（光学专业论文）离子交换铒镱共掺玻璃光波导放大器的实验与理论研究.pdf

7 ：0 一 。| 1 d，!。、 p h d d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a ij i a ot o n g u n i v e r s i t y e x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls t u d yo n e r b i u m - - y t t e r b i u md o p e d w a v e g u i d ea m p l i f i e r f a b r i c a t e db y i o n - e x c h a n g e a u t h o r ：s h a og o n g w a n g a d v i s o r ：p r o f j i ng u o l i a n g s p e c i a l t y ：o p t i c s d e p a r t m e n to fp h y s i c s s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y d e c e m b e r , 2 0 0 9 哪3 8舢6删5洲3舢8iii哪y 二， ，嗡=。f ， 、 ， f、 ， i，。， t，k#靠器量蹭， ，譬莲鬣嚣雾。l臣lkl扩 i”xn；kq。?。i&tf；， i - 海交通大学海父迥大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口 ( 请在以上方框内打“”) 指导教师签名：佩， 醐一歹钆棚哆日 门 执 忍边 签 1 一者 自 懈产 文 秘 ，蝴叫， 位 吼 削 明 玲 一 i - 海交通大学海父遗大字 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者虢勺溜 日期：1 年，1 月以日 辖甜针默群f酤 上海交通大学学位论文答辩决议书 所在 姓名 邵公望学号 0 0 5 0 7 2 9 0 1 6光学 学科 答辩 答辩 指导教师 金国良 2 0 0 9 1 2 15上海交通大学物理楼五楼会议室 日期 地点 论文题目离子交换铒镱共掺玻璃光波导放大器的实验与理论研究 投票表决结果： 彳歹厂( 同意票数实到委员数应到委员数)答辩结论：可追过 口未通过 邵公望同学的博士论文研究了离子交换铒镱共掺玻璃光波导放大器( e y d w a ) ，探索提高e y d w a 性能的 途径，具有理论指导价值和实际应用前景。论文的工作包括： 一、 在实验方面，进行了离子交换工艺e y d w a 的制作，特性测试与分析。提出e y d w a 中泵浦、信号 光多模特性对器件放大增益有重大影响，及通过改进光路结构可提高放大器增益和改善噪声。 二、从理论上，利用全矢量有限差分方法求解具有离子交换条型光波导的模式本征方程，确定波导 截面上信号光和泵浦光本征导模的模场分布；引入归一化泵浦、信号光强重叠积分因子，结合 本征模展开与激光放大等理论建立了多模e y d w a 的传输速率方程模型； 三、提出多模e y d w a 模型的修正简化方法，修正简化方法模型明确，完整、合理地解释了离子交换 工艺e y d w a 的实验结果；同时能快速地进行e y d w a 特性的数值模拟运算。 四、另外，理论结合实验，研究总泵浦功率归一化条件下不同光路结构e y d w a 的增益和噪声特性， 指出了各种光路结构的优点和局限性。 论文在探索e y d w a 等光波导放大器提高增益和e y d w a 等光学放大器的设计方法上具有创新性和 邵公望同学的博士学位论文表述清晰，内容详实，数据可靠。论文反映作者具有扎实的基础理论知 识和相应的专业技能，具备了独立从事科研工作的能力。答辩过程中论述清楚，回答问题正确。 答辩委员会经投票一致通过邵公望同学的论文答辩，建议授予理学博士学位。 锨毽哗m 旷日 职务 姓名职称 单位签名 主席曹庄琪+ 教授上海交通大学 铱唾 答 辩 委员 胡丽丽研究员 中科院上海光机所 舻、 委 委员陈抱雪教授上海理工大学 懒一 贝 会委员陈险峰教授上海交通大学 铂，聆蜂 成 俺缎 员 委员詹黎教授 上海交通大学 签 委员 名 委员 秘书胡晓 讲师 上海交通大学 翻刊 ? ， 上海交通大学博士论文摘要 离子交换铒镱共掺玻璃光波导放大器的实验与理论研究 摘要 近年来，随着互联网以及数字通信业务的飞速发展，全光通讯网络逐渐向个人及家 庭用户普及，具有小型化、高度集成化和大通讯传输容量的全光波导器件成为研究热点。 铒镱共掺玻璃光波导放大器( e r b i u m y t t e r b i u md o p e dw a v e g u i d ea m p l i f i e r , e y d w a ) 作为 通讯网络中一种重要的全光有源波导器件也备受重视。本文从实验和理论两个方面，全 面研究e y d w a 的制作工艺、系统光路结构对其工作特性的影响。 实验上，以二次离子交换工艺在同一块铒镱共掺磷酸盐玻璃衬底上制作一组不同掩 膜开窗宽度的埋入式条波导，测量了各条波导的模式、无源损耗及增益噪声特性。实验 结果表明，在各条波导中，即使c 波段的信号光保持单模传输，波导中的9 8 0 n m 波长 泵浦光始终会保持多模传输。在双向泵浦的单程光路结构下，由于不同掩膜开窗宽度条 波导截面上信号光和泵浦光重叠程度不同，其对应的e y d w a 增益也随之显著变化。波 导中泵浦光高阶导模的出现有利于提高信号光和泵浦光重叠程度，从而优化放大器的增 益特性。实验结果中不同e y d w a 的增益最大值也恰好出现在泵浦光导模数量阶跃上升 的区域。此外，对于同一波导构成的e y d w a ，在总泵浦功率归一化的条件下，实验研 究了不同光路结构对e y d w a 系统增益、噪声特性的影响。在单程光路结构中，双向等 功率泵浦形式相比单向前泵浦或后泵浦，净增益有显著提高；而单前向泵浦相比单后向 泵浦形式，虽然增益没有显著差异，但噪声指数有大幅度的改善。双程光路结构相比单 程光路结构，增益( 以d b 为单位) 提高了约1 0 0 ，而噪声指数( 以d b 为单位) 只有 约5 0 的劣化。 在理论上，建立了离子交换机制、波导模式理论和激光放大原理相结合的理论模型， 用于分析基于离子交换工艺e y d w a 特性。首先根据离子扩散方程和离子交换工艺参数 模拟出波导截面的二维渐变折射率分布；其次利用全矢量有限差分法求解二维渐变折射 l， ，狮八，、 摘要上海交通大学博士论文 率波导截面的全矢量波动方程，得到泵浦、信号光各个本征导模的二维模场分布；之后 按照电磁波的本征模式展开理论，模拟与光纤端面耦合条件下波导截面上的二维光强分 布；最后将获得的信号光和泵浦光光强分布以及衬底的有源特性参数应用于光放大的速 率传输方程模型，求解得到信号光在e y d w a 中的传输、放大特性。根据这一模型，可 以模拟、优化不同离子交换工艺参数、光路结构配置下e y d w a 系统的增益、噪声特性。 本文的研究有如下贡献：一 利用全矢量有限差分法，求解具有二维渐变折射率波导的模式本征方程，模拟离子 交换工艺制作的波导截面上信号光和泵浦光各个本征导模的模场分布，研究了导模的多 模特性和混合模特性。同时，首次提出结合离子交换机制、波导模式理论和激光放大原 理的理论模型，用于较为精确地分析基于离子交换工艺e y d w a 的光放大特性。 实验上和理论上均证实了铒镱共掺玻璃光波导截面上信号光和泵浦光光强重叠程度 的改善可以显著优化e y d w a 的增益特性。波导中泵浦光的多模传输特性有利于提高信 号光和泵浦光光强重叠程度，增加e y d w a 的增益；而信号光高阶模的出现反而会减小 信号光和泵浦光光强重叠程度，降低e y d w a 的增益。以此为依据，在e y d w a 理论中 引入归一化的信号光和泵浦光光强重叠因子，并提出e y d w a 模型的修正简化方法。在 忽略铒离子部分能级效应条件下，分析、讨论了e y d w a 非简化模型、修正简化和传统 简化方法模拟得到的增益特性，并与实验结果相比较。结果表明，修正简化方法明确、 丰富了多模特性e y d w a 理论的物理图像，完整、合理地解释了离子交换工艺e y d w a 的实验结果，同时能够简单、快速地进行数值模拟运算。 系统地研究了在总泵浦功率归一化的不同光路结构中e y d w a 系统的增益和噪声特 性，比如单程结构、往返双程结构，单前向泵浦，单后向泵浦和前后双向泵浦等，并指 出了各种光路结构的优点和局限性，对于e y d w a 系统的光路设计有指导意义。 关键词：铒镱共掺玻璃光波导放大器，信号光与泵浦光光强重叠因子，光路结构，二 次离子交换工艺，波导模式理论，激光放大原理 上海交通大学博上论文 e x p e r i m e n t a la n d t h e o r e t i c a ls t u d yo ne r b i u m - y t t e r b i u md o p e d w a v e g u i d ea m p l i f i e rf a b r i c a t e db yi o n - e x c h a n g e a b s t r a c t a l l - o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sm o r ep o p u l a ra m o n gt h ei n d i v i d u a la n df a m i l y c o n s u m e r sw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e r a c ta n dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nb u s i n e s s a l l - o p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e s w h i c hh a v et h ea d v a n t a g e si n s i z e , c o m p a t i b i l i t ya n d t r a n s m i s s i o nc a p a c i t ya r ev e r ya t t r a c t i v er e c e n ty e a r s e r b i u m - y t t e r b i u md o p e dw a v e g u i d e a m p l i f i e r s ( e y d w a ) a r eo n e o ft h ei m p o r t a n ta l l - o p t i c a lw a v e g u i d ea c t i v ed e v i c e s ，a n dh a v e 冀 r e c e i v e dg r e a ta t t e n t i o ni no p t i c a lt e l e c o m m u n i c a t i o n s i nt h i st h e s i s , w es t u d yt h ei n f l u e n c e ) o ft h ep a r a m e t e r so ft w o s t e pi o n e x c h a n g ep r o c e s sa n dt h eo p t i c a lc o n f i g u r a t i o n so nt h e p e r f o r m a n c eo f e y d w a b o t he x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y i nt h ee x p e r i m e n t s ，ac h a n n e lo p t i c a lw a v e g u i d es e r i e sw i t hd i f f e r e n tc h a n n e lo p e n i n g w i d t h s ( c o w s ) w e r ef a b r i c a t e do nt h es a m ee r b i u m - y t t e r b i u mu n i f o r m l yd o p e dp h o s p h a t e g l a s ss u b s t r a t eb yt w o - s t e pi o ne x c h a n g et e c h n i q u e t h ep a s s i v el o s s e s ，g a i n ，n o i s ef i g u r eq m ) a n dm o d ec h a r a c t e r i s t i c so fe y d w a sw i t hd i f f e r e n tc o w sa r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a ti fs i n g l e m o d eo p e r a t i o na tt h es i g n a lw a v e l e n g t hi nc - b a n d i se n s u r e di nt h ew a v e g u i d ef a b r i c a t e db yi o ne x c h a n g et e c h n i q u e ，h i g ho r d e rm o d e so fp u m p t l i g h t a t9 8 0n mw i l lb ee x c i t e du n a v o i d a b l y t h ei n t e n s i t yp r o f i l eo v e r l a pb e t w e e ns i g n a la n d p u m pl i g h ti sd e p e n d e n to nc o w , a n dt h eg a i no fe y d w a sw i t hd i f f e r e n tc o w sw i l l c h a n g e da c c o r d i n g l y t h ep r e s e n c eo fh i g h e ro r d e rm o d e so fp u m pl i g h ti sb e n e f i c i a lt o i n c r e a s et h i si n t e n s i t yp r o f i l eo v e r l a pa n dt oi m p r o v et h eg a i no fe y d w a am a x i m a lv a l u e o fg a i ni sp r e s e n tf o rac o wv a l u ej u s ta f t e ram u t a t i o ni nt h en u m b e ro fm o d e sf o rt h ep u m p - m 一 上海交通大学博士论文 l i g h ti nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i na d d i t i o n , w ei n v e s t i g a t et h eg a i na n dn o i s ef i g u r e c h a r a c t e r i s t i c so fe y d w aw i t hd i f f e r e n to p t i c a lc o n f i g u r a t i o n su n d e rt h ec o n d i t i o no ft h e + ! ：s a m et o t a li j u m pp o w e r e q u a l i z i n gb i d i r e c t i o n a lp u m ps c h e m e ( e b p s ) a c h i e v e se v i d e n t e n h a n c e m e n ti ng a i nc o m p a r e dw i t hb a c k w a r dp u m po n l ys c h e m e ( b p o s ) ，w h i l ef o r w a r d 一：一p u m po n l ys c h e m e ( f p o s ) a c h i e v e sl a r g er e d u c t i o ni nn ff o rs i n g l ep a s sc o n f i g u r a t i o n ( s p c ) 、： a b o u t10 0 i n c r e m e n ti ng a i na n d5 0 l e s sd e t e r i o r a t i o ni nn fc a nb e o b t a i n e di nd o u b l e 。p a s sc o n f i g u r a t i o n ( d p c ) c o m p a r e dw i t hs p c 。 t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fe y d w as y s t e mi sb a s e do nt h e r m a ld i f f u s i o ne q u a t i o n ， f u l l - v e c t o r i a lw a v ee q u a t i o na n dp r o p a g a t i o n r a t ee q u a t i o n s , a n di tc a nb eu s e dt oa n a l y z et h e p e r f o r m a n c eo fe y d w af a b r i c a t e db yi o n e x c h a n g ep r o c e s s t h et w o - d i m e n s i o n a lg r a d e d i n d e xp r o f i l eo ft h es e c t i o no fc h a n n e lw a v e g u i d ei so b t a i n e dt h r o u g hs o l v i n gt h ei o n d i f f u s i o ne q u a t i o n t h ee i g e n - m o d e si nt h es e c t i o no fc h a n n e lw a v e g u i d ew i t hg r a d e di n d e x ：- p r o f i l et h e nc a nb es i m u l a t e db ys o l v i n gt h ev e c t o r i a lw a v ee q u a t i o nu s i n gaf u l l - v e c t o r i a l f i n i t e - d i f f e r e n c em e t h o d t h ei n t e n s i t yp r o f i l eo fp u m pa n ds i g n a ll i g h tc o r r e s p o n d i n gt ot h e f i b e re n d - c o u p l e dw i t hw a v e g u i d ea r ed e t e r m i n e db yt h eo r t h o g o n a l i t yr e l a t i o nb e t w e e n e i g e n m o d e s f i n a l l y , t h ei n t e n s i t yp r o f i l e so fp u m pa n ds i g n a ll i g h t , t o g e t h e rw i t ht h e p a r a m e t e r so ft h ea c t i v ec h a r a c t e r i s t i c sf o rs u b s t r a t em a t e r i a l ，a r ea p p l i e dt or a t e p r o p a g a t i o n e q u a t i o n st oo b t a i nt h ea m p l i f i c a t i o np e r f o r m a n c eo fe y d w an u m e r i c a l l y w ec a l ls i m u l a t e t h eg a i na n dn fc h a r a c t e r i s t i c so fe y d w a sw i t hd i f f e r e n ti o n - e x c h a n g ep a r a m e t e r so ro p t i c a l c o n f i g u r a t i o n sb yt h i st h e o r e t i c a lm o d e l n em a i na c h i e v e m e n t sa r es h o w na sf o l l o w s ： f u l l v e c t o r i a lf i n i t e - d i f f e r e n c em e t h o di s a p p l i e dt os o l v i n gt h ef u l l - v e c t o r i a l w a v e e q u a t i o nf o rt h et w o d i m e n s i o n a lg r a d e di n d e xc h a n n e lw a v e g u i d e m u l t i m o d ea n dh y b r i d n a t u r eo fv e c t o r i a lg u i d e dm o d e sf o rb o t hp u m pa n ds i g n a ll i g h ta r ei n v e s t i g a t e db ya b o v e s i m u l a t i o n t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fe y d w af a b r i c a t e db yi o n - e x c h a n g ep r o c e s sb a s e do n t h e r m a ld i f f u s i o ne q u a t i o n ，f u l l v e c t o r i a lw a v ee q u a t i o na n dp r o p a g a t i o n - r a t ee q u a t i o n s , i s i v 上海交通大学博士论文 a b s t r a ( 可 p r e s e n t e df o rt h ef i r s tt i m e ，a n dc a nb eu s e dt oa c c u r a t e l ya n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo f e y d w a s y s t e m i ti sd e m o n s t r a t e db o t he x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l yt h a tt h eo p t i m i z a t i o no ft h e i n t e n s i t yp r o f i l eo v e r l a pb e t w e e ns i g n a la n dp u m pl i g h ti nw a v e g n i d ec a ne v i d e n t l yi m p r o v e t h eg a i nc h a r a c t e r i s t i c so fe y d w a t h ep r e s e n c eo fh i g h e ro r d e rm o d e so fp u m pl i g h ti s b e n e f i c i a lt oi n c r e a s et h i si n t e n s i t yp r o f i l eo v e r l a pa n dt oi m p r o v et h eg a i no fe y d w aw h i l e t h ep r e s e n c eo fh i g h e ro r d e rm o d e sa ts i g n a lw a v e l e n g t hh a san e g a t i v ee f f e c to nb o t h i n t e n s i t yp r o f i l eo v e r l a pb e t w e e ns i g n a la n dp u m pl i g h ta n dt h eg a i no fe y d w a t h e r e f o r e ， w ei n t r o d u c ean o r m a l i z e do v e r l a pf a c t o ro ft h ei n t e n s i t yp r o f i l eb e t w e e ns i g n a la n dp u m p l i g h tt ot h et h e o r e t i c a lm o d e lo fe y d w a ，w h i c hi sd e f i n e da st h em o d i f i e ds i m p l i f i c a t i o n m o d e l t h eg a i nc h a r a c t e r i s t i c so fe y d w as i m u l a t e db yn os i m p l i f i c a t i o n , m o d i f i e d s i m p l i f i c a t i o na n dt r a d i t i o n a ls i m p l i f i c a t i o nm o d e la r ea n a l y z e dw h e nn e g l e c t i n gs o m ee f f e c t s o fe r b i u m , a n dt h e na l ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s r e s u l t ss h o wt h a tt h e 一 i n t r o d u c t i o no ft h eo v e r l a pf a c t o ra b o u tt h ei n t e n s i t yp r o f i l eb e t w e e ns i g n a la n dp u m pl i g h t h a ss o m ea d v a n t a g e s i tc l a r i f i e st h ep h y s i c a l s i g n i f i c a n c eo fr a t e p r o p a g a t i o ne q u a t i o n s ， e x p l a i n st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e a s o n a b l y , s i m p l i f i e st h et h e o r e t i c a lm o d e l ，a n dr e d u c e st h e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo fs i m u l a t i o n s 1 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so fg a i na n dn fv e r s u sf o r w a r da n db a c k w a r dp u m pp o w e rn o r m a l i z e d b yt o t a lp u m pp o w e ra r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yi ne y d w aw i t hd i f f e r e n to p t i c a l c o n f i g u r a t i o n s ( e g ，s p c ，d p c ，f p o s ，b p o sa n de b p s ) t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fe a c ho p t i c a lc o n f i g u r a t i o na r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tas i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t o nt h ep e r f o r m a n c eo fe y d w ac a nb ea c h i e v e db yo p t i m i z i n gt h eo p t i c a lc o n f i g u r a t i o n k e y w o r d s ：e r b i u m - y t t e r b i u md o p e dw a v e g u i d ea m p l i f i e r , i n t e n s i t yp r o f i l eo v e r l a p b e t w e e ns i g n a la n dp u m pl i g h t , c o n f i g u r a t i o no ft h eo p t i c a ls e t u p ，t w o - s t e pi o n - e x c h a n g e v - 上海交通大学博士论文 目录 疆摘要 目录 第一章绪论 i m l 1 1 稀土掺杂光放大器简介1 1 2 铒镱共掺光波导放大器的发展和现状2 1 3 铒离子掺杂光波导放大器研究中存在的问题6 1 4 本文概述7 1 4 1 章节概要及顺序8 1 4 2 创新点总结。l o 参考文献1 l 第二章铒镱共掺玻璃光波导放大器的实验制作与特性测量分析1 6 2 1 铒镱共掺玻璃光波导的制作流程1 6 2 1 1 基片样品制各1 6 2 1 2 波导掩膜制备一1 7 2 1 3 银钠二次离子交换过程1 8 2 1 4 波导样品端面抛光1 9 2 1 5 光路的封装2 0 2 2 铒镱共掺光波导的无源损耗特性2 0 2 3 信号光和泵浦光在铒镱共掺光波导中的模式特性2 4 2 4 掩膜开窗宽度对铒镱共掺光波导放大器增益特性的影响2 6 2 4 1 铒镱共掺光波导的有源吸收损耗曲线2 8 2 4 2 铒镱共掺光波导放大器的增益曲线2 8 2 5 光路结构对铒镱共掺光波导放大器增益和噪声特性的影响3 0 2 5 1 单程光路中泵浦结构对于铒镱共掺光波导放大器净增益和噪声指数的影响。3 2 2 5 2 往返双程光路中于铒镱共掺光波导放大器的净增益和噪声指数3 5 目录 上海交通大学博士论文 2 6 本章小结3 8 参：考文献3 9 第三章离子交换玻璃波导理论 4 1 3 1 离子交换技术简介4 i 3 2 热扩散离子交换制作掩埋型条波导4 2 3 3 离子交换过程的理论模型4 3 3 3 1 离子交换的机理与扩散方程。4 3 3 3 2 热扩散二次离子交换的二维模型。4 5 3 4 离子交换工艺制作的波导折射率分布4 7 3 4 1 离子极化率和体积变化引起的折射率变化。4 8 3 4 2 应力引起的折射率变化4 8 3 4 3 离子交换工艺制作的波导折射率分布。4 9 3 5 离子交换工艺参数对波导折射率分布的影响5 0 3 5 1 交换温度对折射率分布的影响5 l 3 5 2 银离子熔盐浓度对折射率分布的影响。5 l 3 5 3 离子交换时间对折射率分布的影响。5 2 3 5 4 掩膜开窗宽度对折射率分布的影响。5 4 3 6 本章小结5 5 参考文献5 6 第四章二维折射率渐变波导截面中导模的模式及光强分布 4 1 全矢量波动本征模式方程5 8 4 2 全矢量有限差分法求解模式本征方程6 0 4 2 1 有限差分法6 0 4 2 2 模式本征方程的全矢量差分格式6 l 4 2 3 差分格式的模式本征方程求解6 6 4 3 二维渐变折射率波导截面中的本征模式分布6 9 4 4 二维折射率渐变波导截面中的归一化光强分布7 6 4 4 1 模式的正交性及本征模展开j 7 6 4 4 2 光纤端面耦合条件下的波导截面归一化光强分布7 8 4 5 本章小结8 4 上海交通大学博：b 论文目录 参考文献8 5 第五章铒镱共掺玻璃波导的光放大理论模型及数值模拟 5 1 铒镱共掺玻璃光波导放大器的速率传输方程理论模型8 8 5 1 1 光放大基本原理8 8 5 1 2 铒离子的能级与光波的相互作用8 9 5 1 3 镱离子的敏化作用o 9 3 5 1 4 铒镱共掺光波导能级系统的速率传输方程9 5 5 1 5 实际光路结构对铒镱共掺光波导放大器速率传输方程模型的影响。9 8 5 1 6 铒镱共掺光波导放大器速率传输方程的参数测量与选择1 0 1 5 2 铒镱共掺玻璃光波导放大器的速率传输方程模型的简化1 0 3 5 2 1 掺铒光纤放大器模型的传统简化方法1 0 3 5 2 2 铒镱共掺玻璃光波导中信号光和泵浦光的归一化光强重叠因子1 0 5 5 2 3 铒镱共掺玻璃光波导放大器模型的修正简化方法1 0 9 5 2 4 忽略合作上转换和铒镱反向弛豫效应条件下非简化与简化模型的比较1 1 0 5 3 铒镱共掺玻璃光波导放大器增益噪声特性的数值模拟1 1 4 5 3 1 单程光路中泵浦结构对于铒镱共掺光波导放大器净增益和噪声指数的影响l1 5 5 3 2 往返双程光路中于铒镱共掺光波导放大器的净增益和噪声指数l1 7 5 4 才c 章小结11 9 参考文献1 2 0 第六章总结与展望 6 1 主要结论：1 2 6 6 2 研究展望。12 7 攻读博士学位期间的成果1 2 9 1 学术论文12 9 2 专利 13 0 致谢 1 3 1 - - 、 上海交通大学博士论文第一章 第一章绪论 自从互联网产生以来，计算机网络以及数字通信业务飞速发展，人们对通讯系统容 量和速度的要求持续增长。光纤通讯技术由于其巨大的通信传输容量，已经渗透到现代 社会的各种电信网络中，进而深刻地改变影响着人们社会生产、生活等各个方面。与 其他通讯技术一样，在长距离光纤通讯传输中，光信号会不可避免地发生衰减，降低通 讯质量，因此必须在通讯网络中引入中继光放大器，补偿传输过程中的光信号损耗【2 】。 在这一背景下，光放大器作为通讯网络中必不可少的器件，得到了广泛的关注和研究。 在本章中，我们逐步介绍了光放大器中铒镱共掺玻璃光波导放大器的研究背景、现状和 存在的不足，并在此基础上简述了本文的研究方向和内容。 细 1 1 稀土掺杂光放大器简介 早期，在光纤通讯系统中常用的中继光放大器是光电转换型的。这类放大器首先接 受从光纤中传来的被衰减过的光信号，并转换为电信号，然后对电信号进行再生和整形 处理，恢复信号的形状和幅度，最后以电信号调制放大器中的光源产生光信号，耦合回 光纤继续传输。这种方式有不少缺点：首先，通信设备很复杂，系统的稳定性和可靠性 不高，特别是在多信道光纤通信系统中更为突出；其次，信号容易失真，影响通信质量； 最后，传输信号的容量和速度受到光电光转换瓶颈的限制【3 1 。为了解决这些问题，二十 世纪九十年代以来，陆续研发出稀土掺杂光放大器、半导体光放大器、非线性效应光放 大器等不再依靠光一电一光转换的全光放大器。其中稀土掺杂光放大器是现代光通讯系 统中使用最广泛的一种全光放大器。 稀土元素( 或镧系元素) 是由原子量为5 8 7 1 且性质相近的1 4 个原子组成。当稀 土元素掺杂于石英光纤或其他玻璃材料中时，会变成三价离子【4 】。许多不同的稀土离子， 如铒、钬、铷、钐、铥和镱等，都可以用于制造稀土掺杂光放大器，并工作在从可见光 到红外波段的不同