離子交換鉺鐿共摻玻璃光波導(dǎo)放大器的實(shí)驗(yàn)與理論研究.pdf

1、近年來,隨著互聯(lián)網(wǎng)以及數(shù)字通信業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展,全光通訊網(wǎng)絡(luò)逐漸向個(gè)人及家庭用戶普及,具有小型化、高度集成化和大通訊傳輸容量的全光波導(dǎo)器件成為研究熱點(diǎn)。鉺鐿共摻玻璃光波導(dǎo)放大器(Erbium-Ytterbium doped waveguide amplifier,EYDWA)作為通訊網(wǎng)絡(luò)中一種重要的全光有源波導(dǎo)器件也備受重視。本文從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面,全面研究EYDWA的制作工藝、系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)對其工作特性的影響。
　　 實(shí)驗(yàn)上,以

2、二次離子交換工藝在同一塊鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃襯底上制作一組不同掩膜開窗寬度的埋入式條波導(dǎo),測量了各條波導(dǎo)的模式、無源損耗及增益噪聲特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在各條波導(dǎo)中,即使C波段的信號光保持單模傳輸,波導(dǎo)中的980-nm波長泵浦光始終會(huì)保持多模傳輸。在雙向泵浦的單程光路結(jié)構(gòu)下,由于不同掩膜開窗寬度條波導(dǎo)截面上信號光和泵浦光重疊程度不同,其對應(yīng)的EYDWA增益也隨之顯著變化。波導(dǎo)中泵浦光高階導(dǎo)模的出現(xiàn)有利于提高信號光和泵浦光重疊程度,從而優(yōu)化放

3、大器的增益特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中不同。EYDWA的增益最大值也恰好出現(xiàn)在泵浦光導(dǎo)模數(shù)量階躍上升的區(qū)域。此外,對于同一波導(dǎo)構(gòu)成的EYDWA,在總泵浦功率歸一化的條件下,實(shí)驗(yàn)研究了不同光路結(jié)構(gòu)對EYDWA系統(tǒng)增益、噪聲特性的影響。在單程光路結(jié)構(gòu)中,雙向等功率泵浦形式相比單向前泵浦或后泵浦,凈增益有顯著提高；而單前向泵浦相比單后向泵浦形式,雖然增益沒有顯著差異,但噪聲指數(shù)有大幅度的改善。雙程光路結(jié)構(gòu)相比單程光路結(jié)構(gòu),增益(以dB為單位)提高了約10

4、0％,而噪聲指數(shù)(以dB為單位)只有約50％的劣化。
　　 在理論上,建立了離子交換機(jī)制、波導(dǎo)模式理論和激光放大原理相結(jié)合的理論模型,用于分析基于離子交換工藝EYDWA特性。首先根據(jù)離子擴(kuò)散方程和離子交換工藝參數(shù)模擬出波導(dǎo)截面的二維漸變折射率分布；其次利用全矢量有限差分法求解二維漸變折射率波導(dǎo)截面的全矢量波動(dòng)方程,得到泵浦、信號光各個(gè)本征導(dǎo)模的二維模場分布；之后按照電磁波的本征模式展開理論,模擬與光纖端面耦合條件下波導(dǎo)截面上的二

5、維光強(qiáng)分布；最后將獲得的信號光和泵浦光光強(qiáng)分布以及襯底的有源特性參數(shù)應(yīng)用于光放大的速率傳輸方程模型,求解得到信號光在EYDWA中的傳輸、放大特性。根據(jù)這一模型,可以模擬、優(yōu)化不同離子交換工藝參數(shù)、光路結(jié)構(gòu)配置下EYDWA系統(tǒng)的增益、噪聲特性。
　　 本文的研究有如下貢獻(xiàn):
　　 利用全矢量有限差分法,求解具有二維漸變折射率波導(dǎo)的模式本征方程,模擬離子交換工藝制作的波導(dǎo)截面上信號光和泵浦光各個(gè)本征導(dǎo)模的模場分布,研究了導(dǎo)模

6、的多模特性和混合模特性。同時(shí),首次提出結(jié)合離子交換機(jī)制、波導(dǎo)模式理論和激光放大原理的理論模型,用于較為精確地分析基于離子交換工藝EYDWA的光放大特性。
　　 實(shí)驗(yàn)上和理論上均證實(shí)了鉺鐿共摻玻璃光波導(dǎo)截面上信號光和泵浦光光強(qiáng)重疊程度的改善可以顯著優(yōu)化EYDWA的增益特性。波導(dǎo)中泵浦光的多模傳輸特性有利于提高信號光和泵浦光光強(qiáng)重疊程度,增加EYDWA的增益；而信號光高階模的出現(xiàn)反而會(huì)減小信號光和泵浦光光強(qiáng)重疊程度,降低EYDWA的

7、增益。以此為依據(jù),在EYDWA理論中引入歸一化的信號光和泵浦光光強(qiáng)重疊因子,并提出EYDWA模型的修正簡化方法。在忽略鉺離子部分能級效應(yīng)條件下,分析、討論了EYDWA非簡化模型、修正簡化和傳統(tǒng)簡化方法模擬得到的增益特性,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。結(jié)果表明,修正簡化方法明確、豐富了多模特性EYDWA理論的物理圖像,完整、合理地解釋了離子交換工藝EYDWA的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,同時(shí)能夠簡單、快速地進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算。
　　 系統(tǒng)地研究了在總泵浦功率歸