（光学工程专业论文）光纤水听器阵列中的光放大技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 光放大技术是发展大规模光纤水听器阵列的关键之一。掺铒光纤放大器( e r 3 + d 0 p e d f i b e r a m p l i f i e le d f a ) 以其优良的性能成为首选。与终端解调数字信号的通信系统相比，传 感阵列终端需要解调的信号为模拟量，因此在增益和噪声方面对e d e a 提出了更高的要求。 为此，本文对传感阵列中的e d f a 做了以下基础性研究工作： 1 以经典的g i l e s 模型为基础，对e d f a 性能进行了理论分析，并将模型中需要的参 数简化为商用掺铒光纤的参数；采用数值方法求解该模型，搭建了e d e a 仿真平台。 2 研究了e d f a 中放大的自发辐射噪声光( a s e ) ，详细分析了前后向a s e 噪声光的 性质，在此基础上，提出了双段级联结构抑制a s e 噪声光，并对这种方法进行了 理论和实验研究。 3 分析了e d e a 中的上转换效应。研究表明e d f a 中的绿色荧光为上转换发光。理论 和实验分析了这种上转换效应的机理和性质。总结了两种抑制上转换发光的方法， 即：改善掺铒光纤的团簇结构参数l 】 ，七越小，上转换发光效率越低；a 垤共掺， 使铒离子e s a 吸收谱往短波方向偏移。 4 建立了e d f a 非稳态放大模型，对频率为1 0 k h z 的脉冲信号进行了实验分析，结果 表明，其小信号增益比连续光放大提高了3 d b ，但输出脉冲存在畸变。对频率为 o 2 5 m h z 的脉冲信号放大进行了仿真，分析了其增益和脉冲畸变随放大参量的变 化情况。 本文的研究是发展大规模光纤水听器阵列的一个基础部分，为研制适合光纤水听器阵 列用的e d f a 打下了良好的基础。 关键词：光纤水听器阵列e d 量aa s e上转换效应脉冲放大 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图表目录 图3 图3 图3 图3 图3 图3 图3 图3 图3 图3 图3 图3 图3 图3 图4 1 大规模光纤水听器阵列示意图2 1 铒离子能级模型5 2 铒纤分段数值求解示意图1 0 3 g i l e s 模型算法流程图1 2 4g i le s 模型算法程序界面1 3 5 e d f a 增益随e d f 长度的变化曲线1 3 6 e d f a 增益随泵浦功率的变化曲线图1 4 7 e d f a 增益随输入信号功率的变化曲线1 4 8 e d f a 噪声系数随输入e d f 长度的变化曲线1 5 9 e d f a 噪声系数随泵浦功率的变化陆线1 5 1 0e d f a 噪声系数随信号功率的变化曲线1 6 1 1 三种结构所需要的最佳e d f 长度比较1 6 1 2 三种结构的噪声特性比较1 6 1 3 三种结构的饱和特性比较1 7 1 4 1 2 m 前向泵浦结构简图1 7 1 5 增益随泵浦功率变化曲线1 7 1 6 增益随信号功率的变化曲线1 8 1 a s e 噪声光功率与铒纤长度的关系( ( a ) ：2 m ( b ) ：4 m ( c ) ：5 m ( d ) ：8 m ) 1 9 2 a s e 噪声光功率与泵浦功率的关系( ( a ) ：5 唧( b ) ：1 0 哪( c ) ：3 0 哪 ( d ) ：5o i i l l 】r ) 2 0 3 a s e 噪声光功率与信号功率的关系( a ：一4 5 d b mb ：一2 5d b mc ：一1 5d b m d ：5d b m ) 2 1 4 单段前向泵浦e d f a 结构简图2 1 5 双段级联e d f a 结构简图2 2 6 单段结构的增益与长度的变化曲线2 2 7 双段级联结构的增益和噪声系数随第一段长度的变化曲线2 2 8 双段级联结构的增益和噪声系数随第一段泵浦功率的变化曲线2 3 9 双段级联e d f a 结构简化图2 3 1 04 m 级联结构e d f a 与单段结构e d f a 比较( ( a ) ：单段结构 ( b ) ：级联结构) 2 z l 1 1 1 7 m 级联结构叻f a 与单段结构e d f a 比较( ( a ) ：单段结构( b ) ：级联结 构) ：! 最佳掺铒长度选择 l e n g t ho fe d f m ) 图2 5 e d f a 增益随e d f 长度的变化曲线 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 5 为e d f a 的增益随掺铒光纤( e d f ) 长度的变化曲线。从图中可以看出当取定泵浦 功率和信号功率后，存在一个最佳的长度，在此条件下，e d f a 的增益最大。如果改变泵浦 功率和信号功率，掺铒光纤的最佳长度也会发生改变。仿真中泵浦功率取为8 0 唧，信号功 率为一2 5 d b m ，得到最佳的掺铒光纤长度约为4 m 。 泵浦功率饱和 p u m p l n gp o w e ra t9 8 0 n me m w ) 瞄2 6e d f a 增益随泵浦功率的变化曲线图 图2 6 为e d f a 的增益随泵浦功率的变化曲线。从图中可以看出当取定e d f 长度和信 号功率后，泵浦光功率存在一个饱和值，当小于此值时，增益随泵浦光的增大迅速增大， 大于此值后，增益逐渐趋于平坦但貉有上升。仿真中取信号功率为一2 5 d b m ，掺铒光纤长度 为3 m ，对应地当泵浦功率为6 0 唧时，功f a 基本趋于饱和，泵浦功率继续增加时，增益只 有很小量的增加，处于泵浦饱和状态。 输出功率的饱和 5 1 9 n a ip o w e ，a t15 a o n m ( o 日m ) 图2 7e d f 增益随输入信号功率的变化帆线 圈2 7 为e d f a 的增益随输入信号功率的变化曲线。当信号很小时，增益为一个稳定 值，此时e d f a 的增益为小信号增益。信号功率增大时，增益值迅逐渐减小。当增益比小 信号增益降低3 d b 时，对应的信号功率称为饱和功率。仿真中取泵浦功率为8 0 唧，掺铒光 纤长度为1 7 8 m ，得到饱和信号功率为一9 d b m 。 综合以上分析可以看出，针对一个光信号，可选用一个合适的掺铒光纤长度和泵浦功 率可以获得最大的增益。但是在传感系统中，除了考虑增益性能外，为保证系统的信噪比， 第1 4 页 箱蚰箱三佰o o 【白p ) 【甚o 国防科学技术大学研究生院学位论文 还需考虑e d f a 铡氇墨溜罐。 l i ? 霉j ：霎罨隰罐浅彩 歪强固诩离渚缮砺满灌输甜阳洲韩裂鹊；禾蚩否薯瑁斋稽磊岳耕藩峨灞灞苒淄剧：球 诵强倒潭靼首跣塑；必磊筮z 弼赙掣憾型剐剥彰掣誊薯伊i 善刻贽蛳轧噶毪麓法岗浓 芋i ! 窖l ! h 嚣亨l 孽： 妻i 手 ；瑶羹骞塞霪辅墨囊；墓妻美馨蓦螽善蓦 彝= # 摊l l 蹦鞋望彰骗蝎“野鏊鹱合器分为两束，一束注入到第一段掺铒光纤中， 并在第一段 掺铒光纤末端将残余泵浦光注入到第二段掺铒光纤中；另一束直接注入到第二段掺铒光纤 中。总泵浦功率仍为8 0 m w ，改变耦合器分束比，得到e d f a 增益和噪声系数随注入到第 一段掺铒光纤中的泵浦功率的变化曲线如图3 8 所示。 p u 忡n qp o w “m 哺i8 t a 口e 猷m ( m w ) 图3 8双段级联结构的增益和噪声系数随第一段泵浦功率的变化曲线 分析图3 8 可以看出，第一段泵浦功率越大，增益就越高，相应的噪声系数越低，当 泵浦功率全部由第一段掺铒光纤注入时，增益达到最大，同时噪声系数达到最小。在这种 情况下，双段级联结构的e d f a 光路示意图可以简化为图3 9 所示： 图3 9 双段级联e d f a 结构简化圈 3 2 2 双段级联法对e d f a 的性能改善效果和应用局限 为了分析双段级联法的改善效果，对两种结构的增益和噪声性能作了详细的仿真。首 先单段前向泵浦结构中，取泵浦功率为8 0 唧，e d f 长度为4 m 。采用如图3 4 方式连接光 路。双段级联结构中，第一段长度为1 m ，采用8 0 i 功率泵浦，第二段长度为3 m ，窄带滤 波的带宽为1 2 5g h z ，采用如图3 9 的方式连接光路。仿真结果显示，对于同样的一2 5 d b m 的输入信号，第一种结构得到的增益为3 3 6 8 d b ，噪声系数为3 6 7 d b j 第二种结构得到的 增益为3 6 d b ，噪 x 国防科学技术大学研究生院学位论文 sj 口n a ip o w era t 5 5 0 n m l d b m ) 图2 1 0e d f a 噪声系数隧信号功率的变化曲线 图2 1 0 为e d f a 的噪声系数随输入信号功率的变化曲线。当信号功率较小时，噪声系 数基本保持不变。随着信号功率的增大，当信号功率超过饱和信号功率时，噪声系数明显 增大。 2 4 3 三种泵浦结构的比较 增益和最佳长度的比较 l e n g l ho te d f i m l 图2 “三种结构所需要韵最佳e d f 长度比较 由图2 1 1 可知，相同泵浦功率和信号功率下，前向方式所需要的最佳长度最短，但 增益不是最大的，双向泵浦方式增益最大，但所需的最佳长度也最大。 噪声性能比较 l en 口l ho fed f ( mj 图2 1 2 三种结构的噪声特性比较 第1 6 页 5 o 5 o 5 o 5 o 5 o 5 7 7 8 e 5 5 4 4 3 3 2 ( 曰薯k z 国防科学技术大学研究生院学位论文 由图2 1 2 ，后向泵浦方式的噪声系数最麓，蠹 量o ；| ；| i ；i 0 i j 童 董专兰薹薹薹 二_ = i ? ? _ 一j i ：? j j i - o j i i 萋i j ：! i l t 囊一o _ 一：| 一 ? ? j j ：j j i 皇王量零| | | | | ；| 王| | 誊| i 耋霎，型i 窜嚣韭蔓乏筒潮翔蘧藩遂 操墙臻丑滋翟疆噔竖蠹嚣； 塞；雾霪羹霆霪薹雾 商戳雾矧竖麓嚣 s e 噪声，并由这些真实值进行拟合得到信号波长的a s e 噪声功率，k 。 得到f k 后，叻f a 的增益和噪声系数由下列公式计算出： g = 1 0 l o g ( ( p 。一。一p 。：。) p ，一i 。) 胛枷l 。甙k e + 意每) 1 ) 彳滤波器带宽，可在光谱仪上自行设置。 分析e df a 放大特性的参数设置图如下： 图3 13 光谱仪参数设置 主要参数意义： n fs e le c t ： 选择n f 的计算方法，t o t a l 情况下按照( 3 1 ) 式计算； a s ef i tt i n g ： 选择拟合方式，本实验选择g u a s s 拟合； f i l t e r 九：设定滤波器带宽，与( 3 1 ) 式中彳h 有关； k ：式(3 1 ) 中的比例系数，一般取1 ； p i n l o s s ： 输入端的损耗值，对增益进行补偿和校正； p o u tl o s s ： 输出端的损耗值，对增益进行补偿和校正； 实验中，信号的线宽为聊量级，但o s a 的最小扫描精度为o 0 1 咖。所以f i l t e r 彳2 国防科学技术大学研究生院学位论文 理论曲线与测量数据基本吻合。因此模型仿真的结果在定性方面与实际相吻合，但具体增 益值要高于实际数据，误差为4 d b 。 图2 1 6 为选定泵浦功率和掺铒光纤长度后，增益随信号功率的变化曲线。同样实线 为理论计算数据，星号为实际测量数据，虚线为将理论曲线下移4 d b 后的结果。 s i g l l a ip o w era l1 5 3 0 n m ( d b m ) 图2 1 6 增益随信号功率的变化曲线 图2 1 6 中，将理论计算曲线下移4 d b 后，在小信号段与实验测量曲线基本重合，但 在饱和工作区，实际曲线下降速度要大于理论计算结果，说明模型计算结果在计算小信号 增益时比较准确，理论值比实际值大4 d b 左右，而对于大功率的信号，理论计算值比实际 测量数据大得多，进而导致理论预测的饱和信号功率比实际值大。 造成理论与实际误差的主要原因分析如下： 理论模型忽略了实际光路中各焊点的损耗和各器件的损耗，导致理论计算值比实 际值增大。 理论模型中将e r ”的能级简单的简化为三能级，没有考虑到掺铒光纤中的上转换 发光效应。由于上转换发光浪费了泵浦功率，并且在饱和工作区，上转换发光的 效率大于线性工作区，导致大信号时理论与实际的误差增大。 2 6 本章小结 本章以经典的g i l e s 模型为基础，将掺铒光纤中的e r “简化为三能级系统并进一步简 化为二能级系统。由二能级系统的泵浦抽运方程和速率方程，给出了掺铒光纤中的泵浦光、 信号光和a s e 噪声光满足的微分方程。在此基础上，进一步将方程中的参数转化成为商用 掺铒光纤的参数。对e d f a 中的噪声进行了系统的分析，推导出了e d f a 噪声系数的计算 方法和3 d i j 的理论极限。 在上述分析的基础上，用数值方法做出了e d f a 性能设计的仿真平台。与实际结果的 对比显示，该平台可以定性仿真小信号放大，而计算的增益值比实际高4d b ；在对大信号 进行仿真时，误差较大。 第1 8 页 g a i j f d 孽 国防科学技术大学研究生院学位论文 向噪声的差值越大。当铒纤增加到一定长度后，后向a s e 噪声中波长为1 5 3 0 n m 的光功率 变化量很小，基本稳定，长波段1 5 6 0 n m 的光功率仍然增大，但峰值依然为1 5 3 0 n m ；前向 a s e 光在1 5 3 0 n m 波长出的光功率逐渐减小，1 5 6 0 n m 处光功率逐渐增加，峰值向1 5 6 0 n m 处 偏移。 2 ) 前后向a s e 噪声光功率与泵浦功率的关系 ( b ) 圈3 2a s e 噪声光功率与泵浦功率的关系( ( a ) ：5 唧 ( 铒纤长度：3 m信号功率； ( d ) ( b ) ：l0 n l w ( c ) ：3 0 m w ( d ) ：5 0 w ) 一4 0 d b m ) 图3 2 反映了a s e 噪声光功率随泵浦功率的变化关系，虚线表示后向a s e 噪声谱，实 线为前向a s e 噪声谱。由上面四个图可以看出，泵浦功率很小时，前向a s e 光的峰值在 1 5 6 0 n l 上，后向a s e 光的峰值在1 5 3 0 n m 上，且功率远远大于前向功率。当泵浦光功率增 加时，前向a s e 光的峰值逐渐向1 5 3 0 n m 上偏移，即所谓的增益位移现象。而后向a s e 光 的峰值一直为1 5 3 0 咖，。且功率一直大于前向功率。当泵浦光功率进一步增加时，前后向的 a s e 噪声光谱逐渐重合，且泵浦功率增加时，各波长处的光功率都趋于稳定，亦即达到饱 和。 3 ) 前后向a s e 噪声光功率与信号功率的关系 ( a )( b ) 第2 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 于a s e 噪声光。 3 3 2 双段级联结构e d f a 实验测量 首先用1 5 m 长的掺铒光纤搭建了一个单段前向泵浦结构的e d f a ，光路简图如图3 4 所示。光路具体参数如表3 1 所示： 衷3 1 单段前向泵浦e d f a 结构参数表 泵浦光源取8 0 m w ，采用3 3 1 所述方法测量了单段前向泵浦结构e d f a 的增益特性和 噪声特性，如图3 1 5 中戡所示。 不改变泵浦功率，将1 5 m 掺铒光纤分为两段，第一段为0 5 m ，第二段为l m ，按照图 3 9 所示搭建成双段级联结构e d f a ，并且首先不加窄带滤波器，测量了放大器的增益和噪 声特性，如图3 1 5 中。予一线所示。然后在隔离器后加上解波分复用器滤波，滤波中心 波长为1 5 5 0 n m ，滤波谱宽为6 m ，再测得放大器的增益和噪声特性，如图3 1 5 中，一线 所示。 图3 1 5 三种结构e d f a 的增益特性比较 级联结构中，隔离器的插入损耗为ld b ，解波分复用器的损耗为1 d b ，连接解波分复 用器的两个法兰盘损耗各为l d b 。由图3 1 5 可以看出，单段前向结构的e d f a 小信号增益 为1 4 d b ，小信号噪声系数为3 8 d b ，饱和信号功率为一1 5 d b m ：含隔离器的双段级联结构的 e d f a 小信号增益为1 2 d b ，小信号噪声系数为3 7 d b ，饱和功率为一1 0 d b m ；含隔离器和窄带 滤波器的双段级联结构e d f a 小信号增益为l l d b ，小信号噪声系数为3 9 d b ，饱和信号功 率为一1 0 d b m 。比较三种e d f a 的性能，可以看出，采用双段级联后噪声和增益特性没有明 显改善，反而因为器件的插入损耗造成级联后e d f a 的实际增益下降，但饱和性能稍有改 善。实验证明当e d f a 的单段增益为1 6 d b 时，采用双段级联方式不能改善放大器的增益和 第2 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 噪声特性。 重新选取掺铒光纤的长度，取总长为4 m ，两段长度分别为l m 和3 m ，搭建了三种放大 器。但由于仿真计算长度的误差和光路器件的损耗等因素影响，泵浦光源所能提供的泵浦 功率不够，主要表现为放大器的自发辐射谱峰值还在1 5 6 0 n m 左右。新的大功率泵浦光源 在本论文完成期间尚未做好，故这部分实验将留待以后完成。 3 4 本章小结 本章分析了e d f a 中a s e 嗓声光的光功率、偏振、相位等光学特性，并得出了抑制a s e 噪声光的三种方法并对其中的级联法进行了详细的研究。 首先对双段级联中的掺铒光纤长度分配和泵浦功率分配进行了优化分析。对于 e d f c 1 4 0 0 掺铒光纤，选定总长度为4 m 、总泵浦功率为8 0 唧时，最佳的长度分配为1 ：3 ， 而最佳的泵浦功率分配方式为所有泵浦光通过第一段掺铒光纤注入e d f a 中。 对双段级联法的应用局限进行了了分析，即：自身增益在3 0 d b 以上的e d f a ，可以通 过双段级联法进一步优化性能，但对于自身增益小于3 0 d b 时，双段级联法的改善效果不 明显。 在上述分析的基础上，进行了实验研究。首先对1 5 m 长的掺铒光纤进行了优化。优 化长度比例为o 5 ：1 。由于长度为1 5 m 的单端泵浦结构e d f a 自身增益只有1 6 d b ，双段 级联法的改善效果不理想。用4 m 的掺锊光纤重新搭建了两种结构的e d f a ，仿真显示双段 级联法的增益提高了3 d b ，噪声系数下降了0 5 d b ，但受实验条件限制，没有进行实验验 证。 第2 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第四章e d f a 中的上转换发光效应 稀土离子的上转换发光效应是当前研究的一个热点。由于稀土离子的上转换发光辐射 波长多在蓝绿波段，因而在高密度光存储、彩色激光显示、海洋水色和海洋资源探测等诸 多方面有良好的应用前景。掺稀土离子晶体波导也成为制作小型全固态蓝绿波段激光器的 优良材料o 。3 2 ”“1 。然而在e d f a 中，铒离子上转换发光辐射出的绿色荧光。”却是十分有害 的。这种绿色荧光消耗了大量的泵浦功率，极大地降低了泵浦效率，进而使放大器的性能 恶化，因此研究e d f a 中的上转换发光是非常必要的。 1 9 9 1 年p e t e ra k r u g 等首次对掺铒光纤中的绿色荧光进行了分析”，随后r i c h a r ds q u i m b y 等分别于1 9 9 1 年和1 9 9 2 年报道了这种绿色荧光在测量掺铒光纤参数时的应用 3 7 1 “。这些报道多侧重于分析泵浦光对绿色荧光的影响。 本章在这些分析基础上，对e d f c 1 4 0 0 掺铒光纤中的上转换发光进行了详细的理论和 实验分析，并提出了其抑制方法。 4 1 掺铒光纤中的上转换发光机理 上转换效应是指通过多光子机制，把长波辐射转换成短波辐射。因此，上转换发光的 本质是一种反s t o k e s 发光，因此也称上转换发光为反s t o k e s 发光。上转换发光的机理可 以归结为4 种情况：( 1 ) 单离子的步进多光子吸收，即激发态吸收( e s a ) ；( 2 ) 直接双光子吸 收；( 3 ) 多个激发态离子的共协上转换；( 4 ) 光子雪崩吸收上转换。前两种为单个离子作 用过程，后两种为多个离子作用过程。“。 首先从铒离子能级结构出发，分析产生绿色荧光的上转换机理。e r ”离子能级结构如图 4 1 所示。 圈4 ，l 铒离子能级结构匿 掺铒光纤中的铒离子吸收一个9 8 0 n m 光予，从基态q 5 2 ( 能级1 ) 跃迁到中间激发态 态包j 2 ( 能级3 ) ，通过快速的无辐射跃迁落到驰豫态啊3 2 ( 能级2 ) 。当掺铒光纤中存在 1 5 5 0 n m 波段光子时铒离子发生受激跃迁，从而实现对1 5 5 0 n m 波段光的放大。这是e d f a 放 大的基本原理。但是，能级3 的寿命虽然仅为微秒量级，但总会有少量离子占据。特别是 泵浦光很强或者e d e a 处于饱和状态时，能级3 上的离子数会大大增加。从图4 1 可以看 到，能级3 与能级乍7 2 的能量差刚好为一个9 8 0 m 光子能量，因此处于能级3 上的铒离 子可以再吸收一个9 8 0 n m 光子，跃迁到譬7 2 。这个过程就是激发态吸收( e s a ) 效应。 第2 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 处于能级誓7 2 的铒离子可通过快速的无辐射跃迁落到能级啊j ，詹和能级j 勘( 能级4 ) 。 当铒离子从这两个能级自发辐射跃迁到基态(能级1)时，可辐射出可见光，其中?胁j尼一 s 2 的辐射波长落在5 2 0 n m 附近，j 一5 偿的辐射波长落在5 4 0 i l m 附近，这两个波长 都属酬煳引裁i 粪剥吲黼薹醢崮脉冲光彝属堋弼粒。懑缎觳彗型；蝌蛩箜曼毋毫耋g 未 这些变化会对干涉型l l 缉叫丕嵫费印赤珏i 剥掣翁烈鞋翟裂再抖裂篡竖佥二器翼群蠡冀荔船潲。援增商麓媾罐磁嘈满懑；娜 灞渤噬邀1 趟氇j 吲嘤喱秀强i 曩等随隅黼准警d # 1 二；i ；誊营髟l 熏 一；强商瓣珲 ：目目。龟舡哥桑贼雏鳓而鬣雾馨嗡峨礴鲤；髓瑚娃朔蚀疑型 i 雇荸一目r 羹 委 暑 茧i ! v 薹l i li 辛毒 豳 2 1 (b ) 所示的两能级系统“”。但这时两个能级上的离子数不是常数，而满足如下方程“”： 譬；僻+暇：厩一眠。+ 爿：。厩 霹t + 丙2 一r t ( 5 1) 式中，各参数表达式如下： 尺lx4当 幻j 曲嘉， 吣；怒寿 吣；格寿 6 2 爿：t 1丝 其中，f为能级f 的粒子浓度，f 为粒子总掺杂浓度：吖为泵浦光功率，v ，为泵浦光频 率；耳为信号光功率，v 。为信号光频率；口，、口。、g 。分别为泵浦光的吸收系数、信号 光的吸收系数和发射系数；6 。为铒纤的有效掺杂半径，f 为粒子e z 能级寿命，一般取l o m s 。 将( 5 2 ) 式代入( 5 1 ) 中，整理为： 知麓+ ；稳番一；麓裂 c s s ， 考虑铒纤 2 2 + 出这一薄层中能量的变化。设能量流的速度为介质中的光速v 。，则在 这一薄层中以时间内能量的增量为“： 等砒。【p 仁，f ) 一尸。+ 出) k 出+ 【( g + 口) 等一口k 础+ 拍地曙等姗 ( 5 4 ) 5 4) 式右边第一项对应如时间内流入出薄层的能量，第二项对应出时间内薄层中的 第3 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 4 3 1 理论分析 4 3 信号功率对上转换发光功率的影响 有输入信号时，绿色荧光的功率仍满足( 4 1 ) 式，但此时能级3 上的粒子数与泵浦 功率、信号功率以及能级寿命都有关。由三能级系统速率方程出发，忽略能级3 到能级1 的自发辐射以及能级l 到能级2 的受激吸收，可得能级3 上粒子数的稳态解： 3睇f 3 + 坼l f ，3 1 + 睇扣3 + f 2 ) + ，2 ( 1 + t ) ( 4 6 ) 其中，a 只盯。爿。 匕为能级2 到能级l 受激辐射速率，口。为发射截面面积， v ，为信 号光子能量。 对( 4 2 ) 和( 4 6 ) 式进行了仿真，得到能级3 上离子数相对变化量随信号功率的变 化关系，如图4 7 所示。仿真所用的参数如表4 2 所示，泵浦功率取3 6 m w ，其它参数大 小根据c o r a c t i v e 公司生产的e d f c 1 4 0 0 掺铒光纤参数估算得到。 表4 2a 州3 m 仿真参数表 酽+ c o n “i o n 咖“3 ) f 2 伽j ) x 国防科学技术大学研究生院学位论文 4 3 2 实验研究 实验光路图如图4 8 所示。9 8 0 n m 泵浦光通过耦合器c 1 分为两束，一束作为功率监测 光，另一束通过波分复用器9 8 0 1 5 5 0 w d m 注入e d f 中作为泵浦光。1 5 5 0 n m 放大信号光通过 耦合器c 2 分为两束，一束作为输入功率监测光，另一束通过波分复用器9 8 0 1 5 5 0 w 叫注 入e d f 中作为要放大的信号光。e d f 输出端直接送入光谱仪中。 图4 8 p 唧佩p s 测量光路衙图 实验中所用泵浦源和波分复用器与实验3 3 2 相同；信号光源为n e t t e s t 的t u n i c s p l u s 一1 0 激光器：耦合器c 1 、c 2 为自行研制，分束比分别为1 5 7 ：l 和1 0 ：1 ；所用掺铒 光纤为加拿大c o r a c t i v e 公司的叻f 1 4 0 0 掺铒光纤，长度为2 5 c m ；所用光谱仪为卓立汉 光的s b p 5 0 0 。 分别 x 里堕型堂彗查奎兰里塞兰堕主i 刊p 括j 囊摹；| 錾垂蓑季羹垂褰孽螽妻鑫霾娄塞孽妻 津跨茹l 、| 髻捌 = ! 嚅螬型拟；靼篓引翕挈鲁一! ；裂箍湍一薹，妻i ；妻确ji g 套摇 雾嚣戮引拦拦i 藜一 r 掌j 络溪鬻禽缮涮一ji l 繁精，l 葶稀誊史攀州 孵鲢巴 i 鎏囊1 1 i 姜 j 道蹲珥盟海潮烈；奎彩祀】： 巅黼豁揣测矧引瑚翮i 漆懑遣前沿的增益大 于后 沿增益，脉冲波形发生畸变。 从图5 6 还可以看出，当输入信号高于一2 0 d b m以后，放大输出的信号峰值基本保持 在0 7 ，说明此时放大器达到了输出饱和。 5 3o 2 5 妇z 脉冲信号放大的增益改善和脉冲畸变仿真 由于实际的光纤水昕器阵列所采用的脉冲信号为m h z 量级，而在本课题完成期间，教 研室尚无可以响应m h z 量级信号的光电转换电路。我们只对瑚z 量级的脉冲信号放大进行 了理论仿真。 针对8 路时分复用的情况，仿真时采用的脉冲信号频率为o 2 5 m h z ，脉宽屯为5 0 响s ， 占空比为 1 ：7 。由于掺铒光纤中蛐的能级寿命f 2 约为1 0 m s ，岛 0| 加 弋芝 ， ， ( c 1 )( c 2 ) 图5 7 脉冲信号非稳态放大与连续信号放大稳态增益比较 ( a 1 ) ：删b m 脉冲信号非稳态放大( a 2 ) ：_ 4 0 d b m 连续信号稳态放大0 1 ) ：1 5 d b m 脉冲信号非稳态放大 ( b 2 ) ：- 1 5 d b m 连续信号稳态放大( c 1 ) ：5 d b m 脉冲信号非稳态放大 5 d b m 连续信号稳态放大 图5 7 中，组为一4 0 d b m 的脉冲信号非稳态放大和连续信号稳态放大比较。非稳态放 大输出脉冲信号前沿功率约为7 5 5 0 7 d b m ，后沿功率为7 5 5 0 9 d b m ，前后沿差异不大，增 益约为3 2 5 d b ：连续信号输出功率约为一7 5 d b m ，增益约为3 2 5 d b 。两种放大增益相同。 m ) 组为1 5 d b m 的脉冲信号非稳态放大和连续信号稳态放大比较。非稳态放大输出脉 冲信号前后沿差异增大，脉冲前沿输出功率为1 7 4 5 曲i m ，增益为3 2 4 5 d b ，脉冲后沿输出功 率为1 7 3 9 d b m ，增益为3 2 3 9 d b ；连续信号输出功率为1 2 4 d b m ，增益约为2 7 4d b 。非稳 态放大增益大于稳态放大增益，且最大差值为5 0 5 d b 。 ( c ) 组为一5 d b m 的脉冲信号非稳态放大和连续信号稳态放大比较。非稳态放大输出脉冲 信号前后沿差异继续增大，脉冲前沿输出功率为2 7 4 5 d 丑l m ，增益为3 2 4 5d b ，脉冲后沿输 出功率为2 6 9 d b m ，增益为3 1 9 d b ；连续信号输出功率为1 5 d b m ，增益约为2 0d b 。非稳 态放大增益大于稳态放大增益，且最大差值为1 2 4 5d b 综合图5 7 三组曲线可得：脉冲信号非稳态放大的增益总是大于连续信号稳态放大增 益。当信号功率很小时，两种放大增益相差不大；当信号功率较大，特别是e d f a 达到饱 和工作状态时，非稳态放大增益要远大于稳态放大增益。比较图5 7 中a 1 、b 1 、c 1 三个曲 线，可以看出，脉冲非稳态放大的最大增益与信号功率几乎不相关，而只取决于信号入射 之前的粒子反转度，这是与稳态放大的最大区别。 第4 5 页 埔 m 加 m m 糯 善甚j a j o 国防科学技术大学研究生院学位论文 5 3 2 脉冲畸变分析 图5 7 ( b 1 ) 和5 7 ( c 1 ) 中，输出脉冲前后沿的功率有明显差异，这是因为信号以光速通过 铒纤，由于脉冲前沿消耗掉了大量的反转粒子，而泵浦光来不及将粒子重新激发，导致脉 冲前沿增益要大于后沿，引起脉冲的畸变。通过仿真，分析了泵浦功率、信号功率和掺铒 光纤长度这三个放大参量对脉冲畸变的影响，如图5 8 所示。 p u m p i n ap d w 竹砒舶o r n l m 哪 ( a ) l a 竹io e d f t m ) ( c ) 图5 8 放大参量对脉冲信号畸变的影响 ( a ) ：泵浦功率对脉冲畸变的影响( b ) ：信号功率对脉冲畸变的影响( c ) ：掺铒光纤长度对脉冲畸变的影响 图5 8 中，纵坐标为畸变量大小，即脉冲前沿增益与后沿增益差值。图5 9 ( a ) 反映了泵 浦功率对脉冲畸变的影响。随着泵浦功率的增大，输出脉冲的畸变量也增大，但增加的趋 势逐渐变缓并趋于一个稳定值，达到饱和。这是因为输出脉冲的畸变量与初始粒子反转度 有关，泵浦功率增大到一定程度后粒子反转度达到饱和，在不改变其它参量的情况下，输 出脉冲的畸变量也达到最大。 图5 8 ( b ) 反映了信号功率对脉冲畸变的影响。可以看出，放大脉冲的畸变量随信号功 率的增加而变大，特别是当信号功率较大、放大器工作在饱和状态时，脉冲的畸变量随信 号功率快速增加。这是因为脉冲功率越大，脉冲前沿消耗的反转粒子数越多，导致用于脉 冲后沿放大的反转粒子越少，从而使前后沿增益的差别增大。 图5 8 ( c ) 反映了掺铒光纤长度对脉冲畸变的影响。不改变其它参量时，存在一个特殊 长度值使输出脉冲的畸变量最大。当掺铒光纤长度小于这一特殊值时，处于能级船上的 粒子数多于处于基态的粒子数，信号的受激辐射几率要大于受激吸收几率，因而掺铒光纤 越长，分别用于脉冲前后沿放大的反转粒子数相差越多，导致输出脉冲的畸变量越大；当 掺铒光纤长度大于这一特殊值后，处于能级q 3 ，2 上的粒子数小于处于基态的粒子数，信号 的受激辐射几率要小于受激吸收几率，脉冲前沿通过时，处于能级上的粒子数增加， 第4 6 页 协他似姑 曼1百*-fd8e o 8 b 4 2 o b 6 4 2 冀ii一 苎tl曾-tide 垦堕型主垫查查堂笪壅竺堕兰竺笙苎 导致脉冲后沿的受激辐射几率增加，因而输出脉冲的畸变量减小。 综合图5 8 可知，非稳态放大输出脉冲畸变量会随泵浦功率的增加而增大并达到饱和； 脉冲信号功率越大，输出脉冲的畸变量也越大；存在一个特殊掺铒光纤长度值使输出脉冲 的畸变量最大。而在半导体激光放大中，泵浦功率越大、信号功率越大、放大器越长，输 出脉冲畸变越明显。显然，e d f a 非稳态脉冲放大的脉冲畸变与半导体激光放大不同。 5 4 本章小结 本章首先推导出了e d f a 在非稳态放大时满足的偏微分方程，然后对1 0 k h z 脉冲信号的 放大进行了实验分析，实验结果表明，对于1 0 k h z 方波脉冲信号，其小信号增益比连续光 放大提高了3 d b ，输出脉冲前沿功率高于后沿，存在畸变现象。考虑到时分复用阵列中所用 的脉冲信号为m h z 量级，但受光电探测电路响应频率的影响，暂时不能完成对1 6 1 z 量级脉 冲信号放大的实验研究，因此对o 2 5 l h z 的方波信号放大进行了仿真，将稳态放大与非稳 态放大的增益性能进行了对比，并分析了放大后的脉冲信号波形畸变情况。 第4 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第六章课题有关结论和改进意见 6 1 课题有关结论 本课题针对大规模水听器的应用需要，对阵列中的掺铒光纤放大技术进行了初步研 究。采用掺铒光纤经典的g il e s 理论模型，并对其数值求解，搭建了分析掺铒光纤放大器 的理论平台；分析了掺铒光纤的噪声特性并提出了抑制其前后向a s e 噪声光的方法；理论 分析并实验验证了掺铒光纤中上转换发光效应；对脉冲信号经e d f a 放大后的增益、波形 和频谱变化进行了理论和实验分析。课题所得到的主要结论如下： 1 完成了从g i l e s 理论模型参数到掺铒光纤实际参数的转化，并针对c o r e a c t i v e 公司 的e d f c 1 4 0 0 掺铒光纤搭建了仿真平台。经教研室实际工作检验，该平台所得到的理 论结论与实际结论基本相符。 2 双段级联法可以有效地抑制掺铒光纤中的前后向a s e 噪声光。对于自身增益在3 0 d b 以 上的单段e d f a ，采用双段级联法后，增益可以改善3 d b 以上，噪声系数可以下降0 5 d b ； 但对于本身增益在3 0 d b 以下的单段e d f a ，双段级联法的改善效果不明显，甚至由于 插入器件的损耗导致实际增益降低。 3 掺铒光纤中的绿色荧光本质上属于上转换发光，其产生机理为激发态吸收效应( e s a ) 。 对于e d f c 1 4 0 0 掺铒光纤，泵浦功率低于2 0 m w 时，绿色荧光的泵浦效率随泵浦功率增 大而增大，泵浦功大于2 0 唧后，绿色荧光的泵浦效率变化很缓慢，可以近似为常数。 当e d f a 工作在线性放大状态时，e d f a 输入的放大信号不影响绿色荧光的功率，但e d f a 工作在饱和放大状态时，e d f a 输入的放大信号会使绿色荧光功率增加。 4 e d f a 放大脉冲信号的过程为非稳态过程。与稳态过程相比，非稳态放大的增益会提高， 输出波形会发生畸变。对于实验中的1 0 k h z 脉冲信号，增益提高了3 d b ，输出波形略 有畸变，不影响传感阵列的信号检测。 本课题所做工作是光纤水听器阵列中光放大技术的基础性研究，所得结论为下步研 究工作提供了良好的分析基础和平台，为研制适合水听器阵列用的功f a 提供了有益的理 论和实验指导，从而为实现大规模光纤水听器阵列应用做出贡献! 6 2 有关问题的进一步研究与改进意见 作为基础性研究，本课题尚存在一些不足，同时也存在很大的继续研究的空间。根据 研究过程中的体会，提出不