第3章 光的干涉及衍射.ppt

光子学与光电子学原荣邱琪,1,第3章光的干涉及应用,3.1光的干涉及应用3.2光的衍射及应用3.3阵列波导光栅器件3.4光纤转速传感器光纤陀螺3.5全息技术,光子学与光电子学原荣邱琪,2,3.1.1从机械谐振到光学谐振,干涉就是两列波或多列波叠加时，因为相位关系有时相互加强，有时相互消弱的一种波的基本现象。例如，在水池中，在相隔不远的两处同时分别投进一块石头，就会产生同样的水波，都向四周传播。例如，长L的一根弦线两端被夹住时所作的各种固有振动。,光子学与光电子学原荣邱琪,3,图3.1.1水池中两列水波的干涉波纹,仔细观察两列水波会合处的情景，即可发现其幅度时而因相长干涉增大，时而因相消干涉减小,光子学与光电子学原荣邱琪,4,图3.1.2一根长为L的绷紧弦线及其三种可能的振动方式,在振动弦线中，边界条件要求弦线两端各有一个节点，这意思是说，选择波长时一定要使（3.1.1）,光子学与光电子学原荣邱琪,5,光的干涉和衍射激光器和滤波器基础,光子学与光电子学原荣邱琪,6,图3.1.3法布里珀罗(F-P)谐振腔及其特性,不是任意一个波长都能在谐振腔内形成驻波，对于给定的m，只有满足式（3.1.3）的波长才能形成驻波，并记为m，称为腔模式，如图3.1.3（b）所示。,光子学与光电子学原荣邱琪,7,法布里-珀罗谐振腔发明家法国物理学家法布里（Fabry,18671945）和玻罗（Perot,18631925）,光子学与光电子学原荣邱琪,8,自由频谱范围（FSR）,所以对应这些模式的频率是谐振腔的谐振频率,式中f是对应基模（m=1）的频率，在所有模式中它的频率最低。两个相邻模式的频率间隔是称为自由频谱范围（FSR）。,光子学与光电子学原荣邱琪,9,3.1.2法布里-珀罗（F-P）光学谐振器,假如谐振腔没有损耗，即两个镜面对光全反射，那么式（3.1.4）定义的频率的峰值将很尖锐。如果镜面对光不是全反射，一些光将从谐振腔辐射出去，峰值就不尖锐，而具有一定的宽度。很显然，这种简单的镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。,光子学与光电子学原荣邱琪,10,F-P谐振腔的精细度,镜面反射率R越小意味着谐振腔有越大的辐射损耗，从而影响到腔体内电场强度的分布。由式（3.1.4）可知，R越小峰值展宽越大，而且电场强度最大值和最小值的差也越小，如图3.1.4c所示。该图也定义了法布里珀罗谐振腔的频谱宽度，它是单个腔模式曲线半最大值的全宽（FWHM），可用下面式（3.1.7）的简单表达式计算,式中F称为谐振腔的精细度，它随谐振腔损耗的减小而增加（因R增加）。精细度越大，模式峰值越尖锐。精细度是模间隔对频谱宽度的比.,光子学与光电子学原荣邱琪,11,图3.1.4入射光通过由部分反射镜组成的法布里珀罗谐振腔，其透射光可作为滤波器的输出,法布里-珀罗光学谐振腔已广泛应用到激光器、干涉滤波器和分光镜中。,光子学与光电子学原荣邱琪,12,商用干涉滤波器,考虑一束光入射进法布里-珀罗谐振腔，如上图所示。谐振腔由部分反射和透射的两个平板组成，因此入射光束的一部分进入谐振腔。我们知道只有特定腔模的光才能在腔内存在，因为其它波长的光产生相消干涉。于是，假如入射光束中有一个波长的光与腔模中的一个对应，它就可以在腔内维持振荡，因此就产生了透射光束。输出光是腔内光强的一部分。商用干涉滤波器就是基于这种原理，只是两个腔体用一组电介质镜串联组成，其结构更复杂而已，如图3.5.5所示。我们可以调节腔长L来扫描不同的波长，从而实现调谐。,光子学与光电子学原荣邱琪,13,表3.1.1各种激光器的组成和作用,光子学与光电子学原荣邱琪,14,3.1.3固体激光器,固体激光器主要由工作物质、法布里-珀罗谐振腔和泵浦源组成。工作物质是均匀掺入少量激活离子的光学晶体或光学玻璃。常用的泵浦源有电泵浦源和光泵浦源两类。泵浦源能将工作物质中的粒子从低能级激发到高能级，使处于高能级的粒子数大于处于低能级的粒子数，构成粒子数的反转，这是产生激光的必要条件。处于高能级级的的原子或分子称为受激原子或分子。,光子学与光电子学原荣邱琪,15,图3.1.7固体激光器的能级系统,在构成晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带的电子跃迁到低能带上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出，如图3.1.7所示。,光子学与光电子学原荣邱琪,16,脉冲固体激光器泵浦源,脉冲固体激光器泵浦源采用脉冲氙灯，连续激光器采用氪灯或碘钨灯。泵浦灯的发射光谱覆盖很宽的波长范围，其中只有与激光工作物质吸收波长相匹配波段的光可有效用于光激励。采用放电灯激励的固体激光器如图3.1.6所示。为了使气体放电灯发出的非相干光有效地射入激光工作物质，聚光装置是必不可少的，通常采用内壁镀有高反射率的椭圆柱聚光腔，激励灯和激光工作物质棒分别置于两个焦点上。相互平行的全反射镜和部分反射镜构成F-P光学谐振腔。,光子学与光电子学原荣邱琪,17,3.1.4气体激光器,气体激光器（gaslaser）的工作物质是气体或金属蒸气，通过气体放电产生激励，实现粒子数反转。它的种类很多，波长覆盖了从紫外到远红外整个光谱区，目前已向两端扩展X射线波段和毫米波波段。由于气体工作物质均匀性好，输出光束的质量相当高，其单色性和方向性一般优于固体和半导体激光器，是很好的相干光源。代表性的气体激光器有氦-氖（He-Ne）激光器、氩离子（Ar+）激光器和二氧化碳（CO2）激光器。,光子学与光电子学原荣邱琪,18,图3.1.8内腔式氦氖气体激光器,氦-氖激光器工作物质由氦气和氖气组成，是一种原子气体激光器。在激光器电极上施加几千伏电压，使毛细管中的氦氖气体成为激活介质，发生辉光放电，产生粒子数反转。如果在激光管的轴线上安装高反射率的多层介质膜反射镜作为F-P谐振腔，则可获得连续激光输出。氦-氖激光器主要输出波长有632.8nm、1.15m和3.39m，波长稳定度为106左右，输出功率为一毫瓦至数十毫瓦，主要用于精密计量、全息技术和准直测量等。,光子学与光电子学原荣邱琪,19,图3.1.9纵向二氧化碳激光器,二氧化碳激光器的工作物质主要是二氧化碳，掺入少量的N2和He等气体，是典型的分子气体激光器。输出激光波长范围是911m的红外区域，典型的波长是10.6m。二氧化碳激光器的激励方式通常有低气压纵向连续激励和横向激励两种，它是气体激光器中连续输出功率最大和转换效率最高的一种器件，输出功率从十瓦到数千瓦。大气压横向激励激光器以脉冲放电方式工作，输出能量大，峰值功率可达千兆瓦，脉冲宽度为23s。恒流横向激励激光器可以获得几万瓦的输出功率。二氧化碳激光器已广泛应用于金属材料切割、热处理、宝石加工和手术治疗等方面。,光子学与光电子学原荣邱琪,20,3.1.5染料激光器,染料激光器（dyelaser）的工作物质是液体，通常有两类液体，一类是溶于适当溶剂中的有机染料，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物。染料激光器采用光泵浦的方式，可用闪光灯泵浦或激光泵浦。激光泵浦又有脉冲光泵浦和连续光泵浦之分。有机染料对紫外光或可见光具有很强的吸收带，染料分子的能级由准连续的能带组成，这种宽带结构使得染料激光在很宽的范围内实现连续调谐。使用不同的染料溶液，已在紫外（330nm）到近红外（1.85m）相当宽的范围内，获得了连续可调谐的激光输出。染料激光器除了可调谐性能外，另一个重要特点是可以获得很窄的超短激光脉冲。因此，染料激光器在激光光谱、同位素分离、医学及科研领域获得了广泛的应用。近来，有人又想把它用于激光武器中。,光子学与光电子学原荣邱琪,21,3.1.6化学激光器,化学激光器是特殊的气体激光器。一般气体激光器的工作物质是氦气（He）、氖气（Ne）、氩气（Ar）、二氧化碳（CO2）气或其混合气体；而化学激光器的工作物质是氟化氢（HF）、氟化氘（DF）、氧碘气体。气体激光器是在电极上施加高电压，使毛细管中的气体成为激活介质，通过气体放电产生激励，实现粒子数反转；而化学激光器是通过化学反应释放能量，使谐振腔内的粒子数反转。这就是化学激光器和一般气体激光器在本质上的区别。,光子学与光电子学原荣邱琪,22,化学激光器工作原理和工作波长,在化学激光器中，化学反应产生的原子或分子往往处于图3.1.7能级图中的高能级（激发态），在特殊情况下，可能会有足够数量的原子或分子被激发到高能级，形成粒子数反转，当这些高能原子或分子返回到低能级时，就使受激发射能量等于其能级差的光子，形成激光发射。光波波长为近红外到中红外范围，氟化氢（HF）激光器的波长范围是2.63.3m，氟化氘（DF）激光器是3.64.1m，一氧化碳（CO）激光器是4.95.8m。,光子学与光电子学原荣邱琪,23,化学激光器的优点和产生激光的能源,化学激光器具有输出能量大、光束质量好的优点，比如波长为3.64.1m的DF激光器，最大输出功率可达2.2MW，大气透过率约为100%，氧碘激光器的能量转换效率高达40%。化学激光器有脉冲和连续两种工作方式。为使化学反应迅速进行，必须有大量的自由原子或分子产生，通常采用紫外照射、电子轰击、电弧加热工作物质或者利用工作物质自身的化学反应实现。前者需要外部能源，后者则不需要。,光子学与光电子学原荣邱琪,24,3.1.7碱金属蒸气激光器,碱金属蒸气激光器（DPAL）是一种新型的半导体激光泵浦的气体激光器，增益介质是蒸气状态的铷、铯、钾、钠等。它综合了传统气体激光器和固体激光器的优势，采用气体介质流动散热，高功率二极管激光器阵列泵浦，具有95%以上的量子效率，易于获得高质量的光束，激光波长较短，钾766.70nm，铷794.98nm，铯894.95nm，使得衍射光斑功率密度更高，激光介质可重复使用，结构简单。,光子学与光电子学原荣邱琪,25,碱金属铷原子能级图,铷原子是一种三能级系统，当铷原子吸收780nm泵浦光的能量后，激发到高能级52P3/2，因为52P3/2能级和52P1/2能级间的能级差很小，所以52P3/2能级的原子很容易自发辐射回到52P1/2能级；当52P1/2能级的原子跃迁回基态能级52S1/2时，就发出能量等于这两能级差的光子，该光子的波长为795nm。,光子学与光电子学原荣邱琪,26,铷蒸气激光器工作原理图,半导体激光器阵列有19个发光单元，经压窄线宽和光束整形后，光束经偏振分光器射入长约7mm的铷蒸气室，铷室充入79kPa的甲烷作为缓冲气体。谐振腔长约为105mm。,光子学与光电子学原荣邱琪,27,3.1.8法布里-珀罗滤波器,基本法布里-珀罗（F-P）干涉仪是由两块平行镜面组成的光学谐振腔构成的，一块镜面固定，另一块可移动，以改变谐振腔的长度。镜面是经过精细加工并镀有金属反射膜或多层介质膜的玻璃板。,光子学与光电子学原荣邱琪,28,图3.1.12F-P滤波器的传输特性,它具有多个谐振峰，每两个谐振峰间的频率间距为自由光谱区FSR,光子学与光电子学原荣邱琪,29,F-P调谐滤波器的自由光谱范围FSR,每两个谐振峰间的频率间距（自由光谱范围）FSR可用下面的式（3.1.10）量度：,式中，n是构成F-P滤波器的材料折射率，L是谐振腔长度。FSR就是滤波器的自由光谱区。假如滤波器设计成只允许复用信道中的一个信道通过，如图3.1.12（c）中的信道的频率正好对准传输特性的谐振峰，所以只有vj=v1的信道才能通过滤波器，而其它信道被抑制了。,光子学与光电子学原荣邱琪,30,F-P滤波器的精细度F,它决定滤波器的选择性，即能分辩的最小频率差，从而也决定所能选择出的最大信道数。精细度的概念与F-P干涉仪理论中的相同。假如谐振腔内部损耗忽略不计，则精细度由镜面反射率R决定假设两个镜面的R相等，此时可用下面的式（3.1.13）量度:,光子学与光电子学原荣邱琪,31,F-P滤波器复用信号的总带宽和最多可以选择出的信道数,光子学与光电子学原荣邱琪,32,图3.1.13光纤法布里-珀罗（FF-P）干涉滤波器,间隙型FF-P滤波器,内波导型FF-P滤波器,光子学与光电子学原荣邱琪,33,光纤FF-P调谐滤波器的基本物理机理,光纤端面本身就充当两块平行的镜面。如果将光纤（即F-P的反射镜面）固定在压电陶瓷上，通过外加电压使压电陶瓷产生电致伸缩作用来改变谐振腔的长度，同样可以从复用信道中选取所需要的信道。这种结构可实现小型化。,光子学与光电子学原荣邱琪,34,图3.1.14双腔F-P滤波器级联使精细度F扩大,光子学与光电子学原荣邱琪,35,3.1.9半导体激光器,法布里-珀罗光学谐振腔是半导体激光器的基础。激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。若注入电流增加到一定值后，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的PN结区成为对光场有放大作用的区域（称为有源区），从而形成受激发射。使有源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器产生激光的首要条件。,光子学与光电子学原荣邱琪,36,另一个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。,LD发射激光的第二个条件-光学谐振腔,光子学与光电子学原荣邱琪,37,法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器,镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益就是激光器的阈值增益，达到该增益所要求的注入电流称作阈值电流。,光子学与光电子学原荣邱琪,38,光在谐振腔里建立稳定振荡的条件,与电谐振一样，光也有谐振。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定的阈值条件和相位条件。阈值条件-使腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消。只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。相位条件-使谐振腔内的前向和后向光波发生相干。,光子学与光电子学原荣邱琪,39,LD的工作原理,图3.1.15半导体激光器结构相当于一个法布里-珀罗谐振腔图3.1.16激光器频谱特性的形成过程,光子学与光电子学原荣邱琪,40,图3.1.17F-P光腔谐振器,光子学与光电子学原荣邱琪,41,图3.1.18C3激光器的结构及其单纵模输出原理,C3指的是切开的耦合腔，这种激光器是这样制成的，把常规多模半导体激光器从中间切开，一段长为L，另一段为D，分别加以驱动电流。中间是一个很窄的空气隙（宽约1m），切开界面的反射约为30%，只要间隙不是太宽，就可以在两部分之间产生足够强的耦合。在本例中，因为LD，所以L腔中的模式波长间距要比D腔中的密。这两腔的模式波长只有在较长的距离上才能完全一致，产生复合腔的发射模。因此C3激光器可以实现单纵模工作。,光子学与光电子学原荣邱琪,42,3.1.10半导体光放大器（SOA）没有反馈的F-P光学谐振腔,光子学与光电子学原荣邱琪,43,半导体光放大器的机理,半导体光放大器的机理与激光器的相同，即通过受激发射放大入射光信号。光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长）有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关，该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质。,光子学与光电子学原荣邱琪,44,行波光放大器是一个没有反馈的激光器。其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。,行波半导体光放大器,光子学与光电子学原荣邱琪,45,半导体激光器由于在解理面存在反射，当偏流低于阈值时是放大器。减小腔体界面反射，可使激光器变为放大器。这种放大器就称为F-P放大器。,F-PSOA的结构和原理,光子学与光电子学原荣邱琪,46,F-P谐振腔反射率R越大，SOA的增益越大。但是，当R超过一定值后，光放大器将变为激光器。当GsR=1时，式（3.1.22）将变为无限大，此时，SOA产生激光发射。,不同反射率时的F-PSOA的增益频谱,光子学与光电子学原荣邱琪,47,减小LD解理端面反射反馈的方法,光子学与光电子学原荣邱琪,48,角度解理面或有源区倾斜结构。在解理面处的反射光束，因角度解理面的缘故已与前向光束分开。在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以使反射率小于0.1%）,图3.1.21a减小反射率的方法,光子学与光电子学原荣邱琪,49,有源区端面和解理面之间插入透明窗口区。光束在到达半导体和空气界面前，在该窗口区已发散，经界面反射的光束进一步发散，只有极小部分光耦合进薄的有源层。,图3.1.21b减小反射率的方法,光子学与光电子学原荣邱琪,50,光程差器件,在1.3.1节讨论平面电磁波的时候，引入了在波矢量k传播方向被分开的两点间的相位差的概念，如式（1.3.4）所示。下面介绍几种光程差器件：马赫-曾德尔滤波器；马赫-曾德尔干涉滤波复用/解复用器；电介质镜；介质薄膜光滤波器解复用器。,光子学与光电子学原荣邱琪,51,3.1.11马赫-曾德尔滤波器,马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉滤波器由两个3dB耦合器串联组成一个马赫-曾德尔干涉仪，干涉仪的两臂长度不等，光程差为L。,图3.1.22马赫-曾德尔（MZ）滤波器,光子学与光电子学原荣邱琪,52,两臂长度差产生的相位差式中n是波导折射率指数复合后每个波长的信号光在满足一定的相位条件下，在两个输出光纤中的一个相长干涉，而在另一个相消干涉。如果在输出端口3，满足相长条件，满足相消条件，则输出光；如果在输出端口4，满足相消条件，满足相长条件，则输出光。,M-Z干涉滤波器工作原理,光子学与光电子学原荣邱琪,53,图3.1.23级联M-Z干涉滤波器,光子学与光电子学原荣邱琪,54,3.1.11马赫-曾德尔干涉滤波复用/解复用器,在3.1.11节介绍的马赫-曾德尔（M-Z）干涉滤波器只能让复用信道中的一个信道通过，从而实现对复用信号的解复用。反过来用，这种滤波器也可以构成多个波长的复用器。图3.1.24由3个M-Z干涉仪组成的4信道复用器。每个M-Z干涉仪的一臂比另一臂长，使两臂之间产生与波长有关的相移。光程差的选择要使不同波长的两个输入端的总功率只传送到一个指定的输出端，从而可以制成更有效的波分复用器。整个结构可以用波导制作在一块硅片上。,光子学与光电子学原荣邱琪,55,3.1.13从电介质镜到光子晶体,所有从前后相挨的两个界面上反射的波都具有相长干涉的特性，经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到1,（a）反射光相长干涉（b）反射系数与波长的关系图3.1.25多层电介质镜工作原理,光子学与光电子学原荣邱琪,56,电介质镜的工作原理,光子学与光电子学原荣邱琪,57,图3.1.26光子晶体,这种折射率周期性变化的电介质镜是一种一维的光子晶体，如果折射率以二维或三维的方式变化，则可以构成二维或三维的光子晶体，如图3.1.26所示。一维光子晶体有一个频率带宽，在该带宽内它反射光；反过来说，有一个截止带宽，在该带宽内光不能通过电介质镜。在折射率指数周期性变化的z方向，不允许一定频率范围的光波通过，这个频带就称为光（或光子）带隙。,光子学与光电子学原荣邱琪,58,光子晶体应用,光子晶体应用很广，用它可以制作:控制光子流动的高性能反射镜;在拐角处能量损失很小的直角光子晶体波导;分开波长很接近光的波分复用棱镜;以及可以制作无损耗、大模场直径、色散可设计的单模光子晶体光纤等。,光子学与光电子学原荣邱琪,59,光子晶体光纤,光子晶体光纤（PhotonicCrystalFiber,PCF）是一种微结构光纤，它的横截面上有复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一个量级，并且贯穿PCF整个长度，光波可以被限制在低折射率的纤芯区传播。有两种PCF，一种是折射率导光型，一种是光子带隙全反射型;前者用于色散控制、非线性光学、多芯光纤、双包层光纤（见3.2.10节）和光纤传感器等；后者用于大直径单模光纤高功率导光、光纤传感等方面。,光子学与光电子学原荣邱琪,60,3.1.14介质薄膜光滤波器解复用器,在高折射率层反射光的相位不变，而在低折射率层反射光的相位改变180o。连续反射光在前表面相长干涉复合，在一定的波长范围内产生高能量的反射光束，在这一范围之外，则反射很小。这样通过多层介质膜的干涉，就使一些波长的光通过，而另一些波长的光透射。,光子学与光电子学原荣邱琪,61,图3.1.28用介质薄膜滤波器构成的几种解复用器,光子学与光电子学原荣邱琪,62,图3.1.28用介质薄膜滤波器构成的几种解复用器,插入损耗2波复用为1.5dB，6波复用为2dB，所以插入损耗很低，但是波长不能微调。,光子学与光电子学原荣邱琪,63,3.1.15自由电子激光器,自由电子激光器（FEL）工作介质是电子，直接由受控的通过电子加速器加速的高能定向电子束产生激光辐射。在空间周期变化磁场中，只要改变电子束的速度，就可产生可调谐的、波长从X射线到微波的相干电磁辐射。这种激光器的波长和功率不再像传统激光器那样受限于激光工作介质的能级结构，激光波长可通过改变电子束能量大小和磁场强弱来调谐。但是，这种激光器的工作原理仍然是基于带有反射镜的光学谐振腔运行机制，或者是基于这种波长的种子激光与接近光速的电子束相互作用时满足共振（谐振）关系的运行机制,光子学与光电子学原荣邱琪,64,图3.1.29高增益自由电子激光器（FEL）基本构成原理示意图,自由电子激光是一种使用接近光速的电子束通过周期性变化的磁场，以受激辐射方式放大电磁辐射的新型强相干光源，可分为低增益和高增益两种类型。通常，高增益FEL由高亮度电子枪、射频直线加速器和波振荡器系统三部分组成。电子枪和直线加速器提供品质优异的高能电子束，之后电子束被注入到磁极性交替变换的电磁波振荡器中，使电子做扭摆运动，辐射场与电子束相互作用，而在其前进方向上自发地发射电磁辐射。,光子学与光电子学原荣邱琪,65,自由电子激光器工作原理,低增益FEL以带有反射镜的光学谐振腔FEL为代表，主要应用在太赫兹（THz）、红外和可见光波段，它的基本工作原理是通过光学谐振腔将电子束产生的自发辐射进行多次反射、不断放大，最后达到饱和输出。高增益FEL利用高品质的电子束仅单次通过一个足够长的电磁波振荡器，实现了光场的指数式增益放大，并最终达到高功率FEL的饱和输出。种子型高增益自由电子激光器是在图3.1.29所示基本结构的基础上，引入一个相干性好的激光作为种子激光，使其在电磁波振荡器中与电子束相互作用，种子激光的波长同样必须满足共振（谐振）条件，这样的相互作用，可对种子激光直接放大；也可通过调制，使电子束产生微群聚，并同时将种子激光的相位信息传递给电子束，进而使电子束通过波振荡器产生相干辐射。,光子学与光电子学原荣邱琪,66,3.2光的衍射及应用,3.2.1弗琅荷费衍射3.2.2衍射光栅3.2.3反射光栅解复用器3.2.4阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器3.2.5布拉格光栅3.1.6光纤光栅滤波器3.2.7布拉格光栅分布反馈激光器的基础3.2.8波长可调激光器/光放大器3.2.9垂直腔表面发射激光器3.2.10光纤激光器,光子学与光电子学原荣邱琪,67,光的衍射弥散（Airy，爱里）环,波的一个重要特性是它的衍射效应，光的衍射是指直线传播的光实际上绕射到障碍物背后去的一种现象;例如声波在传播过程中可以弯曲和偏转;光波也有类似的特性，例如一束光在遇到障碍物时也弯曲传播，尽管这种弯曲很小。图3.2.1a表示准直光通过孔径为a的小孔时产生光的偏转，产生明暗相间的光强花纹，称为弥散（Airy，爱里）环，这种现象称为光的衍射，光强的分布图案称为衍射光斑;衍射现象通常分为两类：弗琅荷费（Fraunhofer）衍射和菲涅耳（Fresnel）衍射。,光子学与光电子学原荣邱琪,68,菲涅耳（Fresnel，17881827）法国物理学家，光的波动性理论的主要提倡者,光子学与光电子学原荣邱琪,69,图3.2.1光的弗琅荷费衍射,在弗琅荷费衍射中，入射光束是平面波（准直光束），衍射光斑的观察或探测远离孔径，因此接收波也是一个平面波。我们可以把裂缝宽度a划分成N个相干的光源，每个长，如果N足够大，就可把该光源看做点光源。,光子学与光电子学原荣邱琪,70,衍射光栅相长干涉出现强度最大的光斑位置条件,光子学与光电子学原荣邱琪,71,3.2.2衍射光栅,最简单的衍射光栅是在不透明材料上具有一排周期性分布的裂缝。入射光波在一定的方向上被衍射，该方向与波长和光栅特性有关。图3.2.3（b）表示光通过有限数量的裂缝后，接收到的衍射光强分布。由图可见，沿一定的方向（）具有很强的衍射光束，根据它们出现位置的不同分别标记为零阶（中心）及其分布在其两侧的一阶和二阶等。假如光通过无限数量的裂缝，则衍射光波具有相同的强度。事实上，任何折射率的周期性变化，都可以作为衍射光栅。我们假定入射光束是平行波，因此裂缝变成相干光源。并假定每个裂缝的宽度a比把裂缝分开的距离d更小，如图3.2.3（a）所示。从两个相邻裂缝以角度发射的光波间的路径差是dsin（或图3.2.1中的ysin）。,光子学与光电子学原荣邱琪,72,衍射方程为布拉格衍射条件,光子学与光电子学原荣邱琪,73,澳大利亚出生的英国物理学家布拉格（Bragg，18901971）于25岁时发明，并获得了诺贝尔奖,光子学与光电子学原荣邱琪,74,图3.2.4三种不同的光栅,衍射光栅可以分为传输光栅和反射光栅。入射光波和衍射光波在光栅两侧的是传输光栅，如图3.2.4（a）所示；同在光栅一侧的是反射光栅，如图3.2.4（b）所示。光栅是由周期性变化的反射表面构成的，这可通过在金属薄膜上刻蚀平行的凹槽得到。没有刻蚀表面的反射可作为同步的二次光源，它们发射的光波沿一定的方向干涉就产生零阶、一阶和二阶等衍射光波。,光子学与光电子学原荣邱琪,75,3.2.3反射光栅解复用器,图3.2.5光栅型解复用器图3.2.5（b）为反射光栅解复用器原理图。输入的多波长复合信号聚焦在反射光栅上，光栅对不同波长光的衍射角不一样，从而把复合信号分解为不同波长的分量，然后由透镜聚焦在每根输出光纤上。使用渐变折射率透镜可以简化装置，使器件相当紧凑，如图3.2.5（c）所示。,光子学与光电子学原荣邱琪,76,3.2.4阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器,这种激光器发射波长可以精确设置在指定位置。借助激活该器件的不同SOA，不同波长梳中的任一波长光均可发射，其波长间距也可以精确地预先确定，而且该器件的制造也比较简单，除半绝缘电流阻挡层外，仅使用标准的光刻掩埋技术和干/湿化学腐蚀技术。,光子学与光电子学原荣邱琪,77,图3.2.6阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器,该激光器由一个集成的固定光栅和一个SOA阵列组成。当注入电流泵浦SOA阵列中的任何一个时，该SOA就以它在光栅中的相对位置确定的波长发射光谱。因为这种几何位置是被光刻掩埋精确定位的，所以SOA发射波长在光梳中的位置也是精确定位的。,光子学与光电子学原荣邱琪,78,3.2.5布拉格光栅,布拉格（Bragg）光栅由间距为的一列平行半反射镜组成，称为布拉格间距，如图3.2.7所示。如果半反射镜数量N（布拉格周期）足够大，那么对于某个特定波长的光信号，从第一个反射镜反射出来的总能量约为入射的能量，即使功率反射系数R很小。布拉格光栅的基本特性就是以共振波长为中心的一个窄带光学滤波器，该共振波长称为布拉格波长。式（3.2.14）的物理意义是，光栅的作用如同强的反射镜，该原理适用于光纤光栅、分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射（DBR）激光器等。,光子学与光电子学原荣邱琪,79,布拉格光栅,光子学与光电子学原荣邱琪,80,3.2.6光纤光栅滤波器,光纤光栅是利用光纤中的光敏性而制成的。所谓光敏性，是指强激光（在1040ns脉冲内产生几百毫焦耳的能量）辐照掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强成线性关系。例如，用特定波长的激光干涉条纹（全息照相）从侧面辐照掺锗光纤，就会使其内部折射率呈现周期性变化，就像一个布拉格光栅，成为光纤光栅，如图3.2.8（a）所示。这种光栅大约在500以下稳定不变，但用500以上的高温加热时就可擦除。在InP衬底上用材料制成凸凹不平结构的表面，就构成了一个间距为的布拉格光栅，如图3.2.8（b）所示。,光子学与光电子学原荣邱琪,81,图3.2.8光纤布拉格光栅,光纤布拉格光栅是一小段光纤，其纤芯折射率经两束相互干涉的紫外光照射后产生周期性地调制，干涉条纹周期由两光束之间的夹角决定。大多数光纤的纤芯对于紫外光来说是光敏的，将纤芯直接曝光于紫外光下将导致纤芯折射率永久性变化。,光子学与光电子学原荣邱琪,82,图3.2.8光纤布拉格光栅,强激光辐照掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强成线性关系。如用特定波长的激光干涉条纹（全息照相）从侧面辐照掺锗光纤，就会使其内部折射率呈现周期性变化，就象一个布拉格光栅，成为光纤光栅,光子学与光电子学原荣邱琪,83,图3.2.9光纤光栅带通滤波器,利用光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特性，可以做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器如果在一个22光纤耦合器输出侧的两根光纤上写入同样的布拉格光栅，则还可以构成带通滤波器,光子学与光电子学原荣邱琪,84,3.2.7分布反馈激光器布拉格光栅的应用,在光纤通信系统中，最常用的激光器是分布反馈（DFB）激光器，它是一种单纵模（SLM）或单频半导体激光器。单频激光器是指半导体激光器的频谱特性只有一个纵模（谱线）的激光器。DFB激光器工作原理离不开光的衍射现象。除小孔衍射、裂缝衍射外，事实上，任何物质折射率的周期性变化，都可以作为衍射光栅。利用DFB原理制成的半导体激光器可分为两类：分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射（DBR）激光器。,光子学与光电子学原荣邱琪,85,在普通LD中，只有有源区在其界面提供必要的光反馈；但在DFB激光器内，光的反馈就像DFB名称所暗示的那样，不仅在界面上，而且分布在整个腔体长度上。DFBLD的谐振腔损耗与模式有关，不同的纵模具有不同的损耗。这是通过改进结构设计，使DFBLD内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的（mB/2）光波才能建立起振荡。,图3.2.10DFBLD结构及其原理,光子学与光电子学原荣邱琪,86,图3.2.11DBRLD结构及其原理,DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右側增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍光栅间距时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如当部分反射波A和B具有路程差2时，它们才发生相长干涉。,光子学与光电子学原荣邱琪,87,图3.2.12单纵模为主模的半导体激光器增益和损耗曲线,DBR激光器与法布里-珀罗激光器相比，其激光发射的阈值条件有所不同。它的谐振腔损耗不再与模式无关，而是设计成对不同的纵模具有不同的损耗；由图可见，增益曲线首先和具有最小损耗模式曲线接触的模开始起振，并且变成主模。其他相邻模式由于其损耗较大，不能达到阈值，因而也不会从自发辐射中建立起振荡。,光子学与光电子学原荣邱琪,88,3.2.8波长可调激光器/光放大器,用工作在1.55m波段的材料，制成内部包含一个或多个布拉格光栅的平板波导，就构成DBR半导体激光器，它的波长调谐可通过对谐振腔注入电流实现。类似于多腔DBR半导体激光器使用的相位控制腔，也用于DBR激光器的调谐。这种调谐速度很快，约为几个纳秒，而且可以提供增益。因为它们使用同一种半导体材料，所以可以把放大器、接收机和激光器集成在一起。InGaAsP/InP激光器的这些特性对WDM应用很有吸引力。,光子学与光电子学原荣邱琪,89,图3.2.13波长可调谐耦合腔半导体构,构成单纵模（SLM）激光器的一个简单方式是从半导体激光器耦合出部分光能，到外部衍射光栅。通过简单地旋转光栅，可在较宽范围内对波长实现调谐（典型值为50nm）。这种激光器的缺点是不能单片集成在一起。DFB和DBR的多腔设计，可解决激光器的稳定性和调谐性不能同时兼顾的矛盾。通过控制注入三腔的电流，激光器的波长可在57nm范围内连续可调。,光子学与光电子学原荣邱琪,90,耦合腔半导体激光器,耦合腔半导体激光器可以实现单纵模工作，这是靠把光耦合到一个外腔实现的，如图3.2.13所示。外腔镜面把光的一部分反射回激光腔。外腔反馈回来的光不一定与激光腔内的光场同相位，因为在外腔中产生了相位偏移。只有波长几乎与外腔纵模中的一个模相同时才能产生同相反馈。实际上，面向外腔的激光器界面的有效反射与波长有关，从而导致产生如图3.2.12所示的损耗曲线，它最接近增益峰，并且具有最低腔体损耗的纵模才变成主模。,光子学与光电子学原荣邱琪,91,DBR波长可调激光器,光子学与光电子学原荣邱琪,92,图4.4.4商用波长可调LD和调制器,集成了波长可调激光器、放大器和调制器的PIC,光子学与光电子学原荣邱琪,93,3.2.9垂直腔表面发射激光器,垂直腔表面发射激光器（VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser）顾名思义，它的光发射方向与腔体垂直，而不是像普通激光器那样，与腔体平行。这种激光器的光腔轴线与注入电流方向相同。,光子学与光电子学原荣邱琪,94,图3.2.15VCSEL激光器示意图,顾名思义，它的光发射方向与腔体垂直，而不是像普通激光器那样，与腔体平行。这种激光器的光腔轴线与注入电流方向相同。有源区的长度L与边发射器件比较非常短，光发射是从腔体表面，而不是腔体边沿。腔体两端的反射器是由3.3.3节介绍的电介质镜组成，即由厚度为的高低折射率层交错组成。,光子学与光电子学原荣邱琪,95,VCSEL激光器,光子学与光电子学原荣邱琪,96,VCSEL激光器工作原理,光子学与光电子学原荣邱琪,97,VCSEL激光器阵列,光子学与光电子学原荣邱琪,98,VCSEL激光器,光子学与光电子学原荣邱琪,99,3.2.10光纤激光器,将光纤放大器放在能提供光反馈的光纤谐振腔内，就可以转化为激光器，这种激光器就称为光纤激光器（fiberlaser）。光纤放大器可以由掺杂光纤实现，光纤谐振腔可以在掺杂光纤两端制作布拉格光栅提供。所以光纤激光器就是由掺杂光纤提供增益的激光器，许多稀土元素，如铒、铥和镱等都可以用于制造光纤激光器。与固体激光器类似，光纤激光器输出波长与掺杂元素有关，一般位于近红外区域，其工作波长在0.44m之间。从1989年开始，研究焦点集中在掺铒光纤激光器上，因为它能在1.55m波段产生超短脉冲。2000年后，掺镱光纤激光器由于增益谱和吸收谱较宽（可达152nm），覆盖了10101162nm波长范围，具有产生高功率的潜力而重新受到关注。,光子学与光电子学原荣邱琪,100,图3.2.17光纤激光器构成图,把掺铒光纤相隔一定长度的两处写入光栅，两光栅之间相当于谐振腔，用980nm或1480nm泵浦激光激发，铒离子就会产生增益放大。由于光栅的选频作用，谐振腔只能反馈某一特定波长的光，输出单频激光，再经过光隔离器即能输出线宽窄、功率高和噪声低的激光，,光子学与光电子学原荣邱琪,101,双包层光纤激光器,早期，光纤激光器都是将泵浦光直接入射到光纤纤芯中进行泵浦，如图3.2.16a所示。但是，因纤芯非常细，高强度泵浦光耦合到细小的纤芯非常困难，同时也会引起不必要的非线性效应，所以，从上世纪80年代后期开始，光纤激光器就采用双包层光纤（DCF），如图3.2.16b所示。在这种双包层光纤激光器中，信号光仍在纤芯单模波导中传输，而泵浦光则改在内包层多模波导中传输。内包层由折射率比纤芯低的SiO2制成，一方面约束信号光在纤芯中传输，一方面又让泵浦光通过。内包层的种类很多，可以是圆形、矩形、正六角形等，但截面积都比较大（圆形的直径为数百微米），数值孔径大（约为0.46），允许更多的泵浦光功率进入，同时功率密度也低，可以使用大功率多模LD进行有效的泵浦。外包层由低折射率聚合物（树脂材料）制成，相对泵浦光起到包层的作用。因为需要大数值孔径的内包层，所以内包层和外包层的折射率差比较大。,光子学与光电子学原荣邱琪,102,图3.2.16a用掺镱普通单模光纤（纤芯数值孔径小）作为增益介质用于光纤激光器,光子学与光电子学原荣邱琪,103,图3.2.16b用掺镱双包层单模光纤（内包层数值孔径大）作为增益介质用于光纤激光器,光子学与光电子学原荣邱琪,104,图3.2.18由5段铒光纤光栅构成5个波长的激光源,近年来，随着大模场面积双包层掺杂光纤制造工艺和激光二极管泵浦技术的发展，单根单模双包层光纤激光器的输出功率迅速提高。高能单模光纤激光器光纤插头输出功率可达10kW，电光效率大于30%，甚至有输出50kW的系统。,光子学与光电子学原荣邱琪,105,掺镱光纤激光器,掺镱光纤激光器仍处于发展中的高功率激光系统，由于电光效率高、热管理方便、结构紧凑，能够实现高功率和高光束质量激光输出，掺镱光纤激光器输出功率潜力及军事应用前景被普遍看好，得到非常多的关注。在美国海军激光武器系统项目中，最近成功演示了光纤激光器的军事应用。同时光纤激光器进军材料加工领域后，正在逐步替代CO2激光器的统治地位，因为其波长能够与大多数金属更好地耦合，并且利用光纤可以很方便地将激光导入到工作台。,光子学与光电子学原荣邱琪,106,3.3阵列波导光栅（AWG）器件,3.3.1AWG星形耦合器3.3.2阵列波导光栅（AWG）的工作原理3.3.3AWG复用/解复用器3.3.4AWG多频激光器3.3.5AWG滤波器3.3.6AWG分插复用器3.3.7AWGPIC多信道光接收机3.3.8AWG用于LED频谱分割多波长光源3.3.9AWG用于ONU无色WDM-PON,光子学与光电子学原荣邱琪,107,3.3.1AWG星形耦合器,AWG星形耦合器是一种集成光学结构，它是在对称扇形结构的输入和输出波导阵列之间插入一块聚焦平板波导区，即在Si或InP平面波导衬底上制成的自由空间耦合区，它的作用是把连接到任一输入波导的单模光纤的输入光功率辐射进入该区，均匀地分配到每个输出端，让输出波导阵列有效地接收，如图3.3.3所示。,光子学与光电子学原荣邱琪,108,图3.3.1a相位中心星形耦合器,输入阵列波导法线方向直接指向输出阵列波导的相位中心P点，输出法线方向直接指向输入波导的相位中心Q点；其目的是为了确保当发射阵列的边缘波导有出射光时，接收阵列的边缘波导能够接收到相同的功率。,光子学与光电子学原荣邱琪,109,（b）光栅圆-罗兰圆中心耦合区原理图,自由空间区两边的输入/输出波导的位置满足罗兰圆和光栅圆规则，即输入/输出波导的端口以等间距设置在半径为R的光栅圆周上，并对称地分布在聚焦平板波导的两侧，输入波导端面法线方向指向右侧光栅圆的圆心P点；输出波导端面的法线方向指向左侧光栅圆的圆心Q点。两个光栅圆周的圆心在中心输入/输出波导的端部，并使中心输入和输出波导位于光栅圆与罗兰圆的切点处。,光子学与光电子学原荣邱琪,110,3.3.2阵列波导光栅（AWG）的工作原理,平板阵列波导光栅（AWG）器件由N个输入波导、N个输出波导、两个在3.3.1节介绍的NM平板波导星形耦合器以及一个有M个波导的平板阵列波导光栅组成，这里M可以等于N，也可以不等于N。NM平板波导星形耦合器中心耦合区如图3.3.1所示。这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差，如图3.3.2（a）所示。,光子学与光电子学原荣邱琪,111,(a)AWG构成原理图（b）表示AWG频谱特性的传输特性图3.3.2阵列波导光栅（AWG）,光子学与光电子学原荣邱琪,112,从干涉理论解释阵列波导光栅（AWG）工作原理,光子学与光电子学原荣邱琪,113,从光程差解释AWG的工作机理,AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理，即多个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。,由于阵列波导中的波导长度不等，相位延迟也不等，其相邻波导间的相位差为,这里k是波矢量，k=2n/，,是相邻波导间的路径长度差，通常为几十微米，所以输出端口与波长有一一对应的关系。,光子学与光电子学原荣邱琪,114,阵列波导光栅（AWG）参数,光子学与光电子学原荣邱琪,115,图3.3.31616AWG的TM波输出频谱,当光频增加c/2nL时，相位增加2，传输函数以自由光谱范围FSR为周期重复,光子学与光电子学原荣邱琪,116,3.3.3阵列波导光栅（AWG）复用/解复用器,光子学与光电子学原荣邱琪,117,阵列波导光栅（AWG）复用/解复用器工作原理,这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差L，如图3.3.4所示。输入光从第一个星形耦合器输入，该耦合器把光功率几乎平均地分配到波导阵列输入端中的每一个波导，由于阵列波导中的波导长度不等，相位延迟也不等，由式（3.3.3）可知，其相邻波导间的相位差为:,AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理，即两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。所以输出端口与波长有一一对应的关系，也就是说，由不同波长组成的入射光束经阵列波导光栅传输后，依波长的不同就出现在不同的波导出口上。,光子学与光电子学原荣邱琪,118,图3.3.54040Gb/s多信道发送机,每信道40Gb/s，有40个信道；每个发送信道包含一个具有后向功率监控的调谐DFB激光器，一个电吸收调制器(EAM)，一个功率平坦元件（PEE）和前向功率监控器。,PEE用来均衡每个信道的输出功率阵列波导光栅(AWG)用来复用40个不同波长信道。,光子学与光电子学原荣邱琪,119,(c)40个信道归一化频谱曲线,光子学与光电子学原荣邱琪,120,(d)40个信道的光频安排,信道间距是50GHz;设计制造的40信道的AWG满足这种要求,光子学与光电子学原荣邱琪,121,（b）1010Gb/s多信道发送机模块,光子学与光电子学原荣邱琪,122,3.3.4AWG多频激光器,中间是波导光栅路由器（WGR）滤波器右侧是阵列半导体光放大器（SOA）左侧是一个功率放大SOA芯片右侧镜面镀高反射率（HR）膜，左侧则镀半反射膜以便输出AWG多频激光器谐振腔的光。,光子学与光电子学原荣邱琪,123,(b)AWG多频激光器频谱图,AWG多频激光器的信道间距取决于AWG腔体内的波导光栅路由器的几何尺寸；因此，每个激光器的波长非常稳定，制造时