（光学专业论文）l波段掺铒光纤放大器增益控制技术研究.pdf

摘要 5 、 提出用c波段宽带惆啾光纤光栅作腔镜实现l 波段激光输出的掺饵光纤 激光器，由于c波段光纤光栅在l 波段也会有反射，所以 选择合适的光纤长度， 同 样可产生l 波段激光输出. 且这种结构由于c波段a s e在腔内 重复利用， 可提 高泵浦效率. 关键词: 掺饵光纤放大器、 l 波段、 增益控制、 光纤环镜、 惆啾光纤光栅、 双折 射光纤环镜、掺饵光纤激光器、偏振特性、应力、温度 ab s t r a c t ab s t r a c t e r b i u m - d o p e d f i b e r a m p l if i e r ( e d f a ) c a n a m p l i f y l i g h t s i g n a l s d ir e c t l y , w h i c h a v o i d s li g h t - e l e c t r i c - l i g h t a m p l i f i e d m o d e i n t r a d i t i o n a l l i g h t c o m m u n i c a t i o n , a n d s i m p l i fi e s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s , a n d d e c r e a s e s t h e c o s t , s o i t w i l l a r c h i v e w i d e a p p l i c a t i o n s i n f i b e r c o m m u n ic a t i o n s y s t e m s . f u n d - s u p p o r t e d b y t i a n j i n s c i e n c e t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t p l a n p r o j e c t ( 0 3 3 8 0 0 2 1 1 ) : s t u d y o f i n t e l l i g e n t fi b e r a m p l i fi e r s a n d l i g h t s o u r c e s , c o m b i n i n g t h e re s e a r c h e v o l v e o f e d f a i n c h i n a a n d a b o a r 氏t h i s d i s s e r ta t i o n m a i n l y r e s e a r c h e d e x p e r i m e n t a l l y g a i n - c l a m p e d e d f a , a n d o p t i m i z e d t h e p e r f o r m a n c e o f e d f a , m a i n l y a i m e d a t w i d e b a n d e d f a w i t h h i g h a n d fl a t g a i n , r e s e a r c h c o n t e n t s a n d res e a r c h r e s u l t s a re l i s t e d a s f o l l o ws : 1 . a d u a l s ta g e g a i n - c l a m p e d l - b a n d e d f a b a s e d o n r e fl e c t i n g b a c k w a r d c - b a n d a s e u s i n g a fi b e r l o o p m i rr o r a s r e fl e c t o r t o c l a m p t h e g a i n i s p r o p o s e d , w h i c h a r c h i v e s h i g h a n d fl a t g a i n i n l - b a n d . t h e g a i n i s h i g h e r t h a n 2 1 d b , i n t h e r a n g e o f 1 5 7 0 n m-1 6 0 0 n m , t h e fl a t n e s s o f g a i n c a n a r r i v e 0 . 7 7 d b , 3 d b b a n d w i d t h i s m o re t h a n 3 5 n n t , a n d d y n a m i c r a n g e i s - 4 5 d b m - - 1 5 d b m . c o m b i n i n g w i t h t h e p r e s c r i p t o f t h e i t e m , a s a m p l e - m a c h i n e i s e s ta b l i s h e d . t e s t e d b y e x p e r t s , i ts g a in i s 2 3 .6 8 d b , n o i s e fi g u r e i s 7 .4 7 d b , t h e fl a t n e s s o f g a i n i s t 0 . 8 d b , a n d t h e i n p u t s i g n a l p o w e r r a n g e i s m o re t h a n 2 7 d b . 2 . a d u a l s t a g e g a i n - c la m p e d l - b a n d e d f a b a s e d o n re fl e c t i n g b a c k w a r d c - b a n d a s e u s i n g a c h i r p e d fi b e r g r a t i n g a s r e fl e c t o r t o c l a m p t h e g a i n i s p r o p o s e d . i t s g a in i s m o r e t h a n 2 3 d b , i n t h e r a n g e o f 1 5 7 2 n m -1 6 0 4 n m , t h e g a in fl a t n e s s i s 士0 . 9 2 d b , 3 d b b a n d w i d t h i s m o r e t h a n 3 6 n r n ( 1 5 7 0 n m -1 6 0 6 n m ) , s i g n a l s a t u r a t i o n i n p u t p o w e r a r r i v e s - 1 5 d b m. 3 . a d u a l p u m p e d s i n g l e s t a g e g a i n - c l a m p e d l - b a n d e d f a b a s e d o n re fl e c t i n g b a c k w a r d c - b a n d a s e u s i n g a f i b e r l o o p m i r r o r o r a c i r c u l a r a s r e fl e c t o r t o c l a m p t h e g a i n i s p r o p o s e d . wh e n a f i b e r l o o p m i r r o r i s u s e d , a t w a v e le n 纳 1 5 8 5 n m , t h e g a i n a r r iv e s 2 0 .2 8 d b , s i g n a l s a t u r a t io n i n p u t p o w e r a r r i v e s - 6 .9 4 d b m . wh e n a c i r c u l a r i s u s e d , a t w a v e l e n g t h 1 5 8 5 n m , t h e g a in a r r i v e s 1 7 . 6 8 d b , s i g n a l s a t u r a t i o n i n p u t p o w e r ab s t r a c t a r r i v e s - 5 . 5 1 d b m. 4 . a m u lt i - w a v e le n g t h fi b e r l a s e r b a s e d o n a b r o a d b a n d c h ir p e d f i b e r g r a t i n g a n d h ig h l y b i - r e fr a c ti o n fi b e r l o o p m i r r o r a s c a v i ty m i r r o r s i s p r o p o s e d . t h e c a v ity l o s s t h e o ry i s u s e d , t h e o u t p u t l a s e r i s c h a n g e b y c h a n g i n g t h e s t a t e s o f t h e p o l a r iz e r c o n tr o l l e r i n t h e c a v i ty t o c h a n g e d i ff e re n t w a v e l e n g t h l o s s , s t e a d y s i n g l e a n d d u a l w a v e l e n g t h o u t p u t i s a r r i v e d , a n d m u l t i w a v e l e n g t h l a s e r o u t p u t is a l s o a c h i e v e d . 5 . a n l - b a n d fi b e r l a s e r b a s e d o n c - b a n d b r o a d b a n d c h i rp e d fi b e r g r a t i n g a s c a v ity m i r r o r i s p r e s e n t e d . i n t h e s t r u c t u r e , t h e c - b a n d a s e c a n b u u s e d r e p e a t l y , w h i c h c a n i m p r o v e t h e p u m p e ff i c i e n c y . k e y w o r d s : e d f a , l - b a n d , g a i n c l a m p i n g , f l m, h ib i f l m, c h i r p e d fi b e r g r a t i n g , e d f l , p o l a r i z a t i o n p e r f o r m a n c e , s tr e s s , t e m p e r a t u re 南 夕 卜 大 学 学 位 论 文 电 子 版 授 权 使 用 协 议 ( 请将此协议书装订十论文首页) 论文 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已 通过论文答辩. 系本人在 木人系木作品的唯一作者 ( 第一作者)，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于 “ 南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺:己提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人 完全了 解 南开太学图 书 馆关于保 存、 使用学 位论文的管理办法.同 意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版: 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务 ( 论文前1 6 页) 。 公开级学位论文全文电子版于提交1 年后， 在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注:本协议书对于 “ 非公开学位论文” 在保密期限过后同样适用。 院系所名称: 作者签名: 日 月 年 号期 学日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : /f t u 回年 5 月 1 ! 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 本授权书。 年解密后适用 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部 5 年 ( 最长5 年， 可少于5 年) 秘密1 0 年 ( 最长1 0 年， 可少于1 0 年) 机密2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中己经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : u 0 7 闪 年y a 甲 日 第一章绪论 第一章绪论 光纤 通信( o p t i c a l f i b e r c o m m u n ic a ti o n ) 是以 激光为 光源，以 光导纤 维为 传输介质进行的通信。具有传输容量大、抗电 磁干扰能力强等突出优点，现在 已经成为高速通信网的主要干线。 光纤通信从研究开发、实用化到今天的大规模运用，仅仅经历了四十多年 时间， 但是其广泛应用己 经遍布人们的日 常生活，发展速度如此惊人，关键是 因为，和电通信相比，光纤通信具有信息容量大、损耗低、中继距离长、保密 性好、泄漏极小、不容易被窃听、抗电磁干扰能力强、绝缘性能好，不存在接 地、 共地问 题， 尺寸小、 重量轻， 制作光纤用的s i 仇资源丰富， 经济意义重大， 化学稳定性好，寿命长等优点。 随着人们对信息需求的日益增加，对通信系统的要求也越来越高，简单的 通信系统传输容量很小，显然无法满足需求。要想在一个光路中实现大信息量 的传输， 需要采用复用技术，来充分利用光纤通信的优势。复用技术主要包括: 波分复用 ( wd m)、时分复用 ( o t d m)、信道复用、频分复用 ( f d m)和码 分复用 ( c d m)。其中，波分复用和时分复用结合起来是目前超大容量光纤通 信比较理想的方法，也是目前技术上的研究重点。本文所做的工作也主要是面 向波分复用中一些技术展开的。 1 . 1 光纤通信系统中放大技术 1 . 1 . 1光放大器类型 目 前光放大器形式主要有两种:1 ) 半导体光放大器( s o a ) ; 2 ) 光纤放大器。 半导体光放大器是现代光放大器中最早出现的放大器。它的工作原理是基于激 光半导体介质固有的受激辐射光放大机制。半导体光放大器的优点是尺寸小、 造价低、频带宽、增益高:但缺点是与光纤的祸合损耗太大、易受环境温度的 影响、工作稳定性较差。但半导体光放大器容易集成，适宜同光集成和光电集 成电路结合使用。半导体光放大器的工作原理决定其放大增益不是很高，因此 半导体放大器在现代光通信系统中作为纯粹功率放大应用较少，它更多的是被 用作高速通信网中光开关、光复用/ 解复用器和波长变换器等光信号处理模块。 第一章绪论 1 . 1 .2光纤放大器 光纤放大器可分为基于受激辐射的掺杂光纤放大器和基于非线性效应的光 纤拉曼放大器、光纤布里渊放大器和光纤参量放大器。 光纤拉曼放大器最重要的特点是增益波长由 泵浦光波长决定，只要泵浦源 的波长适合，理论上可以得到光纤能用带宽内 任意波长的信号增益。由于光纤 拉曼放大器的增益介质是传输光纤本身，可以对光信号进行在线分布式放大， 这样光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性效应，尤其是四波 混频 c f w m) 效应的千扰， 这使 f r a非常适合在对光纤的非线性效 应敏感的 d wd m传输系统中应用。 光 纤 布 里 渊放 大 器用来 放 大 频 率 偏离 泵 浦 波 长 等于 布里 渊 频 移 值 v ， 的 弱 信号。如果一个半导体激光器工作在单纵模状态，且其谱宽远小于布里渊增益 线宽，那么它可作为光纤布里渊放大器的泵浦源。布里渊放大器对选择放大是 有利的。 窄带布里渊放大器还可以 作为可调谐窄带光学滤波器， 用于高密集多 通道通信系统的信道选择。 光纤参量放大器与四波混频实验之间的主要差别在于，在相位匹配频率处 是否有与泵浦光共同传输的信号光。若无信号光输入，则信号光和闲频光都是 从噪声放大产生的。实现宽带参量放大器的一般方法是选择适当的泵浦激光器， 使 其 波 长兄 ， 接 近 光 纤 零 色 散 波 长 。 反菌1 目月、sp5.0闷 1 3 0 0 图 1 . 1 1 33 0 1 1 0 0 1 4 301 6 5 0 1 7 0 0 wa v e l e n 以b ( o w) 光纤的损耗谱和各种掺杂光纤放大器的放大谱范围 在各种掺杂光纤放大器中，掺饵光纤放大器由于工作在光通信的低损耗窗 第一章绪论 口1 5 5 0 n n 、 附 近， 且e r 3 上能级寿命可以 达到i o m s ， 使其具有增益高、 频带宽、 噪声低、效率高、对数据透明等优点， 成为研究热点。对 e d f a的研究基本上 沿两个方向同时进行，一个方向是对e d f材料的研究，目的是研制出增益谱更 宽更平坦的掺饵光纤;另一个方向是e d f a整体性能的研究，目的是在现有的 e d f材料基础上设计出符合现代光纤通信系统要求的性能良好的 e d f a 。基于 专业方向，本论文只对后者进行讨论研究。 由于石英基质的掺饵光纤的小信号 增益频谱在1 5 3 3 n m和1 5 5 3 n m处有两个 明显的峰值， 在 1 5 4 2 m n 处有一低谷， 在 1 5 3 0 r n n -1 5 6 0 m n范围内其增益变化可 达几十个d b ， 这么简单的e d f a ，显然不能用于现代的光纤通信系统中，特别 是 wd m系统中。因此要设计出实用的性能良好的e d f a ，必须对e d f a的整 体设计进行研究。所有的整体设计技术中两个最为重要的技术是增益谱均衡和 自动增益控制，这也是本论文工作的重点。 1 . 2 接饵光纤放大器及其增益控制技术发展 1 . 2 . 1接饵光纤放大器 在光纤通信中，我们总是希望能将光信号不失真地传送得越远越好。然而， 由于光纤吸收、散射等各种因素的影响，光纤总是存在一定的损耗，使得在传 输过程中光信号的幅度越来越小，从而限制了光纤通信系统的传送距离。除了 光纤损耗以外，限制光纤通信系统传送距离的另外一个重要因素是光纤的带宽。 带宽的限制，使光脉冲的宽度在传输过程中越变越宽，限制了大容量光纤通信 系统的传送距离。因此，从限制光纤通信传输距离的角度来说，光纤通信的发 展历史，在光纤方面，就是不断地设法降低光纤损耗和拓宽光纤带宽的历史。 无论是受光纤损耗限制或是受光纤带宽限制的光纤通信系统，由于8 0 年代末光 纤放大器的出 现，使得它们的中继放大问题都可以有效的加以解决。可以说， 光纤放大器的出现预示着光纤通信进入了一个新时期新纪元，因为利用光纤放 大器可以大大提高发射端光纤内光功率，可以实现光一光中继放大，可以 提高 接受端的接受灵敏度等。 按照其在光路中使用位置的不同，光纤放大器可分为功率放大、中继放大 ( i n -l i n e ) 和前置放大 ( p r e l i m i n a ry) 三种，如图1 .2 . 第一章绪论 图1 .2 e d f a在光纤通信系统中的主要应用 应用位置不同，对放大器的性能要求也有所区别:功率放大器应用在信号 发送端光源之后 ( 图中a点)，目 的是要获得高的输出光功率，以 增加发送端 实际进入传输光纤内的光功率。一般这种光纤功率放大器是以 饱和输出方式工 作的， 追求的是要有较高的 功率转换效率。对于前置放大器， 应用在光纤通信 系统的 接收器之前 ( 图中c点)。它可提高直接探测光纤通信系统的整机接收 灵敏度，它会引入自 发辐射噪声， 所以 要求有最小的噪声因子和最大的净增益， 使其不至于由于光放大而比较严重地降低接收机的信噪比，还应该尽量减小光 纤放大器的插入损耗.对于光在线放大或中继放大器，应用在传输线路的中间 图中b点)，目 的是传输路途中 对光信号进行放大来补偿在传输过程中由 于 光纤损耗等因素造成的光信号的降低。 性能要求介于前两者之间，要求适中的 增益和功率输出以及较小的噪声因子， 还要求能提供自 动增益控制。中继放大 器特别适合于多波长波分复用光纤通信系统。 与半导体激光放大器相比，光纤放大器具有增益高、噪声低、饱和输出功 率高、带宽宽，容易与光纤祸合等优点。 1 . 2 . 2接饵光纤放大器的增益控制方法 在 w d m 通信系统中， 各通道的光功率之和将随时发生变化，这导致功率 瞬态 波 动 和低频 交叉调 制 1 -3 1 - 1 -6 l 。 由 于e d f a通常工作在饱和 状态， 信道数 增 加时其增益将下降，各信道的输出光功率会降低;信道数减少时，各信道的输 出光功率会增大， 导致光纤的非线性效应加强。 因而e d f a的增益控制技术在 未来光网络中尤为重要。 掺饵光纤放大器的增益控制主要包括电路自 动增益控制、 光自 动增益控制 和链路自 动增益控制三种。 一、电路自动增益控制 第一章绪论 掺饵光纤 衰减器祸合器衰减器 信号源 l d泵源光电探测器 电流源控制电路 接收器 图 1 .3电路增益控制 e d f a结构图 1 9 9 1 年， a . d . e l l i s 等 提出 了 电 路自 动 增益控制的 方案 0 .7 1 ， 其结构 如图1 . 3 所示。原理是把一部分输出光分离出来转换成电信号，反馈到泵浦电源对其进 行控制，从而控制放大器的 增益.电自 动增益主要包括三个过程: ( 1 )检测增 益变化; ( 2 )产生校准信号; ( 3 )恢复增益。通过监视放大器输出端的增益 变化产生校准信号来调整泵源的驱动电 流 ， 从而达到控制增益的目 的。 2 0 0 0 年， k i - wo o n n a 等又提出了给泵浦激光器加几k h z 弱调制信号用作增益控制的探测 信号 1 .8 。输入信号变化在超过2 5 d b的范围内， 增益被控制在0 .4 d b以内。 二、光自 动增益控制 按照控制激光腔形不同，光自 动增益控制可分两种。 1 .线形腔增益控制e d f a i n p u t o u t p u t 图 1 . 4线形腔增益控制 e d f a结构图 线形腔光自 动增益控制原理如图 1 .4所示。用两个光纤布拉格光栅构成线形 腔，形成激光振荡。这种方法由于光栅反射率一定，增益一般不可调。在腔内加 入可调光衰减器 ( v o a)可以调整增益，但是又直接影响了信号光的功率。尽管 调整光纤布拉格光栅的中心波长可以调整增益，但对om啾光纤布拉格光栅的反射 性能要求高。而且，激光波长的调整又可能影响d wd m信道的使用。 2 、环形腔增益控制e d f a 第一章绪论 环形器 -卜j 沪 门 . 、 、 l d r a 弩 输入 滤波器 图1 5环形腔光自 动增益控制结构图 环形腔光自 动增益控制原理如图1 .5 所示。 由光定向祸合器分离出一部分输 出 光，用滤波器选择一个特定波长的自 发辐射，使之能在环路中循环，形成激 光振荡， 与信号光竞争上能级饵粒子数， 达到增益控制的目 的。由 于信号光不 经过控制激光的环形腔，所以在腔内加可调光衰减器可改变腔内控制激光的损 耗，而不改变信号光。当腔内损耗小时，控制激光强度较大，控制激光将消耗 掺饵光纤较多的上能级粒子，使掺饵光纤粒子数反转程度较低，信号光获得的 增益较小，但增益控制的动态输入信号功率范围增加。增加腔内损耗则相反。 因 此，通过改变腔内的损耗，可以调节增益控制 e d f a的 增益水平而不影响信 号光。 三、链路自 动增益控制 这 种方 法主要用于 级联e d f a 情况 下的 增益控制， 其 原 理 如图1 . 6 所示 -g l 滤波器衰减器 传输光纤传输光纤 _一皿一 卜 - 增益控制e d f a 藕合器e df a z e df a n 图1 .6链路自 动增益控制e d f a结构图 在级联e d f a的第一级放大器处，用光祸合器分离一部分光进入控制激光 环路，用滤波器选择振荡激光波长，用衰减器调整腔损耗。由于复杂多变的情 况出现在链路的前端，而在链路中不存在信道上、下载的情况，因而在链路增 益控制中通常只对第一级放大器进行增益控制。研究表明，链路自动增益控制 在一定程度内可以达到令人满意的效果。 第一章绪论 经过上面的分析， 可发现，在三种增益控制方法中，由于光自 动增益控制 结构简单，不需要复杂的控制电路，又可根据实际应用的需要，设计出在光纤 通信系统任何位置的放大器，因此倍受关注。也是本论文研究增益控制 e d f a 时所选择的方法。 1 3掺饵光纤放大器国内、外研究现状 自 从 1 9 8 9年掺饵光纤放大器 ( e d f a )用于光通信的 试验成功后，可以说 十几年来光通信与e d f a相互推动， 均得到快速发展。 e d f a与其它放大器比较， 具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声系数低、放大特性 与系统比特率及数据格式无关、无串扰等优点，已成为大容量、高速率光纤通 信系统中不可缺少的关键器件之一。 光纤放大器和光纤激光器都是利用掺稀土元素光纤中的光放大效应，它们 的发 展 密不可分。 在 此 领域的 研究 机构中， 美国 光学 公司a t 在放大器的输入端，先泵 浦一段很短的饵纤，进行预放大，同时对这段饵纤选择后向泵浦方案，可以提 第一章绪论 高 输入 端饵离 子的 粒子 反 转 水 平， 从而降 低放 大器的 噪 声 系 数 f 1 - 1 l波段e d f a的放大机理可认为是， s ta r k 能级内 部多 声子跃迁使得短波长 向 长波长转移能 量造 成的 ( 1 - 1 8 1 e l 波 段e d f a的意 义， 不 仅 在于 增加了 传输波段 带宽， 还在于它使我们能用色散位移光纤( d s f ) 建立w d m传输系统， 而不会 受到四波混频 ( f wm) 等非 线性效应的限 制d - 1 9 1 为了提高 l波段放大器的性能，降低成本， 一般都选用掺杂浓度比普通掺 杂 浓 度高 至 少 一 个 数 量 级 的 饵 纤 (1-2 0 1 ; 采 用 两 级 11 -7 11或 多 级 结 构 ( 1 -22 卜 ” -7,3 提高 增 益， 降 低噪声; 用 一 个 宽 带 反 射镜 和 光环 形 器 组 成 双 通 结 构 11 .2 41-11 -2 8 1 减 少饵纤 长 度，降低泵光功率，从而提高泵浦效率。用一段未被泵浦的饵纤引入辅助泵浦 源 方法( 1 -2 9 1- 1 1 - 3 0 1 ， 用1 5 3 0 n m波段光做 泵浦源等( 1 . 3 1 1 1 .3 3 1方 法 提高 泵浦效 率; 在多 级掺 饵光纤放大器中， 第一 级 用后向 泵浦方案 1 1 -2 1 1 ， 传 统 的 光 纤 环境反 射镜用双 折射光纤环境代替11 - 3 4 1 ， 在多 级或者 双通结构中， 在 放大 器 前 端先 对一小段饵纤 泵浦进行预放大，这样提高输入端的饵离子反转水平， 从而降低放大器的噪声 系 数 ( 1 -2 7 ,1-2 2 ,1 -3 5 1 ， 或 者 在 放 大 器的 输出 端引 入一 个 光 源 来 抑 制a s e 噪 声 (1 3 6 1 在对超宽带c + l 波段增益平坦e d f a的各种研究中， 主要是用分支结构把 c和 l波段信号先用藕合器分离，单独进行放大， 然后用合波器合并，每个分 支的放大器参数设置适当，使得两个波段的放大器分支的 增益基本相等。还有 一种结构是信号都通过一段饵纤放大，由于l波段放大器要想和c波段放大器 达到相同的增益值，需要更长的饵纤和更高的泵浦功率，因此，在一级放大之 后，对c和 l波段信号分波，c波段通过普通传导单模光纤直接传输到输出端 合波器，分离出来的l波段信号则经过另一段较长的掺饵光纤再次放大，然后 到达输出端藕合器与c波段信号合波，放大的信号一起从输出端输出，获得超 宽带的放大器。 c 十l波段超宽带放大器有串联结构、并联结构和非线性效应结构。并联结 构最直接的方法就是在输入、输出端用祸合器把c波段和l波段信号分开，进 入不同的 饵纤分别放大， 然后 在 输出 端合波， 同 时 输出 (1 -3 7 , 1 .3 8 1 。 若把c波段分 支得到的后向a s e反馈回l 彼段分支，用作l 波段放大器的辅助泵浦源， 将会 增加l 波段 饵纤 泵浦功率， 提高 增 益，降 低噪 声 系 数 1 1 -3 9 , 州。 虽然这种方法有 一定的效果，但是c波段和l波段信号应用各自 独立的 饵纤，这样饵纤的利用 率 低。 s e o n g ta e k h w a n g 等 !1 -0 1 1+ -4 4 1提出 几 种宽 带e d f a , c 和l 波 段 信号 都 通 过一段饵纤放大，然后通过祸合器把c和l波段信号分开后，l波段进入另一 第一章绪论 段更长的饵纤进一步放大，为了 充分利用泵浦光功率，在饵纤末端加反射镜， 让l 波段信号在第二段饵纤中再次放大，然后通过另一个祸合器与c波段信号 藕合，从输出 端输出。比 较单通和双通l波段e d f a结构的静、动态性能，双 通结构需要泵光功率小， 饵纤较短，功率转换效率高，在泵光功率相等时，闽 值功 率 高， 动 态 范 围 大 . 然 而 噪 声 系 数 和 动 态 增 益 波 动 大 【1 -4 1 1 . y a n s u n 等 p -0 6 1 用环形器和宽带光纤光栅对c和l波段信号进行分离，并引入增益均衡滤波器 使 增益 谱 平 坦， 实 验 得 到 大 于8 o n m带宽 的e d f a 。 类 似 的 ， y .x i e 等 。 d ) 1用环 形 器和取样光纤光栅对输入的c和l 波段信号进行分波和合波，避免了使用祸合 器中， 在c 和l 之间几个r i ll 的死区内 信号的增益减小的问 题。 mo h d a d z ir m a h d i 等 1 4 8 】 设 计的 超宽 带e d f a , c 和l 波段信号使用不同 的 输入 输出 端口 ， 充分 利 用了泵浦光功率和饵纤。 1 . 3 3增益控制的研究 全光自 动增益控制方法有基于激光原理的线形腔或者环形腔方法，线形腔 增益控制主要是在放大器的饵纤两端加入光纤光栅或者滤波器选频元件，形成 特定波长的控制激光，与信号光竞争上能级饵粒子数，此消彼长，达到控制效 果。由于在线形腔结构中，信号要经过控制激光腔，所以，对控制激光强度调 节会直接影响信号光，这样，线形腔的控制增益很难调节。而环形腔结构是从 光路中分离一部分光，形成环形腔振荡，控制激光在环形腔内 产生，信号光只 经过放大器的增益介质，不会在控制环路中传输，因此可以加入衰减器等损耗 元件，调整控制激光强度，从而灵活调整放大器的 控制增益。这是两种方法的 主要区别。而这两种方法都基于激光原理，所以 在放大器中会产生激光烧空和 弛豫振荡，后来出 现了 用a s e进行控制的非激光增益控制e d f a 。这几种控制 方法都在理论和实验中得到发展. j .f .m a s s ic o tt 等1 1-0 9 1-11 .5 2 研究了 线 形 腔增 益 控 制e d f a ， 在饵纤 两 端或 者 只 用一个光纤光栅， 使用双通结构，选择控制激光波长， 达到增益控制的目 的。 一般线形腔的增益控制方法，控制激光功率受光栅的反射率影响，为了调整控 制激光功率，可通过对光栅施加应力来改变光栅反射波长和反射率。但这样同 样会改 变信号 光的 强 度， l i l i n y i 等 1 -5 3 1 在线形 腔中 ， 用波 长选择滤波器 把控 制 激光和信号光分开，这样调节控制激光功率时， 信号光将不再受影响。 环 形 腔 增 益 控 制 可以 通过 在 腔内 插 入滤 波 器 选 择 控 制 激 光 波长 1 -54 1-11-6 0 1戴 第 一 章 绪论_ 者用光纤光栅选 择控 制 激光 波长11 -6 1 1 4 1 . 6 4 3， 或者 不 使 用 选频 器 件， 引出 一部分 光， 在腔内 循环， 形成 激 光 11 -6 5 1- 1 .6 7 1 。 无论哪 种激光 形成 机理， 都 会产生 激光烧空和 弛 豫 振 荡， 为 了 消 弱 这 两 种 效 应， y o n g q i a n l iu 等 11 -6 8 1 提出 双 腔 结 构， 这 样 用 两 个不同波长的控制激光对放大器增益进行控制，有效降低了 激光烧空和弛豫振 荡， 赵春 柳等1 .6 9 1 在 此基础上， 提出 在一 个腔内 使 用两个 长周 期光纤光栅和f - p 可调谐滤波器选择控制激光波长，同样达到双波长增益控制效果，有效降低了 空间烧空效应和弛豫振荡。 输入信号强度在- 4 0 d b m - s d b m范围内 变化时， e d f a的增益变化控制在0 .3 d b e 为了避免激光烧空和弛豫振荡， 有人提出不使用控制激光机理， 而是用a s e 对 放大器增益 进行控制11 - 7 0 - 1 1 - 7 8 1 . 或者 在放大器输 入端引 入一路 补偿光， 当 输 入 信号功率变 化时 ， 实时 对其调整 1 -7 9 1 1 a光纤激光器及其发展 光纤激光器是一个波导型的谐振装置，光波由光纤传输。光纤激光器实际 上是一个波长转换器。在泵浦波长上的光子被介质吸收，形成粒子数反转，最 后在掺杂光纤介质中产生受激发射而输出激光。 光纤激光器具有波导式的结构，可以在光纤纤芯中产生较高的功率密度。 它所使用的硅光纤的制作工艺现在已 经非常成熟，因此可以 制作出高精度、 低 损耗的光纤。如果光纤的选择使泵浦和信号波长均运行于单模工作状态，则泵 浦和信号光场之间的重合性非常好。由于光纤的几何特点，使得这种结构具有 较高的表面积一 体积比，因而其散热效果很好。以 上这些特点就决定了以硅为基 质的光纤激光器可以在较低的泵浦功率下工作在连续的输出状态，而其它块状 玻璃介质的激光器一般仅能工作在脉冲状态，常需要相当高的泵浦能量以 获得 激光输出。 光纤激光器可分为基于非线性效应的光纤拉曼激光器和基于受激辐射的掺 杂光纤激光器。 光纤激光器近几年受到广泛关注，这是因为它具有其它激光器所无法比拟 的优点。光纤激光器有以下优点:1 、泵浦光被束缚在光纤中，泵浦光能量密度 高，因此泵浦闲值较低; 2 、采用低损耗长光纤，即使单位长度增益低，也能获 得大的单程增益;3 、单模光纤激光器的谐振腔具有波导的特点，容易实现模式 第一章绪论 控制， 获得高质量的 激光束: 4 、光纤介质具 有很大的 表面积一 体积比，散热好， 无需采取水冷、风冷等强制冷却措施; 5 、与光纤祸合效率高，设计和制作简单 等，因此成为研究热点。 由于光纤激光器具有上述优点，它在通信、军事、工业加工、医疗、 光信 息处理、全色显示、 激光印 刷等领域具 有广阔的应用前景d -e o l 掺稀土元素光纤激光器和放大器的研究和应用越来越受到国际科技界的广 泛重视，因为其成本低，易于制作，而且工作波长对目 前和将来的某些应用尤 其重要，例如，在光通信，医学，传感器和光谱学等领域。 1 5选题意义和主要研究工作 本论文工作依托天津市科技发展计划项目( 0 3 3 8 0 0 2 1 1 ):“ 智能型光纤放 大器和光源的研究”，结合国内外对掺饵光纤放大器理论和实验研究进展，对 掺饵光纤放大器进行理论和实验研究，以设计出高增益及增益平坦的e d f a 为主 要研究目 标， 研究内 容和成果主要包括: 1 、 提出 利用光纤环镜作反射镜的串联结构的两级e d f a结构， 在l 波段获得了 更高更平坦的 控制增益。在 1 5 7 0 m n - - 1 6 0 0 n m放大器工作波长范围内， 增益 平坦度达到0 . 7 7 d b , 3 d b带宽大于3 5 n m，动态范围-4 5 d b m - - - 1 5 d b m, 2 、 提出利用宽带明啾光纤光栅作反射镜对后向c波段反射来控制l波段增益的 e d f a ，得到放大器增益高于2 3 d b ，在1 5 7 2 m n -1 6 0 4 m n 范围内， 增益平坦 度在 f 0 .9 2 d b . m b带宽大于3 6 m n ( 1 5 7 0 m n - 1 6 0 6 n m ) ， 饱和信号 输 入功 率 达 到一 1 5 d b m o 3 、提出基于反射镜对一段饵纤双向泵浦的e d f a 。利用光纤环镜作反射镜时， 在 1 5 8 5 n m波长处， 增益可达到2 0 .2 8 d b ， 信号饱和输入功率可达到一 6 .9 4 d b m ; 利用环形器做反射镜时， 在1 5 8 5 m n 信号波长处， 增益达到1 7 .6 8 d b ， 信号饱 和输入功率达一 5 .5 1 d b m e 4 、提出利用宽带惆啾光纤光栅和双折射光纤环镜做腔镜的多波长光纤激光器; 用c波段宽带惆啾光纤光栅作腔镜实现l 波段激光输出的光纤激光器和用光 子晶体光纤光栅作腔镜实现激光输出的光纤激光器。 第二章 掺饵光纤放大器及其增益控制技术的理论 第二章 掺饵光纤放大器及其增益控制技术的理论基础 2 . 1掺钥光纤放大器 2 . 1 . 1接饵光纤放大器概述 掺饵光纤放大器的出现是光纤放大器的一个重大突破。它的工作波长恰好 落在光纤通信的最佳波长区域 ( 1 3 1 0 m n - 1 5 5 0 n m )，增益比较高，而且需要的 泵浦功率也比 较低 ( 1 0 0 m w )，又因 为掺饵光纤本身就是增益介质，所以与 线路的 祸合 损 耗 很小， 噪声很低。 饵离 子 在石 英 基质中 可简化成三能 级系 统 2 - d 如图2 . 1 所示. 9 8 0 n m 1 5 3 0 mn 呱劝 勺勺 41 1 5 )2 图2 . 1石英光纤中e 产的 三能 级 示惫图 石英的非晶 特性使每个能级展宽，呈现带状。 掺饵光纤的吸收和增益系数 与 波 长的 关 系 如 图2 .2 所 示 【2 -2 1 a b s o r p t io n 、 i b765432) 0 k=-1 4 0 0 -日彭吸朋剪显荟澎 图2 . 2 1 4 5 0 1 5 0 0 1 5 5 0 1 6 0 0 1 6 5 0 波长( nn) 掺饵光纤的吸收和增益谱 第二章掺饵光纤放大器及其增益控制技术的理论 从图中可看出 掺饵光纤的工作区域可分为两个区间，在a 1 5 0 0 ， 范 围， 增益大于吸收。 因此对波长在这个区间的 信号光可进行放大。 对图2 .2 的吸 收和发射谱线线性叠加，得到对应于不同激发态粒子数的净增益系数，即放大 器的增益谱轮廓，如图2 . 3 . n2=1.0n2 0.8n2=0.6n2=0.4 n2=0.2v n2=0.0 56礴20-24 -1日纂眠梢黔处 1 4 0 0 1 4 5 0 1 5 0 0 1 5 5 0 1 6 0 0 1 6 5 0 波长 ( n m) 图2 . 3不同 激发态粒子数的增益谱轮廓 另外掺饵光纤放大器的性能主要决定于掺饵光纤的性能，掺饵光纤的吸收 和增益特性可通过掺杂其它成分来改变。 在掺饵光纤中加入其它稀土离子，会 改变饵离子的吸收和发射谱。例如，掺饵光纤中同时掺入锗，可以 提高掺饵光 纤放大器的增益;若同时掺入磷，则可以 加宽它的吸收带，提高泵浦效率，降 低对泵浦光源波长稳定性的要求。掺铝可以增加饵离子在硅酸盐中的溶解度， 从而提高光纤的饵掺杂浓度。提高掺饵的浓度，可以在保证充分利用吸收泵浦 光的条件下，使饵光纤尽可能短。 但提高掺饵的浓度又使附加损耗增加。 从改 善光纤放大器损耗的角度来看，应当降低掺饵的浓度，但掺饵的浓度较低，又 使光纤对泵浦光的吸收减少，降低增益。为了维持增益，又需要增加光纤的长 度。图2 .4 是几种不同纤芯成分掺杂时， 饵纤的发射谱。 从图中可发现， 纯硅饵 纤的发射谱线窄而且最低。 并且在 1 5 4 5 n m附近有凹陷。 掺入磷可消除凹陷， 并 增加发射谱的宽度， 掺入铝和磷，得到的谱线最宽，最平坦，且发射强度最大。 实际应用时可根据要求选择合适的光纤。 第二章 掺饵光纤放大器及其增益控制技术的理论 一a v 护问 珍 . .一. c y i .1人评 si. 二 . 一 一 v s a u . -p 以吧5 正口 。以刘刃 . 石了 ce飞、 习洛-理翻川 心 . 口i 肠 创1i s 知1 5 叨1 日刃 艘长( n . ) 图2 .4四种具有不同纤芯成分的 】 肠 的 e d队的发射谱 2 . 1 . 2 e d