论文部分内容阅读
【摘 要】随着科技的不断发展，光通信作为一个技术创新的产物，受到了越来越广泛的应用。在这个背景下，光纤激光器以其微型化和传输距离远的特点，被认为是光通信中的理想光源。本文，首先探究了光纤激光器和光通信的相关概念，然后重点分析了光纤激光器在光通信中的应用。
【关键词】光通信 光纤激光器 概念 应用
一、绪论
1963年发明光纤激光器以来，技术的创新步伐从未停止。和激光器一样，光纤激光器也逐渐在改变人们的生活。随着光纤材料和二极管泵浦技术的不断进步，就使得光纤激光器的应用领域逐渐扩大，从光纤通信网络向激光应用领域延伸。发展到今天，光纤激光器在激光测距和激光医疗等方面，以其超高的性价比而受到广泛的应用。目前光纤激光器在光通信领域，越来越发挥着重要的作用，本文就对这方面来进行探究。
二、相关概念
（一）光纤激光器的原理及特点
从工作原理上来讲，光纤激光器可以分为单晶光纤激光器、光纤非线性效应激光器、塑料光纤激光器和稀土类掺杂光纤激光器四类。[1]其基本结构如下图1所示：
图1 光纤激光器的结构
如上图所示，光纤激光器是由泵浦源、腔镜、掺杂光纤和谐振腔四个部分组成。泵浦光进入光纤激光器后，激励光纤中的掺杂离子跃迁到高能态进而产生光子，从而通过谐振腔中振荡放大后形成激光输出。其中靠近泵浦一端的腔镜对信号激光的波长要求有较高反特性，而另外一个的腔镜则发挥着对腔内激光信号反馈的作用。
光纤激光器以其优良的性能，而受到广泛的关注。具体来讲，光纤激光器的特点可以分为以下几个方面：
第一，可以在高温和高震动等恶劣的条件下工作；
第二，由于光纤的工艺已经十分成熟，这就可以大大降低光纤激光器的成本，从而可以提高其性价比；
第三，光纤激光器的光束具有很强的稳定性和可靠性；[2]
第四，可以极大的提高光-光之间的转化效率，达到70%以上，这就创造了其进一步发展的条件。
第五，光纤激光器的体积小，便于携带。而且随着工艺的不断进步，光纤激光器的体积不断的减小，而且材质更安全和可靠。
（二）光通信的原理
关于光通信的可以追溯到古代的烽火通信，目的是将信息从一个地方传递到另一个地方，其历史是十分悠久的。[3]隨着科技的不断发展，光纤激光器在光通信中受到了越来越广泛的应用。光通信主要是指自由空间的光通信（Free Space Optical Communication），利用激光作为载体，将信息（包括图像和语音等）从一个地方传递到另一个地方，也可以称为无线激光通信（Wireless Optical Communication）。
从上述分析可知，光纤激光器以其优良的性格和可靠性，所以称为光通信的一个有力的手段。具体而言，光通信既具有光纤通信误码率底的优点，又有机动灵活的特点，所以其应用主要可以分为以下几个方面，如图2所示：
图2 自由空间光通信的应用
自由空间光通信技术是在光纤通信和微波通信的基础上发展而来的，具体而言，其系统架构可以分为发射和接受两个部分，如下图3所示：
图3 光通信的架构
其中，发射机由振荡器和高频发射器构成。首先，高频发生器用来产生高频振荡，然后通过天线将电磁波发射出去。电磁波通过空间介质的传播达到接收天线，由接收天线通过共振的原理感应出相同频率的电流。[4]最后，由检波器将电流恢复到原始发射的信号。对于光通信而言，光通信中的射频发射器就相当于激光器。由于共振的作用，接收机和发射机天线的原理相同，但尺寸偏小。而在激光通信中电磁波作为通信的载体，这样一来受到外界的干扰就明显减少。
三、光纤激光器在通信中的应用研究
（一）光纤激光器的应用背景
在光通信中，光纤激光器以其较高的性价比和优良的性能，受到了广泛的应用。比如在军事、医疗、传感、工业和通信方面受到了很大的关注：
首先，关于军事方面；如今光纤激光器在军事方面的应用很广泛，比如美国的激光制导精确打击导弹就是一个例子。激光器在测距和定位方面所受到的外界干扰下，进而可以实现精确瞄准和精确打击。而光纤激光器以其体积小和携带方便，收到了各军事强国的青睐。
然后，关于医疗方面；[5]在医疗方面光纤激光器的应用就更为广泛，比如治疗癌症和切除肿瘤方面，激光以其强大的穿透性和杀伤性，得到了广泛的应用。但事物总有其相反的一面，在医疗中，激光如果应用不好或技术不成熟，就不能贸然使用。光纤激光器在医疗方面的广泛使用还有一个很重要的因素，在使用时不需冷却而且光束的质量好。
其次，关于传感方面；在传感方面，离我们最近的就是测量桥梁和道路的应变，这对于感知建筑的内在形变发挥着很重要的作用。因为激光可以穿透一定的建筑物本身而不会造成建筑物的破坏。就拿最近发生的桥梁坍塌事件来说，如果在事前可以调通激光器在进行测量并尽早弥补，就不会发生车毁桥塌的惨剧。
再次，关于工业方面；[6]在工业方面，光纤激光器也有着广泛的应用前景，比如精密打孔和金属加工方面都有所应用。就拿手机上面的凹槽来说，就是光纤激光器作用的结果。因为激光器由于其物理性质，可以实现精确传递和作用，这就为精密制造领域开辟了一个很强的应用前景。再如我国的歼20战机，就是光纤激光器应用的典范。
最后，关于通信方面；在通信方面，一直是光纤激光器应用的热点领域。光纤激光器之所以可以广泛应用于通信领域，是由于其可以实现更高速度的传输和更远距离的传递。更重要一点，1.30um和1.55um的波段上光纤激光器的损耗很小，而且可以产生ps-fs的超短光脉冲。所以，光纤激光器在光通信领域起着不可替代的作用。 （二）在通信中的应用
以下，就具体探讨光纤激光器在通信中的应用。正所谓，可以解决我们实际问题的应用和技术，才是可以不断发展经久不衰的。就目前情况而言，光纤激光器在通信中成功的应用主要有两个实例：解决宽带问题和推动有线电视事业发展。
1.针对宽带业务的增长，而发展出的掺镜石英光纤激光器
近些年，随着宽带的不断普及，其业务的负担不断增加。人们对于宽带的要求也不断提升，比如宽带从2M升级为4M等。正是由于这方面的需求才促使技术的不断发展，掺镜石英光纤激光器就是为解决宽带问题而产生的。从原理上讲，就是利用了L，S波段中1.21.7um部分。因为掺镜石英光纤激光器在这个波段上有着十分优良的性能，可以满足人们日益增长的宽带需求。
具体而言，掺镜石英光纤激光器的作用可以分为以下几个方面：首先，是高功率输出；这对于一直强调性噪比的通信行业，是一个有力的工具。因为掺镜石英光纤激光器在这个波段的误码率较低，一旦可以增加输出功率后，就可以大幅度的提高性噪比。提高性噪比就意味着信号的稳定和质量高。这对于宽带用户而言，就是网速的大幅度提升和上网质量的不断提高，可以增强用户的使用感。其次，可以保证所输出的信号可以高效的耦合到光纤中去。这涉及到一个信号的利用率，我们在保证信号质量的同时，也要高效的提高信号的利用率。
2.对我国中西部地区有线电视事业起到推动作用的掺镨光纤激光器
中西部地區一直是我国有线事业发展的瓶颈地区，其信号覆盖率关系到我国文化的发展和精神文明的建设。长久以来，中西部地区的电视信号，由于其地区环境等因素一直不能覆盖全面。近几年，掺镨光纤激光器的出现很好的解决了这个问题。
掺镨光纤放大器是以掺镨光纤作为增益介质，且工作在1300nm波长。而且由于已铺设的有线电视光纤网其零色散点在1.3um波长附近，且大多为G. 652光纤，所以采用掺镨光纤放大器调制的1310nm波长的模拟光信号比1550nm波长所传输的距离更远。由于其传输距离的提升，这就为掺镨光纤放大器的应用开辟了广阔的前景。比如掺镨光纤放大器系统就成为了CATV网络改造的首选方案等。
四、结语
光纤激光器作为第三代激光器的代表，在光纤通信中发挥着非常重要的作用。目前光纤激光器的开发研制正向多功能化、实用化方向发展。本文探讨了光纤激光器在通信方面的应用，希望我国在这方面的研究和发展不断取得进步。
参考文献：
[1]刘颂豪.光纤激光器的新进展[J]. 光电子技术与信息， 2003.
[2]王国政.光纤激光器的研究[D]. 长春光学精密机械学院， 2002.
[3]王海军.基于自由空间激光通信技术的视频传输系统[D]. 南京理工大学， 2004.
[4]何作兴. 空间光通信用半导体激光器[J]. 半导体光电， 2000.
[5]L.C.Andrews，R.L.Phillips. Free space optical communication link and atmospheric effects： single aperture and arrays[J]. Free-Space Laser Communication Technologies XVI， Proceedings of SPIE Vol. 5338.2004
[6]冯新焕， 袁树忠等. DBR掺镱光纤激光器激射波长的研究[J]. 光子学报， 2004.
【关键词】光通信 光纤激光器 概念 应用
一、绪论
1963年发明光纤激光器以来，技术的创新步伐从未停止。和激光器一样，光纤激光器也逐渐在改变人们的生活。随着光纤材料和二极管泵浦技术的不断进步，就使得光纤激光器的应用领域逐渐扩大，从光纤通信网络向激光应用领域延伸。发展到今天，光纤激光器在激光测距和激光医疗等方面，以其超高的性价比而受到广泛的应用。目前光纤激光器在光通信领域，越来越发挥着重要的作用，本文就对这方面来进行探究。
二、相关概念
（一）光纤激光器的原理及特点
从工作原理上来讲，光纤激光器可以分为单晶光纤激光器、光纤非线性效应激光器、塑料光纤激光器和稀土类掺杂光纤激光器四类。[1]其基本结构如下图1所示：
图1 光纤激光器的结构
如上图所示，光纤激光器是由泵浦源、腔镜、掺杂光纤和谐振腔四个部分组成。泵浦光进入光纤激光器后，激励光纤中的掺杂离子跃迁到高能态进而产生光子，从而通过谐振腔中振荡放大后形成激光输出。其中靠近泵浦一端的腔镜对信号激光的波长要求有较高反特性，而另外一个的腔镜则发挥着对腔内激光信号反馈的作用。
光纤激光器以其优良的性能，而受到广泛的关注。具体来讲，光纤激光器的特点可以分为以下几个方面：
第一，可以在高温和高震动等恶劣的条件下工作；
第二，由于光纤的工艺已经十分成熟，这就可以大大降低光纤激光器的成本，从而可以提高其性价比；
第三，光纤激光器的光束具有很强的稳定性和可靠性；[2]
第四，可以极大的提高光-光之间的转化效率，达到70%以上，这就创造了其进一步发展的条件。
第五，光纤激光器的体积小，便于携带。而且随着工艺的不断进步，光纤激光器的体积不断的减小，而且材质更安全和可靠。
（二）光通信的原理
关于光通信的可以追溯到古代的烽火通信，目的是将信息从一个地方传递到另一个地方，其历史是十分悠久的。[3]隨着科技的不断发展，光纤激光器在光通信中受到了越来越广泛的应用。光通信主要是指自由空间的光通信（Free Space Optical Communication），利用激光作为载体，将信息（包括图像和语音等）从一个地方传递到另一个地方，也可以称为无线激光通信（Wireless Optical Communication）。
从上述分析可知，光纤激光器以其优良的性格和可靠性，所以称为光通信的一个有力的手段。具体而言，光通信既具有光纤通信误码率底的优点，又有机动灵活的特点，所以其应用主要可以分为以下几个方面，如图2所示：
图2 自由空间光通信的应用
自由空间光通信技术是在光纤通信和微波通信的基础上发展而来的，具体而言，其系统架构可以分为发射和接受两个部分，如下图3所示：
图3 光通信的架构
其中，发射机由振荡器和高频发射器构成。首先，高频发生器用来产生高频振荡，然后通过天线将电磁波发射出去。电磁波通过空间介质的传播达到接收天线，由接收天线通过共振的原理感应出相同频率的电流。[4]最后，由检波器将电流恢复到原始发射的信号。对于光通信而言，光通信中的射频发射器就相当于激光器。由于共振的作用，接收机和发射机天线的原理相同，但尺寸偏小。而在激光通信中电磁波作为通信的载体，这样一来受到外界的干扰就明显减少。
三、光纤激光器在通信中的应用研究
（一）光纤激光器的应用背景
在光通信中，光纤激光器以其较高的性价比和优良的性能，受到了广泛的应用。比如在军事、医疗、传感、工业和通信方面受到了很大的关注：
首先，关于军事方面；如今光纤激光器在军事方面的应用很广泛，比如美国的激光制导精确打击导弹就是一个例子。激光器在测距和定位方面所受到的外界干扰下，进而可以实现精确瞄准和精确打击。而光纤激光器以其体积小和携带方便，收到了各军事强国的青睐。
然后，关于医疗方面；[5]在医疗方面光纤激光器的应用就更为广泛，比如治疗癌症和切除肿瘤方面，激光以其强大的穿透性和杀伤性，得到了广泛的应用。但事物总有其相反的一面，在医疗中，激光如果应用不好或技术不成熟，就不能贸然使用。光纤激光器在医疗方面的广泛使用还有一个很重要的因素，在使用时不需冷却而且光束的质量好。
其次，关于传感方面；在传感方面，离我们最近的就是测量桥梁和道路的应变，这对于感知建筑的内在形变发挥着很重要的作用。因为激光可以穿透一定的建筑物本身而不会造成建筑物的破坏。就拿最近发生的桥梁坍塌事件来说，如果在事前可以调通激光器在进行测量并尽早弥补，就不会发生车毁桥塌的惨剧。
再次，关于工业方面；[6]在工业方面，光纤激光器也有着广泛的应用前景，比如精密打孔和金属加工方面都有所应用。就拿手机上面的凹槽来说，就是光纤激光器作用的结果。因为激光器由于其物理性质，可以实现精确传递和作用，这就为精密制造领域开辟了一个很强的应用前景。再如我国的歼20战机，就是光纤激光器应用的典范。
最后，关于通信方面；在通信方面，一直是光纤激光器应用的热点领域。光纤激光器之所以可以广泛应用于通信领域，是由于其可以实现更高速度的传输和更远距离的传递。更重要一点，1.30um和1.55um的波段上光纤激光器的损耗很小，而且可以产生ps-fs的超短光脉冲。所以，光纤激光器在光通信领域起着不可替代的作用。 （二）在通信中的应用
以下，就具体探讨光纤激光器在通信中的应用。正所谓，可以解决我们实际问题的应用和技术，才是可以不断发展经久不衰的。就目前情况而言，光纤激光器在通信中成功的应用主要有两个实例：解决宽带问题和推动有线电视事业发展。
1.针对宽带业务的增长，而发展出的掺镜石英光纤激光器
近些年，随着宽带的不断普及，其业务的负担不断增加。人们对于宽带的要求也不断提升，比如宽带从2M升级为4M等。正是由于这方面的需求才促使技术的不断发展，掺镜石英光纤激光器就是为解决宽带问题而产生的。从原理上讲，就是利用了L，S波段中1.21.7um部分。因为掺镜石英光纤激光器在这个波段上有着十分优良的性能，可以满足人们日益增长的宽带需求。
具体而言，掺镜石英光纤激光器的作用可以分为以下几个方面：首先，是高功率输出；这对于一直强调性噪比的通信行业，是一个有力的工具。因为掺镜石英光纤激光器在这个波段的误码率较低，一旦可以增加输出功率后，就可以大幅度的提高性噪比。提高性噪比就意味着信号的稳定和质量高。这对于宽带用户而言，就是网速的大幅度提升和上网质量的不断提高，可以增强用户的使用感。其次，可以保证所输出的信号可以高效的耦合到光纤中去。这涉及到一个信号的利用率，我们在保证信号质量的同时，也要高效的提高信号的利用率。
2.对我国中西部地区有线电视事业起到推动作用的掺镨光纤激光器
中西部地區一直是我国有线事业发展的瓶颈地区，其信号覆盖率关系到我国文化的发展和精神文明的建设。长久以来，中西部地区的电视信号，由于其地区环境等因素一直不能覆盖全面。近几年，掺镨光纤激光器的出现很好的解决了这个问题。
掺镨光纤放大器是以掺镨光纤作为增益介质，且工作在1300nm波长。而且由于已铺设的有线电视光纤网其零色散点在1.3um波长附近，且大多为G. 652光纤，所以采用掺镨光纤放大器调制的1310nm波长的模拟光信号比1550nm波长所传输的距离更远。由于其传输距离的提升，这就为掺镨光纤放大器的应用开辟了广阔的前景。比如掺镨光纤放大器系统就成为了CATV网络改造的首选方案等。
四、结语
光纤激光器作为第三代激光器的代表，在光纤通信中发挥着非常重要的作用。目前光纤激光器的开发研制正向多功能化、实用化方向发展。本文探讨了光纤激光器在通信方面的应用，希望我国在这方面的研究和发展不断取得进步。
参考文献：
[1]刘颂豪.光纤激光器的新进展[J]. 光电子技术与信息， 2003.
[2]王国政.光纤激光器的研究[D]. 长春光学精密机械学院， 2002.
[3]王海军.基于自由空间激光通信技术的视频传输系统[D]. 南京理工大学， 2004.
[4]何作兴. 空间光通信用半导体激光器[J]. 半导体光电， 2000.
[5]L.C.Andrews，R.L.Phillips. Free space optical communication link and atmospheric effects： single aperture and arrays[J]. Free-Space Laser Communication Technologies XVI， Proceedings of SPIE Vol. 5338.2004
[6]冯新焕， 袁树忠等. DBR掺镱光纤激光器激射波长的研究[J]. 光子学报， 2004.