基于W型光纤的S波段光纤放大器和宽带光源的理论与实验研究

摘要

伴随因特网爆炸性发展引起的数据通信量的剧增,使现代光通信产业面临严峻挑战,光纤通信系统的容量迫切需要提高。增加通信容量的有效手段之一是开辟新的通信波段-S波段,S波段有源器件的研制越来越引起人们的注意。W型光纤其低折射率内包层使光纤具有长波长基模截止的特性,可以用来抑制掺铒光纤的C波段自发辐射峰,使增益谱向短波段移动,从而得到S波段的增益。在国家自然科学基金项目“Er/Yb共掺W型光纤及S波段光子器件研究”(60677014)支持下,本论文主要在以下三个方面进行了研究:
　　 1.W型光纤传输理论、优化设计及制作工艺的研究
　　 从麦克斯韦方程组出发,通过数值计算的方法求解W型光纤的特征方程,研究了W型光纤的长波长基模截止特性；W型光纤内包层凹陷的宽度和深度对基模截止特性的影响,并进行W型光纤的优化设计。
　　 用基于有限元算法的ComsolMultiphysics软件,对横截面折射率分布较复杂的W型光纤建立模型,分别计算了W型光纤中基模有效折射率、导模传播常数、模场分布。
　　 在理论模拟结果的指导下,采用MCVD工艺结合溶液掺杂技术,优化沉积温度、掺杂浓度等条件,制作出CN-09-WS光纤样品,并用于S波段光纤放大器和宽带光源的实验研究。
　　 2.基于W型光纤S波段掺铒光纤放大器的理论研究
　　 从速率方程和传输方程出发,建立了S波段EDFA物理模型。用全矢量有限元法计算W型掺铒光纤的重叠因子以及弯曲损耗,进而采用龙哥库塔法计算沿着掺铒光纤的场演化。
　　 分别研究了由光纤弯曲导致的光纤横截面模场分布的改变和弯曲损耗对放大器性能的影响。横截面模场分布的改变对放大器增益特性的影响可以忽略,但宏弯损耗可以有效改变放大器的增益带宽。
　　 3.基于W型光纤S波段掺铒光纤放大器和宽带光源的实验研究
　　 在对W型光纤荧光光谱随弯曲半径变化研究的基础上,用S波段可调谐激光器作为信号源,对S波段放大器进行了实验研究。优化设计并比较了单级、两级级联放大器的结构。两级部分双程结构放大器可以获得最大增益,在1496nm～1513nm范围内,信号光功率为-30dBm条件下,第二级放大单元的泵浦功率为300mW时,放大器的增益系数大于30dB,噪声系数5.9～8dB。并在1500nm处获得最大增益33dB,噪声系数～5.9dB。
　　 研究了双程后向结构S波段宽带光源,最大输出功率达10mW,光谱3dB带宽17nm。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 光纤通信发展现状

第二节 S波段光纤放大器研究进展

1.2.1 半导体光放大器(SOA)

1.2.2 光纤拉曼放大器(FRA)

1.2.3 增益位移掺铥光纤放大器(GS-TDFA)

1.2.4 掺铒光纤放大器(EDFA)

第三节 本论文的主要研究内容

第二章 W型光纤传输理论、优化设计及制作工艺

第一节 W型光纤的传输理论研究

2.1.1 W型光纤的特征方程

2.1.2 W型光纤的基模截止特性

第二节 有限元法建立W型光纤理论模型

2.2.1 全矢量有限元法(FEM)

2.2.2 PML(Perfectly Matched Layers)边界条件

2.2.3 FEM法求解W型光纤的有效折射率、导模传播常数、模场分布

第三节 W型光纤的研制

2.3.1 W光纤的研制总体方案

2.3.2 关键技术的突破

2.3.3 W型掺铒光纤性能分析

第四节 本章小结

第三章 基于W型光纤S波段的EDFA理论研究

第一节 S波段EDFA理论模型

3.1.1 EDFA的功率传输方程

3.1.2 EDFA的小信号增益和噪声指数

第二节 重叠因子的计算

3.2.1 重叠因子的计算

3.2.2 不同光纤参数下重叠因子的比较

第三节 弯曲损耗的计算

第四节 S波段放大器理论模拟结果分析

3.4.1 S波段EDFA小信号放大特性分析

3.4.2 弯曲对EDFA放大特性的影响

第五节 本章小结

第四章 基于W型光纤S波段EDFA的实验研究

第一节 S波段光纤放大器中光纤圈形状的确定

第二节 单级S波段光纤放大器的实验研究

4.2.1 单级单程结构EDFA

4.2.2 单级双程结构EDFA

第三节 两级部分双程结构S波段光纤放大器的实验研究

第四节 本章小结

第五章 基于W型光纤S波段宽带光源的实验研究

第六章 总结

参考文献

致谢

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