《第9章,激光在信息技術(shù)中的應(yīng)用》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《第9章,激光在信息技術(shù)中的應(yīng)用（44頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

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2、式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊

3、此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,

4、第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,01,02,03,激光全息三維顯示,激光存儲技術(shù),光纖通信中的激光器和放大器,05,04,激光掃描和激光打印機,第九章,目錄,量子光通信中的激光源,9.1.1,半導(dǎo)體激光器,半導(dǎo)體激光器是激光器中的一個大家族。它與固體激光器、氣體激光器以及其它類型的激光器相比，具有體積小、重量輕、電

5、光轉(zhuǎn)換效率高、可以直接調(diào)制、使用方便等優(yōu)點，因此它非常適用于光纖通信之中。圖,9-1,給出了光發(fā)射端機的工作原理。,9.1.1,半導(dǎo)體激光器,2.,作為通信光源的半導(dǎo)體激光器,半導(dǎo)體激光器是光纖通信用的主要光源，由于光纖通信系統(tǒng)具有不同的應(yīng)用層次和結(jié)構(gòu)，因而需要不同類型的半導(dǎo)體激光器。,圖,9-1,光發(fā)射端機組成方框圖,法布里珀羅激光器（,FP-LD,）是最常見、最普通的半導(dǎo)體激光器，它的諧振腔由半導(dǎo)體材料的兩個解理面構(gòu)成。目前光纖通信上采用的,FP-LD,的制作技術(shù)已經(jīng)相當成熟。,FP-LD,的結(jié)構(gòu)和制作工藝最簡單，成本最低，適用于調(diào)制速度小于,622Mbit/s,的光纖通信系統(tǒng)。,1.,光

6、纖通信對半導(dǎo)體激光器光源的要求,(1),法布里珀羅激光器,9.1.1,半導(dǎo)體激光器,#,實現(xiàn)動態(tài)單縱模工作的最有效的方法之一就是在半導(dǎo)體內(nèi)部建立一個布拉格光柵，依靠光柵的選頻原理來實現(xiàn)縱模選擇。分布反饋布拉格半導(dǎo)體激光器（,DFB-LD,）的特點在于光柵分布在整個諧振腔中，光波在反饋的同時獲得增益，因此其單色性優(yōu)于一般的,FP-LD,。,圖,9-2,DFB-LD,結(jié)構(gòu)示意圖,#,在,DFB-LD,制作技術(shù)的發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)直接在有源層刻蝕光柵會引入污染和損傷，于是又提出了圖,9-2,所示的,DFB-LD,結(jié)構(gòu),分布反饋半導(dǎo)體激光器,9.1.1,半導(dǎo)體激光器,（,3,）分布布拉格反射半導(dǎo)體激

7、光器,考慮到布拉格光柵反射性好的特點，將光柵置于激光器諧振腔的兩側(cè)或一側(cè)，增益區(qū)沒有光柵，光柵只相當于一個反射率隨波長變化的反射鏡，這樣就構(gòu)成了,DBR-LD,。其中，三電極,DBR-LD,是最典型的基于,DBR-LD,的單模波長可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其原理性結(jié)構(gòu)如圖,9-3,。,圖,9-3,三電極,DBR-LD,結(jié)構(gòu)示意圖,9.1.1,半導(dǎo)體激光器,(4),垂直腔面發(fā)射激光器,光數(shù)據(jù)傳輸和交換的多通道往往需要能夠二維集成的器件，而垂直腔面發(fā)射激光器（,VCSEL,）是一個很好的選擇。,它,與邊發(fā)射激光器最大的不同點是：出射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生長的方向。圖,9-4,為其典型結(jié)構(gòu)

8、圖，其上下分別為分布布拉格反射（,DBR,）介質(zhì)反射鏡，中間（,InGaAsN,）為量子阱有源區(qū)，氧化層有助于形成良好的電流及光場限制結(jié)構(gòu)，電流由,P,、,N,電極注入，光由箭頭方向發(fā)出。,圖,9-4 VCSEL,的典型結(jié)構(gòu)示意圖,9.1.2,光纖激光器,光纖激光器的基本原理及其特點,(1),基本原理,光纖激光器和其他激光器一樣，由能產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)、使光子得到反饋并在增益介質(zhì)中進行諧振放大的光學(xué)諧振腔和激勵光子躍遷的泵浦源三部分組成。,9.1.2,光纖激光器,(1),基本原理,圖,9-5,光纖激光器原理示意圖,以,縱向泵浦的光纖激光器,（,如圖,9-5,）為例說明光纖激光器的基本原理,(2

9、),特點,耦合效率高基于激光介質(zhì)本身就是導(dǎo)波介質(zhì)；光纖纖芯很細，纖內(nèi)易形成高功率密度，可方便地與光纖傳輸系統(tǒng)高效連接。由于光纖具有很高的,“,表面積,/,體積,”,比，散熱效果好，因此光纖激光器具有很高的轉(zhuǎn)換效率，很低的激光閾值，能在不加強制冷卻的情況下連續(xù)工作。又由于光纖具有極好的柔繞性，激光器可以設(shè)計得相當小巧靈活，利于光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用，同時可借助光纖方向耦合器構(gòu)成各種柔性諧振腔，使激光器的結(jié)構(gòu)更加緊湊、穩(wěn)定。光纖還具有相當多的可調(diào)諧參數(shù)和選擇性，能獲得相當寬的調(diào)諧范圍和相當好的色散性和穩(wěn)定性。,9.1.2,光纖激光器,2.,光纖激光器的分類及應(yīng)用,(1),稀土類摻雜光纖激光器,光纖激光

10、器種類很多，,如,按光纖結(jié)構(gòu)可分為：單包層光纖激光器和雙包層光纖激光器；按摻雜元素可分為：摻鉺、釹、鐠、銩、鐿、鈥等,15,種；,圖,9-6,受激拉曼散射光纖激光器示意圖,稀土元素包括,15,種元素，在元素周期表中位于第五行。目前在比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有：鉺（,Er,3+,）、釹,(Nd,3+,),、鐠,(Pr,3+,),、銩,(Tm,3+,),、鐿,(Yd,3+,),。,(2),光纖受激拉曼散射激光器,這類激光器與摻雜光纖激光器相比具有更高的飽和功率，且沒有泵浦源限制，在光纖傳感、波分復(fù)用（,WDM,）及相干光通信系統(tǒng)中有著重要應(yīng)用。一種簡單的全光纖受激拉曼散射激光器見圖,9-

11、6,所示，這是一種單向環(huán)形行波腔，耦合器的光強耦合系數(shù)為,K,。一般典型的受激拉曼分子主要有,GeO,2,、,SiO,2,、,P,2,O,5,。,9.1.2,光纖激光器,2.,光纖激光器的分類及應(yīng)用,(3),光纖光柵激光器,圖,9-7,DBR,光纖光柵激光器基本結(jié)構(gòu)示意圖,DBR,光纖激光器基本結(jié)構(gòu)如圖,9-7,所示,，,利用一段稀土摻雜光纖和一對相同諧振波長的光纖光柵構(gòu)成諧振腔，它能實現(xiàn)單縱模工作。,DFB,光纖光柵激光器基本結(jié)構(gòu)如圖,9-8,所示,，,在稀土摻雜光纖上直接寫入的光柵構(gòu)成諧振腔，其有源區(qū)和反饋區(qū)同為一體。,圖,9-8 DFB,光纖光柵激光器基本結(jié)構(gòu)示意圖,9.1.3,光放大器

12、,2.,圖,9-9,為光放大器在干線光纖系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖。圖中（,a,）為無中繼系統(tǒng)，圖（,b,）中采用光放大器作功率放大器和接收機前置放大器圖（,c,）為線內(nèi)多中繼系統(tǒng),。,圖（,d,）中用光放大器作為在線中繼放大器或,1R,（僅有整形功能）中繼器,（,1,）,光功率提升放大。將光放大器置于光發(fā)射機前端，以提高入纖的光功率。,（,2,）,在線中繼放大。在光纖通信系統(tǒng)中取代現(xiàn)有的中繼器。,（,3,）,前置放大。在接收端的光電檢測器之前先將微弱的光信號進行預(yù)放，以提高接收的靈敏度。,圖,9-9,光放大器在干線光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖,9.1.3,光放大器,9.1.3,光放大器,3.,光纖通信

13、中主要的光放大器有以下幾類：,1,、半導(dǎo)體激光放大器（,SLA,）；,2,、摻稀土光纖放大器，如摻鉺光纖放大器,(EDFA),等；,3,、非線性光纖放大器，如光纖喇曼放大器等,圖,9-10 TW,SLA,的基本結(jié)構(gòu)示意圖,（,1,）,半導(dǎo)體光放大器,圖,9-10,為行波型光放大器的基本結(jié)構(gòu)示意圖，,行波光放大器的帶寬比法布里珀羅型放大器大三個數(shù)量級，其,3dB,帶寬可達,10THz,，因此可放大多種頻率的光信號，所以是很有前途的一種光放大器。,行波半導(dǎo)體光放大器其性能,:,增益帶寬、小信號增益、光信號增益對其偏振的靈敏度、飽和輸出功率、放大器的噪聲性能,9.1.3,光放大器,圖,9-11,摻雜

14、光纖放大器的結(jié)構(gòu)示意圖,（,2,）摻鉺光纖放大器,摻雜（如,E,r,3,）光纖放大器的結(jié)構(gòu)如圖,9-11,所示。它由三部分組成：一是長度為幾米到幾十米的摻雜光纖；二是激光泵浦源；三是耦合器,一個,EDFA,的完整結(jié)構(gòu)應(yīng)包括如下幾部分：鉺石英光纖作為有源介質(zhì)；高功率泵浦光源；,光纖耦合器，用于信號光與泵浦光的合路；偏振不靈敏光隔離器，用于消除反射抑制振蕩；,窄帶光濾波器，用以降低自發(fā)輻射噪聲。,9.1.3,光放大器,圖,9-12 EDFA,的結(jié)構(gòu)示意圖,（,2,）摻鉺光纖放大器,鉺光纖及泵浦源是,EDFA,的關(guān)鍵和研究重點。根據(jù)泵浦光和信號光傳播方向的相對關(guān)系，,EDFA,的結(jié)構(gòu)又可分為同向泵浦

15、、反向泵浦和雙向泵浦。它們的具體結(jié)構(gòu)圖分別如圖,9-12,（,a,）（,b,）（,c,）所示。,9.1.3,光放大器,圖,9-13,光纖拉曼放大器示意圖,（,2,）非線性光纖放大器,普通石英光纖在合適波長的強泵浦光作用下會產(chǎn)生強烈的非線性效應(yīng)，如受激喇曼散射（,SRS,）和受激布里淵散射（,SBS,），當信號光沿著光纖與泵浦光一起傳輸時就能把信號光放大（圖,9-13,），從而構(gòu)成光纖喇曼放大器（,FRA,）和布里淵放大器（,FBA,），它們都是分布式光纖放大器。,9.2.1,全息術(shù)的歷史回顧,全息術(shù)不斷發(fā)展，至今已經(jīng)歷三個階段。從蓋伯最早提出全息術(shù)的思想之后的十多年，這個時期是全息術(shù)的萌芽階段

16、。這一階段的全息術(shù)主要是理論研究和少量的實驗。全息術(shù)發(fā)展的第二階段是在,1960,年激光出現(xiàn)以后。,20,世紀,80,年代以后延續(xù)至今是全息發(fā)展的第三階段。,（,1,）全息術(shù)不僅記錄物體的散射光強，還記錄了散射光的相位，能再現(xiàn)原物的立體圖像。,以下結(jié)合圖,9-14,簡要地說明全息照相的拍攝和再現(xiàn)原理,。,全息圖的拍攝光路如圖,9-14(a),所示,；,圖,9-14(b),所示的光路,為,再現(xiàn),光路,圖,9-14,全息照相的拍攝和再現(xiàn)原理示意圖,9.2.2,激光全息術(shù)的基本原理和分類,9.2.2,激光全息術(shù)的基本原理和分類,（,2,）,全息圖的分類有以下六種情況,按照記錄介質(zhì)的膜厚分類，有平面全息圖和體積全息圖兩類；,按照投射率函數(shù)的特點分類，有振幅型和位相型兩類，而位相型又可分為表面浮雕型和折射率型兩類；,按照記錄的物光波特點，可分為菲涅耳全息圖、夫瑯和費全息圖和傅里葉變換全息圖三類；,按照再現(xiàn)時對照明光的要求，可分為激光再現(xiàn)和白光再現(xiàn)兩類。我們在后文將重點介紹這兩類；,按照再現(xiàn)時觀察者和光源的相對位置，可分為透射型和反射型兩類；,按照顯示的再現(xiàn)像特征，有像面全息、彩虹全息、,360,