（信号与信息处理专业论文）s波段光纤放大器的研究.pdf

i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：_日期：_ 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公 开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：_日期：_ 导师签名：_日期：_ 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出（含解密年限等） 。 中文摘要 ii 论文题目：论文题目：s s 波段光纤放大器的研究波段光纤放大器的研究 专专业：信号与信息处理业：信号与信息处理 硕硕 士士 生：许士超生：许士超( (签名签名) ) 导导师：乔学光师：乔学光( (签名签名) ) 傅海威傅海威( (签名签名) ) 摘摘要要 光纤放大器是光纤通信中波分复用系统的核心器件， 其性能优劣直接影响系统的传 输带宽和信号传输距离。掺铒光纤放大器具有噪声低、增益高、带宽大、泵浦效率高和 稳定的工作性能等优点，是光纤通信领域研究的重要课题，对于提高光纤通信容量有着 十分重要的作用。目前，c 波段和 l 波段掺铒光放大器已经成熟并商业化，s 波段紧邻 常用通信的 c 波段，s 波段掺铒光纤放大器的研究对于拓展通信带宽，提高通信容量具 有非常重要的意义。 本文在分析掺铒光纤放大器工作机理的基础上， 对 s 波段掺铒光纤放大器的设计方 案进行了较为深入和详细的研究， 提出了一种 s 波段掺铒放大器的新型结构， 分析了它 的优缺点， 最后提出利用新型的熔融拉锥光纤器件， 对放大器进行改进， 主要工作包括： 1、提出了一种新颖的双阶双程 s 波段掺铒光纤放大器结构，相对于其它放大器结 构，双阶双程结构能够提高泵浦源利用效率，提高放大器增益，降低噪声系数。 2、利用光纤熔融拉锥技术，提出一种新型的温度可调的短通滤波器，通过实验和 理论分析相结合的方式分析了短通滤波器工作机理。研究表明，该滤波器的滤波截止波 长随温度升高而向长波方向漂移，其温度系数为 40 nm/，对较长波长光的抑制大于 35 db。将其用于放大器增益平坦，最终在 15041524 nm 的带宽范围内，获得增益相 对平坦的放大器，-30 dbm 信号光的增益大于 20 db，噪声系数低于 5 db。 3、提出了两种基于模间干涉型马赫-曾德尔干涉仪的制作方法。设计制作的干涉仪 可用做光纤放大器增益平坦滤波器。同时，该干涉仪还能用于实现高灵敏度的温度传感 测量，灵敏度大大优于常用的光纤光栅传感器。 关键词：掺铒光纤，光放大器，关键词：掺铒光纤，光放大器，s s 波段，熔融拉锥光纤波段，熔融拉锥光纤 论文类型：应用基础论文类型：应用基础 本文得到了国家自然科学基金（60727004） ，国家“863”计划（2009aa06z203） ， 教 育部科技创新工程重大项目培育资金项目， （708087） ，陕西省“13115”科技创新工程重 大科技专项项目（2009zdkg-42）和陕西省自然科学基金（2011jm8028）研究资金的 资助。 英文摘要 iii subjectsubjectsubjectsubject ：a a a astudystudystudystudy onononon s-bands-bands-bands-band f f f fiberiberiberibera a a amplifiermplifiermplifiermplifier specialityspecialityspecialityspeciality： s s s signalignalignalignal andandandand i i i informationnformationnformationnformation p p p processingrocessingrocessingrocessing namenamenamename ：xuxuxuxu shichaoshichaoshichaoshichao (signature)(signature)(signature)(signature) instructorinstructorinstructorinstructor：qiaoqiaoqiaoqiao xueguangxueguangxueguangxueguang (signature)(signature)(signature)(signature) fufufufu haiweihaiweihaiweihaiwei (signature)(signature)(signature)(signature) abstractabstractabstractabstract fiber amplifiers are the key devices in wavelength division multiplexing system of optical fiber communication, its performance directly impacts on the transmission bandwidth of system and the transmission distance of signal. erbium-doped fiber amplifiers (edfa) has many advantages, such as low noise, high gain, wide bandwidth, high pumping efficiency and stable performance, and edfas have become an important topic in the field of optical fiber communication, and has a very important role for improving the optical fiber communication capacity. at present, the c-band and l-band edfa technology have been matured and commercialization. the s-band is adjacent to the common c-band，and the study of the s-band edfa has great significance to expand communication bandwidth and improve the communication capacity. this paper take a more in-depth and detailed study on the design of the s-band edfa, by the basis of the analysis of edfa mechanism.we presents a novel structure of an s-band edfa configuration and analyze its advantages and disadvantages. finally, we propose a new type of fused tapered-fiber optic devices to improve the characters of this amplifier. the main work includes: 1. a novel s-band edfa configuration is proposed. this amplifier with two-stage double-pass configuration increases the utilization efficiency of the pump source, the amplifier gain and noise figure are improved compared with the other amplifier configurations. 2.anovel temperature-controlled short-pass filter is proposed by using fiber fused tapered technology. the transmission mechanism of tapered fiber is analyzed through a combination way of theoretical analysis and experiment. studies show, the cut-off wavelength of this filter can shift to longer with the temperature increased. the temperature coefficient of this filter is 40 nm/ and the rejection efficiency of longer wavelength can be above 35 db. this optical device is used to compensate for the edfa flattened gain, and we obtain a gain-flattened s-band amplifier in 1504-1524 nm for the gain over 20 db and the noise figure is less than 5 db with the power of signal light is -30 dbm. 英文摘要 iv 3. two kinds of mach-zehnder interferometers based on mode interference are proposed. the interferometers are not only used in the gain flattening filter of the amplifiers, can also be used to achieve high sensitivity temperature sensing, the sensitivity is much better than the fiber bragg grating sensors. keywords:keywords:keywords:keywords: e e e erbium-rbium-rbium-rbium-d d d dopedopedopedoped f f f fiberiberiberiber, , , , f f f fiberiberiberibera a a amplifiermplifiermplifiermplifier, , , , s-bands-bands-bands-band, , , , f f f fusedusedusedusedtapered-fibertapered-fibertapered-fibertapered-fiber thesis:thesis:thesis:thesis: fundamentfundamentfundamentfundament studystudystudystudy the paper is supported by the national natural science foundation of china (grant 60727004), the national “863”project of china (grant 2009aa06z203), the science innovation project fostering capital projects of the ministry of education (grant 708087), the “13115” of science and technology innovation project of shaanxi province (grant 2009zdkg-42) and the national natural science foundation of shaanxi province (grant 2011jm8028). 目录 v 目目录录 第一章绪论1 1.1光纤放大器 1 1.1.1传输型光纤放大器 1 1.1.2掺杂型光纤放大器 1 1.2s 波段光纤放大器的研究与进展2 1.2.1s 波段喇曼光纤放大器2 1.2.2s 波段掺铥光纤放大器2 1.2.3s 波段掺铒光纤放大器4 1.3课题来源及背景 5 1.4论文研究的意义 5 1.5本论文的主要工作 6 第二章掺铒光纤放大器的基本理论7 2.1掺铒光纤 7 2.1.1掺铒光纤工作原理 7 2.1.2掺铒光纤相关参数 8 2.2掺铒光纤放大器的物理模型 9 2.3掺铒光纤放大器的特性指标 10 2.3.1掺铒光纤放大器的增益特性 10 2.3.2掺铒光纤放大器的噪声 12 2.3.3掺铒光纤放大器增益饱和 13 2.3.4掺铒光纤放大器的增益平坦度和带宽 13 2.4掺铒光纤放大器的泵浦方式 14 2.5掺铒光纤放大器在光通信中的应用 16 2.5.1前置放大器 16 2.5.2功率放大器 17 2.5.3线路放大器 17 2.5.4edfa 在本地网络中的应用 17 2.6本章小结 18 第三章s 波段掺铒光纤放大器光学器件以及相关实验的研究 19 3.1s 波段掺铒光纤放大器信号增益原理19 3.2基于熔融拉锥技术的光纤器件研究 20 3.2.1光纤熔融拉锥技术简介 20 3.2.2光纤熔融拉锥实验 21 3.2.3光纤短通滤波器理论分析 22 目录 vi 3.2.4光纤短通滤波器的实验结果与讨论 23 3.3其他基本光学器件 25 3.3.1光纤耦合器 25 3.3.2波分复用器 27 3.3.3光纤环形器 28 3.3.4光纤衰减器 29 3.4本章小结 30 第四章基于标准掺铒光纤的 s 波段光纤放大器研究31 4.1基于标准掺铒的 s 波段光纤放大器光路结构 31 4.2基于标准掺铒的 s 波段光纤放大器实验研究 32 4.2.1泵浦源的选取 33 4.2.2s 波段掺铒光纤放大器结构优化33 4.2.3s 波段掺铒光纤放大器增益35 4.2.4s 波段掺铒光纤放大器噪声系数37 4.3增益平坦性研究 37 4.4本章小结 39 第五章基于模间干涉光纤滤波器的研究40 5.1模间干涉型光纤滤波器 40 5.1.1光纤滤波器 40 5.1.2模间干涉图样的产生 40 5.2edfa 增益平坦滤波器40 5.2.1级联 m-z 型 edfa 增益平坦滤波器40 5.2.2模间干涉型 edfa 增益平坦滤波器41 5.3熔融拉锥型光纤滤波器42 5.3.1正向熔融拉锥型光纤滤波器 42 5.3.2反向熔融拉锥型光纤滤波器 43 5.4基于模间干涉的光纤传感技术展望44 5.4.1光纤传感技术44 5.4.2基于模间干涉的光纤传感研究45 5.5本章小结 46 第六章总结与展望47 致谢48 参考文献49 攻读硕士学位期间公开发表的论文51 第一章绪论 1 第一章第一章绪论绪论 随着社会、经济的发展，以及人民生活水平的不断提高，人们对数据通信量的需求 呈爆炸式增长，从而给数据通信服务系统带来了严峻的挑战。传统电子通信已发展成我 们社会生活中不可或缺的一部分， 不过由于电子通信是电子作为信息载体在金属介质中 的传播，其在通信容量方面的进一步发展遇了瓶颈。使用光子作信息载体的光通信， 其 信息速率可以是电子通信的几百倍乃至上千倍，尤其是近几十年来，随着光纤、半导体 激光器等光学器件制造工艺的日趋成熟， 以光纤为主要基质的光纤通信逐渐发展成为现 代通信的技术的基石。而进一步扩大光通信容量始终吸引着研究者的兴趣，并已成为目 前通信领域的新兴技术。 1.11.1 光纤放大器光纤放大器 光纤放大器是光纤通信和传感在实际应用中的重要光学器件， 光在光纤光路传输过 程中，随着传输距离的增加以及光纤器件的损耗，光信号会逐渐变弱。这就需要光纤放 大器对其进行放大。早在 1964 年人们就开始对光纤放大器进行研究，随着低损耗光纤 的使用和稀土掺杂光纤技术的不断发展，直到 1984 年才开始在实际中使用。近年来， 互联网和光纤通信网的数字传输技术的迅速发展， 激发了人们对光纤光源和光纤放大器 的研究兴趣。 光纤放大器是一种新型全光放大器光纤放大器，同传统的光放大方式相比，光纤放 大器不需要经过电光转换、光电转换和信号再生等一系列复杂过程，可直接对输入光信 号进行放大。光纤放大器的运作机理与光源类似。光纤放大器按照原理的不同大体上分 为两类： 1.1.11.1.1 传输型光纤放大器传输型光纤放大器 这类光纤放大器的工作机理主要基于光在光纤中传输的非线性效应。 主要包括受激 布里渊散射（stimulated brillouin scattering，sbs）光纤放大器（fiber brillionamplifier， fba）和受激喇曼散射（stimulated raman scattering，srs）光纤放大器（fiber raman amplifier，fra）等。 对于光纤布里渊放大器，它是通过相当于泵浦光频率下移的斯托克斯（stocks）波 的产生来进行光放大，其频移量由非线性介质决定。虽然通过一定的设计，光纤布里渊 放大器能获得可观的的增益，但是其放大的带宽非常窄，应用并不广。光纤喇曼放大器 是将强泵浦与微弱信号光一起在耦合在一根光纤中传输， 若是将信号光波长比泵浦光波 长长，并且波长差在一定范围内，由于受激喇曼散射效应，强泵浦的功率部分转移到微 弱信号光上，使信号光获得增益。它的优点是宽宽带和低噪声，缺点是需要很强的泵浦 功率，其应用也受到很大的限制。 1.1.21.1.2 掺杂型光纤放大器掺杂型光纤放大器 掺杂型光纤放大器是光纤中掺杂稀土元素作为增益介质，在泵浦光作用下，纤芯内 西安石油大学硕士学位论文 2 的掺杂离子形成高功率密度，造成其能级的“粒子数反转” ，光信号经过增益介质时， 便产生光放大现象。许多稀土元素，如铒、镨、铥、镱、钕等都可用于不同波长的光纤 放大器的制造，其中掺铒光纤放大器（erbium doped fiberamplifier，edfa）是其中最 典型、 最成功的例子。 其他掺杂型光纤放大器如掺镱光纤放大器 （ytterbium doped fiber amplifier，edfa） 、掺铥光纤放大器（thulium doped fiber amplifier，tdfa）以及两 种稀土元素的共掺型光纤放大器也在研究之中。 与传输性光纤放大器相比，这两种放大器都是依靠光激励来实现，但它们的光放大 工作原理不相同。此外，这两种光纤激光器的在特性与应用上有很大的不同。在掺杂型 光纤放大器中，edfa 是性能优异、技术最成熟、应用最广泛的光纤放大器。1985 年， 英国南安普敦大学针对铒离子能级特性、将铒离子掺入光纤，首次研制出针对光纤通讯 第三个窗口（1.55 m 波段）的光纤放大器。到 1988 年，低损耗的掺铒光纤技术已相当 成熟，并达到实用水平。它的研制成功是光纤通信领域内的一次革命1。 1.21.2 s s 波段光纤放大器的研究与进展波段光纤放大器的研究与进展 光纤作为光信号传输介质具有极大的可用带宽(1450-1650 nm)， 根据 itu-t 的规定， s 波段的波长范围为 14801520 nm；14501480 nm 为 s+波段；c 波段为波长处于 15301560 nm 之内的信道，它对应光纤的最低损耗区。l 波的波长范围为 15701610 nm；16101640 nm 波段被称为 + l 波段。 1.2.11.2.1 s s 波段喇曼光纤放大器波段喇曼光纤放大器 喇曼增益范围仅由泵浦波长决定，这就决定 fra 理论上可以用于任意波段的光放 大。因此，只要能找到适当波长的泵浦源就可以实现 s 波段的放大。光纤喇曼放大器 fra 从结构上分为两种：分布式光纤喇曼放大器和分立式喇曼放大器。分布式光纤喇 曼放大器是以传输光纤作为增益介质光纤，长度达 100 km 左右，泵浦源的功率可降低 到 100 mw。分立式喇曼放大器所用的增益光纤比较短，一般只有几公里，但是需要较 高的泵浦功率，可产生 20db 以上的高增益。 国外在 s 波段 fra 方面研究比较早， 1998 年， kani j 等人使用 1420 nm 的泵浦光， 采用两级放大结构，在 15001530 nm 范围内实现光信号放大，其增益大于 20 db，噪 声系数（nf）小于 7 db，当泵光功率为 800 mw 时，得到-7 dbm 的输出功率，功率转 换效率达 8 %2。由于喇曼光纤放大器的研究成本比较高，国内对此方面的研究还集中 在模拟、仿真阶段。2004 年，张在宣等人采用光纤放大器设计软件对补偿型分布 fra 进行了优化设计，使用 1427.2 nm 激光器作为泵浦源，抽运功率设定为 1 w，在光谱范 围 15101540 nm 内获得增益大于 20 db，噪声系数小于 5 db3。由于受激喇曼效应的 泵浦阈值要求较高， 喇曼放大器的发展主要朝着提高泵浦功率、 降低成本与 edfa 相结 合使用三个方向努力。 1.2.21.2.2 s s 波段掺铥光纤放大器波段掺铥光纤放大器 不同的稀土离子吸收不同波长的泵浦光，可以激发出特定波长的激光。铥是镧系金 第一章绪论 3 属， 原子序数 69， 以正 3 价离子形式掺杂在石英光纤中。 在光纤中掺入稀土铥离子(tm3+) 时，利用其能级间的受激辐射对光进行放大的放大器叫掺铥光纤放大器(tdfa)。掺铥 光纤激光器的发射波长为 1.4 m 波段，位于光纤通信的低损耗窗口，是具有重大应用 前景的光纤通信光源。掺铥光纤激光器开发较晚，但其应用越来越广泛，s 波段掺铥光 纤放大器的研究是一个非常重要的方面。 图 1-1 tm3+能级分布及上转换泵浦示意图 tm3+能级分布及上转换泵浦示意图如图 1-1 所示，其中 4 3 4 3 fh 的跃迁是实现 s 波段光放大的最佳跃迁之一。 不过， 4 3h 能级在石英材料中主要是非辐射跃迁， 能级 4 3h 与 4 3f 的能量间隔较小， 4 3h 的能级寿命非常短，因此很难实现粒子数反转，是影响掺 铥光纤激光器工作的最大问题。 为了解决这个问题，日本电话电报公司（ntt）公司，以 t.komukai 为首的研究小 组于1993年首先提出了一种上转换泵浦方式4。 其原理是： 一个tm3+首先吸收一个1.064 m 光子从基态跃迁到 4 3h 能级，由于 32 3f ，能级与4 3h 能级恰好也相差 1.064 m，接着 吸收第二个光子（其波长也对应于 1.064 m） ，使处于 4 3h 能级的铥离子进一步跃迁到 更高的激发态 2 3f 或 3 3f 。处于激发态 2 3f 或 3 3f 的铥离子由无辐射跃迁到亚稳态 4 3f 与 4 3h 能级之间实现粒子数反转， 这样就可以实现 s+波段 14601490 nm 近 30 nm 范围内 信号的放大。与 s+波段相比，与 c 波段紧密相邻的 14901530 nm 波段在放大器带宽 拓展中的意义更加明显。这就需要 tdfa 也能够具有类似于 edfa 的增益位移特性， 使 增益区移到 14901530 nm 范围。aozasa s 等人利用该技术，使用浓度为 6000 ppm 的 高掺杂光纤，在 14801510 mn 波长范围内， 采用双向泵浦方式获得的小信号增益大于 18 db，噪声指数小于 7 db5。目前，国内在这方面的研究还集中在 s+波段，2005 年， 李宏伟等人利用 1064 nm 连续光纤激光器为泵浦源，通过上转换方式泵浦掺铥光纤， 实 现了 s 波段的放大。在 14451485 nm 波段，得到了大于 l db 的信号增益，在 1485nm 处峰值增益达到 1.45 db6。 西安石油大学硕士学位论文 4 1.2.31.2.3 s s 波段掺铒光纤放大器波段掺铒光纤放大器 edfa 相对于其他光放大器具有高增益、低噪声，泵浦效率高，与光纤的耦合效率 高，而且具有较高的饱和输出功率等一系列优点。因此，通过充分利用其增益频谱， 可 以获得性价比很高的 s 波段光纤放大器。 在 s 波段掺铒光纤放大器中可以按照滤波方式 分为基于特种光纤的分布式掺铒光纤放大器和基于普通掺铒光纤的分立式掺铒光纤放 大器。 （a）(b) 图1-2（a）折射率凹陷型掺铒光纤和（b）改进型凹陷掺铒光纤的折射率分布图 为了将掺铒光纤的传统增益区移至s波段，需要改变掺铒光纤的折射率分布。2002 年，美国的lightwave electronics公司首次报道了折射率凹陷型掺铒光纤。其折射率分布 具有凹陷结构，呈w形状，其折射率分布图如图1-2（a）所示。从图中可以看出w型掺 铒光纤由3层结构构成：纤芯、凹陷内包层和外包层。不同频率的光在介质中传播的速度 不同，因此其折射率也不同，折射率凹陷型掺铒光纤对波长1530 nm的光具有基模截止 特性，即波长1530 nm的光无法在纤芯中传输、放大，从而大大抑制了c+l波段的增益， 使掺铒光纤的增益区移向s波段。 2002年，arbore m等人首先使用这掺铒光纤获得了s波段光信号的放大。在实验中 采用双级980 nm泵浦结构，一级和二级分别采用前向泵浦和后向泵浦方式，泵浦功率分 别为75和175 mw，一级和二级的特种光纤长度分别为8 m和12 m。当输入信号光功率为 -35 dbm时，放大器获得最大增益为36 db，在14871522 nm范围内获得的增益大于20 db，噪声系数为小于6 db7。为了把增益进一步拓展到s+区域，kakkar c等人在2007年 对w型掺铒光纤结构进一步改进，其折射率分布图如图1-2（b）所示，在实验者使用250 mw的泵浦光源， 组建一定的光路结构， 光路中掺铒光纤长度为46 m， 获得在14501480 nm范围内的增益约为20 db8。 折射率凹陷型掺铒光纤的弯曲损耗对光纤圈的尺寸和形状非常敏感。其光纤圈的微 小变化都有可能改变信号增益，同时，这种掺铒光纤需要特殊的拉制工艺，还未能普及 使用。因此，一些研究者逐渐把目光转向了使用普通掺铒光纤。使用普通掺铒光纤来获 得s波段信号的增益原理与以上类似， 只是需要使用分立式滤波器代替以上分布式滤波方 fiber radius refractive index fiber radius refractive index 第一章绪论 5 式。 2001年，ishikawa e等人采用分立式滤波方式首次实现了光信号的放大9。实验使用 5级单程结构，每一级的edf长度为4.5 m，采用双向泵浦结构，泵浦光的波长为980 nm， 总泵浦功率为480 mw。在相邻两级间，利用带通滤波器对c+l波段增益进行抑制。在 1518.7 nm处，当输入信号为20 dbm时，得到的最大增益为25 db，噪声系数为6 db，不 过其增益波动也达到9 db。2007年，rosolem j b等人提出了单级双程的放大器结构10。 该放大器采用单向泵浦方式， edf的长度为11.5 m，滤波元件采用的是粗波分复用器， 其带宽为15021508 nm，对其他波段的光抑制超过40 db。滤波器后面是一个法拉第旋 转镜，对信号光的反射率大约为80。当泵浦光波长为980 nm，功率为100 mw，输入信 号功率为-30 dbm时， 放大器在15021518 nm范围内增益为1538 db， 噪声系数为5.0 6.5 db。 目前，国内对s波段掺铒光纤放大技术的研究非常少，在分立式掺铒光纤放大器的 研究仅仅处于计算机模拟、仿真阶段11。分立式掺铒光纤的s波段放大器使用普通掺铒 光纤，其增益介质、光学器件完全可以利用现有材料，可以大大节约成本。不过其放大 波段内的增益很不平滑，因此需要进一步研究其增益平坦技术。 1.31.3 课题来源及背景课题来源及背景 光纤通信系统和光纤传感系统都是以光纤为传输信息的媒质，1966 年，英籍华人 高锟博士首先提出的利用 sio2石英玻璃制成低损耗光纤的设想，1970 年，美国康宁公 司生产出的低损耗光纤，使得光波导传输衰减从 1000 db/km 下降到 20 db/km。同时， 室温下连续工作的半导体激光器、放大器获得了突破性进展，从而揭开了光纤通信的序 幕。从此，以光纤作为传输介质的光纤通信，就从实验室研制阶段，迅猛地发展成为通 讯领域的一大产业。 在当前光纤通信技术的发展中，用于低损耗传输光纤的制造技术已经成熟，使得通 过降低光纤传输损耗的方法来提升通信容量的手段受到了限制。因此，提高光纤通信容 量的方法已转移到研究更加高效的光纤光源及光纤放大器上。其中，掺铒类型的光纤光 源、放大器因具有一系列优点而受到国际学者的广泛重视。 我们实验室的主要工作是围绕光纤光栅传感、 光纤传感系统的开发与应用而展开的。 一般光传感系统包括三方面：光源、传感器和解调系统，实验室光源方面主要研究的是 掺铒光源，其技术已经比较成熟12。而国内目前对s波段掺铒光放大技术研究比较少， 所以本论文重点研究的是与掺铒光源在原理上类似的光放大技术。研究项目得到“863 计划项目”、“国家自然科学基金”等多方面支持。 1.41.4 论文研究的意义论文研究的意义 在光通信与光纤传感系统中，一般都需要时间相干性低的宽带光源、放大器。20 世纪 90 年代初，掺铒光纤放大器和低损耗传输光纤的研制成功以及波分复用技术的广 泛应用，极大地增加了光纤通信传输的信息容量并延长了光纤通信的传输距离，光纤通 西安石油大学硕士学位论文 6 信得到了快速的发展。如何利用现有的光纤传输网络，满足通信容量日益膨胀的需求， 已成为光纤通信领域研究的重要课题。 硅化物光纤有将近 200 nm(14501650 nm)的低损耗区(损耗小于 0.3 db/km)，如何 充分利用该区域，满足日益增长的带宽需求已经成为研究热点。目前，c 波段和 l 波段 掺铒光纤放大技术已经成熟，使密集波分复用成为可能。然而，即使是这样，硅光纤仍 有波段 14501530 nm 的带宽资源闲置。其中，s 波段与 c 波段相邻，其光纤传输损耗 小（低于 0.25 db/km），而且它的弯曲损耗小于 c 波段与 l 波段。因此，发展一种用 于 s 波段的可以实际应用的放大器非常有意义。 1.51.5 本论文的主要工作本论文的主要工作 本文主要内容为s波段掺铒光纤放大器的研究，在阅读了大量国内外文献的基础上， 首先对目前s波段光纤光放大器的发展方向、 研究现状等给予了详细论述。 然后对掺铒光 纤放大技术进行了理论分析， 从而研究s波段掺铒光纤放大技术， 并通过构造一定的光路 结构，实现了s波段光信号的放大。期间还对光纤熔锥型光纤器件做了详细的研究，以获 得理想的s波段短通滤波器，提高光放大器的性能。 第一章首先简单介绍了s波段光纤放大器， 主要包括光纤放大器分类和特点， 然后着 重介绍了s波段掺铒光纤放大器的分类、发展现状、研究背景及意义。 第二章首先从理论方面介绍了铒离子以及掺铒光纤工作机理和理论模型，包括掺铒 光纤的吸收、发射等理论基础知识，然后分析了s波段信号光放大的基本原理，并介绍了 光纤放大器增益、噪声系数等参数。 第三章对主要光电器件的工作原理作了系统的描述， 重点对s波段掺铒光纤放大器中 所需要用到的光纤器件进行研究，尤其是基于熔锥型光纤结构的s波段短通滤波器。 第四章对s波段掺铒光纤放大器进行实验研究，提出了一种新颖的双阶双程s波段掺 铒光纤放大器结构，实验研究表明，双阶双程结构能够提高泵浦源利用效率，提高放大 器增益，降低噪声系数。但是其增益很不平坦，因此需要使用短通滤波器补偿放大器增 益的不平坦。 第五章进一步对熔锥型光纤进行研究，提出了两种模间干涉型传感器用于edfa增益 平坦研究，并将其应用于温度传感实验，实验得到了较理想的实验效果。 第六章对全文进行了总结，概述了整个课题的研究工作，提出了工作的不足之处， 并对以后的研究方向作出了一定的展望。 第二章掺铒光纤放大器的基本理论 7 第二章第二章掺铒光纤放大器的基本理论掺铒光纤放大器的基本理论 掺铒光纤放大器（edfa）属于掺杂型光纤放大器，在石英光纤的芯层中掺杂稀土 金属元素 er3+离子。掺铒光纤在 1.55 m 波长具有很高的增益，对应低损耗的第三通信 窗口，由于其成本比较低、工艺比较成熟，掺铒光纤应用方面的研究十分活跃。本节主 要介绍掺铒光纤及 edfa 的相关参数、工作机理，为 s 波段 edfa 的研究做准备。 2.12.1 掺铒光纤掺铒光纤 2.1.12.1.1 掺铒光纤工作原理掺铒光纤工作原理 产生光信号放大的过程就是在增益介质的吸收波长上提供泵浦， 使掺铒光纤有效地 获得能量而被激活。 激活的光纤介质提供激光受激发射， 最终形成光信号的放大。 因此， 了解掺铒光纤工作原理非常重要，掺铒光纤的吸收与发射特性决定于铒离子的能级结 构。 掺铒光纤中的铒离子工作原理是以爱因斯坦的光受激辐射理论为理论基础的， 其工 作能级如图 2-1 所示，其中能级 4i15/2为基态 e1，能级4i13/2为亚稳态 e2，能级4i11/2为激 发态 e3。在泵浦光的作用下，铒离子先由基态 e1跃迁到激发态 e3或 e2，跃迁到激发态 e3（寿命约为 1 s） 的粒子迅速以非辐射跃迁的形式由泵浦态至亚稳态 e2， 在该能级上， 离子有寿命比较长（10 ms）13。 图 2-1 铒离子工作能级图 当泵浦功率较低时，能级 e2上的原子数密度 n2小于能级 e1上的原子数密度 n1， 此时粒子数正常分布，只存在自发辐射光。随着泵浦源功率增强，n2逐渐增加，在源 源不断地泵浦条件下，激光上能级粒子数目不断的增加，从而实现了粒子数的反转。 一 般情况下， 掺铒光纤受激发出的光的波长为 15201570 nm， 即 edfa 通常对 15201570 nm 的光信号具有放大的作用。当处于这一波段的光信号通过这段掺铒光纤时，处于亚 稳态的粒子将会以受激辐射的形式跃迁到基态， 产生的出射光子与入射光信号中的光子 一模一样，从而大大的增加了信号光中的光子数量，即实现了信号光在传输过程中被放 大的功能，掺铒光纤放大器也由此而得名。 在铒离子受激辐射光放大的过程中， 有少部分粒子以自发辐射形式从亚稳态跃迁到 西安石油大学硕士学位论文 8 基态，产生带宽极宽且杂乱无章的光子，并在传播中不断的放大，从而形成了放大的自 发辐射(amplified spontaneous emission，ase)，并消耗了部分泵浦功率。在 edfa 中， ase 是作为噪声存在的，影响了放大器的性能。因此，在放大器的研究中应注重改善 光路结构，以降低 ase 噪声对系统的影响。 2.1.22.1.2 掺铒光纤相关参数掺铒光纤相关参数 a. 掺铒光纤的吸收和增益。掺铒光纤的光学特性主要由铒离子的影响，但在 玻璃基质对其光学特性也有着重要的影响。玻璃基质能使铒离子的能级发生错位，产生 斯塔克分裂（stark fission） ，由原来的单一能级跃迁变成能带，从而使激光发射的谱线 加宽。掺铒光纤的吸收和增益谱如图 2-2 所示。 图 2-2 掺铒光纤的吸收和增益谱 从上图中可以看出掺铒光纤的吸收和增益谱线相当宽，掺铒光纤在 14501600 nm 波长附近的整个光谱中都可以产生增益。在掺铒光纤的吸收和增益谱中，吸收或发射的 截面是指在一个与光子通量有关的截面区域（单位量纲为 m2） ，铒离子将吸收或发射一 个光子的概率的测量结果可以由截面来表示，其增益系数（gain coefficient，l/m）等于 横截面（m2）乘粒子数反转密度（m-3） 。一个铒离子跃迁所吸收或发射的光子能量等于 入射光的强度乘以相应的横截面积12。 b. 掺铒光纤的浓度。铒离子的掺杂浓度对掺铒光纤的性能有显著的影响，随 着光纤器件的集成化和小型化，人们希望放大器中的掺铒光纤越短越好。但是仅仅几厘 米长的掺铒光纤通常不能充分地吸收泵浦光源， 造成泵浦效率不高， 影响放大器的增益。 对于一定功能的掺铒光纤放大器或激光器来说，掺铒光纤的掺杂浓度应该取一个最佳 值，浓度过高或过低均不利于信号光放大。假如浓度过低，铒离子的总数目小于入射的 光子数，激发态有可能被耗尽，信号光放大也就受到限制。反之，假如掺杂浓度过高， 第二章掺铒光纤放大器的基本理论 9 则会出现两种不利的情况：一是出现离子浓度抑制问题，即相邻铒离子之间出现非辐射 交叉弛豫过程，这将导致激光上能级有效粒子数减少；二是高浓度掺杂会导致石英玻璃 基质中产生结晶效应。这两种情况在放大器的研究过程中都应该避免1。 c. 掺铒光纤的数值孔径。由于光纤实际应用的差异，光纤对数值孔径 (numericalaperture，na)的要求有所不同。对于掺铒光纤来说，低数值孔径的掺铒光纤 可以用于制造高增益和高输出功率的 edfa，常用的掺铒光纤数值孔径为 0.22，可用作 增强型放大器。 同时， 高的数值孔径能够降低 edfa 的噪声系数， 为了减少放大器噪声， 现己研制出具有数值孔径高达 0.29 的光纤。 2.22.2 掺铒光纤放大器的物理模型掺铒光纤放大器的物理模型 如上所述，edfa 的增益、噪声与许多参数有关，如掺铒的掺杂浓度、光纤长度、 泵浦源的功率以及信号光功率等，一般可以通过速率方程来阐述。上一节介绍了掺铒光 纤的工作原理，使用 980 nm 的泵浦激光时，掺铒光纤是一个三能级的系统。不过其激 光上能级上的粒子寿命（约 10 ms）远远大于抽运高能级上的粒子寿命（约 1s） ，这样 抽运能级上的粒子数近似等于零，因此可以近似地用二能级系统来阐释 980 nm 泵浦的 速率方程14。 首先定义光波模场与掺铒光纤中铒离子分布的重叠积分（overlap integral）为k， k 取 s 或 p，取 s 表示信号光，取 p 表示泵浦光。假设铒离子在纤芯中均匀分布，则k 可以写成15： rdrdri b kk ),( 2 00 =（2-1） 式中 b 为铒离子掺杂半径，)(rik为归一化光场分布，可近似为高斯分布 )exp( 1 )( 2 2 2 r rik=（2-2） 式中为 e-1强光模场处的半宽。 若铒离子能级用二能