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高增益铒镱共掺磷酸盐光纤放大器的研究和制作

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目录

文摘

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声明

第一章绪论

第一节光纤通信发展的历史与未来

第二节光放大器简介

第三节掺铒光纤放大器

1.3.1掺铒光纤放大器概述

1.3.2掺铒光纤放大器的发展历程

第四节本文主要研究内容

第二章Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃的光学性质

第一节Er3+和Yb3+的能级结构

第二节Er3+/Yb3+双掺的优势

第三节基质对Er3+/Yb3+共掺材料的影响

第四节Er3+/Yb3+高掺杂磷酸盐玻璃离子间相互作用

2.4.1激发态吸收(ESA,Excited State Absorption)

2.4.2共协上转换(CUC,Cooperative Up-Conversion)

2.4.3交叉弛豫(CR,Cross Relaxation)

2.4.4 Yb3+的敏化作用(Sensitization ofYb3+)

第五节1.5μm波段的吸收截面和发射截面

第三章高增益Er3+/Yb3+共掺光纤放大器的理论研究

第一节高掺杂下Er3+/Yb3+共掺系统的速率方程

第二节FD-BPM在分析光纤光束传输中的应用

3.2.1 BPM算法发展概述

3.2.2基本光束传播法方程

3.2.3有限差分(finite difference)的引入

3.2.4透明边界条件(TBC,Transparent Boundary Condition)

3.2.5有效折射率的计算

第三节数值计算与结果讨论

3.3.1初始条件的确定

3.3.2数值模拟结果讨论

第四节本章小结

第四章Er3+/Yb3+共掺光纤放大器的制作与实验研究

第一节高增益光纤的制作

4.1.1预制棒的制作

4.1.2光纤的拉制

第二节Er3+/Yb3+共掺磷酸盐光纤放大器的实验研究

4.2.1 Er3+/Yb3+共掺光纤的放大自发辐射

4.2.2 Er3+/Yb3+共掺磷酸盐光纤放大器的噪声系数

4.2.3 EDFA实验装置

4.2.4 Er3+/Yb3+共掺光纤放大器的增益和噪声

第三节本章小结

第五章总结与展望

参考文献

致谢

个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果

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摘要

掺铒光纤放大器(EDFA)是实现全光通信网的关键性器件。传统的EDFA由于泵浦效率低,所用掺杂硅酸盐光纤长度都在几米到几十米间,在小型化、集成化上缺陷明显。为了得到厘米量级的EDFA,Er<'3+>掺杂浓度必须足够高,但当Er<'3+>浓度超过10<'25>ions/m<'3>时就会因为严重的离子间相互作用而导致浓度淬灭。研究发现采用Er<'3+>/yb<'3+>共掺及选用磷酸盐玻璃作为基质可以有效地解决浓度淬灭问题。yb<'3+>吸收截面比Er<'3+>大将近一个量级,而且能将吸收的泵浦功率通过能量转移传递给Er<'3+>,从而提高了泵浦效率。磷酸盐玻璃对稀土离子有很高的溶解度,而其高声子能量使得Yb<'3+>到Er<'3+>的能量传递效率可高达95%。 本文首先对Er<'3+>/yb<'3+>共掺磷酸盐玻璃光纤放大器增益特性进行了数值模拟。利用五能级速率方程研究了高浓度掺杂下发生的共协上转换与交叉弛豫效应,及Er<'3+>/yb<'3+>共掺下Yb<'3+>到Er<'3+>的能量传递,计算了掺杂光纤在泵浦光和信号光作用下不同能级上的粒子数分布。利用有限差分光束传播法模拟了泵浦光和信号光在激发后的掺杂光纤中的传输状况。利用数值模拟,我们分析了Er<'3+>浓度、Yb<'3+>浓度、光纤长度、泵浦光功率、信号光功率对放大器增益的影响,并与单掺Er<'3+>的光纤做了比较,证实了Yb<'3+>的掺入能在很大程度上提高吸收效率。数值计算结果表明当泵浦光功率为224mW、信号光功率为-30dBm时,Er<'3+>浓度为 2.6x10<'26>ionscm<'3>、Yb<'3+>浓度为1.2×10<'27>ions/m<'3>的3.6cm光纤增益能达到27.2dB,单位增益量为7.56dB/cm。 在实验部分,采用了一种新的方法来制作光纤预制棒,并利用自制的简易拉丝炉成功拉制出无掺杂光纤。由于掺杂玻璃烧制的滞后,我们利用国外公司制作的光纤进行放大器实验。测量了单程前向泵浦高增益磷酸盐光纤的放大的自发辐射(ASE)谱及其输出功率,研究了高增益 Er<'3+>/Yb<'3+>共掺磷酸盐光纤放大器的增益和噪声系数。在1535nm处,小信号输入时长度为7.5cm的光纤的内增益可达32.9dB,单位增益为4.4dB/cm。

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