光纤放大器和激光器

在某些光应用中，往往要求光具有很高的能量（或功率，如激光核聚变，等，但欲获得高能光束，直接通过激光器来获取一般是很的，这是因为提高激光器的输出功率的同时又要保持优良的光束特性是互相的。因此为了获得性能优良的高能量光束，光放大技术是一种最佳选择。光纤激光器是近年来激光领域中最具的研究课题之一特别是应用到光纤通信窗了解EDFA构建EDFA测量EDFAEDFA是目前性能最完美，技术最成熟，应用最广泛的光放大器。它具有高增益，低噪1所示，基态4I152E1，激发态4I112E3，亚稳态4I132E2。粒子在这些980nmE3E3上的粒子将以无辐射跃能级E2上，粒子在E2上 较长，10ms图1铒离子三能级图 E1E2E2E11550nm1480nmE1E2放大的自发辐射(Amplifierspontaneousemission,光子在EDF中也会得到放大，形成背景噪声，使信噪比下降，这对信号是有害的。EDFAL,x方2所示。地被消耗，所以单位体积中光子数(x,t)粒子数n(x,t是时间tx图 级系统的反转粒子数密度的速率方程为n(x,t)2n(x,t)c(x,t)1n(x,t)

，n0(x)为工作物质初始时（t0反转粒子数，2n(x,t)c(x,t)1n(x,t)

再工作物质在xxdx体积元中光子数密度变化的情况。引起光子数发生变化因dt时间内dx体积元中受激辐射产生的光子数为c(x,t)n(x,t)dxdt。dtxdx体积元的光子数c(x,t)dtxdx处流出的光子数为c(xdx,t)dt。因而在dt时间内进入体积元的净光子数为(x,t(xdx,t)cdt，如果放大器中各种损耗不计，则dt(x,t)dxdt(x,t)(xdx,t)cdtc(x,t)n(x,(x,t)c(x,t)c(x,t)n(x, 由于光强（光子流强度）I(x,t)c(x,t)hI(x,t1I(x,t)I(x,t)n(x,t)I(x,

I(x,tIn(x,t写成n，则（1）（3）

n

1 011I

c 态，可以认为dn0，稳态情况下，从（4）dt

对（5）

1c

1dI

I

上式中1dIg表示，则（7）Ig

1IIs

，I

。Is也称为饱和光强。

g0g

时，gg0gI IIs即输入信号是小信号时，则EDFAg1dIL

Idx I(L)I0exp(g0

I0为初始时信号光强，小信号下总增益0GILexpgLI00

为放大器单位长度损耗系数，1dI

n

gIdxL

构建EDFAEDFA实验系统的结构如图3所示，本实验系统由两个波长为980nm的泵浦激光器（WDMWDM1，WDM2980nm泵浦光耦合到掺铒光纤中去,抽运铒器1的作用是防止线反射光和EDFASE光返回3EDFA实验系统器的作用是调节输入到EDFA中信号功率大小。测量半导体激光器的电流和功980nm1550nm信4图4半导体激光器电流和功率关系 率急剧增大，辐射激光ASEASE3的实验装置采用以下的实验步骤。表 ASE测量实验记录ASEASEASE输出功ASE输出功率，1中。1550nm处损耗非常小，为0.2dBkm收信号光，因此掺铒光纤损耗特别大，可达到3~5dBm。损耗系数的计算 10

(dB

3的实验装置采用以下实验步骤：测量EDF1，10%的分束一端作为输入Pin的测量。测量EDF在WDM2的输出端，测量输出信号功率Pout,并 （13）计算损耗系数LEDF长G

3Pout功率，故此时增益(14)应改G10

poutPASE

不同的信号功率下，测量EDFA23dB3dB2实验系统中，测量EDFA的增益也可用输入调制信号测量。把周期性信号调制到信号激光器上，使1550nm信号激光器辐射光功率带有周期性而变，经EDFA后输出光功和EDFA输出信号的幅值高度，就可以测量EDFA的增益，用调制信号进量即直观

1E2跃迁到基态4I152，E1上 长在1550nm左右。5示出光纤激光器谐振腔结过,但使腔内激光发生全反射。sagnacSagnac光纤环色镜。Sagnac2对图5光纤激光器谐振腔结构示意 1550nm激图（d），，R1R2exp2gL（8）I

LI

ALp

光强与功率之间关系为PAIL，腔内I或功率I

IIs PPs I Ip,Pp分别为泵浦光光强和功率，Ipth,Ppth分别为泵浦光阈值光强和阈值功率，Ps

AIs，若腔内激光透过率为TPout

（简称sagnac）

Sgnc仪是由光纤耦合器光纤耦合器是四端口器件（二输入和二输出端口场分为相干的两部分，它的结构是6所示的结构，其中间是一图 光纤耦合 个耦合区根据耦合模理论如果率为P0P1P0cos2KLp2P0sin2KL(1

式中，L是耦合区的长度，K为耦合系数，为功率分束比，如果KL4

，那么

P03dB2Sagnac仪如图7所出端口连接起来构成仪，输入光场分成沿相反方向传在耦合区发生相干相反图7sagnac 位决定输入光是被sagnac涉仪反射还是透射，利用光纤耦合器的特性可以得到反射率R和透射率TR4(1)

T14(1

若0.5，即耦合器为3dB耦合器，R1，由上式可得 仪对入射光的反射为100%

0.53Sagnac仪的特性测61550nmP0，从耦合器一端输入，用功率计测量二端输出功P1P2，然后由（19）和1，那么功率分束比为1)。由上述光纤耦合器构成sagnac透射光可通过sagnac环的另一端输直接测量透射功率为了测量反射光方便起见9：1的耦合涉仪的反射光可由耦合器2来测率T1)图 有两个耦合器的sagnac测量饵离子亚稳态4I172980nmPumpLight

9WDM1EDF及WDM2WDM1信号输入端WDM2信号输出端将会产生ASE，如果泵浦激光器是带由调制信号，它出射的光强（功率）10图9测量能级实验装置图 功率时开时闭开时它足以使EDF所示，通过上下图比较，ASE功率下降到1e（0.3