低噪声、高增益、高平坦度掺铒光纤放大器的分析与实验研究

摘要

该论文本着科技创新、服务于生产实践的精神,以设计价格低廉,性能优越、结构合理简单的L-band EDFA为目标,依托浙江省科技厅重大科学基金资助项目(001101027)和浙江大学振兴教育计划资助的全光网络的搭建-《光通信技术》课程实验建设项目,展开了如下工作:首先,介绍了掺铒光纤放大器的工作原理,归纳总结了基于速率方程基础的EDFA的各种理论模型,分析比较了各个模型的特点和适用场合,最终选择完善的Giles理论模型作为该论文分析设计EDFA的理论基础;针对实际实验条件提出了修正的EDFA模型的数值计算方法;创新地提出了增益-噪声系数全局分析法,直观有效地分析了EDFA的增益和噪声系数与掺铒光纤长度和泵浦功率的依赖关系,并对各种EDFA的性能作了全面的比较;第二,介绍了掺铒光纤放大器特性参数的定义与测量方法,重点介绍了噪声系数和增益系数的测量方法及实验装置;介绍了组成掺铒光纤放大器各组件的特性测量方法,重点介绍了测量掺铒光纤(EDF)参数的方法和实验装置;第三,针对WDM系统对L-band EDFA谱平坦、低噪声、高增益的要求,我们创新地提出了四种不同的L-band EDFA结构,按设计思路可以分为两大类:一类是基于单抽运二级泵浦法,这一类包括(a)在未泵浦掺铒光纤的输入端插入一根布拉格光纤光栅的两段L-band的EDFA的新结构;(b)基于前向ASE光作为二级泵浦源推动下一级EDF工作的泵浦分配、两段级联L-band的EDFA的新结构;(c)基于单根光纤光栅、泵浦分配、两段级联的EDFA;另一类则是基于同时应用前后向C-band ASE作二级泵浦源的双抽运法,如(d)基于前后向ASE光作为二级泵浦源的三段级联L-band的EDFA的新结构.文中从理论上系统分析设计了结构参数对各种EDFA性能的影响,最后通过实验验证;第四,针对波分复用系统要求EDFA必须具备增益锁定功能,提出采用单根光纤光栅的方法来箝制L-band EDFA的增益.基于考虑自发辐射噪声(ASE)的Giles模型,建立了这种EDFA的全光增益箝制理论模型;理论和实验分析了四种可能的光路结构、泵浦波长、光纤光栅反射波长和反射率、泵浦功率以及掺铒光纤长度等参量对其箝制特性的影响.最后给出一组使EDFA在箝制增益的同时可以保持增益谱平坦的最佳结构和放大器参量;最后,初步介绍了光纤的非线性效应的产生机理及其对光通信系统的影响;实验研究了应用EDFA测量布里渊散射阈值的实验装置与方法.总之,该论文围绕光纤通信领域的国际热点问题,从理论和实验上研究了高增益、低噪声、谱平坦的掺铒光纤放大器的实现,关于EDFA的特性的研究成果,我们相信能对科研生产起一定的指导作用.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1.光纤通信技术概述

1.2.掺铒光纤放大器的发展现状及趋势

1.2.1.EDFA的应用

1.2.2.EDFA亟待解决的问题

1.3.本论文研究内容、主要工作及创新点

1.3.1.本论文的研究内容

1.3.2.作者的主要工作

1.3.3.本论文的创新点

参考文献

第二章掺铒光纤放大器基本理论

2.1.EDFA的基本工作原理

2.2.EDFA的理论模型

2.2.1.掺铒光纤放大器的速率方程

2.2.2.EDFA的功率传输方程

2.2.3.简化的理论模型

2.3.数值模拟方法

2.4.针对实验条件对数值模拟的修正

2.5.EDFA的基本特性的全局分析

2.5.1.EDFA的基本性能

2.5.2.各种泵浦方式下的EDFA性能的比较分析

2.5.3.各种泵浦方式下的噪声谱

2.6.小结

参考文献

第三章L-band EDFA的基本参数测量

3.1.掺铒光纤放大器特性参数的定义与测量方法

3.2.组成EDFA的各种光器件的特性测量

3.3.小结

参考文献

第四章低噪声、高增益、高平坦度EDFA的优化设计和实验研究

4.1.引言

4.2.低噪声、高增益、高平坦EDFA的优化设计

4.2.1.泵浦波长的选择

4.2.2.在未泵浦EDF的输入端插入一根FBG的两段L-band的EDFA

4.2.3.泵浦功率分配、前向ASE光推动下一级工作的两段L-band的EDFA

4.2.4.基于单根光纤光栅、泵浦分配、两段级联的L-band EDFA

4.2.5.基于前后向ASE光作为二级泵浦源的三段级联L-band的EDFA

4.3.小结

参考文献

第五章单根光栅箝制的L-band EDFA的理论与实验研究

5.1.引言

5.2.单根光栅全光增益箝制EDFA的结构与理论模型

5.3.数值模拟与结果分析

5.3.1.泵浦波长、光路结构对箝制深度的影响

5.3.2.光纤光栅的布拉格波长对筘制深度的影响

5.3.3.光纤光栅反射率对箝制深度的影响

5.3.4.EDF长度、泵浦光功率对箝制深度的影响

5.3.5.多信道输入时增益与信号光功率的关系

5.4.部分实验验证

5.5.结论

参考文献

第六章EDFA在非线性测量中的应用

6.1.光纤的非线性效应对光通信系统的影响

6.2.光纤中的几种非线性效应的产生机理

6.2.1.受激拉曼散射(SRS)

6.2.2.受激布里渊散射(SBS)

6.2.3.自相位调制(SPM)

6.2.4.交叉相位调制(XPM)

6.2.5.四波混频(FWM)

6.3.光纤布里渊阈值的测量

6.4.小结

参考文献

第七章结束语

个人简历和攻读博士学位期间发表论文及专利情况

个人简历

攻读博士学位期间发表和录用的学术论文：

攻读博士学位期间申请的专利：

致谢