稀土摻雜光纖放大器中光放大研究.pdf

1、因特網(wǎng)等新興通訊方式正改變著世界的每一個(gè)角落，也對(duì)光纖通訊系統(tǒng)的性能提出了越來越高的要求，摻Er<'3+>光纖放大器(EDFA)、C波段(1530nm-1560nm)密集波分復(fù)用系統(tǒng)(DWDM)的成熟應(yīng)用極大的拓展了光纖通訊系統(tǒng)的傳輸容量。目前，全波光纖(又稱無水峰光纖)已研制成功，因此研制能工作在EDFA放大窗口以外的光纖放大器，尤其是S波段(1450nm-1480nm)、S+波段(1480nm-1510nm)具有十分重要的意義和緊迫

2、性，也使對(duì)光纖放大器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、尋找新的泵浦方式、拓展放大器帶寬，研制能工作在新的傳輸窗口的放大器成為研究的熱點(diǎn)。 光纖通訊的飛速發(fā)展使工作在1500nm波段的光纖器件性能大大提高，價(jià)格大大降低，這也為工作在這一波段的光纖傳感器件與系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，Er<'3+>的輻射譜覆蓋了1520-1610nm區(qū)域，因此低成本的摻Er<'3+>光纖(EDF)的放大自發(fā)輻射(ASE)光源以功率高、波長覆蓋范圍廣、無偏振等優(yōu)點(diǎn)特別適合用于150

3、0nm波段光纖傳感系統(tǒng)，尤其是作為一些氣體傳感系統(tǒng)的光源。 因此，研究稀土摻雜光纖中的光的發(fā)射與放大過程對(duì)提高光纖放大器和光纖傳感系統(tǒng)的性能有十分重要的意義。 本論文詳細(xì)給出了Er<'3+>、Tm<'3+>、Yb<'3+>等稀土離子的光譜特性，在仔細(xì)研究這些光譜特性的基礎(chǔ)上，提出了Tm<'3+>、Yb<'3+>共摻諧振腔增強(qiáng)型S波段光纖放大器，以數(shù)率方程與傳輸方程為工具，考慮到稀土離子問的能量轉(zhuǎn)移因素，建立了它的

4、理論模型。并研究了Yb<'3+>對(duì)Tm<,3+>的敏化特性，Er<'3+>、Tm<'3+>共摻S+C波段光纖放大器的特性。主要研究內(nèi)容如下： 一、論文開創(chuàng)性的提出了諧振腔增強(qiáng)型光纖放大器。 如果A稀土離子的發(fā)射光譜與B稀土離子的吸收光譜相重疊，通過A、B兩種稀土離子在光纖中共摻，并構(gòu)建諧振波長在重疊區(qū)域內(nèi)任意波長的諧振腔，A離子與諧振腔組成一個(gè)特定波長的光纖激光器，當(dāng)A離子受到泵浦時(shí)，諧振腔內(nèi)將產(chǎn)生適合泵浦B離子的激

5、光，通過這種結(jié)構(gòu)可以將容易得到可用于泵浦A離子的泵浦光轉(zhuǎn)化成能泵浦放大器工作物質(zhì)，即乙離子所需的泵浦光。 以S波段摻銩(Tm<'3+>)氟化物光纖放大器(TDFA)為例，在摻銩光纖(TDF)中共摻入釔(Yb<'3+>)，并構(gòu)建1040nm-1070nm范圍內(nèi)任一波長的諧振腔，利用低成本的980nm半導(dǎo)體二極管(LD)的泵浦，Yb<'3+>在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生適合泵浦Tm<'3+>的激光，諧振腔內(nèi)的激光成為TDFA的泵浦源，從而實(shí)現(xiàn)S

6、波段的信號(hào)放大。我們建立了諧振腔增強(qiáng)型Tm<'3+>、Yb<'3+>共摻S波段光纖放大器的理論模型，通過它的數(shù)值解我們研究了信號(hào)增益與諧振腔長度的關(guān)系，增益譜與泵浦功率的關(guān)系，增益譜與Tm<'3+>濃度的關(guān)系，各波長信號(hào)的增益與諧振腔反射率的關(guān)系，諧振腔的諧振波長對(duì)增益的影響，對(duì)比了諧振腔增強(qiáng)型放大器與分離型放大器的增益、噪聲特性，并探討了諧振腔的實(shí)際制作方法以及Tm<'3+>、Yb<'3+>共摻光纖制作的可行性。通過理論分析我們得出：

7、采用0.3W 980nm LD泵浦，1000ppm Tm<'3+>與600ppm Yb<'3+>共摻氟化物光纖構(gòu)建1050nm諧振腔后，在1450-1480nm范圍內(nèi)可以取得增益高于20dB，噪聲特性在5dB左右，這項(xiàng)設(shè)計(jì)將為TDFA取得實(shí)際應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 利用諧振腔增強(qiáng)的辦法還可以將單波長泵浦轉(zhuǎn)變成雙波長泵浦，以釹(Nd<'3+>)、銩(Tm<'3+>)共摻光纖放大器為例，在光纖中構(gòu)建了1064nnq諧振腔后，采用80

8、0nm LD泵浦，諧振腔與Nd<'3+>在800nm泵浦下將產(chǎn)生1064nm激光，同時(shí)800nm又是Tm<'3+>基態(tài)吸收的有效泵浦光，1064nm是Tm<'3+>激發(fā)態(tài)吸收的有效泵浦光，800nm與1064nm一道組成了Tm<'3+>的雙波長泵浦，這將是我們下一步研究的課題之一。 這種設(shè)計(jì)思想不僅可以用于Tm<'3+>、Yb<'3+>，Tm<'3+>、Nd<'3+>光纖放大器，還可以用于其它共摻稀土離子；不僅可以應(yīng)用于光

9、纖放大器，還可用于光纖激光器，不僅可以應(yīng)用于光纖材料，而且可以拓展到波導(dǎo)及其他材料的放大器與激光器。 二、本論文首次建立了Tm<'3+>、yb<'3+>共摻光纖放大器的理論模型 Yb<'3+>的基態(tài)吸收<'2>2F<,7/2>→<'2>F<,5/2>在980nm波段有大的吸收截面，而沒有激發(fā)態(tài)吸收，它非常成功地被用來敏化Er<'3+>。Tm<'3+>、Yb<'3+>之間的能量轉(zhuǎn)移過程使Yb<'3+>有可能作為

10、Tm<'3+>的敏化劑，考慮到這一因素，我們建立了Tm<'3+>、Yb<'3+>共摻光纖放大器的理論模型，通過這個(gè)模型我們得出：在3000ppm Tm<'3+>與15000ppm Yb<'3+>共摻石英光纖中，采用1W 1064nm上轉(zhuǎn)換泵浦Tm<'3+>和0.4W 980nm泵浦Yb<'3+>，Tm<'3+>、Yb<'3+>之間的能量轉(zhuǎn)移過程對(duì)1470nm處的增益將有2dB的改善。我們還利用這個(gè)模型研究了增益譜和光纖長度、泵浦光功率、

11、Yb<'3+>和Tm<'3+>的摻雜濃度的關(guān)系，研究了摻雜濃度、泵浦功率等因素對(duì)敏化效果的影響，并討論了能量轉(zhuǎn)移因子的大小對(duì)敏化效果的影響。三、本論文首次建立了Er<'3+>、Tm<'3+>共摻放大器的理論模型 Er<'3+>的<'4><,13/2>→<'4>I<,11/2>躍遷與Tm<'3+>的<'3+>H<,4>→<'3+>F<,4>躍遷在1450nm-1560nm有良好的互補(bǔ)性，800nm又可成為兩離子共同的泵浦光，因此E

12、r<'3+>、Tm<'3+>共摻光纖材料有望成為S+C寬帶光纖放大器的工作物質(zhì)。然而，Er<'3+>的<'4>I<,11/2>→<'4>I<,13/2>吸收位于1490nm附近，Tm<'3+>的<'3>H<,6>→<'3>H5躍遷在1560nm附近已開始有吸收，Er3<'3+>在800nm波段又存在激發(fā)態(tài)吸收<'4>I<,13/2>→<'2>H<,ll/2>，因此我們綜合考慮了這些因素，建立了Er<'3>、Tm<'3+>共摻光纖放大器的

13、理論模型，并通過模型的數(shù)值解研究了增益譜與Er<'3+>濃度的關(guān)系，對(duì)光纖長度進(jìn)行了最佳化，對(duì)比了800nm(0.15W)+1410nm(O.3w)與800nm(O.15W)+1050nm (O.3W)兩種泵浦方式下的增益譜，并討論了我們的模型與其它相關(guān)模型及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比情況。通過理論分析我們得出采用800nm(0.3W)+1410nm(0.15w)雙波長泵浦在2000ppm Tm<'3+>和600ppm Er<'3+>氟化物ZBLA

14、N光纖中，在1450nm-1560nm范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)高于20dB的增益。 四、建立了1400nm+1560nm雙波長泵浦的TDFA的理論模型 隨著半導(dǎo)體激光器技術(shù)的進(jìn)展，1400nm波段和1560nm波段的二極管激光器(LD)已被研制出來，盡管它們成本高、輸出功率小，但它們有望成為商用化TDFA的潛在泵浦源，1400nm+1560nm雙波長泵浦的另外的優(yōu)勢(shì)在于它可以通過控制1560nm泵浦的功率來實(shí)現(xiàn)增益位移，而且

15、它有較高的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)，因此，我們建立了1400nm+1560nm雙波長泵浦的理論模型，并用此模型研究了增益譜和泵浦功率、光纖長度的關(guān)系，用粒子反轉(zhuǎn)數(shù)比率解釋了TDFA的增益位移特性。 五、EDF的ASE譜的特性 EDF的ASE位于1500nm波段，它以功率高、無偏振等優(yōu)點(diǎn)在光纖傳感方面有著重要的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)上研究了EDF的ASE輸出特性與泵浦功率及泵浦波長的關(guān)系，并分別探討了在光纖的正向端面和反向端面加反射