稀土掺杂光纤放大器中光放大研究

论文摘要

因特网等新兴通讯方式正改变着世界的每一个角落，也对光纤通讯系统的性能提出了越来越高的要求，掺Er3+光纤放大器（EDFA）、C波段（1530nm-1560nm）密集波分复用系统（DWDM）的成熟应用极大的拓展了光纤通讯系统的传输容量。目前，全波光纤（又称无水峰光纤）已研制成功，因此研制能工作在EDFA放大窗口以外的光纤放大器，尤其是S波段（1450nm-1480nm）、S+波段（1480nm-1510nm）具有十分重要的意义和紧迫性，也使对光纤放大器进行优化设计、寻找新的泵浦方式、拓展放大器带宽，研制能工作在新的传输窗口的放大器成为研究的热点。 光纤通讯的飞速发展使工作在1500nm波段的光纤器件性能大大提高，价格大大降低，这也为工作在这一波段的光纤传感器件与系统奠定了基础，Er3+的辐射谱覆盖了1520-1610nm区域，因此低成本的掺Er3+光纤（EDF）的放大自发辐射（ASE）光源以功率高、波长覆盖范围广、无偏振等优点特别适合用于1500nm波段光纤传感系统，尤其是作为一些气体传感系统的光源。 因此，研究稀土掺杂光纤中的光的发射与放大过程对提高光纤放大器和光纤传感系统的性能有十分重要的意义。 本论文详细给出了Er3+、Tm3+、Yb3+等稀土离子的光谱特性，在仔细研究这些光谱特性的基础上，提出了Tm3+、Yb3+共掺谐振腔增强型S波段光纤放大器，以数率方程与传输方程为工具，考虑到稀土离子间的能量转移因素，建立了它的理论模型。并研究了Yb3+对Tm3+的敏化特性，Er3+、Tm3+共掺S+C波段光纤放大器的特性。主要研究内容如下： 一、论文开创性的提出了谐振腔增强型光纤放大器。 如果A稀土离子的发射光谱与B稀土离子的吸收光谱相重叠，通过A、B两种稀土离子在光纤中共掺，并构建谐振波长在重叠区域内任意波长的谐振腔，A离子与谐振腔组成一个特定波长的光纤激光器，当A离子受到泵浦时，谐振腔内将产生适合泵浦B离子的激光，通过这种结构可以将容易得到可用于泵浦A离子的泵浦光转化成能泵浦放大器工作物质，即乙离子所需的泵浦光。 以S波段掺铥(Tm3+)氟化物光纤放大器（TDFA）为例，在掺铥光纤（TDF）中共掺

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1.绪论
• 1.1 研究的意义及目的
• 1.2 稀土掺杂光纤放大器的组成
• 1.3 研究内容及创新点
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究工作的创新点
• 参考文献
• 2.稀土参杂光纤的光谱特性与光纤放大器研究现状
• 2.1 概述
• 3+离子的光谱特性与参Er3+光纤放大器'>2.2 Er³⁺离子的光谱特性与参Er3+光纤放大器
• 3+⁴I_13／2→⁴I_15／2 1500nm跃迁特性'>2.2.1 Er³⁺⁴I_13／2→⁴I_15／21500nm跃迁特性
• 3+的泵浦特性'>2.2.2 Er³⁺的泵浦特性
• 3+光纤放大器（EDFA）的工作原理及研究进展'>2.2.3 掺Er³⁺光纤放大器（EDFA）的工作原理及研究进展
• 3+的光谱特性与掺Tm³⁺光纤放大器'>2.3 Tm³⁺的光谱特性与掺Tm³⁺光纤放大器
• 3+的发射光谱特性'>2.3.1 Tm³⁺的发射光谱特性
• 3+的泵浦特性'>2.3.2 Tm³⁺的泵浦特性
• 2.3.3 掺铥光纤放大器（TDFA）
• 3+的光谱特性与掺Yb³⁺光纤放大器'>2.4 Yb³⁺的光谱特性与掺Yb³⁺光纤放大器
• 3+的光谱特性'>2.4.1 Yb³⁺的光谱特性
• 3+光纤放大器'>2.4.2 掺Yb³⁺光纤放大器
• 2.5 掺镨光纤放大器（PDFA）
• 2.6 掺镝光纤材料
• 2.7 掺钬光纤材料
• 2.8 掺钕光纤放大器
• 2.9 结论与讨论
• 参考文献
• 3.共掺型光纤材料及光纤放大器理论基础
• 3.1 共掺型光纤材料
• 3.1.1 共掺型光纤材料中的能量转移几率
• 3+、Yb³⁺共掺光纤材料'>3.1.2 Tm³⁺、Yb³⁺共掺光纤材料
• 3+、Tm³⁺共掺光纤材料'>3.1.3 Er³⁺、Tm³⁺共掺光纤材料
• 3.2 共掺型光纤放大器的理论基础
• 3.2.1 数率方程
• 3.2.2 传输方程
• 3.3 总结
• 参考文献
• 3+、Yb³⁺共掺光纤材料中Yb³⁺对Tm³⁺的敏化作用'>4.Tm³⁺、Yb³⁺共掺光纤材料中Yb³⁺对Tm³⁺的敏化作用
• 4.1 背景概述
• 3+、Tm³⁺之间的能量转移过程'>4.2 在石英光纤中Yb³⁺、Tm³⁺之间的能量转移过程
• 3+对Tm³⁺敏化作用时所采用的理论模型'>4.3 分析Yb³⁺对Tm³⁺敏化作用时所采用的理论模型
• 4.4 材料参数的选取
• 4.5 结果及分析
• 4.5.1 Tm3+、Yb3+共参光纤S波段的增益谱
• 4.5.2 信号增益与光纤长度的关系
• 4.5.3 信号增益与Tm3+、Yb3+的浓度的关系
• 3+、Yb³⁺的浓度的关系'>4.5.4 信号增益与Tm³⁺、Yb³⁺的浓度的关系
• 4.5.5 信号输入功率对放大器增益的影响
• 4.6 讨论
• 4.6.1 能量转移因子数值对放大器增益改善的影响
• 4.6.2 特殊结构对1064nm泵浦的增强作用
• 参考文献
• 5.谐振腔增强泵浦型光纤放大器
• 5.1 谐振腔增强泵浦型光纤放大器概述
• 3+、Yb³⁺共掺光纤放大器结构设计'>5.2 谐振腔增强型Tm³⁺、Yb³⁺共掺光纤放大器结构设计
• 3+、Yb³⁺共掺光纤放大器理论模型'>5.3 谐振腔增强型Tm³⁺、Yb³⁺共掺光纤放大器理论模型
• 5.4 结果及分析
• 5.4.1 模型所需的光谱参数
• 5.4.2 信号增益与谐振腔长度的关系
• 5.4.3 增益谱与泵浦功率的关系
• 3+浓度的关系'>5.4.4 增益谱与Tm³⁺浓度的关系
• 5.4.5 各波长信号的增益与谐振腔反射率的关系
• 5.4.6 谐振腔的谐振波长对增益的影响
• 5.4.7 谐振腔增强型与分离型放大器的对比
• 5.5 讨论
• 3+、Yb³⁺共掺光纤制作的可行性'>5.5.1 Tm³⁺、Yb³⁺共掺光纤制作的可行性
• 5.5.2 谐振腔的实际制作方案
• 参考文献
• 3+、Tm³⁺共掺S+C波段光纤放大器理论'>6.Er³⁺、Tm³⁺共掺S+C波段光纤放大器理论
• 3+、Tm³⁺共掺光纤放大器背景'>6.1 Er³⁺、Tm³⁺共掺光纤放大器背景
• 3+、Tm³⁺共掺放大器的理论模型'>6.2 Er³⁺、Tm³⁺共掺放大器的理论模型
• 6.3 泵浦方式和材料参数的选取
• 6.4 结果及分析
• 3+共掺浓度的关系'>6.4.1 增益谱与Er³⁺共掺浓度的关系
• 6.4.2 增益谱光纤长度的关系
• 6.4.3 两种泵浦方式的对比
• 6.5 讨论
• 6.5.1 我们的结果与其他相关模型及实验结果的比较
• 3+、Tm³⁺共掺光纤制作的可能性'>6.5.2 Er³⁺、Tm³⁺共掺光纤制作的可能性
• 参考文献
• 7.1.4μ+1.56μ双波长泵浦下TDFA的理论模型
• 7.1 建立1.4μ+1.56μ双波长泵浦下TDFA理论模型的意义
• 7.2 理论模型
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 1.4μ与1.56μ的功率搭配对增益和峰值增益波长的影响
• 7.3.2 增益谱与光纤长度的关系
• 7.3.3 通过反转粒子数比率控制增益位移
• 7.4 讨论
• 7.4.1 1.4μ+1.56μ双波长泵浦的优势
• 7.4.2 理论结果与实验数据的对比
• 参考文献
• 8.用于光纤气体传感器的掺Er3+光纤的自发辐射光源的研究
• 8.1 引言
• 8.2 EDF ASE光源的输出特性及优化
• 8.2.1 EDF ASE光源的结构及器件选择
• 8.2.2 EDF ASE光源的输出特性
• 8.3 讨论
• 8.3.1 实验结果与理论分析结果的比较
• 8.3.2 需进一步研究的问题
• 参考文献
• 全文总结
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间获得的奖励及承担或参加的科研项目
• 学位论文评阅及答辩情况表