（光学工程专业论文）增益控制edfa的研究.pdf

谊要 摘要 掺铒光纤放大器( e d f a ) 的诞生给光通信带来了一场革命。由于其本身具 有高增益、高输出功率、低噪声、带宽宽、与偏振无关等优点，在很多领域和场 合，e d f a 正逐步取代传统的光一电一光中继模式，省去光电电光转换的昂贵成 本，便于设备的运行维护，成为现代光纤通信系统中不可缺少的关键部件。随着 w d m 系统的升级及光传送网络的发展，增益控制掺铒光纤放大器( g c e d f a ) 在输入功率和通道数目变化时维持放大器增益稳定方面，发挥着日益重要的作 用。 基于以上背景，在天津市重点基金项目智能型光纤放大器和光源的研 究、天津市重点基金项目( c + l ) 超宽带掺杂光纤放大器和南开一达尔泰( 天 津) 项目开发增益平坦的掺铒光纤放大器的支持下，本论文主要围绕新型 g c e d f a 、e d f a 性能的优化、增益控制用光源、多波长光纤激光器以及可调光 衰减器等课题进行了理论和实验研究。主要工作如下： 1 设计了一种基于双折射光纤光栅的g c e d f a ，通过调整偏振控制器可以 方便地选择单、双波长控制激光，信号光与控制光逆向传输，此种结构双 波长g c e d f a 的平均增益和噪声系数为2 2 2 2 d b 和8 6 9 d b ，单、双波长 控制下的增益平坦度分别为0 6 9 d b 和1 5 1 d b 。设计了一种两级l _ b a n d e d f a 并制成样机，它利用光纤环镜反射后向a s e 作为增益控制激光， 这种新颖结构的g c e d f a 信号变化范围达到2 7 d b ，3 d b 带宽为3 4 5 d b ， 平均增益及平坦度分别为2 3 6 8 d b 和0 8d b ，噪声指数为7 4 7 d b ，为了 优化样机，我们还分别尝试了另外3 种不同结构的g c e d f a 以选择最佳 的样机方案。 2 我们还提出了一种优化反射式e d f a 噪声性能的方案，通过利用高双折射 环镜代替普通光纤环镜来抑制铒纤的前向a s e ，双通放大器在 1 5 8 0 8 4 i l i l l 1 5 8 8 4 8 i l i n 范围内的平均噪声系数减少了3 7 d b 。利用前置放 大器提高铒纤输入端的粒子数反转水平，实现了对反射式e d f a 增益和噪 声系数的优化，与普通结构的反射式放大器相比，该反射式e d f a 在 1 5 6 8 衄1 5 9 4 m 范围内，增益增加了2 3 d b 1 2 6 d b ，而噪声系数则降低 了2 2 d b 2 3 9 d b 。 厂一 南开土学硕士学位论文 1 3 光纤放大器与光纤激光器密不可分，激光器不仅为放大器提供优良的光 源，而且还在放大器结构设计上提供了很多新的思路。因此，本文也对激 光器进行了定的研究。在多波长激光器方面，将光纤起偏器和双折射光 纤结合使用构成l y o t 滤波器，通过调节偏振控制器，实验得到了波长间 隔分别为3 4 4 i l i n 和1 5 6 啪的两组稳定的l _ b a i l d 双波长激光输出，这是 利用腔内双折射增强偏振烧孔效应的结果，通过仔细调节偏振控制器，还 得到了1 5 9 9 2 8 衄至1 6 0 5 8 4 m 的5 个单波长的激光输出。我们又提出了 另一种利用偏振烧孔效应的多波长激光器，将双折射光纤环镜和光纤起偏 器结合使用，使铒纤中不同波长的光通过波长相关的偏振旋转而具有不同 的偏振态，从而使偏振烧孔效应极大地增强，通过调节偏振控制器，可以 得到4 波长和5 波长激光的稳定输出。在单波长激光器的研究方面，我们 提出了一种线性腔掺镱光纤激光器，其输出波长在1 0 5 8 2 n m ，功率为 1 8 9 m w ，长时间工作稳定性好。 4 在研究增益控制e d f a 的实验中会经常用到可调光衰减器，用于输入输出 以及光纤回路中信号的衰减。因此我们设计并制作了一种利用光纤微弯损 耗原理的可调光衰减器，从理论上模拟了单模光纤的弯曲损耗系数随波长 的分布，并将其与不同弯曲程度下的实验结果进行了比较，发现二者在趋 势上是一致的，但模拟得到的弯曲损耗系数要高于实验值，这与k n a g a i l o 等人的理论预言相符。提出了一种基于电压调节的可调光衰减器，通过给 压电陶瓷施加不同的直流电压，使双折射光纤环镜的透射谱发生移动，从 而达到了衰减某一波长处光功率的目的。在压电陶瓷上加7 5 2 v 的直流电 压时，环镜的透射谱恰好漂移了半个周期。我们还研究了该衰减器在电压 传感方面的应用，环镜透射波长随电压线性地漂移，其线性拟合度达到了 09 9 8 7 8 。 5 提出了一种利用c _ b a i l da s e 提高泵浦效率的c + l 超宽带a s e 源，实验 表明光纤环镜和c _ b 锄d a s e 使l b a n d a s e 的强度有很大的增长，通过循 环利用c - b a l l d a s e ，产生l _ b a l l d a s e 所需的泵光功率大为减少。该c + l 超宽带光源在7 6 n m 的波长范围内的功率波动不超过2 8 d b ，这种具有平 坦输出谱和大工作波长范围的宽带光源有很好的应用前景。 关键词：波分复用，密集波分复用，掺铒光纤放大器，增益控制，光纤环镜，高 双折射光纤，光纤光栅，光纤激光器，可调光衰减器 1 l 摘要 攻读硕士学位期间参加的主要科研项目 1 天津市重点基金项目( c + l ) 超宽带掺杂光纤放大器，0 1 3 8 0 0 4 1 1 2 南开一达尔泰( 天津) 项目开发增益平坦的掺铒光纤放大器，专项合同 3 天津市重点基金项目智能型光纤放大器和光源的研究，0 3 3 8 0 0 2 1 1 i i i 南开史学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n v e n t i o no fe r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d r ) b m u g h ta 1 1e v o l u t i o ni 1 1 o p t i c a lc o m m u l l i c a t i o n w 汕t h ea d v a l l t a g e so f h j 曲g a i na i l do u t p u tp o w e r ，l o wn o i s e ， w i d eb a n d w i d t l la s 、e l la sn or e l a t i o n 、i t hp o l a r i z a t i o n ，e d f ac h a n g e sm et r a d i t i o n a l o p t i c a l e l e c m c a l - o p t i c a lr e l a ym o d es t e pb ys t e pi nm a n yf i e l d s ，a 1 1 db e c o m e sa n i n d i s d e n s a b l ed e v i c ei nm o d e mo p t i c a l c o m m i l l l i c a t i o ns y s t e m s i ts a v e s也e e x p e n s i v ec o s t 协o p t i c a l e l e c 仃i c a l 仃a i l s i t i o n ，m a k e se q u i p m e n te a s yt oo p e m t ea n d m a i n t a i l l w i mt h eu p d a t i n go fw d ms y s t e ma 1 1 dd e v e l o p m e n to fo p t i c a l 拄a 1 1 s i t i o n n e t w o r k ，g a i l l c l 锄p e de r b i 啪一d o p e df i b e ra m p l i f i e r ( g c e d f a ) f i x e sm e p r o b l e mo fg a i nn u c t i l a t i o na n dv i b m t i n gw h e ni i l p u tp o w e ra n du p l o a dc h 锄e l n l l i i l b e r sa r e c h a l l g i n g b a s e do n 血ea b o v eb a c k g r o u n da 1 1 du i l d e rt 1 1 es 叩p o r to f 1 1 砌i nn 删s c l e n c e f o l l n d 砒i o np r o j e c t ：i n t e l l i g e n t 助e r 锄p l i f i e r sa n d1 i g b ts o u r c e s ，t i 趾j i nn a t 啪l s c i e n c ef o u i l d a t i o np r o j e c t ：( c + l ) b r o a d b a n d 舶e r 锄p l m e ra n dn a n k a i d e l t a ( t i a n j i n ) p r o j e c t ：d e v e l o p m e n to f g a i l ln a t t e n e de r b i u m d o p e df i b e r 锄p l i f i e r s ，t h i s d i s s e r t a t i o ni sm a i n l yf o c u s e do nm es t u d yo f n o v e lg c e d f a ，g a i na i l dn f ( n o i s e f i g u r e ) 疏p r o v e m e n to fe d f a ，l i g h ts o u r c e s ，m u l t i w a v e l e n g m 舳e r1 a s e ra n d v o a ( a b l eo p t i c a lm e n u a t o r ) n ef o l l o 晰n gi n n o v a t i o n s a r cm a i n l yc o v e r e d ： 1 an o v e lg c e d f ab a s e do nh i - b i 咖咖b i r e 衔n g e n c e ) 丘b e rg m t i n gi sd e s i g i l e d b yt i l n j n gp o l 撕z a t i o nc o n t m l l e r ，s i n 9 1 ea n dd u a lc o m r o ll a s e r sc 锄b eo b t a i n e da s 晰1 1 s i 印a la n dc o n 们l l i n gl a s e r s 廿a n s m i tr e v e r s e l y n ea v e r a g eg a i na n dn f a r e 2 2 2 2 d ba n d8 6 9 d br e s p e c t i v e l y g a i nn a 恤e s su 1 1 d e rs i n g l ea n dd o u b l el a s e r s c o n t r o la r eo 6 9 d ba n d1 51d b ag a i n c l 锄p e dd u a l 一s t a g el _ b a i l de d f ab y u t j l i z 访gb a c k w a r dc b a n da s e a sc o n 1 1 i g h ti sp r e s e n t e df o r t h ef i r s tt i m e t h e i n p u ts i g i l a lp o w e r c a i lb ev a r i e d 埘t h i n2 7 d b 3 d bb a n d 诵d t hr e a c h e s3 4 5 d b t h ea v e m g eg a i na i l dn a t n e s sa r e2 3 6 8 d ba 1 1 d 0 8d br e s p e c t i v e l y ，、v i t l ln fo f 7 4 7 w e 埘e dd i 虢r e mg c e d f as t n l c t u r e si no r d e rt og e ta no p t i i l l i z e dd e v i c e 2 an fi m p m v e de d r b a s e do nh i b if i b e r1 0 0 pm i r r o ra sa s er e j e c t e ri s p r o p o s e d t h ed o u b l e - p a s s 锄p l i 矗e rr e d u c e st h ea v e r a g e n fj n 1 5 8 0 8 4 啪1 5 8 8 4 8 m b y3 7 d b a g a i na n d n f i m p r o v e d d o u b l e - p a s s e d f a 、v i t l lap r e - s t a g e 锄p l i n e ri sp r e s e n t e d c o m p a r e d 、 i mt 1 1 a to f t l l ec o n v e n t i o n a l o n e ，t | l eg a i l lo 儿b a n de d f a 诵t hp r e - s t a g e 锄p l i f i e ri s2 3 d b 1 2 6 d bh i 曲e r w l l i l en fi s2 2 d b 2 3 9 d bl o w e ri nt h ew a v e l e n g t hr a i l g eo f1 5 6 8 砌1 5 9 4 姗 缗s s 强m 8 t 3 f i b e r 锄p l i f i e ri si n s e p 砌l ew i t l l 舳e rl a s e r ，b e c a u s e l el a n e rn o to i l l yp r o v i d e s s u p e r i o r l i g h ts o u r c et ot h ef o m e rb u ta l s oi n d u c e sm a n y n o v e l i d e a so n 锄p l i f i e r s 仇l c t i l r e s i nr e s e a r c l l i n go nm u n i w a v e l e n g 山肋e rl a s e r ，b yu s i n g 助e rp o l 撕z e r a i l dh i b i 助e rt oc o l l s t i t u t eal y o tf i l t e r ，t h ei n 衄- c a v i t yp h b ( p o l a r i z a t i o nh o l e b 眦i n 曲e 彘c ti se n h a l l c e da i l dad u a l - w a v e l e n g t hl i n e a rc a v 毋e d f l ( e r b i 啪一d 叩e df i b e rl a s e r ) i sa c h i e v e d w 扎a v ee x p e r i m e n 乜i l l yo b t a i n e d t 、o s e r i e so f l - b a n dd u a l w a v e l e n g 山l a s e r s 、j t hw a v e l e n g t hs p a c i n go f 3 4 4 ma i l d 1 5 6 m ，r e s p e c t i v e l y f u 吡e n n o r e ，b yt i l l l i n gm ep o l 撕z a l i o nc o n 廿0 1 1 e r ，f i v e s i n g l e 一、v a v e l e n g t l ll a s e r s 啪g i n gf 如m1 5 9 9 - 2 8 n mt o1 6 0 5 8 4 mc a nb ea l s o a c q u i r e d w ea l s op m p o s ea n o m e r 咖1 t i w a v e l e n g 山e d f lb 鹤e do nf i b e r p o l a r i z e ra i l dh i - b i 舳e r1 0 0 pm i h o lb yu t i l i z i n gh i b i 舳e rl o o pi i l i 盯o r 锄d f i b e rp 0 1 a r i z e rt oc o n t m lm ei m m - c a v i t yp 0 1 a r i z a t i o ns t a _ f e ，w eh a v e e x p e 曲e n t a l l ya c l l i e v e df o u r - w a v e l e n g 血a i l df i v e - w a v e l e n g ms t a b l el a s e r sw i t h 例e l e n g ms p a c i n go fl e s st h a i l2 m i nr e s e a r c m n go ns i n g l e 助e rl a s e r ，al i n e a r c a v 时y t t e r b i u m d o p e d 肋e r 锄p l i f i e ri sp u tf o n a r d ，w h i c hh a so u t p u tp o w e ro f 1 8 9 m wi n1 0 5 8 2 n ma 1 1 ds t a b l e 叩e m t i n gp e r f b m a l l c e 4 v o a i s 丘e q u e n t l y l l s e d i n t l l ee x p e r i i n e m s o f f i b e r 锄p l i f i e l a v o a b yu t i l i z i n g m i c r o _ b e n d i n g1 0 s si ns i n g l e m o d ef i b e ri sd e s i g n e da i l df 曲r i c a t e d t h e r e l a t i o n s l l i pb e t w e e nb e n dl o s sa 1 1 dw a v e l e n g mu i l d e rd i 丘b r e mb e n dd e g r e e sh 船 b e e n m e a s u r e da n dt 1 1 ee x p e 幽e n t a lr e s u l t si n d i c a t et l l a tw h e nm eb e n dd e 掣e e k e 印sl l i 曲e n o u 曲，t h eb e n dl o s sc o e 伍c i e n tm u g l l l yi n c r e a s e sl i n e 础yw i 也m e i n c r e a s eo f w a v e l e n g t t l ，w t l i c hi sb a s i c a l l yi na 孕e e m e n t 谢mo u rs i m u l a t i o n o u t c o m e av o a b a s e do nh i b i 舶e rl o 叩r n i 玎o ri sp m p o s e d 1 1 1 ei n s e r t i o nl o s s i se x p e r i m e n 诅l l yf n i n i l i l i z e dt on om o r cn l a n1 5 d b ，m ea n e n u a t i o na tl5 51 i l i i l r e a c h e sm o r et h a i l3 0 d b ，a n d 1 el 址a r i t yc o r r e l a t i o nc o e 伍c i e n tb e m e e n w a v e l e n g t l ls l l i f to f t r a i l s m i s s i o ns p e c 协l ma n dd e f l e c t i o no f 廿l e e q u i v a l e n t - s 订e n g 山b e a mc o m e s t oo 9 9 7 9 m o r e o v e r ，w ep u tf o n v a r dad c v o l t a g e _ b a s e dm e m o d t oa d j u s tm e 廿a i l s i i l i s s i o ns p e c 廿啪o f h i - b i 舶e r1 0 0 p m i 玎o l1 1 1 el i n e 撕t yc o 丌e l a t i o nc o e 伍c i e n tb e 锕e e nw a v e l e n g t l ls l l i f to f 廿a i l s m i s s i o ns p e c m l r na i l dd cv o l t a g er e a c h e s0 9 9 8 7 8 5 a 姗o s t a g ee r b i u m d o p e d 丘b e r _ b 硒e db m a d b a l l dl i g h ts o u r c ei sd e v e l o p e d b y u t i l i z m gd o u b l e p a s sg t r u c t u r ea n dr e c y c l 访gc - b a l l da s e ，m ep 砌pp o w e rf o r l _ b a n da s e g e n e 珀：t i o ni se c o n o m i z e dt oal a r g ee x t e n d 1 1 1 ep o w e rv a r i a t i o no f a s es d e c n l j i i li s2 8 d b 、 ，i t h i n7 6 啪b a n d w i d t h v 南开土学_ 唾士学位论文 k 叩0 r d s ：w a v e l e n g t l ld i v i s i o nm l d t i p l e x 吨( w d m ) ，g a i n c l 锄p e de r b i 岫一d o p e d f i b e ra m p l i f i e r ( g c e d f a ) ，f i b e r1 0 0 p ，h i 曲b i r e f h n g e n c e ( h i b i ) f i b e l f i b e r 掣a t i n g ，f i b e rl a s e r ，m a b l e0 p t i c a la t t e n u a t o r ( v 0 a ) m a i np r o j e c t st a k e ni ng r a d u a t es c h 0 0 1 1 t i a n j i nn a t u r a ls c i e n c ef o u n d 砒i o np r o j e c t ：i n t e l l i g e n tf i b e ra 1 1 1 p l i f i e r sa 1 1 d1 i g h ts o u r c e s 2 t i a n j i nn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t ：( c + l ) b m a d b a n df i b e r 枷p l i n e r 3 n a n k a i d e l t a ( t i a n j i n ) p r o j e c t ：d e v e l o p m e n to f g a i nn a t t e n e de r b i u m d o p e df i b e r 啪p l i f i e r s 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：复清；j 妒口f 年月日 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，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：囊i 高夥 矽“年f 月日 苇一章侍论 第一章绪论 1 1 光纤通信系统与光纤放大器的发展概况 人类社会正步入信息时代，人们对信息交换的要求日益提高，交换的内容 也日趋丰富。由于光纤的信息容量大，用光纤作为传输媒质的光纤通信已在全世 界范围内得到广泛的应用。 在光纤通信中，总是希望能将光信号不失真地传送得越远越好。然而，由 于吸收、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，限制光纤通信传输距离的另外一个重要因素是光纤的带宽。由于光在光纤中 传输的色散效应，使光脉冲的宽度在传输过程中越来越宽，从而也限制了光纤通 信系统特别是大容量光纤通信系统的传输距离。因此，从传输距离的角度来说， 光纤通信系统可分为受光纤损耗限制的光纤通信系统和受光纤带宽限制的光纤 通信系统。整个光纤通信的发展史，在光纤方面，就是不断地设法降低光纤损耗 和拓展光纤带宽的历史。 扩大通信线路容量，而又要使其成本降至最低，w d m 是优选的方案之一。 近年来，w d m 技术已经有了很大的突破，新的高水平的商用系统不断涌现。 w d m 技术的迅速发展，得益于光纤放大器的研制成功和应用。8 0 年代末出现的 光纤放大器，使受光纤损耗限制和受光纤带宽限制的光纤通信系统的中继放大问 题，都能有效地加以解决。光纤放大器的出现预示着光纤通信系统将进入一个新 时期，利用光纤放大器可以大大提高发射端光纤内的光功率，用全光中继器代替 传统的光一电一光的再生中继器，可以提高接收端的接收灵敏度，大大节省中继 费用。迄今为止，几乎所有的w d m 系统，不管是试验系统，还是商用系统都使 用了光纤放大器。 1 2 光纤放大器的定义与分类 1 2 1 光纤放大器的定义 光纤放大器是指应用于光纤通信线路中，实现光信号放大的一种新型全光 放大器。根据它在光纤线路中的位置及作用，一般分为中继放大、前置放大和功 率放大三种。同传统的半导体激光放大器相比，光纤放大器不需要经过光电转换、 南开土学碛士学位论文 电光转换和信号再生等复杂过程，可直接对信号进行全光放大，具有很好的“透 明性”，特别适用于长途光通信的中继放大。 1 2 2 光纤放大器的分类 光纤放大器按照工作原理可分为非线性光纤放大器和掺杂光纤放大器两大 类。 1 2 2 1 非线性光纤放大器 非线性光纤放大器是利用光纤的非线性实现对信号光放大的一种激光放大 器。当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激拉曼散射( s r s ) 或受激 布里渊散射( s b s ) ，形成对信号光的相干放大。非线性光纤放大器可相应分为 拉曼光纤放大器( r e a ：r a i i l a l lf i b e ra m p l i f i e r ) 和布里渊光纤放大器( b f a ： b r i l l o u i nf i b e r a m p l i f i e r ) 。 1 2 2 2 掺稀土光纤放大器 稀土掺杂的光纤放大器是利用掺入光纤中稀土的增益机制实现的光放大。 制作光纤时，采用特殊工艺，在光纤芯层沉积中掺入极小浓度的稀土元素，如铒、 镨或钕等离子，可制作出相应的掺铒、掺镨或掺钕光纤。光纤中掺杂离子在受到 泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成 对信号光的相干放大。这种光纤放大器实质上是一种特殊的激光器，它的工作腔 是一段掺稀土粒子光纤，泵浦光源一般采用半导体激光器。当前光纤通信系统工 作在两个低损耗窗口：1 5 5 0 n m 波段和1 3 1 0 砌波段。选择不同的掺杂元素，可 使放大器工作在不同的窗口。 掺铒光纤放大器( e d f a ：e r b i 岫d o p e df i b e ra m p l 访e r ) 工作在1 5 5 0 啪窗 口，它的损耗系数较1 3 1 0 m 窗口的低，仅0 2 d b i 锄。己商用的e d f a 噪声低、 增益曲线好、放大带宽宽，与w d m 系统兼容，泵浦效率高，工作性能稳定，技 术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。目前，“掺铒光纤放大器( e d f a ) + 非零色散光纤( n z d f ) + 光子集成( p i c ) ”正成为国际上长途高速光纤通信 线路的主要技术方向。 掺镨光纤放大器( p d f a ：p r a s e o d y m i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 工作在 1 3 1 0 m 波段，p d f a 对现代光通信线路的升级和扩容具有重要意义。目前已经 研制出低噪声、高增益的p d f a ，但是它的泵浦效率不高，工作性能不稳定，增 益对温度敏感，离实用还有一段距离。 。 2 弟一章暗论 1 2 3e d f a 的特点和性能 在1 5 5 0 m 下使用e d f a 可使中继距离从7 0 k m 延长到1 4 0 k m ，一条链路中 的中继数量即可减少一半，因此可大大节省费用。e d f a 在光纤孤子通信、w d m 高速通信、c a r v 、光纤用户网与全光交换中发挥着重要的作用。e d f a 卓越的 特点和性能如下表所示。 表1 1e d e a 的特点和性能 特点性能 1 高增益、高输出光功率1 光谱范围：( 1 5 5 0 士1 5 ) i 瑚 2 低噪声指数2 输出光功率：1 7 d b m 3 谱宽从1 5 3 5 m 到1 5 6 5 衄3 光信号输入：5 d b m 4 偏振无关特性4 小信号增益( 3 5 d b m ) ： 3 5 d b 5 可靠的9 8 0 m 泵浦激光器5 增益平坦度：s 1 d b 6 内部增益控制 6 噪声指数： 5 0 d b 8 w i n d o w s 监控软件8 工作温度范围：0 5 0 基于以上特点及性能，本文将重点介绍1 5 5 0 哪波段增益控制e d f a 的实验 研究成果。 1 3 本文的主要研究内容 本论文的工作是结合天津市重点基金项目智能光纤放大器和光源的研 究、天津市重点基金项目( c + l ) 超宽带掺杂光纤放大器和南开一达尔泰( 天 津) 项目开发增益平坦的掺铒光纤放大器进行的。研究内容和成果包括： i 设计了一种基于双折射光纤光栅的g c e d f a ，通过调整偏振控制器可以 方便地选择单、双波长控制激光，信号光与控制光逆向传输，此种结构双 波长g c e d f a 的平均增益和噪声系数为2 2 2 2 d b 和8 6 9 d b ，单、双波长 控制下的增益平坦度分别为o 6 9 d b 和1 5 1 d b 。设计了一种两级l - b a n d 南开土学硕士学位论文 e d f a 并制成样机，它利用光纤环镜反射后向a s e 作为增益控制激光， 这种新颖结构的g c e d f a 信号变化范围达到2 7 d b ，3 d b 带宽为3 4 5 d b ， 平均增益及平坦度分别为2 3 6 8 d b 和o 8d b ，噪声指数为7 4 7 d b ，为了 优化样机，我们还分别尝试了另外3 种不同结构的g c e d f a 以选择最佳 的样机方案。 2 我们还提出了一种优化反射式e d f a 噪声性能的方案，通过利用高双折射 环镜代替普通光纤环镜来抑制铒纤的前向a s e ，双通放大器在 1 5 8 0 8 4 砌1 5 8 8 4 8 姗范围内的平均噪声系数减少了3 7 d b 。利用前置放 大器提高铒纤输入端的粒子数反转水平，实现了对反射式e d f a 增益和噪 声系数的优化，与普通结构的反射式放大器相比，该反射式e d f a 在 1 5 6 8 n i n 1 5 9 4 砌范围内，增益增加了2 3 d b 1 2 6 d b ，而噪声系数则降低 了2 2 d b 2 3 9 d b ，实验测量了放大器增益谱随第一级泵浦功率的变化情 况，在第一级泵浦功率为6 9 5 m w 时，放大器的平均增益和噪声系数分别 为3 2 2 d b 和8 1 d b 。 争光纤放大器与光纤激光器密不可分，激光器不仅为放大器提供优良的光 源，而且还在放大器结构设计上提供了很多新的思路。因此，本文也对激 光器进行了一定的研究。在多波长激光器方面，将光纤起偏器和双折射光 纤结合使用构成l y o t 滤波器，通过调节偏振控制器，实验得到了波长间 隔分别为3 4 4 咖和1 5 6 n m 的两组稳定的l 一波段双波长激光输出，这是 利用腔内双折射增强偏振烧孔效应的结果，通过仔细调节偏振控制器，还 得到了1 5 9 9 2 8 1 1 i i l 至1 6 0 5 8 4 i l i n 的5 个单波长的激光输出。我们又提出了 另一种利用偏振烧孔效应的多波长激光器，将双折射光纤环镜和光纤起偏 器结合使用，使铒纤中不同波长的光通过波长相关的偏振旋转而具有不同 的偏振态，从而使偏振烧孔效应极大地增强，通过调节偏振控制器，可以 得到4 波长和5 波长激光的稳定输出。在单波长激光器的研究方面，我们 提出了一种线性腔掺镱光纤激光器，其输出波长在1 0 5 8 2 m ，功率为 1 8 9 m w ，长时间工作稳定性好。 4 在研究增益控制e d f a 的实验中会经常用到可调光衰减器，用于输入输出 以及光纤回路中信号的衰减。因此我们设计并制作了一种利用光纤微弯损 耗原理的可调光衰减器，从理论上模拟了单模光纤的弯曲损耗系数随波长 的分布，并将其与不同弯曲程度下的实验结果进行了比较，发现二者在趋 势上是一致的，但模拟得到的弯曲损耗系数要高于实验值，这与k n a g a i l o 等人的理论预言相符。提出了一种基于电压调节的可调光衰减器，通过给 压电陶瓷施加不同的直流电压，使双折射光纤环镜的透射谱发生移动，从 而达到了衰减某一波长处光功率的目的。在压电陶瓷上加7 5 2 v 的直流电 第一幸暗语 压时，环镜的透射谱恰好漂移了半个周期。我们还研究了该衰减器在电压 传感方面的应用，环镜透射波长随电压线性地漂移，其线性拟合度达到了 o 9 9 8 7 8 。 5 提出了一种利用c - b a n da s e 提高泵浦效率的c + l 超宽带a s e 源，实验 、表明光纤环镜和c b a n d a s e 使l - b a i l d a s e 的强度有很大的增长，通过循 环利用c - b a i l d a s e ，产生l b a l l d a s e 所需的泵光功率大为减少。该c + l 超宽带光源在7 6 m 的波长范围内的功率波动不超过2 8 d b ，这种具有平 坦输出谱和大工作波长范围的宽带光源有很好的应用前景。 6 我们还对单模光纤在径向应力、轴向应力以及弯曲扭转下光偏振态的变化 规律及时问稳定性进行了研究，从而可以更好地了解单模光纤在外力作用 下的偏振特性。 南开史学硕士学位论文 第二章增益控制e d f a 的理论基础 2 1 掺铒光纤的放大原理 光纤又称为光导纤维，是一种由双层玻璃纤维构成的用于传输光波的波导。 它的外径通常只有1 2 5 u m 。光波同时也是一种电磁波，与通常的波导相比，光纤 是一种可以传输更高频率电磁波的介质波导。目前主要传输近红外光，传输波长 通常为o 8 5 岬、1 _ 3 岬和1 5 5u m 。 在制造光纤的过程中，掺杂进一定量的铒离子( e 一) 便形成了掺铒光纤。 其光放大功能可用铒离子的三能级简图来说明，如图2 1 。在泵浦光( 9 8 0 m 或 1 4 8 0 n m ) 的激励下，高能级粒子不断增加，实现了粒子数反转。当具有1 5 5 0 m 波长的光信号通过掺铒光纤时，亚稳态粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产 生出和入射信号光子一样的光子，从而大大增加了信号光中光子的数量。信号光 在掺铒光纤的传输过程中不断被放大，掺铒光纤放大器亦由此得名。 4 l ：s ? ： 图2 1 铒的能级简图 鹄撒发卷 镌藤凳卷 群t 萼卷 在图2 1 的三能级图中，e 2 是亚稳态，粒子在e 2 能级上的寿命要比在e 3 上 长得多。在外界能量( 9 8 0 衄) 的激励下，基态e l 的粒子被抽运至激发态e 3 上， 由于e 3 态的粒子寿命很短，通过碰撞很快以非辐射跃迁的方式不断迁移到e 2 能 级上。因e 2 能级粒子寿命较长，粒子就可以在e 2 上不断积累，使n 2 不断增加。 一方面n l 不断减少，另一方面n 2 不断增加，在外界足够强的激励下有可能使 ， ，于是实现了亚稳态e 2 和基态ej 之间的粒子数反转分布。只要是1 5 5 0 衄 的光输入掺铒光纤( 激活介质) ，光波就因受激辐射而得到放大。对于铒来讲， 9 8 0 砌比1 4 8 0 n m 波长作泵源可得到更高的放大器增益；但1 4 8 0 m 的泵源有更 高的泵浦效率，因此可获得更大的输出功率。 6 第二幸增量控期岔，曲原理 2 2e d e a 的基本组成 e d f a 主要由掺铒光纤( e d f ) 、泵浦光源( l d ) 、光耦合器( 或w d m 波 分复用器) 、光隔离器等组成的，见图2 2 。 l d e d f s g n 塑竺e 三l 卜_ j m e 习垫型。u t p 吐 i s 0 1w d m i s 0 2 ( a ) 前向泵浦 呖 l d s s n 耻型e 三卜笪l 2 e 丑垫型叫- u t i s 0 1 ( b ) 后向泵浦w d m i s 0 2 锄叫生竺吝煎_ 2 圈塾型唧。 ( c ) 双向泵浦 图2 2 三种常用掺铒光纤放大器的泵浦方式 光耦合器脚d m 波分复用器的作用是将信号光与泵浦光合在一起。光隔离 器的作用是抑制反射，以确保光纤放大器稳定工作。在输入端放置隔离器，可以 消除输入端因放大的自发辐射反向传播引起的干扰；在输出端放置隔离器，用以 保护器件免受来自输出端可能的逆向反射。 e d f a 有同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦3 种方式。同向泵浦方式下，信号 光与泵浦光以同一方向从e d f 的输入端输入，也称为前向泵浦，如图2 2 ( a ) ；反 向泵浦方式下，信号光与泵浦光从两个不同方向注入e d f ，也称为后向泵浦， 如图2 2 ( b ) ；图2 2 ( c ) 为双向泵浦方式，它是将同向泵浦与反向泵浦合并在一起。 在同样泵浦光功率的条件下，同向泵浦的信号输出光功率最低，而双向泵浦的最 高。对于噪声特性，由于输出功率加大导致粒子反转数下降，因此在增益未饱和 区，同向泵浦式e d f a 的噪声系数最小。 南开土学硕士学位论文 2 3 评价e d e a 的特性参数 描述e d f a 基本特性的参数包括增益及增益谱特性、噪声系数及噪声谱特 性、饱和输出，输入功率以及功率转化效率等。 2 3 1 增益及增益谱特性 评价e d f a 最直接和最重要的参数之一是增益和增益谱特性，用它可以表 征放大器的放大能力。增益特性定义为输出功率与输入功率之比，通常在1 5 d b 4 0 d b 范围内，可表示为： g ：1 0 l g 生二垒 。 f 。 其中，只。为信号带宽内e d f a 的自发辐射( a s e ) 功率，圪，、己分别是 信号的输入与输出功率。 光纤长度、掺铒浓度、泵浦光功率和波长均会影响增益大小。随着光纤长 度的增加，开始增益会上升，但光纤过长时，由于光纤损