) 图9-11光放大器在干线光纤系统中的应用示意图目前光纤通信中主要的光放大器有以下几类：1、半导体激光放大器（SLA）；2、掺稀土光纤放大器，如掺铒光纤放大器(EDFA)等；3、非线性光纤放大器，如光纤喇曼放大器等。下面分别介绍这几种放大器67。1. 半导体光放大器半导体激光器在不同的应用条件和不同的端面反射率情况下，可以得到不同类型的半导体光放大器。若半导体激光器的驱动电流低于其阈值，即未产生激光，这时向其一端输入光信号，只要这个光信号的频率处于激光器的频谱中心附近，它便被放大而从另一端输出，这种半导体光放大器称为法布里珀罗型激光放大器（FP-SLA）。若将激光器偏置在阈值以上，从一端输入的微弱单模光信号，此光信号的频率只要处于这个多模激光器的频谱内，光信号就会得到放大，并锁定到某一模式上，这种光放大器称为注入锁定型放大器（IL-SLA）。若将半导体激光器的两个端镜面涂覆或蒸镀一层防反射膜，使其反射率很小（10-4），形不成法布里珀罗谐振腔，这时光信号通过有源波导层时，将边行进边放大，因此这种光放大器称为行波型光放大器（TW-SLA），其基本结构如图9-12所示。因为行波光放大器的带宽比法布里珀罗型放大器大三个数量级，其3dB带宽可达10THz，因此可放大多种频率的光信号，所以是很有前途的一种光放大器。 增透镀覆层 输入光纤 输出光纤输入信号 输出信号 R1 L R2 图9-12 SLA的基本结构下面以行波半导体光放大器为例讨论其性能。用于光纤通信的光放大器应具有宽的增益带宽，足够的小信号增益，对偏振不灵敏的信号增益，高的饱和输出功率，低的噪声等性能。对一些重要性能分析如下：1增益带宽。尽可能宽的增益带宽对发挥光纤大容量通信是必要的，可使多信道光信号得到同时放大。这对于波分复用技术（WDM）和用户网十分重要，同时宽的增益带宽还能容许放大器有较大的温度变化。理想的行波放大器的增益带宽可达70nm，目前已达40nm以上。2小信号增益。根据放大器有源介质具有大的增益系数，一般可得到2530dB的内增益，但由于放大器与光纤之间的耦合损耗大，致使线性净增益（光纤光纤增益）减小（20dB），这是行波放大器存在的一个大问题。3光信号增益对其偏振的灵敏度。由于放大器两端存在着残余反射率，使得偏振膜TE模和TM模的增益不同，而且这种增益差别随工作电流增加而增大，从而导致增益起伏，使放大器的有效带宽减少。为使其对偏振不敏感，可将两个行波放大器串联或并联，使TE和TM两模的增益相等。4饱和输出功率。过高的输入功率会产生光放大器出现增益饱和，使得光放大器的输出功率随输入功率的增加而下降。饱和输出功率定义为输出功率从其饱和值下降3dB时的功率。5放大器的噪声性能。放大器噪声用噪声指数F来表征，它定义为输入的信号噪声比与输出的信号噪声比之比。放大器的噪声源主要有自发发射的和信号的散弹噪声以及自发发射间的和信号与自发发射间的拍频噪声。但就相对噪声功率而言，拍频噪声占主要地位。一般情况下F为8dB，最好的结果是F为4dB。 由以上介绍可知：行波放大器具有体积小、结构简单、易于同其它光器件和电路集成；适合批量生产、成本低；增益高、噪声低、功耗低、寿命长等优点。尤其是它适于光集成和光电集成，这是光纤放大器所不具备的。但是这种器件与光纤耦合时损耗很大，一般大于5dB；而且器件的增益与光的偏振态、工作温度等明显相关，因此工作稳定性差；器件的噪声较大、功率较小、增益恢复时间为Ps量级，这对高速传输的光信号将产生不利影响。半导体光放大器主要用于全光波长变换、光交换、谱反转、时钟提取、解复用；它覆盖了13001600nm波段，既可用于1300nm窗口的光放大，又可用于1550nm窗口的光放大68。2. 掺铒光纤放大器掺杂（如Er3）光纤放大器的结构如图9-13所示。它由三部分组成：一是长度为几米到几十米的掺杂光纤，这些杂质主要是稀土离子，如铒（Er3）、钕（Nb3）、镨（Pr3+）等以构成激光激活物质。石英光纤掺铒的光放大器主要用于1.55信号的光放大，而氟化物光纤（ZBLAN玻璃）掺镨主要用于1.3信号的光放大；二是激光泵浦源，提供适当波长能量去激励掺入的稀土离子，以获得光的放大；三是耦合器，以便使泵浦光、信号光耦合进掺杂的光纤激活物质中。9-13 掺铒光纤放大器的结构图 光纤放大器的工作原理与固体激光器的工作原理非常相似，在激光激活物质内造成粒子数反转分布状态，并产生受激辐射。为了造成稳定的粒子数反转分布状态，参与光跃迁的能级应超过两个，一般是三能级和四能级系统，同时有泵浦源不断提供能量。为了有效的提供能量，泵浦光子的波长应短于激光光子的波长，即泵浦光子的能量要大于激光光子的能量。此外谐振腔形成正反馈，这样一来就可形成激光放大器。石英光纤掺稀土元素（如Nd、Er等）后可构成多能级的激光系统，在泵浦光的作用下使输入的信号光得到放大。早在1963年就报导了第一个掺Nd的光纤放大器，工作波长为1.06和1.33。但1.06不是光纤通信窗口，而1.33也不是零色散波长，不利于高速长距离传输，因此又研究诞生了工作在1.55的掺铒光纤放大器（EDFA）。一个EDFA的完整结构应包括如下几部分：1 铒石英光纤作为有源介质；2 高功率泵浦光源；3 光纤耦合器，用于信号光与泵浦光的合路；4 偏振不灵敏光隔离器，用于消除反射抑制振荡；5 窄带光滤波器，用以降低自发辐射噪声。铒光纤及泵浦源是EDFA的关键和研究重点。根据泵浦光和信号光传播方向的相对关系，EDFA的结构又可分为同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦，即信号光与泵浦光在光纤内的传播方向，如果是在同一方向，则称为同向泵浦，如果在相反方向，则称为反向泵浦；当分别在两个方向时，被称为双向泵浦。它们的具体结构图分别如图9-14（a）（b）（c）所示。图9-14 EDFA结构图（a）正向泵浦，(b)反向泵浦，(c)双向泵浦掺铒光纤放大器具有以下这些特点：它工作在光纤损耗最低的窗口即15301565nm波段；增益高，在较宽的波段内提供平坦的增益，是WDM理想的光纤放大器；噪声系数低，接近量子极限，各个信道间的串扰极小，可级联多个放大器；放大频带宽，可同时放大多路波长信号；放大特性与系统比特率和数据格式无关；输出功率大，对偏振不敏感；结构简单，与传输光纤易耦合。但是EDFA增益带宽仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分，制约了光纤能够容纳的波长信道数，其泵浦源寿命不长，它不能与其它器件集成，这也限制了它在光电子集成（OEIC）中的应用。 掺铒光纤放大器主要用于DWDM系统、接入网、光纤有限电视网、车用系统（雷达多路数据复用、数据传输、制导等）、光孤子通信系统等领域；也可作为功率放大器，以提高发射机的功率；在光纤传输线路中用作全光中继放大器，以补偿光纤传输损耗，延长传输距离；在光接收机前用作前置放大器，以提高光接收机的灵敏度；在光纤有限电视网和光纤用户接入网中用作光功率补偿器，以补偿分配器和传输链路造成的光损耗，提高用户的数量，降低用户网和有限电视网系统的建设成本。目前，掺铒光纤放大器因其优越的性能已作为最主要的光放大器应用于光纤通信中69。3.非线性光纤放大器非线性光纤放大器和铒光纤放大器都属于光纤放大器，但前者利用石英光纤的非线性效应，后者利用掺铒离子的石英光纤作用有源介质。普通石英光纤在合适波长的强泵浦光作用下会产生强烈的非线性效应，如受激喇曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）和四波混频等效应，当信号光沿着光纤与泵浦光一起传输时就能把信号光放大（图9-15），从而构成光纤喇曼放大器（FRA）、布里渊放大器（FBA）和参量放大器，它们都是分布式光纤放大器。图9-15 光纤喇曼放大器示意图FRA的增益波长由泵浦光波长决定，它可为任何波长提供增益，这使得FRA可以在EDFA不能放大的波段实现放大，并可在12921660nm波段的光谱范围内进行光放大。使用多个泵源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽，这对于开发光纤的整个低损耗区（波长为12701670nm）具有无可替代的作用。FRA具有带宽宽、增益高、噪声低、串扰小、温度稳定性好等特点，它与普通EDFA混合使用时，可大大降低系统的噪声系数，增加传输距离；FRA的增益介质为光纤，与光纤系统有良好的兼容性，可制成分立式或分布式放大器，实现长距离无中继传输和远程泵浦的功能，尤其适合于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合；由于放大是沿着光纤分布作用而不是集中作用，所以输入光纤的光功率大为减少，从而使非线性效应尤其是四波混频效应大大减少，因此适用于大容量DWDM系统。FRA不足之处在于需要特大功率的泵浦激光器，为了得到宽增益带宽需要多个泵浦激光器。另外，光子晶体光纤是FRA很好的增益介质，研究表明：设计小模场有效面积、大负色散系数的光子晶体光纤，可使基于光子晶体光纤的FRA具有低损耗系数、高有效喇曼增益系数。（1）光纤喇曼放大器（FRA）FRA主要用作为前置放大器，用于40Gb/s的高速光网中，用于海底光缆通信系统。FRA的发展方向是：宽频谱、大功率输出；将FRA与局部平坦的EDFA串联使用，可获得带宽高于100nm的超宽带增益平坦放大器；采用双向拉曼泵浦，可使传输距离扩大2倍，达到1千公里以上；采用波长为1420nm和1450nm两个泵源的FRA可得到很宽的带宽（从1480 nm到1620nm）70。（2）光纤参量放大器（FOPA）FOPA是利用介质的三阶非线性光学效应四波混频实现信号的放大，需要满足一定的相位匹配条件。理论分析表明：泵浦光功率、光纤的非线性系数和长度、信号光与泵浦光之间的色散是影响FOPA增益和带宽的主要因素。利用高非线性系数的光子晶体光纤制作FOPA，可大大的减少了其光纤长度，同时可任意选择其泵浦光波长，经合理地优化设计，使FOPA的性能大大改善，可实现色散控制，得到超宽波长范围内可调的零色散波长、近零超平坦色散和色散斜率，获得高增益、宽带宽等性能。对FOPA的应用研究已有不少报道，大致有：FOPA用于波分复用系统的光放大、分布式FOPA用于在线光放大、FOPA用于波长转换、FOPA用于脉冲产生和光时分复用中的解复用、FOPA使信号光频谱反转用于色散补偿、FOPA用于光信号的色散监控，以其它应用等。（3）基于光子晶体光纤的光纤放大器光子晶体光纤同样可作为很好的增益介质用于制作光纤放大器。基于掺铒Kg玻璃的PCF，设计了一种掺铒、大模式面积、单模光子晶体光纤放大器，使其放大倍数得以大大提高。利用掺铒共掺双包层PCF和合适的种子光、泵浦光，还研究了铒镱共掺PCF放大器。将单颗粒稀土搀杂的量子点注入到光子晶体光纤中，形成优质的光纤增益介质，也设计了一种新型的量子点注入光纤放大器。 通过以上的介绍不难看出，半导体光放大器（SLA）由于其体积小、结构简单、成本低、易于集成等优势而发展很快，在技术上已比较成熟。但迄今为止，它的性能与EDFA相比仍有较大差距；EDFA由于其工作波长恰好与光纤通信的最佳窗口相吻合，且其技术开发和商品化最成熟，已成为目前最令人满意的光放大器；光纤喇曼放大器(FRA)由于采用分布式放大，它可以补偿传输光纤和色散补偿器件带来的损耗，同时可以避免非线性效应；FRA能在EDFA不能放大的波段实现放大，既能在全波长范围内放大光信号，又特别适用于超长距离传输和海底光缆通信等不方便设立中继器的场合，因而倍受欢迎，它已成为研发的热点。随着瓦级的泵浦激光器小型化、商用化，FRA将逐步走向实用化，成为继EDFA之后的又一颗璀璨明珠。而基于光子晶体光纤的光纤放大器研究，将开辟高性能光放大器的新天地。总之，所有光放大器的共同发展方向是高增益、大输出功率、低噪声系数。9.2 激光全息三维显示信息在产生、传输、处理、存储、读取之后，要通过各种方式显示出来，让人们能够了解信息的内容。电视机、监视器、打印机、印刷机、大屏幕显示等都是显示图像信息的重要手段。进入20世纪90年代以来，由于激光技术、光束成型技术、扫描技术、数据调制技术的高速发展，使各种激光显示成为现实。目前投入应用的激光显示主要可分为激光全息三维显示71、激光视频投影显示、激光光束图文扫描显示等几种。其中，激光全息三维显示技术因其具有立体感强、可分性、可重叠、易于复制等显著优点倍受欢迎，市场上的许多商标和防伪标记采用的就是激光全息技术。有人甚至将全息图做在玩具上，做在各种各样的包装材料上面，从而提高了消费文化层次。福特汽车公司利用数字全息技术将新设计的汽车模型立体地显示在空间，引起了人们广泛兴趣。为了理解激光全息三维显示技术，本节先从全息术的基本知识讲起，然后再介绍它的分类、特点、应用及发展前景等。9.2.1全息术的历史回顾1947年英国物理学家丹尼斯盖伯(Dennis Gabor)首先提出“波前重建”的构想，从而为全息术的诞生奠定了理论基础。1971年，瑞典诺贝尔奖委员会为了表彰盖伯对全息术的发明和发展所作出的开创性贡献，授予他该年度诺贝尔物理学奖72。全息术从提出至今只有短短的几十年，但其技术上的进步是飞快的。人类社会生活的需要，相关高新技术的发展，推动了全息术不断发展，至今已经历三个阶段73-76。从盖伯最早提出全息术的思想之后的十多年，这个时期是全息术的萌芽阶段。这一阶段的全息术主要是理论研究和少量的实验。全息术发展的第二阶段是在1960年激光出现以后。1963年，美国密执安大学的利思(N.Leith)和乌帕特尼克斯(J.Upatnicks)提出的离轴全息术，使全息术在沉睡了十几年之后得到了新生。全息技术也在立体成像、干涉计量检测、信息存贮等应用领域中获得广泛的应用。但当时全息术的不足之处是只能在激光照射下显示物体的三维影像。20世纪80年代以后延续至今是全息发展的第三阶段。科学家们致力于研究用激光记录，而用白光再现的全息图，例如反射全息、像全息、彩虹全息、模压全息及合成全息等。应用白光再现的全息术由于走出实验室，可在白昼自然环境中或者在一般白光照明下观看到物体的三维影像，使得激光全息显示技术在得以迅速发展。全息术的产生与发展还带动了光学信息处理技术及其潜在应用，其意义已不局限于狭义的光学成像技术。9.2.2激光全息术的基本原理和分类全息术，又称全息照相术，顾名思义就是记录了被摄物体的全部信息。它不仅像普通照相那样记录物体的散射光强，还记录了散射光的相位，正因为如此才能再现原物的立体图像。以下结合图9-14简要地说明全息照相的拍摄和再现原理77。为了记录物体光波的相位，全息图的拍摄需要基于光波的干涉原理。全息图的拍摄光路如图9-16(a)所示，激光器发出的光束由分光镜一分为二，其中一束直接照射在记录介质上，称为参考光束；另一束照到被摄物体上，由物体散射的光射到记录介质上，称为物光束。扩束器将激光束扩大以便照明整个物体和记录介质，并且尽可能使物光束与参考光照射到全息底片上产生干涉的光强度相当。物光束中与参考光干涉后形成密密麻麻的干涉条纹，这些条纹的密度和位置反映物体的各部分散射光的相位变化，条纹的明暗对比度(即反差)则与散射光的强度对应。这样就将物体的全部信息记录下来，得到了一张全息图。全息图的再现基于光波的衍射原理。全息底片上的记录条纹是一组无规则的衍射光栅。利用图9-16(b)所示的光路进行再现，用与拍摄时完全相同的激光作照明光，照到全息图上发生衍射，产生一列沿照明方向传播的零级衍射光波和两列（1级）衍射光波。其中列衍射光波与位于原物体位置的实际物体发出的光波完全相同，当这个光波被人眼接收时，就等于看到了原物体的再现虚像（图中2）。另一列衍射光波再现了原物体的共轭实像（图中3），它位于观察者的同侧，如果在这个共轭实像的位置放一显示屏，满足一定的光路条件时可在屏上直接得到一实像。关于光全息术数理模型的描述有许多专著，这里从略。 图9-16 全息照相的拍摄和再现原理人们研究了全息图的多种拍摄和再现方法，形成了多种全息图，对它的分类有以下六种情况77：1.按照记录介质的膜厚分类，有平面全息图和体积全息图两类；2.按照投射率函数的特点分类，有振幅型和位相型两类，而位相型又可分为表面浮雕型和折射率型两类；3.按照记录的物光波特点，可分为菲涅耳全息图、夫琅和费全息图和傅里叶变换全息图三类；4.按照再现时对照明光的要求，可分为激光再现和白光再现两类。我们在后文将重点介绍这两类；5.按照再现时观察者和光源的相对位置，可分为透射型和反射型两类；6.按照显示的再现像特征，有像面全息、彩虹全息、3600全息、真彩色全息等等。以上六种分类实际上又是相互渗透的，例如第三种分类中的全息图都属第一种分类中的平面全息图，而第六种分类中所列的都属于第四种分类中的白光再现全息图，同时又是体全息，它们既可制成透射型，也可制成反射型。9.2.3 白光再现的全息三维显示图9-16所示的全息照片再现需要用激光再现，这就大大地限制了它的应用。作为一种高技术，需要走出实验室，才能为人们所接受，即需要用白光再现。下面重点介绍几种典型的白光再现全息图及其基本特点。1.白光反射全息图78白光反射全息图是较为简单的一种白光再现全息图，其记录和再现