（光学工程专业论文）稀土掺杂光纤放大器中光放大研究.pdf

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科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：豇 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二望墅导师签名：蔓二耄丘鲤日期：z 芝! 笸，2 幺鲳 山东大学博士学位论文 中文摘要 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e r 3 + 光纤放大器( e d f a ) 、c 波段( 1 5 3 0 n m 1 5 6 0 n m ) 密集波分复用系统( d w d m ) 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e d f a 放大窗口 以外的光纤放大器，尤其是s 波段( 1 4 5 0 n m 一1 4 8 0 n m ) 、s + 波段( 1 4 8 0 n m 1 5 1 0 n m ) 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1 5 0 0 n m 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，e r ”的辐射谱 覆盖了1 5 2 0 1 6 1 0 r i m 区域，因此低成本的掺e r 3 + 光纤( e d f ) 拘放大自发辐射( a s e ) 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1 5 0 0 r i m 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e r 3 + 、t m 3 + 、y b 针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t m 3 + 、y b 3 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y b “对t m 3 t 的敏化特性，e r 3 十、t m 3 + 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( t m 3 十) 氟化物光纤放大器( t d f a ) 为例，在掺铥光纤( t d f ) c 0 共掺 山东大学博士学位论文 k 钇( y b ”) ，并构建1 0 4 0 h m - 1 0 7 0 r i m 范围内任一波长的谐振腔，利用低成本的 9 8 0 n m 半导体二极管( l d ) 的泵浦，y b ”在谐振腔内产生适合泵浦t m 3 + 的激光，谐 振腔内的激光成为t d f a 的泵浦源，从而实现s 波段的信号放大。我们建立了谐 振腔增强型t m 3 + 、y b 3 + 共掺s 波段光纤放大器的理论模型，通过它的数值解我们 研究了信号增益与谐振腔长度的关系，增益谱与泵浦功率的关系，增益谱与t m 3 + 浓度的关系，各波长信号的增益与谐振腔反射率的关系，谐振腔的谐振波长对增 益的影响，对比了谐振腔增强型放大器与分离型放大器的增益、噪声特性，并探 讨了谐振腔的实际制作方法以及t m ”、y b ”共掺光纤制作的可行性。通过理论分 析我们得出：采用o 3 w9 8 0 n ml d 泵浦，10 0 0 p p mt m ”与6 0 0 p p my b ”共掺氟化 物光纤构建1 0 5 0 n m 谐振腔后，在1 4 5 0 1 4 8 0 r i m 范围内可以取得增益高于2 0 d b ， 噪声特性在5 d b 左右，这项设计将为t d f a 取得实际应用打下坚实的理论基础。 利用谐振腔增强的办法还可以将单波长泵浦转变成双波长泵浦，以钕( n d 3 + ) 、 铥( t m 3 + ) 共掺光纤放大器为例，在光纤中构建了1 0 6 4 r i m 谐振腔后，采用8 0 0 n ml d 泵浦，谐振腔与n d ”在8 0 0 n m 泵浦下将产生1 0 6 4 n m 激光，同时8 0 0 n m 又是t m 3 + 基态吸收的有效泵浦光，1 0 6 4 n m 是t m ”激发态吸收的有效泵浦光，8 0 0 n m 与 1 0 6 4 r i m 一道组成了t m 3 + 的双波长泵浦，这将是我们下一步研究的课题之一。 这种设计思想不仅可以用于t m 3 + 、y b 3 + ，t m 3 + 、n d 3 + 光纤放大器，还可以用 于其它共掺稀土离子；不仅可以应用于光纤放大器，还可用于光纤激光器，不仅 可以应用于光纤材料，而且可以拓展到波导及其他材料的放大器与激光器。 二、本论文首次建立了t m 3 + 、y b 针共掺光纤放大器的理论模型 y b ”的基态吸收2 f 7 2 2 f 5 ，2 在9 8 0 n m 波段有大的吸收截面，而没有激发态吸 收，它非常成功地被用来敏化e 一。t m 3 + 、y b 3 + 之间的能量转移过程使y b 3 + 有可 能作为t m 3 + 的敏化剂，考虑到这一因素，我们建立了t m 3 + 、y b 3 + 共掺光纤放大器 的理论模型，通过这个模型我们得出：在3 0 0 0 p p mt m 3 + 与1 5 0 0 0 p d my b 3 + 共掺石 英光纤中，采用1 w1 0 6 4 n m 上转换泵浦t m 3 + 和o 4 w9 8 0 n m 泵浦y b ，t m ”、 y b 3 + 之间的能量转移过程对1 4 7 0 h m 处的增益将有2 d b 的改善。我们还利用这个模 型研究了增益谱和光纤长度、泵浦光功率、y b 3 十和t m 抖的掺杂浓度的关系，研究 了掺杂浓度、泵浦功率等因素对敏化效果的影响，并讨论了能量转移因子的大小 对敏化效果的影响。 山东大学博士学位论文 三、本论文首次建立了e ，、t m 3 * 共掺放大器的理论模型 e r 3 + 的4 1 1 3 2 4 1 1 l ，2 跃迁与t m 3 + 的3 h 4 3 f 4 跃迁在1 4 5 0 n m 1 5 6 0 n m 有良好的互 补性，8 0 0 n m 又可成为两离子共同的泵浦光，因此e r 3 + 、t m 3 + 共掺光纤材料有望 成为s + c 宽带光纤放大器的工作物质。然而，e r 3 的4 1 1 l ，2 4 1 1 3 ，2 吸收位于1 4 9 0 n m 附近，t m ”的3 h 6 3 h 5 跃迁在1 5 6 0 n m 附近已开始有吸收，e r 3 + 在8 0 0 n m 波段又存 在激发态吸收4 1 1 3 2 2 h 1 1 2 因此我们综合考虑了这些因素，建立了e 一、t m 3 + 共 掺光纤放大器的理论模型，并通过模型的数值解研究了增益谱与e r 3 + 浓度的关系， 对光纤长度进行了最佳化，对比了8 0 0 n m ( 0 1 5 w ) + 1 4 1 0 n m ( o 3 w ) 与8 0 0 n m ( o 1 5 w ) + 1 0 5 0 n m ( 0 3 w ) 两种泵浦方式下的增益谱，并讨论了我们的模型与其它相关模型 及实验数据的对比情况。通过理论分析我们得出采用8 0 0 n m ( 0 3 w 1 + 1 4 1 0 n m ( 0 1 5 w ) 双波长泵浦在2 0 0 0 p p mt m ”和6 0 0 p p me r 3 + 氟化物z b l a n 光纤中， 在1 4 5 0 n m 一1 5 6 0 n m 范围内，可以实现高于2 0 d b 的增益。 四、建立了1 4 0 0 n m + 1 5 6 0 n m 双波长泵浦的t d f a 的理论模型 随着半导体激光器技术的进展，1 4 0 0 n m 波段和1 5 6 0 n m 波段的二极管激光器 ( l d ) 已被研制出来，尽管它们成本高、输出功率小，但它们有望成为商用化t d f a 的潜在泵浦源，1 4 0 0 n m + 1 5 6 0 n m 双波长泵浦的另外的优势在于它可以通过控制 1 5 6 0 n m 泵浦的功率来实现增益位移，而且它有较高的功率转换效率( p c e ) ，因此， 我们建立了1 4 0 0 n m + 1 5 6 0 n m 双波长泵浦的理论模型，并用此模型研究了增益谱和 泵浦功率、光纤长度的关系，用粒子反转数比率解释了t d f a 的增益位移特性。 五、e d f 的a s e 谱的特性 e d f 的a s e 位于1 5 0 0 n m 波段，它以功率高、无偏振等优点在光纤传感方面 有着重要的应用。我们在实验上研究了e d f 的a s e 输出特性与泵浦功率及泵浦波 长的关系，并分别探讨了在光纤的正向端面和反向端面加反射镜对正向a s e 、反 向a s e 输出光谱的影响，得出了适用于a c e t y l e n e ( c 2 h 2 ) 、h y d r o g e n i o d i d e ( h i ) 、 a m m o n i a ( n h 3 ) 、h y d r o g e nc y a n i d e ( h c n ) 、c a r b o nm o n o x i d e ( c o ) 、c a r b o nd i o x i d e ( c o d 、h y d r o g e ns u l p h i d e ( h 2 s ) 等气体检测用的e d fa s e 光源结构。 关键词：光纤放大器，掺e r 3 ，掺t m ”，掺y b 3 + ，谐振腔增强，t m 3 、y b 3 + 共掺 耐+ 、y b 黪，敏化，a s e 。 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t r e c e n te x p l o s i v ei n c r e a s e si nd a t at r a f f i c ，p r i m a r i l yd r i v e nb yt h ep r e v a l e n c eo ft h e i n t e r n e t ，h a v es p u r r e dr e s e a r c h e f f o r t st o d e v e l o pu l t r a - l a r g ec a p a c i t yo p t i c a l t r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，l o n g - h a u lo p t i c a lf i b e rt e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e n e f i t sg r e a t l y f r o ms u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fc b a n de r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) a n d c b a n dd e n s ew a v e l e n g t hm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) s y s t e m t h ea d v e n to fa l l w a v ef i b e r c r e a t e dl o wl o s sw i n d o ww h i c hc o v e r s1 2 0 0 1 7 0 0 n m ，e s p e c i a l l yi n1 4 5 0 1 6 0 0 n m r e g i o n ，t h es i g n a ll o s si sl e s st h a n0 5 d b k m ，s ot h i sm a d ei tag r e a tc h a l l e n g et od e v e l o p ap r a c t i c a la m p l i f i e rf o rt h ef u l le x p l o i t a t i o no ft h es o - c a l l e ds - b a n d ( 1 4 6 0 1 5 3 0 n m ) w h i c hh a st w i c et h eb a n d w i d t ho ft h ec b a n d n o wn e wd e s i g nt oo p t i m i z et h e a m p l i f i e rp a r a m e t e r , n e wp u m ps c h e m e ，b r o a d e nt h ea m p l i f i e r sw i n d o wh a v ea t t r a c t g r e a tr e s e a r c hi n t e r e s t b e s i d e st h ea p p l i c a t i o ni n o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，t h ea m p l i f i e ds p o n t a n e o u s e m i s s i o n ( a s e ) l i g h ts o u r c e f e a t u r e db yh i g hp o w e r ，n op o l a r i z a t i o n ，a n dw i d e w a v e l e n g t hr a n g e ，c o u l db ew i d e l yu s e di n1 5 x x n mb a n df i b e rs e n s o rs y s t e mt ot a k e a d v a n t a g eo ft h ev a r i e t yo ft h eo p t i c a lf i b e rc o m p o n e n t si nt h i sb a n dw h i c hb o o m e db y o p t i c a lf i b e rt e l e c o m m u n i c a t i o n c o n s e q u e n t l y , i tw i l l b e g r e a tm e a n i n g t od os o m er e s e a r c ho no p t i c a l a m p l i f i c a t i o ni nr a r ee a r t hd o p e df i b e r s t h ea i mo f t h i sd i s s e r t a t i o ni st op r e s e n tn e w d e s i g n n e wm o d e lo nt h i sf i e l dw i t he m p h a s e so nt h ef o l l o w i n gr e s p e c t s ： 1 an e wd e s i g ni sp r e s e n t e do nt h ef i b e ra m p l i f i e rw h i c hp u m p e db yi n t e r n a l l y g e n e r a t e dp u m p s u p p o s et h e r ei so v e r l a pb e t w e e nt h ea b s o r p t i o ns p e c t r u mo f r a r ee a r t hi o naa n d e m i s s i o ns p e c t r u mo fi o nb ，l a s e rw h i c hw a v e l e n g t hi sd e s i r a b l ef o rp u m pac a nb e g e n e r a t e di n s i d et h ef i b e rb yc o d o p i n gt h et w ok i n d so fi o nt o g e t h e ra n dc o n s t r u c ta l a s e rc a v i t yw h i c hh a st h ew a v e l e n g t hw i t h i nt h eo v e r l a pr a n g e t h i ss c h e m e ( c a l l e d 4 酱_ 苗 一 ； # 霉 ， 山东大学博士学位论文 i n t e r n a l l yp u m p e ds c h e m e ) c a nc o n v e r tt h ep u m pl i g h to fb w h i c hi se a s ya v a i l a b l e i n t ol i g h ts o u r c ew h i c hc a r lp u m pa w h i c hi sd i f f i c u l tt og e ti n s i d et h el a s e rc a v i t y l e tu st a k et h u l i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r ( t d f a ) f o re x a m p l e ；l a s e rw h i c h w a v e l e n g t hi sd e s i r a b l et op u m pt m 3 + c a nb eg e n e r a t e di n s i d et h et m 3 + d o p e df i b e r ( t d f ) b yy b ”c o d o p i n ga n dc o n s t r u c t i n gal a s e rc a v i t y a taw a v e l e n g t hb e t w e e n 1 0 4 0 - 1 0 7 0 n m p u m p e db yl o w c o s t9 8 0 n ml a s e rd i o d e ( l d ) ，l a s e r ss u c ha s1 0 5 0 n mc a n b eg e n e r a t e di n s i d et h ec a v i t y ；p o p u l a t i o ni n v e r s i o no ft m + c a nb ea c h i e v e db e t w e e n 3 f 4a n d3 h ab y1 0 5 0 n mp u m p ，c o n s e q u e n t l y , sb a n ds i g n a lc a r lb ea m p l i f i e d i no r d e rt o o p t i m i z et h ep a r a m e t e ro ft h i sk i n da m p l i f i e r , at h e o r e t i c a l m o d e lo nt h esb a n d a m p l i f i c a t i o nb yi n t e r n a l l yg e n e r a t e dp u m pi nt m 3 + a n dy b 3 + c o d o p e df i b e r i s e s t a b l i s h e d s p e c t r u mg a i nv e r s u sc a v i t yl e n g t h ，s p e c t r u m g a i nv e r s u sp u m pp o w e r , s p e c t r u mg a i nv e r s u st m ”c o n c e n t r a t i o n ，s p e c t r u mg a i nv e r s u sr e f l e c t i v i t yo ft h el a s e r c a v i t y , s p e c t r u mg a i nv e r s u sw a v e l e n g t ho ft h ec a v i t y i sr e s e a r c h e db yn u m e r i c a l l y r e s o l v i n gt h em o d e l ；t h eg a i na n dn o i s ef i g u r e ( n f ) c h a r a c t e r so ft h i sd e s i g na n dt h e ： t d f aw h i c hi sp u m p e db yy b ”d o p e df i b e rl a s e ri sc o m p a r e d w ep r e d i c tt h a ti ti s p o s s i b l et oa c h i e v eh i g ho p t i c a lg a i no fm o r et h a n2 0 d b ，n o i s ef i g u r e ( n f ) a b o u t5d b i nt h ew a v e l e n g t hr a n g ef r o m1 4 5 0 n mt o1 4 8 0 n mb y0 3 w9 8 0 h mp u m pi n2 0 0 0 p p m t m ”a n d6 0 0 p p my b 3 + c o d o p e df i b e rw i t hl a s e rc a v i t ya t1 0 5 0 n m t h i sd e s i g nw i l ll a y s o l i df o u n d a t i o nt om a k et d f ah a v ep r a c t i c a lu s e a n o t h e r a p p l i c a t i o no f t h i sd e s i g ni st h a ti tc a nc o n v e r ts i g n a lw a v e l e n g t hp u m pt o d u a lw a v e l e n g t hp u m p ，l e tu st a k et m ha n dn d i o nf o re x a m p l e ，n d 3 + i o nh a sg o o d e m i s s i o nf r o m10 4 0 - 10 7 0 u ma n dt m 3 + i o nh a sg o o da b s o r p t i o nw i t h i nt h i sw a v e l e n g t h r a n g e i fw ec o n s t r u c ta1 0 6 4 n ml a s e rc a v i t yi nt m 3 + a n dn d 3 + c o d o p e df i b e r , a n du s e 8 0 0 u ms i g n a lw a v e l e n g t hp u m p n d j + i nt h ec a v i t yw i l lg e n e r a t e1 0 6 4 n ml a s e r , t o g e t h e r w i t h8 0 0 n mp u m p ，8 0 0 n m + 1 0 6 4 n md u a lw a v e l e n g t hp u m ps c h e m ef o rt m 3 + i sf o r m e d t h ei d e an o to n l yc a nb eu s e di nt m 3 + y b 3 + a n dt m 3 + n d 3 + c o d o p e df i b e ra m p l i f i e r , b u ta l s oc a nb eu s e di no t h e rr a r ee a r t hi o n s ，n o to n l yi nf i b e r sa l s oi no t h e rh o s ts u c ha s c r y s t a la n dg l a s s 山东大学博士学位论文 2 w ee s t a b l i s h e dt h e o r e t i c a lm o d e lf o r t m 3 + 、y b “c o d o p e d f i b e ra m p l i f i e r y b 3 + i sw e l l k n o w ns e n s i t i z e r ；i ti sf a m o u sf o rs u c c e s s f u l l yu s e di ne ，t m 3 + c o d o p e d f i b e ra m p l i f i e r , i th a st h ea d v a n t a g et op r e s e n to n l yt w om u l t i p l e t s ，t h eg r o u n d - s t a t e l e v e l2 f 7 2a n dt h ee x c i t e d s t a t el e v e l2 f 5 ，2 ，s e p a r a t e db ya e i o 0 0 0c m t h i s e n e r g yl e v e ld i a g r a mi sh i g h l yf a v o r a b l ef o re f f i c i e n ta b s o r p t i o no ft h eh i g h p o w e r i n g a a sl a s e rd i o d e se m i t t i n ga r o u n d9 8 0n n la n d ，a tt h es a m et i m e ，t oa v o i da n y u n d e s i r a b l ee x c i t e d s t a t ea b s o r p t i o nu n d e ri n t e n s eo p t i c a lp u m p i n g l i k e e r 3 + y b 3 + c o d o p i n g t h e r ei se n e r g yt r a n s f e rp r o c e s sb e t w e e nt m 3 + a n dy b 3 + i nc o d o p e dm a t e r i a l s ； c o n s e q u e n t l y , i ti sp o s s i b l et ou s ey b 3 + a ss e n s i t i z e rf o rt m 3 + b a s e do nt h i s ，w e e s t a b l i s h e dat h e o r e t i c a lm o d e lf u rt h et m 3 + y b 3 + c o d o p e df i b e ra n d p r e d i c t e dt h a t2d b i m p r o v e m e n t sc a nb er e a c h e da t 1 4 7 0 n mi nt d fw h i c hh a st m 3 + c o n c e n t r a t i o n 3 0 0 0 p p mb yc o d o p i n g12 0 0 0 p p my b ”a n d0 4 w9 8 0 u ma u x i l i a r yp u m p s p e c t r a lg a i n v e r s u sf i b e rl e n g t h ，s p e c t r a lg a i nv e r s u sp u m pp o w e r , s p e c t m lg a i nv e r s u st m 3 + a n d y b ”c o n c e n t r a t i o ni sr e s e a r c h e db yt h i sm o d e l ；i na d d i t i o n ，t h ee f f e c to fd o p e c o n c e n t r a t i o n ，p u m pp o w e r , e n e r g yt r a n s f e rf a c t o ro nt h es e n s i t i z a t i o ni sr e s e a r c h e d 3 w ee s t a b l i s h e dt h e o r e t i c a lm o d e lo nt m 3 + 、e ，c o d o p e df i b e ra m p l i f i e r t h ee m i s s i o ns p e c t r u mo fe r 3 + t r a n s i t i o n4 1 1 3 2 4 1 1 l ，2a n dt m 3 + t r a n s i t i o n3 地一3 f 4 c o m p l e m e n te a c ho t h e ra tt h ew a v e l e n g t hf r o m1 4 5 0 1 5 6 0 n m ，b o t hi o nh a v eg o o d a b s o r p t i o na t8 0 0 n m ，c o n s e q u e n t l yt m 3 + 、e r 3 + c o d o p e df i b e rc o u l db ep o t e n t i a lm a t e r i a l f o r t h es + cb a n db r o a dw i n d o wa m p l i f i e r , h o w e v e r , e r 3 + h a sa b s o r p t i o na r o u n d1 4 9 0 n m b y4 1 1 l ，2 4 1 1 3 ，2t r a n s i t i o na n dt m 3 + b e g i nt oh a v ea b s o r p t i o na t1 5 5 0 n mb y3 h 6 - 3 h 5 ， t h u si ti si m p o r t a n tt oe s t a b l i s ham o d e lt oc o n s i d e ra b o v ef a c t o r s t h es p e c t r a lg a i n v e r s u se r 3 + c o n c e n t r a t i o n ，t h es p e c t r a lg a i nv e r s u sf i b e rl e n g t hi sr e s e a r c h e d ，s p e c t r a l g a i nu n d e rt h et w op u m ps c h e m e8 0 0 n t o ( 0 1 5 w ) + 1 4 1 0 n m ( 0 3 w ) a n d8 0 0 n m ( o 1 5 w ) + 1 0 5 0 n m ( 0 3 w ) i sc o m p a r e d g a i na sh i g ha s2 0d bi sp r e d i c t e di n2 0 0 0 p p mt m ”a n d 6 0 0 p p me r j + c o d o p e df l u o r i d ez b l a nf i b e r sb y8 0 0 h m ( 0 1 5 w ) + 1 0 5 0 u m ( o 3 w ) p u m ps c h e m e 6 誊 q 3 害 z 熹 山东大学博士学位论文 4 w ee s t a b l i s h e dt h e o r e t i c a lm o d e lo nt d f aw h i c hu n d e r1 4 0 0 n m + 1 5 6 0 n m d u a lw a v e l e n g t hp u m ps c h e m e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h el a s e rd i o d ew o r k i n ga t1 4 0 0 n m b a n da n d15 6 0 n mb a n dn o wi sa v a i l a b l et h o u g hi th a st h ed i s a d v a n t a g eo fh i 曲c o s ta n d l o wo u t p u t ，c o n s e q u e n t l y , 1 4 0 0 n m + 1 5 6 0 n md u a lw a v e l e n g t hp u m ps c h e m ew o u l dh a v e g r e a tm e a n i n gi nt h ef u t u r e t d f a a n o t h e ra d v a n t a g eo f1 4 0 0 n m + 1 5 6 0 n md u a l w a v e l e n g t hp u m ps c h e m el i e s t h a tt h ep e a ko ft h eg a i nc a nb es h i f t e dt o l o n g w a v e l e n g t hb yd i f f e r e n tp u m pp o w e r o f15 6 0 n m ，b e s i d e si th a sh i 曲p o w e rc o n v e r s i o n e f f i c i e n c y ( p c e ) b e c a u s et h e1 4 0 0 n mh a sh i 曲q u a n t u me f f i c i e n c yt op u m pt m ”f r o m 3 f 4t o3 h 4 ，15 6 0 n mh a sh i g hq u a n t u me f f i c i e n c yt op u m pt m 3 + f r o m3 h 6t o3 h 5 w e e s t a b l i s h e dat h e o r e t i c a lm o d e lo f t h e1 4 0 0 n m + 1 5 6 0 n md u a lw a v e l e n g t hp u m ps c h e m e ； s p e c t r a lg a i nv e r s u sp u m pp o w e r , s p e c t r a lg a i nv e r s u sf i b e rl e n g t hi sr e s e a r c h e d ；g a i n s h i f tc h a r a c t e ri se x p l a i n e db yp o p u l a t i o ni n v e r s i o n 5 a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ( a s e ) p r o p e r t yo fe r b i u md o p e df i b e r ( e d f ) t h ea s eo fe d fc o v e r scb a n d ，i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i 曲p o w e r , n o p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c e ，a n di tf o u n dm a n ya p p l i c a t i o n si nf i b e rs e n s o rf i e l d s ，w eh a v e d o n es o m ee x p e r i m e n t st oe x p l o r et h eo u t p u to ft h ee d fu n d e rd i f f e r e n tp u m pa n du s e d i f f e r e n td e s i g ns u c ha ss e tar e f l e c t o ra tt h ee n do f t h ef i b e r k e y w o r d s ：f i b e ra m p l i f i e r , e r 3 + d o p e d ，t m 3 + d o p e d ，y b 3 + d o p e d ，t m 3 + 、y b 3 + c o d o p i n g ， t m 3 + 、e r 3 + c o d o p i n g s e n s i t i z e r , e d f , a s e 7 山东大学博士学位论文 1 绪论 1 1 研究的意义及目的 因特网等数据通信业务的迅猛发展激起了人们对光纤通信带宽的巨大需求，c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 0 n m ) 掺e r 3 + 光纤放大器( e d f a ) 成功应用于密集波分复用( d w d m ) 光通信系统是光通信史上的里程碑，随着光纤制造工艺的提高，信号传输用的光 纤在1 2 0 0 1 7 0 0 n m 区域成为低损耗窗口，尤其在1 4 5 0 1 6 5 0 n m 区间，损耗小于 0 2 5 d b k m 1 ，研制新型稀土掺杂光纤放大器( r d f a ) 以拓展工作波长和工作带宽， 开发新的泵浦方式将具有非常重要的意义。近年来，c 波段掺e r 3 + 光纤放大器 ( e d f a ) 的大规模应用大大降低了掺e ，光纤( e d f ) 的价格，掺e ，光纤的自发辐射 ( a s e ) 光源具有输出功率高，输出频谱宽，低的偏振度等优良特性，较低的价位使 其在光纤传感领域具有大规模应用的潜力，尤其是作为a c e t y l e n e ( c 2 h 2 ) 、h y d r o g e n i o d i d e ( h i ) 、a m m o n i a ( n h 3 ) 、h y d r o g e nc y a n i d e ( h c n ) 、c a r b o nm o n o x i d e ( c o ) 、 c a r b o nd i o x i d ef c 0 2 ) 、h y d r o g e ns u l p h i d e ( h 2 s ) 等气体光纤传感器的光源，获得e d f 的a s e 输出通常做法是将e d f 的输入端空置，从输出端得到a s e ，然而，每种气 体的检测都希望在特征吸收峰值波长处有较强的光强输出，因此研究e d fa s e 的 输出特性与泵浦及系统结构的关系有非常重要的意义。 除e r 3 + 以外，1 h 3 + 、p 一、d y 3 - 、h 0 3 _ 、n d 3 + 作为掺杂元素也越来越受到人们 的重视，碲化物玻璃、氟化物玻璃、磷酸盐玻璃、铋酸盐玻璃、硫系玻璃等非石 英基质材料以低声子能量、高折射率、良好的稀土离子溶解性倍受人们的关注， 不同稀土离子共掺越来越受到重视，新型泵浦用l d 不断涌现，器件的最佳化研究 不断深入，这大大加速了r d f a 的研究、开发、商用化进程。研究稀土掺杂光纤 中光放大的过程将对进一步提高光通讯与光传感系统得性能有重要意义。 本论文将给出稀土离子的光谱特性，建立共掺型光纤放大器的理论模型，为 研究共掺型光纤放大器打下理论基础；研究y b 针对t m ”的敏化作用 2 ，设计谐振 腔增强型光纤放大器【3 ，为t d f a 寻找低成本、高效率的泵浦方式，推动t d f a 山东大学博士学位论文 的实用化进程；优化e ，、t m 3 + 共掺光纤放大器的参数【4 ，为得到s + c 波段宽带 光纤放大器打下理论基础；建立1 4 p + 1 5 6 “泵浦下t d f a 的理论模型 5 ，为得 到l d 泵浦的t d f a 打下理论基础；设计e r 3 上的放大的自发辐射光源( a s e ) ，为光 纤气体传感系统提供