（光学专业论文）应用于s波段的w型掺铒光纤的理论与实验研究.pdf

_y17lllliii119ilil8lljoll14lij18ll 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：善撤氏 沙d 男 年乡月叩日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 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： 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。除文中已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、已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j 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： 五7 融民 伊君年夕月1 7 日 实现s 波段有源器件的一种优化方案。因此本文在自然科学基金“e r y b 共掺w 型光纤及s 波段光子器件的研究”支持下开展了对w 型光纤传输理论和在s 波 段应用的研究。主要内容包括以下几个方面： 1 w 型光纤传输特性的理论研究 从光纤中的麦克斯韦方程组，推导出w 型光纤中的亥姆霍兹方程，求解该 方程得到了满足边界条件的特征方程。通过数值求解该特征方程，研究了w 型光纤的基模截止特性。得到了基模截止频率随w 型光纤内包层折射率宽度s 和深度尺的变化规律。 2 应用于s 波段的w 型光纤的设计与传输特性研究 在最大消除光纤参数误差对截止波长影响的基础上优化设计了一种基模截 止波长位于1 5 3 0 n m ，应用于s 波段的w 型光纤。分析了该光纤参数误差对基 模截止波长的影响，发现截止波长对纤芯和内包层折射率以及纤芯半径的变化 非常敏感。 理论分析了该w 型光纤中基模的传输情况，并据此绘制了模场分布函数曲 线。模场分布曲线表明低折射率内包层的引入使光纤中模式传输的隧道效应大 大加强，造成了长于截止波长的光波的基模穿透外包层向外层空间辐射，形成 了w 型光纤基模截止的传输特性。 利用光纤模拟计算软件o p t i f i b e r 理论分析了w 型光纤的弯曲损耗。计算 结果表明w 型光纤中长波长的宏弯损耗要远大于短波长的宏弯损耗。这种性质 可用来修正基模截止波长向长波方向的漂移。 3 s 波段掺铒光纤激光器的实验研究 构建了一种双波长可转换输出环形腔掺铒光纤激光器。得到了1 4 8 8 9 n m 和1 5 3 3 9 n m 激光。通过改变掺铒光纤的线圈宽度，实现了两激光的可转换输 摘要 出。 构建了一个波长可调谐环形腔掺铒光纤激光器。采用9 8 0 n m l d 后向泵浦， 采用一个f f p t f 进行调谐，得到2 2 n m ( 1 4 9 8 3 r i m 一1 5 2 0 3 n m ) 范围内的可调 谐激光输出。同时测量了1 5 0 8 9 r i m 处激光的功率特性和功率稳定性。在6 0 7 r o w 的泵浦功率下，实现了2 2 3 m w 的激光输出。且输出功率在1 5 分钟内的抖动不 超过0 1 6 d b 。 关键词：s 波段，w 型光纤，基模截止 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to ft h ei n f o r m a t i o ne r a , t h ec o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n gs e r v i c eo f i n t e r n e ta n dd a t at r a n s m i s s i o nd e m a n d sa no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s w i t hl a r g ec a p a c i t y , h i g hs p e e da n dl o n gt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e t h u st h e r ei sat a s k i no p e n i n gu pn e wt r a n s m i s s i o nw i n d o w s t h es - b a n di sa r g u a b l yt h eb e a tc a n d i d a t e f o l l o w i n gt h ec - b a n da n dg r e a ta t t e n t i o nh a sb e e np a i dt oi t a sas p e c i f i cd o u b l e c l a d d i n gf i b e r , t h ew - t y p ee d f c a ns h i f ti t sg a i nf r o mc - b a n dt os - b a n d a c t i v e d e v i c e sb a s e do nw - t y p ee d fa r ea no p t i m a ls c h e m ef o rs - b a n dd e v i c e s t l l i st h e s i s m a i n l yd e s c r i b e st h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nw - t y p ef i b e ra n di t s a p p l i c a t i o ni ns - b a n d o u rw o r ki ss u p p o r t e db yt h ep r o j e e to ft h ec h i n an a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o nu n d e rg r a n tn o 6 0 3 7 7 0 1 0 t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e d a sf o l l o w s ： 1 t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nl i g h tp r o p a g a t i o ni nw - t y p ef i b e r w eg i v et h ee i g e n f u n c t i o no ft h ew - t y p ef i b e rb yn u m e r i c a l l ys o l v i n gm a x w e l l s f u n c t i o n sa l o n gw i t hb o u n d a r yc o n d i t i o n b yn u m e r i c a l l ys o l v i n gt h ee i g e n f u n c t i o n , w es t u d yt h ec u t o f fp r o p e r t yo ft h ef u n d a m e n t a lm o d ea n dg i v et h ec h a n g e so f n o r m a l i z e dc u t o f ff r e q u e n c yf o l l o w i n gt h ec h a n g e so fs ( t h eb r e a d t ho fi n n e r c l a d d i n g ) a n dr ( d e p t h o ft h ei n n e rc l a d d i n g ) 2 d e s i g no faw - t y p ef i b e ra n dt h e o r e t i c a ls t u d yo ni t st r a n s m i s s i o np r o p e r t y w ed e s i g nan o v e lw - t y p ee d ff o rs - b a n db yw e a k e n i n gt h ei n f l u e n c eo ff i b e r p a r a m e t e r s e r r o ro nt h ec u t o f fw a v e l e n g t h t h ef i b e rp a r a m e t e r s i n f l u e n c e so nt h e f u n d a m e n t a lm o d ec u t o f fa r ea l s ot h e o r e t i c a l l yi n v e s t i g a t e d w ef i n dt h a tt h ec u t o f f w a v e l e n g t hi sv e r ys e n s i t i v et ot h ee r r o ro ft h ec o r er e f r a c t i v ei n d e x ，t h ei n n e r c l a d d i n gr e f r a c t i v ei n d e xa n dt h ec o r er a d i u s w es h o wt h em o d ef i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ef u n d a m e n t a lm o d e t h er e s u l tp r o v e s m a tt h em o d ef i e l dc a ns o m e t i m e sf o r mar a d i a lt r a v e l i n gw a v ei nt h eo u t e rc l a d d i n g b e c a u s eo ft h et u n n e le f f e c t t h e nt h ef u n d a m e n t a lm o d ei st ob ec u t o 危 w ec a l c u l a t et h eb e n dl o s so ft h ew - t y p ef i b e rb yu s i n gt h es o f t w a r eo fo p t i f i b e r t h er e s u l tp r o v e st h a tt h eb e n dl o s so ft h el o n gw a v e l e n g t hg r e a t l ye x c e e d st h a to fa i i i a b s t r a c t s h o r tw a v e l e n g t h t h i sc a nb eu s e dt or e v i s et h ed e v i a t i o no ft h ec u t o f fw a v e l e n g t h 3 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so ns - b a n de r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r s a w - t y p ee r b i u m d o p e df i b e rr i n gl a s e re m i t t i n ga l t e r n a t i v e l ya t1 4 8 8 9n ma n d 15 3 3 9n l ni sd e m o n s t r a t e d s w i t c h i n gb e t w e e nt h et w oo p e r a t i n gw a v e l e n g t h si s r e a l i z e db yc h a n g i n gt h eb e n d i n gc u r v a t u r eo ft h ee d f l o o p w ed e m o n s t r a t eat u n a b l ee r b i u m - d o p e df i b e rr i n gl a s e r b yp u m p i n gw i t ha 9 8 0 n ml da n dt u n i n gw i t haf i b e rf a b r y - p e r o tf i l t e r , a2 2 n m ( 1 4 9 8 3 n m 1 5 2 0 3 n m ) t u n i n gr a n g ei sa c h i e v e d t h el a s e rs h o w sa no u t p u tp o w e ro f2 2 3 m wa t15 0 8 9 n m w i t hap u m pp o w e ro f6 0 7 m w a n dt h eo u t p u tp o w e rd r i f t sl e s st h a no 16 d bi n15 m i n u t e s k e yw o r d s ：s - b a n d ，w - t y p ef i b e r , f u n d a m e n t a lm o d ec u t o f f i v 目录 目录 第一章引言1 第一节现代光纤通信的发展概况1 第二节s 波段光纤有源器件的研究与进展一4 1 2 1 半导体光放大器( s o a ) 4 1 2 2 掺铥光纤放大器( t d f a ) 和激光器( t d f l ) 4 1 2 3 光纤喇曼放大器( f r a ) 和光纤喇曼激光器( f r l ) 6 1 2 4 光学参量放大器( o p a ) 7 1 2 5 掺铒光纤放大器( e d f a ) 和激光器( e d f l ) 8 第三节本论文的主要研究内容1 2 第二章w 型光纤传输特性的理论研究1 4 第一节w 型光纤中的亥姆霍兹方程。1 4 2 1 1 w 型光纤的结构和主要参数1 4 2 1 2 光纤中的亥姆霍兹方程1 5 第二节w 型光纤的特征方程1 7 第三节光在w 型光纤中的传输18 2 3 1w 型光纤中的导模和泄漏模1 8 2 3 2w 型光纤基模的截止特性分析2 1 第四节本章小结_ 2 4 第三章应用于s 波段的w 型掺铒光纤的设计与传输特性研究2 5 第一节应用于s 波段w 型掺铒光纤的设计2 5 第二节w 型光纤参数误差对截止波长的影响。2 9 第三节w 型光纤中的模场分布3 3 第四节弯曲损耗对w 型光纤传输特性的影响3 5 第五节本章小结：3 9 v 目录 第四章s 波段掺铒光纤激光器的实验研究4 0 第一节双波长输出可转换s 波段掺铒光纤激光器的实验研究4 0 4 1 1 实验装置4 0 4 1 2 实验结果。：4 0 第二节波长可调谐s 波段环形腔掺铒光纤激光器的实验研究4 3 4 2 1 实验装置4 3 4 2 2 实验结果4 3 第三节本章小结4 6 第五章总结4 7 参考文献4 9 致谢5 2 个人简历及攻读硕士期间发表的学术论文与科研成果5 3 v i 第一章引言 第一节现代光纤通信的发展概况 信息技术、生物技术和新材料技术是当今高科技领域起带头作用的三大技 术，它们成为高科技的先导和核心。光纤通信是七十年代蓬勃发展起来的新技 术，是信息技术中计算机、光纤通信和传感器三大技术的主要支柱之一。1 9 6 0 年，梅曼发明了红宝石激光器，从此有了单色性、方向性好的强光源，使高速、 长距离光通信成为可能。1 9 6 2 年，半导体激光器研制成功；1 9 6 6 年7 月，高锟 等人根据介质波导理论提出光纤通信的概念。高锟预言，只要在光纤制造中消 除金属离子杂质，制造出2 0 d b k m 衰减的光纤就可以实现利用光纤作为通信传 输介质的通信系统。这两项技术的发展与成熟使以半导体激光器为泵浦源、光 纤为传输介质的光纤通信成为可能。1 9 7 0 年，美国康宁公司制成损耗小于 2 0 d b k m 的光纤，这标志着现代光纤通信技术的发展拉开了序幕。1 9 7 5 年，光 纤衰减降低到了4 d b k m 。1 9 7 6 年，光纤衰减降低到了0 5 d b k m 。1 9 8 6 年，日 本住友公司利用轴向气相沉积法制造出衰减系数为0 1 5 4 d b k m 的纯硅芯石英 玻璃光纤。低衰减系数石英玻璃光纤的研制成功促进了光纤通信技术的蓬勃发 展。 光纤通信和电通信相比较，主要是载波和传输介质不同。光纤通信以光作 为载波，由信息理论可知，载波频率越高，通信容量越大，光的频率比微波高 1 0 3 倍以上，所以光纤通信最大的优点之一就是传输频带宽，通信容量大。光纤 通信的另一个优点是损耗低。由于采用光纤作为传输介质，而光纤对光载波的 损耗很小，在1 5 5 0 r i m 附近，其损耗只有0 2 d b k m ，远小于金属导线对电波的 损耗，也小于大气对微波的损耗，因此光纤通信的无中继距离很长。鉴于以上 优点，光纤通信完全可以实现大容量、长距离的通信。除了以上的优点外，光 纤通信还有抗电磁干扰、抗辐射、抗化学腐蚀，绝缘性好、线径细、重量轻等 优点。这些优点在一些专门通信系统和特殊环境中体现得比较突出。例如，在 电力系统中，信息的传输依赖于抗雷击、抗电磁干扰的高可靠度系统；铁路交 通中所用通信需具有抗强电环境的特点；石化企业等高危险高腐蚀性环境中所 第一章引言 用通信系统需具有抗腐蚀和绝缘性好的优点；航空、航海工具内所用通信系统 对重量及大小有严格的限制；连接国际互联网的越洋传输系统也需要长寿命、 抗腐蚀和可靠性高的传输介质。在这些专门通信系统和特殊环境中，光纤通信 系统是最佳方案。 自1 9 7 6 年，美国西屋电气公司在亚特兰大成功地进行了世界上第一个 4 4 7 3 6 m s 传输11 0 k i n 的光纤通信系统的现场实用化试验以来，从事光纤通信 技术工作的科技人员始终如一地将实现光纤通信的“高速率、大容量、远距离” 作为研究重点。目前商用光传输系统的速率已经达到1 0 g b i l y s ，而随着数据通 信业务和设备的发展，新的更高容量更快速率的通信系统也已经出现。如高端 路由器、千兆以太网交换机的接口速率已经达到了4 0 g b i t s 。2 0 0 1 年，日本n e c 公司在实验室创造的密集波分复用( d w d m ，d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 系统最高传输容量已达到1 0 9 t b i t s 。2 0 0 2 年，美国朗讯公司实 现了4 0 g b i t s x 6 0 的4 0 0 0 k m 的超长距离波分复用传输试验。2 0 0 3 年，法国阿 尔卡特采用非归零调制方式，在g 6 5 2 单模光纤上成功地进行了4 0 g b i t s x 4 0 的 2 5 4 0 k m 传输试验。2 0 0 5 年，武汉邮电研究院将4 0 g b i t s x 8 0 的d w d m 系统设 备装备到了中国电信杭州一上海段传输干线。这个系统的商用标志着我国的光 纤通信技术水平进入世界先进之列。尽管新的技术和新的设备不断涌现，但仍 然不能满足飞速增长的互联网数据业务和通信要求。 随着数字化时代的到来，飞速发展的互联网数据业务导致信息量呈爆炸式 增长，这对通信网络传递信息的能力提出了更高的要求，推动着光纤通信系统 向着更高速率、更大容量的方向发展。光纤通信系统的扩容有三种途径：增加 单信道的传输速率、减小信道间隔和扩展通信带宽。 ( 1 ) 增加单信道数据传输速率，主要通过时分复用( t d m ，t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术实现。目前，商用光纤通信系统的单信道传输速率已经达到 1 0 g b p s ，4 0 g b p s 速率的系统在实验上获得成功，正向实用转化。同1 0 g b p s 系 统相比，4 0 g b p s 以上的系统有更多与信噪比、色散、非线性作用、偏振模色散 等相关的问题尚待解决。其中，偏振模色散是限制光纤通信系统向更高速率发 展的主要因素，而对偏振模色散进行补偿的难度和成本都是极高的。加上电子 器件速率和系统性价比的限制，单信道的传输速率不可能无限制地增加。 ( 2 ) 采用密集波分复用( d w d m ) 技术，通过减小信道间隔来增加信道 数目。在同一根光纤中传输多个波长的光信号，可以充分利用光纤的频带资源， 2 第一章引言 增加信道数目。然而，信道间隔的减小将会伴随非线性效应的增强，信道间隔 小于5 0 g h z 时，四波混频( f w m ，f o u r w a v em i x i n g ) 效应将会引起信道间的 严重串扰，必须采取相应的抑制措施；另外，小的信道间隔还要求系统元件具 有严格的波长稳定性，这将带来系统成本的上升。 ( 3 ) 扩展通信带宽同样可以增加信道数目。图1 1 所示为光纤的低损耗通 信窗口和带宽。充分利用光纤丰富的带宽资源，在目前商用c 波段( 1 5 3 0 - 1 5 6 5 n m ) 的基础上，将通信带宽扩展到与之邻近的s 波段( 1 4 5 0 - - 1 5 3 0 n m ) 和l 波段( 1 5 6 5 - - 1 6 2 5 n m ) ，不失为一种有效的扩容手段。近年来，s 波段和l 波段光器件的研制引起了广泛的关注，并已经取得了很大的进展。 图1 1 光纤的传输窗口和带宽 新的数据传输需求催生新的通信网络，新型通信网络的建造既要考虑技术 指标又要考虑商业成本。为了使新铺设的光纤通信系统性能价格比更高，也为 了更加有效地利用现有通信网络，需要采用高性价比的扩容方案。采用增加单 信道数据传输速率和减小信道间隔的方法会产生一系列的技术和成本问题。而 在可用波长范围大大扩展后，就允许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要 求较低的光源、合波器、分波器和其他器件，使元器件特别是无源器件的成本 大幅度下降，这样也就降低了整个系统的成本。综合以上三种扩容方法，扩展 通信带宽无疑具有一定的优势。 3 第一章引言 第二节s 波段光纤有源器件的研究与进展 目前，商用c 波段( 1 5 3 0 - - 一1 5 6 5 n m ) 光纤放大器和激光器的技术已经较为 成熟。充分利用硅光纤近2 0 0 n m ( 1 4 5 0 - 1 6 5 0 n m ) 的低损耗带宽，将通信带宽 扩展到与c 波段临近的s 波段成为扩大通信容量的有效手段。相比于另两种方 法，研制s 波段光学器件具有以下优势：可以充分利用c 波段已有的成熟技术； 可以缓解d w d m w d m 系统中超高速传输速率和超窄信道间隔的技术压力。 目前s 波段光纤有源器件主要有以下几种：半导体光放大器( s o a , s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r ) ：掺铥氟化物光纤放大器( t d f a ， t h u l i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 和激光器( t d f l ，t h u l i u m d o p e df i b e rl a s e r ) | 光纤喇曼放大器( f r a , f i b e rr a m a na m p l i f i e r ) 和激光器( f r l ，f i b e rr a m a n l a s e r ) ；光学参量放大器( o p a ，o p t i c a lp a r a m e t r i c a m p l i f i e r ) ；掺铒光纤放大器 ( e d f a ，e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 和激光器( e d f l ，e r b i u m d o p e df i b e r l a s e r ) 。 1 2 1 半导体光放大器( s o a ) 半导体光放大器是采用和半导体激光器相类似的工艺制成的一种行波放大 器【1 1 ，主要优点是制作工艺成熟，价格较低廉，结构紧凑，增益带宽大( 1 3 0 0a m 一1 6 0 0 n m ) 。但是s o a 与光纤的耦合损失非常大，一般大于5 d b ；同时增益对环 境温度很敏感，稳定性差；还容易产生交叉相位调制和四波混频等非线性效应， 这就造成s o a 的噪声指数很高，信道间的串扰也比较严重【2 】。 1 2 2 掺铥光纤放大器( t d f a ) 和激光器( t d f l ) 掺铥光纤放大器( t d f a ) 是在光纤中掺入稀土铥离子t m ”，利用其能级 间的受激辐射对光进行放大的光纤有源器件。其能级结构如图1 2 所示。掺铥 氟化物光纤的发射峰在1 4 7 0 r i m 附近，因此要放大s 波段信号光，就需要在掺 铥氟化物光纤中来实现增益位移，即增益位移掺铥光纤放大器( g s t d f a ， g a i n s h i f t e dt h u l i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 。其方法主要有两种：一是通过高掺 杂技术实现低粒子数反转，达到增益位移的目的【3 】；二是通过提高下能级的泵 浦效率，间接地达到低粒子数反榭4 1 。2 0 0 1 年，t k a s a m a t s u 等人采用1 5 6 0 r i m 和1 0 4 7 n m 的双波长泵浦结构，以三段总长为2 0 m ，浓度为2 0 0 0 p p m 的掺铥氟 化物光纤作为增益光纤，对在1 4 7 8 n m 到1 5 0 5 r i m 范围内的1 2 个w d m 信号进 4 第一章引言 行了放大【5 1 。由于t d f a 的增益带宽只有3 5 r i m ( 1 4 5 0 - 1 4 8 5 n m ) ，只能部分覆 盖s 波段，因此，研制g s - t d f a ，增加t d f a 放大带宽成为其研究的主要方向。 2 0 0 2 年，l n n g 等人利用掺铥的单模亚硅酸盐光纤作为增益光纤，采用7 9 5 n m + 1 0 6 4 n m 的双波长泵浦结构，当泵浦光总功率约3 0 0 m w ，信号光功率为2 0 d b m 时，使增益带宽向长波方向漂移了1 5 n m ，在1 4 7 0 - - 1 5 2 0 n m 范围内得到了约 7 d b 增益【6 1 。 o t m 和：z b l n l e r - - 毫 一 吨 敬 c r j 。2 萎 董 一是 一e c 重 呈 岍 s 4 3 , o 品 一 ： 霉 - 图1 2 氟化物玻璃中t m 3 + 的能级示意图 羲 咱 a h 5 f 4 | | “ t m 3 + 的能级非常丰富，可实现多种波长的激光振荡。而且荧光谱较宽，使 用适当的波长选择元件就可实现s 波段激光的输出。1 9 9 5 年，t k o m u k a i 等人 报道了一种采用上转换泵浦方式，工作在1 4 7 0 r i m 附近的t d f l 7 1 。2 0 0 3 年， h c h e n 等人报道了一种基于t d f 的可调谐环形腔光纤激光器，其结构如图1 3 所示【8 】。他们采用1 5 5 0 n m + 1 0 5 0 n m 双波长泵浦以及1 5 5 0 n m + 1 4 0 0 n m 双波长泵 浦分别得到9 4 n m ( 1 4 1 8 1 5 1 2 n m ) 和8 5 n m ( 1 4 3 0 - - 1 5 1 5u r n ) 的可调谐激光输出。 t d f o u t p u t i s o l a t o r2 图1 3 可调谐环形腔掺铥光纤激光器的结构 虽然t d f 器件的研究已经进行多年，却并没有取得太大的进展，这主要是 5 5 d 5 o 1 1 第一章引言 因为相对于e d f 器件，它有以下缺点：掺铥光纤有源器件需要采用上转换泵浦 方式，以便实现有关能级的粒子数反转，形成1 4 5 0 , - + 1 4 8 0 n m 波段的光放大。 泵浦方式比较复杂。同时，还需要采用增益位移技术使增益带宽向长波方向 ( 1 4 8 0 - - - 1 5 1 0 n m ) 移动。另外，氟化物光纤化学稳定性差，制备工艺复杂，与常 规光纤熔接困难。 1 2 - 3 光纤喇曼放大器( f r a ) 和光纤喇曼激光器( f r l ) 光纤喇曼放大器的原理是光纤中的非线性效应一受激喇曼散射( s r s ， s t i m u l a t e dr a l l l a t ls c a t t e r i n g ) 。其基本结构如图1 4 所示。石英光纤具有很宽的 受激喇曼散射增益谱。如果一个弱信号与一束强泵浦光同时在光纤中传输，并 使弱信号波长置于泵浦光的喇曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大。喇曼放 大器最重要的特点是增益波长由泵浦光波长决定，通过改变泵浦光的波长，即 可得到所需波段的光放大。当用1 4 0 0 - - 1 4 3 0 n m 的光泵浦时，就可以对s 波段 信号光进行喇曼放大【9 】。1 9 9 8 年j k a n i 等人采用波长为1 4 2 0 n m 的泵浦光，后 向泵浦两级5 k m 色散位移光纤( d s f , d i s p e r s i o n s h i r e df i b e r ) ，在两级放大之间 插入隔离器以抑制双瑞利散射，从而提高了信噪比【1 0 】。他们用总功率为7 5 0 m w 的泵浦光，对功率为3 0 d b m 、信道间隔为2 0 0 g h z 和传输速率1 0 g b s 的信号 光进行放大，得到的最大喇曼增益可达2 3 d b ，3 d b 增益带宽为1 7 5 n m ，噪声 系数在s 波段范围内约为5 d b 。2 0 0 1 年j b r o m a g e 等人在通信系统中使用分立 式喇曼放大器，实现了在线放大s 波段信号光，系统输入端的光学信噪比为 4 0 d b ，经过6 0 0 k m 传输后仍大于2 0 d b 1 1 】。2 0 0 4 年h y a m 等人在分立式光纤 喇曼放大器中插入滤波器和可变衰减器形成光纤反馈环，利用特定波长的激射 钳制增益，从而得到了3 0 d b 的平坦增益【嘲。 信 图1 4 光纤喇曼放大器( f r a ) 结构示意图 出 在光纤喇曼放大器中插入选频元件，形成谐振腔即可构成激光器。在光纤 6 ：篁二皇呈! 童 喇曼激光器中应用较广的是级联式光纤喇曼激光器。所谓级联式就是利用已有 的较短波长的激光器逐级泵浦下一级斯托克斯( s t o k e s ) 光，使产生的低阶s t o k e s 光成为高阶s t o k e s 光的泵浦源，经过几级变化直至获得合适波长的高功率s t o k e s 光输出。v a r e i l l e 等人采用线形腔结构，用1 0 w 的1 0 6 4 n m 激光泵浦，经过6 级 喇曼转换，得到1 4 8 0 n m 的激光输出，输出功率为3 3w 【l 引。2 0 0 2 年，n s k i r n 等人提出了一种多波长环形腔光纤喇曼激光器，使用6 个l d 做泵浦源，激光 波长分别为1 4 2 8 2 n m 、1 4 4 5 8 n m 和1 4 6 3 4 n m 【1 4 】。2 0 0 0 年，c h a n gd o n 等人提 出了一种复合腔光纤喇曼激光器，在1 3 1 3 n m 波长泵浦下，同时获得波长为 1 4 8 0 n m 和l5 0 0 n m 的激光输出i ”】。 光纤喇曼激光器的主要缺点是它所要用到的泵浦源结构复杂，价格昂贵， 设备的保养和成本使其不利于大规模商用。 1 2 4 光学参量放大器( o p a ) 光学参量放大器是利用光纤中的四波混频技术实现对信号光的放大。当功 率较强的泵浦光进入光纤时，若在相位匹配的频率处有一个较弱的信号光与之 共同传输，则此信号光将被放大，同时还将在泵浦光频率的另一侧产生新频率 的闲置光。光学参量放大器的的增益和带宽依赖于泵浦光的功率和光纤的非线 性系数。为了得到宽带的放大增益，泵浦光波长应略大于光纤的零色散波长【l 6 1 。 在特定条件下其增益带宽可达几百纳米。因此通过泵浦光和光纤参数的恰当选 择，也能实现s 波段信号光的放大。 m c h o 等人利用波长为1 5 4 2 4 r i m 、峰值功率为1 0 w 的脉冲光泵浦长约 2 0 m 、零色散波长为1 5 4 0 2 n m 的高非线性光纤( h n l f ，h i g hn o n l i n e a r i t yf i b e r ) ， 对脉冲信号光进行放大【1 7 】。在2 0 8 n m 带宽内得到增益大于1 0 d b ，覆盖了s 、c 、 l 波段。除了脉冲泵浦外，还可用连续光泵浦。j h a n s r y d 等人用3 3 3 d b m 的 泵浦光对三段总长为5 0 0 m 的高非线性光纤进行泵浦，实现了4 9 d b 的最大增益， 并且获得了大于l d b m 的信号输出功率【l 引。虽然o p a 有较大的增益带宽，但是 由于在泵浦光的另一侧将产生相应波长的闲置光，因此在对信号放大的时候， 我们只能使用实验测得的放大带宽的一半。同时，当多个信号共同传输时，信 号光之间的四波混频( f w m ，f o u r - w a v em i x i n g ) 效应，将严重影响信号质量【拶】。 以上四种实现s 波段光放大的方法虽然各具特点，但是复杂的系统和较高 的成本以及有限的性能使其很难大规模地投入商用，因而并没有获得广泛的应 7 ! 叁? 笔 r 第一章引言 用。而鉴于c 波段e d f a 成熟的技术和诸多优点，将e d f a 的增益从c 波段移 至s 波段逐渐成为研究热点。 1 2 5 掺铒光纤放大器( e d f a ) 和激光器( e d f l ) 掺铒光纤中铒离子能级结构如图1 5 所示，其自发辐射( a s e ，a m p l i f i e d s p o n t a n e o u se m i s s i o n ) 谱恰好位于通信用的低损耗窗口，并且具有输出光谱稳 定、受环境影响小、输出功率高以及易于与光纤系统耦合等众多优点，所以掺 铒光纤放大器和激光器自出现以来就受到人们的青睐。因为铒离子在c 波段的 发射截面远大于s 波段，所以在常规掺铒光纤中很难实现s 波段信号的放大。 为了实现s 波段的放大，人们采用了多种方法。一种方法是将掺铒光纤分成若 干段，在每两段之间加上滤波器以抑制1 5 3 0 h m 处a s e ，从而构成多级s 波段 放大器。如2 0 0 3 年h i r o t a k ao n o 等人采用这种方法实现了14 9 0 n m 到15 2 0 n m 波段超过2 1 d b 的平坦增型2 0 1 。2 0 0 1 年e i s h i k a w a 等人报道了采用这种方法构 成的一种硅基常规掺铒光纤加色散补偿喇曼放大器的混合放大器，其中s 波段 e d f a 的结构如图1 6 所示1 2 l 】。实现了1 4 8 9 n m - 1 5 1 9 n m 波段信号的放大，并 且具有色散补偿和低非线性的优点。 图1 5 掺铒光纤中铒离子( e r 3 + ) 能级图 s i l i c ab a s e de d f 刀4 ，心 图1 6d c f r a e d f a 混合放人器中e d f a 的结构 8 第一章引言 但是采用这种方法的掺铒光纤放大器结构复杂，需要用到很多滤波器，因 此并没有得到广泛应用。而具有低折射率内包层的掺铒光纤( w 型光纤) 因其 具有长波长基模截止的特性，可以用来抑制1 5 3 0 n m 自发辐射峰，使增益谱向 短波段移动，从而得到s 波段的增益。2 0 0 3 年，在美国西部光电博览会上， l i g h t w a v ee l e c t r o n i e s 的科研工作者首次报道了他们研制的w 型掺铒光纤。光 纤纤芯直径4 1 t m ，内包层直径2 2l x r n ，数值孔径0 2 2 ，基模截止波长1 5 3 0 n m 。 其预制棒的折射率分布如图1 7 所示。s 波段增益谱线如图1 8 所示，增益带宽 为1 4 7 0 n m - - - 1 5 3 0 r i m ，1 5 0 0 r i m 处的最大增益达3 7 d b l 2 2 。 富 已 c 占 -l- i 。 -、 |i i ； 1卜 i-一 -_i- 3 盘- 101 2 34 图1 7 掺铒w 光纤预制棒的折射率分布图 图1 8 铒掺杂w 光纤s 波段的增益谱 从那以后，科研人员提出了各种结构的s 波段掺铒光纤放大器。2 0 0 5 年， 9 嘲 m m 瞄 。 瞄 o o o n o 8鼍且妻卫e蔷pu一霉薯仨t芒 第一章引言 j b r o s o l e m 等人报道了一种双程结构w 型掺铒光纤放大器，其结构图如图1 9 所示【2 3 1 。在1 5 0 0 8 n m 处获得了3 0 7 d b 的增益。但是双程结构噪声指数较大， 15 0 0 8 n m 处的噪声指数为9 d b 。 图1 9s 波段双程传输掺铒光纤放大器( d p e d f a ) 为了降低噪声，人们采用了双段级联结构。2 0 0 5 年，s w h a r u n 等人报道 了一种双程双段级联结构掺铒光纤放大器，其结构如图1 1 0 所示【2 4 1 。在1 5 0 0 r i m 处得到了2 6 9 d b 的增益，噪声指数为7 5 d b 。高的增益得益于第二段双程结构 的e d f ，而噪声的下降是由于中间的环行器防止了后向a s e 的传输。 g d i i 。l ( 5 m 图1 1 0 双程双段级联结构s 波段掺铒光纤放大器 在放大器中加入布拉格光栅( f b g ) ，对增益进行钳制，即可构成s 波段掺 铒光纤增益钳制放大器。同样在2 0 0 5 年，m s a r a h m a n 等人通过在双程结构 光纤放大器中加入f b g 得到了增益钳制放大器，其结构如图1 1 1 所示【2 5 1 。f b g 使腔内形成比较弱的振荡，从而钳制了增益。 1 0 图1 1 1 增益钳制掺铒光纤放大器结构图 在以上光纤放大器中所用的w 型光纤具有长波长弯曲敏感的性质，因此可 通过改变光纤圈的缠绕直径来控制掺铒光纤的基模截止波长，使自发辐射谱向 短波漂移。用这种方法可以调整光纤的增益谱。 利用w 型掺铒光纤同样可以构成s 波段光纤激光器。2 0 0 3 年，c h y e h 等人报道了一种s 波段环形腔光纤激光器【2 6 1 。波长调谐范围从1 4 8 0 n m 到 1 5 2 2 n m ，边模抑止比大于3 0 d b 0 1 n m ，输出能量大于一2 d b m 。2 0 0 5 年，h a h m a d 等人报道了一种利用f b g 选频的环形腔光纤激光器，其结构如图1 1 2 所示【2 。7 1 。 工作波长为1 5 0 0 n m ，输出功率为7 8 d b m ，3 d b 带宽小于0 0 8 n m 。 e d f l ( 1 5 m )e d f 2 ( 2 0 m ) 图1 1 2 环形腔s 波段掺铒光纤激光器实验结构图 2 0 0 5 年，s w h a r u n 等人报道了一种s 波段的多波长布里渊散射掺铒光纤 激光器，激光器结构如图1 1 3 所示【2 引。这种激光器利用一段2 0 m 长的线性增 益s 波段掺铒光纤