镱铒共掺硫族玻璃光波导放大器理论设计

摘要

近年来，随着互联网和数字通信业务等的飞速发展，掺铒光波导放大器(EDWA)需要更高的功率放大和更宽的带宽，来满足长距离和多通道大信息量的信号传输，全光通讯网络逐渐向个人及家庭用户普及，其中全光波导器件因为其小型化、集成化高和传输容量大等特点成为了近年来的研究热点。铒镱共掺光波导放大器(EYDWA)作为全光通信中一个重要的全光有源波导器件而备受重视。其中基体材料硫族玻璃，由于其超高的非线性折射率、超快的非线性响应、超低的双光子吸收和独特的光敏特性等品质，近年来受到了广泛的研究。
　　本文对镱铒共掺硫族玻璃光波导放大器进行了系统的理论分析，数值模拟以及相关参数优化。主要研究内容包括：⑴利用ansys软件高频电磁模块，通过建立二维波导的有限元模型，求解了矩形波导场的传播模式以及各模式的场分布。通过分析两种尺寸的波导的模场分布情况，确定了薄膜厚度为1μm的多模波导以及薄膜厚度为0.4μm的单模波导。⑵考虑到合作上转换，交叉弛豫，激发态吸收等上转换机制，建立了一套比较全面的镱铒共掺系统的八能级速率方程。根据信号光和泵浦光沿有源波导的功率变化，给出传输方程。⑶由于两种光波导几何尺寸不同，采用两种不同的激发方式进行模式激发。利用Fortran软件编程计算得到多模波导与光纤的耦合效率以及各模式的激发系数和信号光和泵浦光的归一化光强。⑷利用镱铒共掺系统的速率方程，有限元场分布，传输方程，采用Runge-Kutta迭代技术求解了YEDAWA增益，并分析了其偏振特性。⑸对两种波导放大器参数进行了优化，通过origin数据作图，分析了合作上转换、激发态吸收、镱铒浓度比对反转粒子数的影响，以及信号光功率，泵浦光功率，掺杂浓度，波导长度和增益的关系。⑹通过计算YEDAWA的增益情况，考虑合作上转换(CUC)、交叉弛豫(CR)和激发态吸收(ESA)时，多模波导放大器2.8dB/cm的增益以及单模波导放大器2.4dB/cm的增益。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 镱铒共掺硫族玻璃光波导放大器简介

1．1．1 镱铒离子能级结构

1．1．2 硫族玻璃材料特性

1．1．3 镱铒共掺光放大器工作原理

1．2 硫族玻璃光波导制备

1．3 国内外发展现状

1．4 本论文的主要内容

2 基本理论

2．1 镱铒共掺光放大器系统基本理论

2．1．1 镱铒系统速率方程

2．1．2 能级转换效应

2．1．3 光波导传输理论

2．2 耦合理论

2．2．1 几种耦合方法介绍

2．2．2 光纤-波导直接耦合理论

2．3 有限元分析理论

2．3．1 插值函数与基函数

2．3．2 有限元方法的应用流程

2．3．3 网格划分

3 建模及结果分析

3．1 波导放大器的结构的选择

3．1．1 多模波导的模场比较

3．2 光纤-波导耦合效率

3．2．1 单模光纤的场分布

3．2．1 横向偏移对耦合效率的影响

3．2．2 芯径对耦合效率的影响

4 增益计算以及参量优化

4．1 增益计算

4．2 反转粒子数的影响因素

4．2．1 镱铒浓度对反转粒子数的影响

4．2．2 合作上转换对反转粒子数的影响

4．2．3 能级寿命对反转粒子数影响

4．3 参量优化

4．3．1 信号光功率随光波导长度对镱铒共掺波导放大器增益的影响

4．3．2 不同镱铒浓度比，增益与泵浦功率的关系

4．3．3 不同泵浦功率下，波导增益长度与放大器关系

4．3．4 放大器偏振特性

4．3．5 合作上转换对增益的影响

4．3．6 激发态吸收对增益的影响

5 单模波导放大器的设计

5．1 单模波导结构设计

5．2 增益计算结果

5．3 影响单模光波导放大器增益的因素

5．3．1 信号光功率随光波导长度对镱铒共掺波导放大器增益的影响

5．3．2 不同镱铒浓度比，增益与泵浦功率的关系

5．3．3 不同泵浦功率下，波导增益长度的与放大器关系

5．3．4 放大器偏振特性

5．3．5 合作上转换对增益的影响

5．3．6 激发态吸收(ESA)对增益的影响

总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢