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集成光电子学进展 Progress in Integrated Optoelectronics第12号主办单位 集成光电子学国家联合重点实验室2003年4月顾问委员会 (按姓氏笔划排序)王启明 陈良惠 张以谟 张克潜周炳琨 高鼎三 梁春广 简水生编委会 (按姓氏笔划排序)主 任： 罗 毅副主任： 黄永箴委 员： 王玉堂 刘式墉 任晓敏 余金中 杜国同杨 辉 林世鸣 范希武 董孝义责任主编： 王 莉集成光电子学进展通信处： 北京912信箱图书信息中心邮编：100083 电话：82304315E-mail:目录前沿光通信光孤子通信技术的现状与未来 (2)有源器件光纤激光器的新进展 (8)无源器件光纤光栅器件及其在光通信技术中的应用 (15)紫外写入法制作阵列波导光栅 (22)高技术工艺设计罗兰园（一） (26)微光机电技术微光机电系统的应用领域及近期进展 (28)高技术简讯美澳科学家推进太空激光通信 (35)单电子发光二极管 (35)属原子移动导致有机发光二极管雪崩（35）平板显示器中的薄膜集成技术（36）制造纳米大小的电子元件（36）微型晶体管尺寸接近纳米（36）玻色-爱因斯坦凝聚物中的亮孤子（37）光子的质量究竟有多大（37）美科学家研制出原子级纳米“晶体管”（38）纳米器件取得良好实验效果（38）人造纳米团簇两维超晶格的制备和研究（38）科学家观察到引力场中的量子效应（39）量子博弈论开辟量子计算机应用新前景（39）前 沿 光 通 信光孤子通信技术的现状与未来*蔡 炬 杨祥林（南京邮电学院光信息技术系，江苏南京210003）摘 要： 回顾了光孤子通信研究的发展历程，介绍了普通光孤子通信及色散管理光孤*国家自然科学基金资助项目（No.60072046）。蔡炬，男，1970年出生。博士生，讲师。主要从事高速光通信技术的研究子通信系统的构成、工作原理及其优点，介绍了国内外光孤子通信研究的现状及发展动向，最后介绍了实用化研究的进展和成果，并对其应用前景进行了展望。关键词： 光孤子；色散管理；非线性；定时抖动1 引 言 孤子是英文“Soliton”的译名，首先是在流体力学中提出来的。1834年，英国海军工程师Scott Russell观察到1，在一条窄河道中，迅速拉一条船前进，当船突然停下时，在船头会形成一个孤立的水波迅速离开船头，以1415km/h的速度前进，而波的形状不变，前进了23km才消失。他称这个波为孤波。光学中孤波现象的研究始于1965年，先后发现了自聚焦空间孤子与非线性介质波导中的传输孤子。在光学中，孤子这个词用来描述光脉冲包络在非线性介质中传播时的类似于粒子的特性，在数学上是非线性波动方程的局域行波解，在一定条件下，这种包络孤波不仅不失真地传播，而且象粒子那样经受碰撞仍保持原来的形状而继续存在，称为光孤子。1973年，Hasegawa 和Teppert 首次从理论上推断，无损光纤中能形成光孤子2，3。1980年，贝尔实验室的Mollenauer 等人用实验方法在光纤中观察到了孤子脉冲4，1981年，Hasegawa和Kodama提出将光纤中的孤子作为信息载体用于通信，构建一种新的光纤通信方案，称为光孤子通信。光孤子通信能提供非常高的传输速率，对偏振模色散（PMD）有抑制作用，具有保形传输的特点，而且能够传输极长的距离而不发生形变。由于它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比当今最好的通信系统高出12个数量级，中继距离可达上百公里，因此光孤子通信很快成为研究的热点，并被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一1。 光孤子通信提出20多年来，已取得突破性进展，光纤中的孤子即将变为实用的信息载体，ITU已提出了光孤子通信系统标准建议，美国电讯杂志将光孤子通信技术列为2000年电信发展十大热门技术之首。光孤子通信技术将变成一类新的商业化的通信技术。本文将介绍光孤子通信技术的研究成果及发展走向。2 光孤子通信系统的工作原理2.1 光纤孤子传输系统的基本构成 光纤中的孤子通信是利用光纤色散与非线性相互作用平衡时实现的一种光纤通信方式。光纤中的群速色散（GVD）使脉冲在传输过程中不断展宽，而光纤的非线性使脉冲压缩。这两种因素之间具有一定的关系，当色散与非线性的相互作用达到平衡时，脉冲的展宽和压缩刚好抵消，孤子在传输过程中将始终保持形状不变，从而可以实现超长距离传输。由于光孤子是色散与非线性相互作用达到平衡时的产物，所以光纤特性对光孤子的形成、传输演变特性与通信能力有决定性影响，是支撑光纤孤子通信的决定性因素。 同时，光纤损耗也会导致孤子脉冲展宽，幅度降低。目前，已经开发出能平衡损耗并保持孤子脉冲波形的光放大器。然而，光放大器会产生放大器自发辐射（ASE）噪声，将使孤子脉冲在时域内发生抖动，称为Gordon-Haus.（G-H）定时抖动。G-H定时抖动使孤子不能准时到达接收端，从而造成系统误码率升高。近年，重新提出的喇曼放大器（SRA）比目前常用的掺铒光纤放大器（EDFA）具有更小的ASE噪声，因此来自光纤自身的受激喇曼散射放大器更适合于作光孤子通信系统的放大器。图1 光纤孤子传输系统基本构成 光孤子通信系统的基本组成结构如图1所示，图中Tx为光孤子发送端，SS为光孤子源，Mod为光调制器，BA为功率放大器，ISO为隔离器，STF为孤子传输光纤，LA为线路放大器，TCS为光孤子传输控制装置，PA为前置放大器，Px为光孤子接收终端。光孤子发送终端由超短脉冲半导体或铒光纤激光器、光调制器、信息源和光纤功率放大器构成，用于产生光孤子脉冲信号；光孤子接收终端由宽带光接收机或分析仪、误码仪及条纹相机构成，用于接收光孤子信号及测试系统传输特性；光孤子传输线路由光隔离器、线路放大器、传输控制装置、前置放大器以及普通单模光纤（G.652）或色散位移光纤（G.653）构成。光隔离器（ISO）是一种利用法拉第旋光效应制成的只允许光单向传输的器件，用以阻挡反向光对系统性能造成干扰。人射光隔离器可以阻挡光纤中反向ASE噪声对系统发射器件造成干扰，以及避免反向ASE在输入端反射后又进入放大器中产生更大的噪声；输出光隔离器则可避免输出的放大光信号在输出端反射后进入放大器的掺铒光纤中消耗粒子数，从而影响掺铒光纤的放大特性。光孤子能量补偿放大器由掺铒光纤放大器（EDFA）或半导体光放大器（SOA）组成，也可用传输光纤本身的受激喇曼放大（SRA）或在传输光纤中掺入稀土铒元素构成的分布式铒光纤放大（D-EDFA）系统组成；光孤子传输控制装置由导频滤波器、强度或相位光调制器、非线性元件和色散补偿光纤等构成。设置在沿传输系统不同的区段，用于清除或降低ASE噪声、相邻孤子相互作用与各种高阶扰动对孤子通信系统通信容量的限制，提高孤子传输特性的稳定性。 光孤子源产生的光孤子脉冲流经调制器将要传输的信号加载于光孤子流上，然后经功率放大器放大后进入光纤传输。沿途有若干线路放大器补偿光孤子的能量衰减，同时平衡色散与非线性的相互平衡，以保证光孤子的幅度与形状稳定不变。在接收端通过光孤子检测装置及其它辅助设施实现信号的还原。2.2 色散管理光孤子传输方案20世纪90年代初期，孤子通信系统普遍采用色散位移恒色散光纤传送光孤子，即整个系统的光纤均使用相同色散值的G.653光纤。这种恒色散孤子通信系统中传输的普通孤子的波形为双曲正割(sech)形。为实现高速长距离传输，需要采用频域、时域和非线性增益控制技术来降低系统中的由于ASE噪声导致的G-H定时抖动。虽然不采用控制技术也能达到10000km以上的通信距离，但速率均低于5Gb/s，一般为2.5Gb/s。而采用上述控制技术的系统结构与设计比较复杂，系统工程化、实用化难度较高。 1995年前后，世界众多科学家开始探索新的简单的孤子传输方案，并将在线性系统中得到广泛应用的色散补偿技术引入孤子通信系统中。所谓的色散补偿就是在传输线路上配置的适当的色散系数为负值的色散补偿光纤，这样配置的系统其路径平均色散可以很小，从而降低了孤子对传输光纤的要求。图2为强色散管理孤子传输系统的一种色散分布示意图6。图2 强色散管理孤子传输系统的一种色散分布示意图图中D为色散系数，Dt为SMF的色散系数，D2为色散补偿光纤的色散系数为路径平均色散，为路经平均色散，z为传输距离，z1为一个色散管理周期中色散补偿光纤的长度，z2为一个色散管理周期中SMF的长度。在有色散补偿的系统中传输的孤子称为色散管理孤子（DMS），它的振幅、脉宽和啁啾都会周期性变化。色散管理孤子完全不同于均匀色散系统中的普通孤子，这种色散管理孤子方案的G-H定时抖动低，信道内和相邻信道间的孤子相互作用弱，比特率高，路径平均色散值低，信噪比（SNR）高，易于实现DWDM，将有可能成为下一代高速长途通信的最佳方案。从商业应用角度看，色散管理孤子方案不仅可在专门设计的新建高速大容量长途越洋系统中应用，比普通孤子系统具有更长的光中继距离120140km（普通孤子系统仅3050km），而且还突破了过去传统的看法，孤子通信也可在中短距离的陆地广域网、城域网和局域网中应用，特别是对已建光纤通信网（采用G.652光纤）的扩容升级。这将大大降低从现有通信系统升级到（色散管理）孤子通信系统的成本。2.3 光孤子通信系统的关键技术 20世纪80年代末，随着半导体孤子源和掺铒光纤放大器的研制成功，色散位移光纤的推广应用，确立了光孤子通信的基本结构模式为：半导体孤子源+掺铒光纤放大器（或喇曼放大器）+色散位移光纤（或半导体孤子源）+掺铒光纤放大器（或喇曼放大器）+普通单模光纤+色散补偿光纤。围绕系统设计的要求，科学家们开展了广泛研究，现在系统设计要求的各种关键技术均已取得突破，包括以下几个方面7。2.3.1 光孤子源 已研制成各种特性优良的半导体光孤子源和掺铒光纤环形激光器孤子源，包括外腔锁模分立和集成半导体光孤子源（MLECLD）（Bell, CNET），增益开关分布反馈半导体光孤子源（GSDFBLD）（NTT），增益开关多量子阱分布反馈半导体光孤子源（GSMQWLD）（NTT，KDD，CNET），电吸收调制多量子阱半导体光孤子源（EAMMQWLD）（NTT，CNET）和主、被动锁模光纤环形光孤子源（ML-EFRL）（BTL，NTT，Bell）。2.3.2 光孤子能量补偿放大器 已研制成各种性能优良的掺铒光纤放大器（EDFA）、喇曼放大器（RA）和半导体光放大器（SOA），均可作为孤子能量补偿放大器。2.3.3 高速、大容量孤子脉冲信号的复用/解复用技术 采用平面波导电路（二级马赫一曾德干涉仪MZI）实现了高速光孤子脉冲的时分复用（OTDM），采用电吸收强度调制器实现了高速OTDM光孤子脉冲信号的解复用，采用光纤或平面光波导电路WDM/DWDM，实现了多波长信道光孤子脉冲的复用和解复用。 2、3 两种关键技术是光孤子通信和线性光纤通信系统的共享技术。2.3.4 光孤子的传输控制技术 采用固定频率导频滤波器和滑频滤波器实现了光孤子传输的频域无源控制，采用幅度和相位调制构建了3R全光再生中继器，实现了光孤子传输的时域有源控制；采用非线性环镜（NOLM）实现了超高速光孤子的强度滤波控制。此外，还实现了信号频率滑动控制和相位共轭传输控制。3 国内外研究进展及前景3.1 国外研究进展 在1995年以前，光孤子通信理论与技术就已达到了很高的水平，充分显示了光孤子通信的高速大容量的能力，但是技术难度较高，耗资巨大，各国的高速长距离传输试验都在实验室内用环路模拟来实现，无法进行野外现场试验，不易工程化和实用化。1995年以来，各国光孤子通信的研究工作者开始考虑如何使先进的构思和实验技术走出实验室。首先开始这项探索的是日本NTT实验室，他们将孤子传输技术在东京周围的城域网中进行现场通信试验，取得了令人振奋的结果8。其方案是在已铺设的光缆上采用色散管理技术，实现了10Gb/s3000km和20Gb/s1000km低误码或无误码传输。第一次野外现场试验的成功激励了各国光孤子通信走向工程实用化的研究。下面介绍几项重要的研究计划。 日本的科学技术行动计划中提出了星计划（STAR PROJECT）的项目，日本七家大公司和两所大学参与了该项发展计划，其目标旨在采用孤子技术构建全球距离的Tb/s全光网，以满足急剧增长的多兆比、多媒体业务的需求，要求比特率距离积（BL）比现有网络提高10倍，使现有的通信网改建升级为下一代通信网基础设施。该计划自19996年开始，历时10年。 超快孤子多接入网计划由美国MIT林肯实验室主持，该计划研究单信道100Gb/s的TDM多接入网的网络结构、节点与收发设备等关键技术，首先是高速光孤子源、全光开关、光存储器和速率变换器等单元技术，以实现超高速高性能光孤子TDM网，实现网络管理智能化，并能向非均匀用户群、高速终端用户、高速Video业务、Tb/s媒体群、超级计算机网等提供可变带宽（1100Gb/s）和分组业务，支持大数据信息的快速转移和低速用户的灵活接入。 欧洲环网中孤子传输高速通道开发计划（ESTHER）是一项国际合作计划，目的是使现有欧洲环网的低速通道升级为高速孤子传输通道，将网中的G.652光纤线路的速率提高到10Gb/s，将G.653光纤线路的速率提高到40Gb/s，将现有的网升级为未来的泛欧网。计划由意大利pirellicavi S.P.A公司牵头，参加单位有英、法、意、德、西、葡和斯洛文尼亚等七国、五所大学和六家公司研究所，至1998年已完成了全部野外试验。 欧洲的升级计划（UPGRADE）的目标也是在欧洲网中采用光孤子传输，在已铺设的标准单模光纤上采用光孤子传输，为欧洲的通信干线增大容量，但是工作波长为1300nm，所采用的孤子能量补偿放大器是1300nm半导体光放大器（以前所有光孤子传输系统都是采用1550nm孤子脉冲和EDFA），项目由荷兰飞利浦光电子研究中心主持。 欧盟先进通信技术与设施（ACTS）计划（MIDAS）的目的是发展先进通信系统和设施，以推进欧共体内部的经济发展与社会的结合，研究重点是从基本概念的探索和具体的系统工程开始，直到先进系统和一般业务应用相关的各种实际问题。具体任务是在1000km已铺设的普通单模光纤（SMF）和色散位移光纤（DSF）线路上将通信容量升级到40Gb/s，探索新概念和新技术，完成40100Gb/s孤子传输野外现场实验。计划主持单位为英国南安普敦大学光电子研究中心，参加单位有瑞典、意大利、法国、希腊、英国等五国的八个单位。 法国电信（CNET）近年也制订了一项发展计划，通过其在2000年3月获得的三千一百万美元的风险投资以及政府资助等方式，创办了Algety公司（现在的Corvis公司10，11），致力于WDM孤子传输技术的产业化，目标是实现1Tb/s，1000km的孤子传输。 2000年，全球十大通信集团之一的英国Marconi公司成立了一个名为SOLSTIS的小组以发展基于孤子技术的超高速光网络，目标是使用WDM技术，实现1Tb/s，1000km以上的色散管理孤子传输12。该小组包括原属于英国Aston大学光子研究组的成员。2001年6月，该公司正式推出基于孤子的SmartPhotoniX UPL160商用系统13，此系统具有的关键技术非常先进，同时还节约了相当的成本。值得注意的是，它提供的总容量为1.6Tb/s10Gb/s的160个信道，可无（电）中继传输3000km。这套系统采用了先进的色散管理孤子技术，具有可扩展性和灵活性。综合前向纠错（FEC）和喇曼放大，孤子技术允许服务提供商配置长距离的光网络而不需要昂贵的电中继设备。此系统可工作在已铺设的光纤上，并能提供很高的传输速率、灵活的上下路以及远端重配置。并且还计划将该系统升级到能提供40Gb/s 160个信道，无（电）中继传输5000km。2002年3月，澳大利亚的大规模长途通信运营商Amcom Ip1 Pty有限公司选择了Marconi公司的超长距离孤子通信技术作为Amcom Ip1方案的一部分。这是迄今为止全球最长的没有信号（电）中继的陆地商业光传输网络。Amcom Ip1首先将建造一条穿越澳洲东西的宽带链路，然后将建造从澳大利亚的阿德莱德到佩斯的宽带链路。Amcom Ip1方案是澳洲第一条采用下一代（NG）技术的方案14，也是首批商用的孤子通信系统。3.2 我国光孤子通信研究现状 我国在80年代末90年代初，曾有多所院校开展光孤子通信理论与实验研究，如东南大学、清华大学、北京邮电大学、上海大学和天津大学等，分别在国家自然科学基金、国家“863”计划和相关部委支持下开展了一些基础性研究，主要研究内容有：光孤子源、光孤子补偿放大器、单级孤子传输理论、单级短距离传输实验、周期性集总补偿放大长距离孤子传输理论、长距离光孤子传输控制理论等，取得了可喜的成果。由于国内高速长距离孤子通信研究的技术基础较弱，技术难度较大，研究经费不足，90年代中期后，研究工作进展缓慢。目前南京邮电学院、北京邮电大学等单位仍在坚持研究，但是总的来说，由于投资不足，国内的研究水平离国际先进水平尚有较大差距。3.3 光孤子通信面临的挑战 光孤子通信的大规模商用仍然面临着一些挑战。首先，光孤子技术在电信领域的实际应用必须要有精密的控制技术，如把光孤子的间隔距离扩大到脉冲宽度的数倍的技术。其次，还必须掌握并控制光孤子振幅的细微变化。另外，为了驾驭光孤子的传输速率，还必须要能利用光滤波技术获得同步的振幅和相位调制。一旦这些特定的问题得到解决，基于光孤子的传输技术就会迎来一个大规模商业应用的高潮。3.4 光孤子通信的发展前景目前大多数光通信专家都认为色散管理光孤子技术是下一代超长距离通信系统的一种优选技术。以法国Algety 电信公司为代表的人员认为，DWDM孤子系统能解决网络中出现的色散或光脉冲展宽问题，单信道速率为40Gbit/s 以上时必须采用光孤子技术。针对光孤子属于归零（RZ）码形，而目前已有的网络设备如路由器、ATM交换机和SDH设备等都使用非归零（NRZ）码形的问题，Sycamore公司认为可以通过把波分复用系统的设计与路由器的设计分开，在它们的接口处进行归零和非归零的转换来解决。总之，孤子通信技术已经成熟，Marcomi公司推出的基于孤子的SmartPhotoniX UPL160系统在澳洲的商用已充分显示光纤孤子的大规模商用已为期不远了15。4 结 论 光孤子通信系统利用非线性抵消色散的影响，光孤子能够保形传输，能抑制PMD的影响，孤子间的相互作用较弱，相对于目前广泛使用的线性通信系统，当单信道速率达到40Gb/s以上时，光孤子通信的优势将得到充分显示。因此，光孤子通信已被公认为是下一代高速长距离全光通信的优选方案。经过数十年的研究，已建立了比较完整的光孤子通信理论体系，探索了各种实验系统方案和系统设计方法，解决了各种关键技术，克服了光纤通信系统中损耗、色散和非线性三项基本限制。在下一代的超高速、超长距离越洋光纤通信和大容量城域网建设中，光孤子通信，尤其是色散管理光孤子通信将是一种重要的选择方案。参考文献： （略） 本文取自半导体光电2003年2月 第24卷第1期 P6670.有 源 器 件光纤激光器的新进展刘颂豪*（华南师范大学信息光电子科技学院，广东 广州 510631）摘 要： 简要地介绍光纤激光器的基本结构、特点及其在光纤通信中的应用，着重描述了双包层掺杂光纤激光器和任意形状光纤激光器，指出高功率光纤激光器在激光技术领域（如激光加工、光电探测、生物医疗、光存储等）中的广阔应用前景。关键词： 光纤激光器；双包层掺Yb光纤；任意形状光纤1 引言 激光器问世不久，美国光学公司（American optical corporation）的Znitzer和Koestor于1963年首先提出了光纤激光器和放大器的构思，1966年高锟和Hockham讨论了光纤通信的新观点，1970年后光纤通信经历了研究开发阶段（19661976年）、实用化阶段（19771986年），并迅速进入发展阶段即1986年以后的大规模光纤通信建设阶段，由于光通信的迅猛发展，光纤制造工艺与半导体激光器生产技术日趋成熟，为光纤激光器和放大器的发展奠定了基础。如英国的南安普敦大学和通讯研究室、德国汉堡技术大学、美国的Polaroid Corporation 、Bell 实验室、日本的NTT、Hoys以及俄罗斯的IRE Polus 公司均在光纤激光器研究中取得了许多重要成果。我国多所高校和科研机构先后开展光纤激光器的研究，目前处于实验室的研制阶段。 最近，美国IPG(photonics)公司异军突起，不仅展示S、C、L波段的各种光纤放大器、高功率的EDFA、拉曼光纤激光器和双波长拉曼光纤激光器。更引起国际关注的是该公司已推出掺Yb高功率光纤激光器，其输出功率700W，光束发散角1.4mmmrad，单模输出。泵浦二极管寿命100kh，可连续或脉冲运转，空气冷却。在焦距150mm下光斑直径30m。其性能已明显优于半导体激光泵浦固体激光器和CO2激光器，该公司还将推出输出功率为2kW和10kW的产品。从发展态势看，光纤激光器不仅在光纤通信领域有重要的应用，而且迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。2 光纤激光器的基本结构及特点*刘颂豪，男，1930年出生。中国科学院院士、美国光学学会会士（Fellow)、中国光学学会常务理事。曾担任中国科学院合肥分院副院长、中科院安徽光学精密机械研究所所长、华南师范大学校长，现为华南师范大学信息光电子科技学院院长、教授、博士生导师。 光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本相同，其结构如图1所示。谐振腔腔镜可以为反射镜、光纤光栅或者光纤环。例如在双包层光纤的两端直接刻写波长和透过率合适的布拉格光纤光栅来代替由镜面反射构成的谐振腔1。全光纤拉曼激光器是由一种单向光纤环即环形波导腔构成，腔内的信号是被泵浦光直接放大，而不是通过粒子数反转2。图1光纤激光器的基本结构示意图 从图1可知，光纤激光器是由增益介质（即掺杂光纤）、谐振腔和泵浦源三部分组成。工作物质是掺稀土元素的增益光纤，可长达几十米到几百米，缠绕在一个边长仅几厘米的小盒子里。光纤激光器有稀土元素掺杂（Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶）光纤激光器、染料激光器（纤芯、包层或二者加入激光染料）和非线性光纤激光器（利用光纤中的SRS、SBS非线性效应产生波长可调谐的激光）等。 由于光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦、有高增益（单程增益达50dB），稀土元素在玻璃基质中有较宽的线宽和调谐范围（Yb3+为125nm、Tm3+300nm）。具体特点如下。 （1）光纤作为导波介质，其耦合效率高，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，可方便地与目前的光纤通信系统高效连接，构成的激光器具有高转换效率、低激光阈值、输出光束质量好和线宽窄等特点。 （2）由于光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果好，环境温度允许在20+70之间，无需庞大的水冷系统，只需要简单的风冷即可。 （3）可在恶劣的环境下工作，如在高冲击、高震动、高温度、有灰尘的条件下皆可正常运转。 （4）由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、外形紧凑体积小，易于系统集成，性能价格比高。（5）具有相当多的可调谐参数和选择性，能获得宽调谐范围、很好的单色性和高稳定性，其泵浦寿命长，平均无故障工作时间在10kh甚至100kh以上。3 光纤激光器在光纤通信领域中的应用 在光纤通信两个主要窗口1.3m和1.5m以及从S，C到L波段，特别需要低噪声、高功率、窄线宽的光源。可以放大宽波段信号的拉曼放大器需要大功率的泵浦源，而光纤激光器的层叠腔技术为其提供良好的技术基础。 光纤激光器是目前光纤通信研究最为活跃的研究课题之一，它不仅能够产生连续激光输出，而且能够实现psfs超短光脉冲的产生，在DWDM系统中有巨大的潜在应用。光纤激光器用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率DWDM系统和相关光通信的基础，在未来高码率通信系统中具有不可替代的重要地位。其最新进展简述如下。3. 1 连续光纤激光器 （1）基于拉曼放大的光纤激光器 各种拉曼光纤结构大体相似，都采用布拉格光栅作为谐振腔的反射镜，产生特定激光的波长，并根据输出需要，可用布拉格光栅选出所需波长与之对应的那一级Stocks分量。增益介质可以是掺稀土光纤，也可以是一般的石英光纤，拉曼放大器是目前可实现工作在低损耗窗口1.21.6m波段最理想的光放大器3，对于DWDM超长距离光传输技术的开发与应用具有重要意义。其突出特点是不但对光信号直接放大，同时还有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中的关键器件。基于受激拉曼散射（SRS）效应的光纤拉曼放大器是一种非线性效应器件，它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的Stocks波上，如果一个弱信号波与一泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大。为了满足远距离大容量通信，采用双包层光纤激光器泵浦的级联拉曼光纤激光器，能获得拉曼光纤放大所需关键波长，且光功率达1W左右的激光输出。 （2）基于超连续谱的光纤激光器 超连续谱的产生主要有以下两种方法：压缩超短光脉冲所得到的宽频谱和利用器件的非线性展宽脉冲的频谱。现在最流行的、报道也最多的是利用光纤或光放大器的非线性产生超连续谱。其中利用光纤（如色散位移光纤）产生宽连续谱最为经济实用。例如，利用特种光纤产生超连续谱的原理如图2所示。在两头粗中间细的特种光纤中，产生很宽的超连续谱，图2 利用特种光纤产生超连续谱原理图图 图3 NOLM光纤激光器（其中PC为偏振控制器，FPF 为Fabry-Perot滤波器）可谐振波长范围为500600mm。泵浦源端的光纤长为3cm，中间的细光纤长度为15cm，尾纤输出段为15cm。该连续谱在后段标准电信光纤中输出拉曼脉冲，可调谐波长幅度达200nm，拉曼脉冲波长调谱范围为14001600nm，脉冲频谱带宽为20nm，相当于脉宽为130fs的边带极限脉冲。当改变输入入射功率，则拉曼孤子波长也发生改变，这种激光器就是以改变泵浦功率来改变波长。将单模光纤和反馈光纤光栅连接到2.22W、1484nm的拉曼光纤激光器上，可产生宽带超连续谱，0dBm的带宽为93nm，平均功率为2.1W4。3.2 锁模光纤激光器 （1）基于非线性光环路镜的光纤激光器该器件可产生高重复率超短压缩脉冲和亮暗脉冲转换。改进的非线性光环路镜（NOLM）光纤激光器如图3所示，它能进行亮暗脉冲转换，能选择脉冲波长，能产生高重复率的信号。例如主环频率为=19.4kHz时，控制脉冲调制频率为1145MHz，DFB激光器驱动频率失谐在1/4，则可得到4.58GHz重复率的输出脉冲。锁模环形光纤激光器（MLFRL）的最大特点是产生的脉冲几乎没有啁啾，在40GHz高频图4 可调波长间隔的多波长光纤激光器原理图 图5 双包层掺杂光纤的构形示意图范围不需要进行啁啾补偿或脉冲压缩，就能产生ps级超短变换极限光脉冲，输出波长较灵活，稳定性好，但技术较复杂，它是一种很有前途的OTDM（光时分复用）光源。 （2）使用保偏光纤的可调光纤激光器可调谐波长间隔的多波长输出的光纤激光器原理如图4所示。在PMF的4m处施加外力，则可得到9个信道输出，波长调谐范围为1548.21559.9nm，波长间隔为1.46nm，峰值功率漂移在6dB内。当施加压力的位置在8m处，激光器输出14个信道波长5，波长间隔为0.73nm。4 光纤激光器的能量应用光纤激光器不仅比固体、气体、半导体激光器有着明显的优越性，而且比二极管泵浦固体激光器有更好的光束质量，可得到更小的聚焦光斑。为获得高功率输出关键是采用包层泵浦术。图6 双包层光纤横剖面示意图（a)圆形内包层；（b）星形内包层 图7 双包层光纤不同内包层形状示意图 （1）双包层光纤激光器 双包层掺杂光纤的构形如图5所示。双包层掺杂光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层四个层次组成。内包层的作用：一是包绕纤芯，将激光辐射限制在纤芯内；二是将泵浦光耦合到内包层，使之在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯而被其吸收。 在双包层结构中，泵浦光的吸收率与内包层的几何形状和纤芯在包层结构中的位置有关。此外，泵浦光被掺杂稀土离子的吸收率正比于内包层和外包层的面积比。下面用图列出不同结构的双包层光纤，图6所示为圆形和星形的内包层光纤横剖面示意图；为了增加泵浦吸收率，又发展到采用D形、方形和矩形内包层等不同形状，如图7所示。 为了获得高功率运转，内包层的数值孔径应足够高，横截面积和纤芯之比应足够大。由于圆形内包层存在大量螺旋光，纤芯吸收率很低（仅10%），而偏心形内包层则有50%的螺旋光，对于D形内包层，螺旋光约13%，而矩形内包层光纤经过多次反射后纤芯吸收率可高达92%。所以，优化内包层的边界形状是提高对泵浦光吸收效率的有效途径。为了提高光纤激光器的输出功率，需采用多组多模的泵浦半导体二极管。其基本结构如图8所示。图8 高功率光纤激光器的基本结构图9 双包层光纤激光器实验装置示意图 当前，应用最多的仍然是内包层为矩形的掺镱双包层石英光纤。如美国加州圣何塞光谱二极管实验室的双包层光纤激光器，其连续输出功率110W，光-光转换效率达58.3%6，其实验装置如图9所示。主要参数为：发射波长1120nm，最大输出功率110W，光束质量：M2为1.11.7，包层光纤为170m330m矩形内包层，单模纤芯直径为9.2m。 双包层掺杂光纤激光器利用包层泵浦技术，使输出功率获得很大提高，成为激光器又一研究热点。包层泵浦技术利用的双包层光纤，其芯纤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，内包层的形状和直径能够与高功率激光二极管有效地耦合。稀土离子吸收多模泵浦光并辐射出单模激光，使高功率、图10 平面状结构简图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。 （2）任意形状光纤激光器 双包层泵浦技术虽取得良好的效果，但由于受包层截面积的限制，影响泵浦功率的进一步提高。日本植田提出“任意形状激光器”（不同光纤结构的光纤激光器）方案。该方案以掺杂光纤构成圆盘状或圆柱状等不同的光纤介质，泵浦光从边缘注入，这样泵浦光的耦合能够利用的面积比纤芯端面和包层端面大得多，这种“任意形状”的光纤激光器可望实现高的连续激光输出。盘状、片状、圆柱状、环状及棒状等不同结构如图1012所示。以图10平面状结构为例，它用折射率与纤维包层相同的材料嵌入光纤的间隙，表面作成光学表面，使泵浦光在盘内全反射。图11 不同形状结构示意图图 12 泵浦光在圆盘内全反射示意图5 光纤激光器在激光技术领域的应用 光纤激光器在光纤通信领域有重要的应用地位已是不争的事实，而且还有迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展的趋势。为了满足光纤通信、激光加工、激光医疗等领域快带增长的市场需求，美国、西欧、日本和我国纷纷加大光纤激光器的研发力度。尤其最近，引起国际关注的美国IPG光电公司已推出掺Yb高功率光纤激光器系列，如2002年5月获得2kW功率输出，同年8月获4kW、11月获10kW，预计2003年获20kW功率输出，此后还可能开发出更大功率输出、更多应用范围的光纤激光器8，使其在激光技术领域中呈现出美好的应用前景。因为这类光纤激光器的优点是：高插头效率（高达20%）；泵浦二极管寿命长（约有100000 h以上）；无须机械稳定；可在各种不同的外界条件下使用、省电；安全的空气冷却。表1为高功率光纤激光器与竞争产品的性能比较。 各种不同材料加工用高功率掺Yb光纤激光器所需的功率8具体如下：金属切割为500W2kW；金属焊接和硬焊为500W20kW；金属淬火和涂敷为220kW；玻璃和硅切割为500W2kW；聚合物和复合材料切割为200W1kW；快速印刷和打印为20W1kW，软焊和烧结为50500W，消去放射性沾染为300W1kW。激光材料加工应用范围和所需光纤激光器性能如图13所示。美国IPG光电公司开发的商用100W10kW高功率掺Yb光纤激光器YLR系列，其性能是无机械或光学准直，全光纤结构；几乎是理想的光束质量，具有最大的传输功率密度，灵活的光纤传送到工作部件，泵浦二极管的寿命通常超过50kh，全部空气泠却，紧凑，光学/冷却，所有部件在一个组合件中。日本公司已采用IPG公司掺Yb光纤激光打标系统进行工业加工。表1 高功率光纤激光器与其他光源的性能比较CO2LP-Nd-YAGDP-YAGHPFL波长/m10.61.061.061.001.10电-光效率/%510135101230功率/kW1200.550.550.510光束参数/mmmrad10050802550120石英光纤传输（纤芯直径）否能（600800nm）能（400600nm）能（50300nm）维修周期/khr121354050 IPG公司开发的脉冲式YLP系列高功率掺Yb 光纤激光器和单模、连续波掺Yb光纤激光器PYL系列，已在激光加工、光电探测、生物工程等领域获得了应用。 总之，光纤激光器应用范围越来越扩展，如在计算机和微电子制造业中用于各种不同类型的微电子制造加工和数据存储加工；在图像显示和印刷业中用于不变图像的自动记录、显示及各种类型图像处理应用；在工业制造业中用于传统工业制造加工和大功率二极管的泵浦光源；在医药卫生业中用于诊断及治疗的应用（如对心血管病心脏造影、激光美容等）；在电信业中用于电信市场的有源和无源的光电子产品等各种不同功率的光纤激光器。6 展 望 光纤激光器的输出波段可覆盖4003400nm，可用于光纤通信、光谱研究与测量、光学数据存储、工业加工与在线测量，生物医学与环境探测。目前，国际上商业化的光纤激光器波长已从800nm（包括半导体激光器光纤耦合输出）扩展到2000nm以上，输出连续光功率从数百毫瓦上升到数百瓦甚至数千瓦量级。如美国IPG光电公司于2002年5月推出2kW的高功率掺Yb光纤激光器，预计2003年将推出20kW的高功率光纤激光器，其泵浦寿命长达100000h以上。比较成熟的有源光纤中掺入稀土离子有Er3+、Nd3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+。由于掺铒光纤在1.55m波长处具有很高的增益，正对应于低损耗第三通信窗口，其应用十分广泛。而掺镱光纤有宽的吸收光谱（8001064nm）和发射谱（9751200nm）7，特别是Yb宽带增益弥补了其他激光光源1.11.2m处的空白8。利用双包层泵浦技术的掺Yb光纤激光器其转换效率可达80%，输出功率可提高23个数量级，使用的是大有效模式面积（LMA)光纤9，其纤芯有效面积是1300m2，是普通掺Yb光纤的50多倍。非线性光纤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。目前对能发出多色光和蓝光的掺Pr、Tm的氟化物玻璃为基质光纤（掺杂离子有Ho3+、Er3+、Pr3+、Nd3+、等，同时还有共掺Yb3+作为敏化剂），能实现上转换数个波段的激光。使用一种叫ZBLAN光纤材料（Zr、Ba、La、Al和Nd，以氟连接）作为非线性光纤激光介质10，可产生特别宽的带宽和低损耗，此种材料被誉为下一代通信用光纤材料，将会出现几十亿美元的市场。假如该材料大规模生产，最终都会使物美价廉的全固态蓝光激光器成为长期追求的发展对象，用此材料工作的光纤激光器图13 激光材料加工应用的范围和所需性能也可望成为打印和大面积显示器等市场的独特光源。 综上所述，由于光纤激光器的优良性能，决定了它比半导体激光器和大型激光器（如各种体积庞大的、普通激光加工和打标使用的CO2和YAG激光器）拥有更多的优势，不仅在光纤通信领域中占有越来越重要的地位，还在激光技术领域中成为目前研究的最为活跃的激光光源之一，其中高功率双包层掺杂光纤激光器是近几年研发的热点。如果在先进加工产业中采用光纤激光器，许多大型的激光加工设备包括切割、焊接、热处理以至激光打标、激光雕刻、精密打孔、激光医疗器械等设备和仪器都可以制成重量和体积较小的设备或者便携式的灵巧系统。因而新型高功率光纤激光器将会引起激光科技人员和企业工程技术人员的极大关注，它已初露锋芒地展现出一个美好的应用前景。这种新型的高效率、长寿命、小体积、大功率光纤激光器所具有的非常广阔的潜在市场，有可能形成一个新型的产业。参考文献：（略）New Development of Fiber LaserLiu Songhao(School of Information photoelectronics Sciences and Technology, South China Normal University Optronics Guangzhou 510631, China)Abstract The structure, feature of optical fiber laser and its application in optical fiber communication are presented. New development of doublecladding doped fiber laser and arbitrary shape fiber laser are described. Also it is pointed out that the high power fiber laser has wide applied prospects in laser technology (such as laser processing, optoelectronic detect, biological medicine, optical storage and so on).Key words optical fiber laser; double cladding Yb doped fiber; fiber of arbitrary shape 本文取自光电子技术与信息2003 Feb 16（1） p18.无 源 器 件光纤光栅器件及其在光通信技术中的应用方祖捷 陈高庭 蔡海文 瞿荣辉（中国科学院 上海光学精密机械研究所）1 引言光学技术在通信网中的应用越来越广泛，越来越深入和重要。光学中的各种物理效应不断地被挖掘和使用。密集波分复用技术（DWDM）已成为构建光网的基石。光纤器件在光纤通信中起着重要的作用。在各种光纤器件中，光纤光栅（FBG）及相关的器件是近几年来发展的热点之一。利用光纤光栅的窄谱反射特性，各种波长分辨的器件纷纷出现。光纤光栅本身的结构、性能也在继续发展之中。为了提高反射谱的边模抑制比，消除短波边辐射模旁瓣，设计了变迹光栅和相应的制作工艺；为了增强光纤的光敏性，在光纤材料的组分配比方面，在光致折变机理方面进行了深入的研究；为了提高光栅特性的温度稳定性和实用性，在光纤光栅的包装方面也有大的改进。多种新结构和新性能的光纤光栅陆续问世。如可以产生多个反射峰的取样光栅，可用于研制多波长激光器；啁啾光栅用于产生宽光谱反射峰，用于色散补偿；长周期光纤光栅用于掺铒光纤放大器的增益平坦化；利用光纤光栅的可调谐特性，开发在宽带光通信中倍受重视的可调谐光源和可调谐滤波器，等等。本文对光纤光栅以及基于光纤光栅的光子器件的若干新进展作一个简要的评述。2 光纤光栅器件在光通信系统中的应用 自从紫外激光写入光纤光栅发明以来，由于对光纤的光敏性研究的深入展开，光栅制备工艺的改进，光纤光栅器件取得了很大的进展。在光纤通信、光纤传感领域发挥了巨大的作用。尤其是在波分复用系统光纤通信系统中，光纤光栅对于光发送、光放大、光交换、光纤色散补偿、光接收等几乎每个方面，都发生了深刻的影响，如图1所示。光纤光栅具有独特的光谱特征，而且还具有体积小、插入损耗低以及与普通通信光纤良好匹配的优点。光纤光栅将是下一代超高速光纤通信系统中不可缺少的重要光纤器件。 经过近十年来的研究，人们对光纤光栅的光学特性及紫外写入技术进行了深入而广泛的研究并取得了很大的进展，目前许多应用正朝着大规模实用化的方向迅速迈进，以期充分利用光纤光栅的特性大幅度提高现有光纤通信系统的通信容量并在下一