高功率Er3+/Yb3+共掺光纤放大器研究

摘要

近年来，光纤通信事业的快速发展，对光纤放大器的性能提出了更高的要求。随着光纤通信技术对放大器日益增加的功率需求，铒/镱共掺双包层光纤放大器以其在1550nm光通信波段的高饱和输出功率特性，而受到人们越来越多的关注。本文根据铒/镱共掺光纤特性，双包层光纤的结构特点，利用包层泵浦耦合技术，从理论和实验两方面对高功率光纤放大器进行了研究，主要工作如下:
　　首先，分析了铒/镱共掺光纤中Yb3+离子的掺杂作用，以及双包层光纤结构对包层泵浦吸收效率的影响;分析了Er3+/Yb3+共掺能级系统的能级跃迁及速率方程和功率传输方程组。根据龙格库塔法则分析了双包层光纤放大器的输出信号功率、增益随光纤长度、输入泵浦功率以及输入信号光功率的关系。
　　其次，基于光学设计软件OptiSystem对铒/镱共掺光纤放大器各参数进行了仿真优化。研究了不同抽运光、信号光输入对应的放大器放大特性，并对有源光纤长度、包层大小、稀土离子掺杂浓度等参数对放大器输出性能所产生的影响进行了分析。通过搭建前向、后向、双向泵浦方式的仿真模型，研究了铒/镱共掺光纤放大器的增益谱和噪声特性。对比分析了双级结构和单级结构铒/镱共掺光纤放大器的放大特性。
　　最后，根据铒/镱共掺光纤放大器各参数优化结果，搭建了前向抽运的铒镱共掺双包层光纤放大器。在信号功率0dBm，EDFA饱和输出功率23dBm，Er3+/Yb3+共掺双包层光纤长度为5m，多模泵浦激光器的输出功率20.44W的条件下，获得了37.12dBm(5.15W)的输出功率，斜率效率为25.19％。实验研究了光纤放大系统的ASE谱特性，以及在不同的抽运功率、不同功率输入信号光情况下，放大输出性能的变化，并分析了不同泵浦方式对放大器性能的影响。分析了试验中观察到的绿光现象、1060nm波段荧光现象以及自激振荡现象。并总结了高功率光纤放大器制作的关键技术。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 光纤放大器的分类

1．2．1 非线性光纤放大器

1．2．2 掺杂光纤放大器

1．3 铒／镱共掺光纤放大器的发展及研究现状

1．4 高功率光纤放大器的应用前景

1．5 本论文的主要内容

2 双包层光纤放大器的理论分析

2．1 铒／镱共掺特性分析

2．2 双包层光纤技术

2．2．1 双包层光纤结构

2．2．2 双包层光纤内包层形状对泵浦光吸收效率的影响

2．3 铒／镱共掺光纤放大器的理论分析

2．3．1 铒／镱共掺系统的能级结构

2．3．2 铒／镱共掺系统速率方程的理论分析

2．3．3 信号光和泵浦光功率传输方程的理论分析

2．4 双包层光纤放大器的数值计算及分析

2．4．1 掺杂光纤的特性参数

2．4．2 光纤放大器主要性能指标

2．4．3 铒／镱共掺系统的数值计算

2．5 双包层光纤泵浦耦合技术

2．5．1 端面抽运耦合技术

2．5．2 侧面抽运耦合技术

2．6 本章总结

3 铒／镱共掺光纤放大器的仿真优化

3．1 铒／镱共掺光纤放大器的仿真结构优化

3．2 铒／镱共掺光纤放大器各参数对放大器性能的影响

3．2．1 输出性能与输入抽运光功率的关系

3．2．2 输出性能与输入信号光功率的关系

3．2．3 输出性能与光纤长度的关系

3．2．4 包层大小对输出性能的影响

3．2．5 铒／镱掺杂浓度对输出性能的影响

3．2．6 光纤放大器的增益谱和噪声特性

3．3 不同泵浦方式下光纤放大器的性能比较

3．4 单级和双级光纤放大器的对比分析

3．5 本章总结

4 高功率光纤放大器的实验研究

4．1 光纤放大器实验方案设计与搭建

4．2 高功率光纤放大器的性能测试与分析

4．2．1 光纤放大器ASE谱测试

4．2．2 放大器输出功率测试

4．2．3 放大器性能与泵浦功率关系测试

4．2．4 放大器性能与信号功率关系测试

4．2．5 不同泵浦方式放大器输出性能测试

4．3 实验中的现象

4．3．1 绿光现象

4．3．2 1060nm波段荧光现象

4．3．3 ASE光自激振荡现象

4．4 高功率光纤放大器制作关键技术

4．5 本章总结

5 结论

5．1 论文主要内容

5．2 存在的问题及下一步工作

参考文献

作者简历

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