（光学工程专业论文）ase光源、edfa和光纤激光器的理论与实验研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 光通信的迅猛发展，光纤制造工艺与半导体激光器生产技术的曰趋成 熟，为光纤激光器和放大器的发展奠定了基础。由于铒离子的发射谱覆 盖了1 5 5 0 n m 的光纤通信低损耗窗口，因此对掺铒光纤放大器及激光器的 研究将对光纤通信技术的发展起着举足轻重的作用。 本文对e d f a ( 掺铒光纤放大器) 、a s e ( 放大的自发辐射) 光源及环形 腔掺铒光纤激光器进行了理论与实验研究。首先本文介绍了掺铒光纤放 大器的基本原理、结构，增益特性及噪声特性，并根据所用光纤及泵浦 光源的参数对9 8 0 n m 激光二极管前向泵浦的e d f a 的增益及噪声特性在 理论上进行了数值模拟，详细分析了影响e d f a 增益的各种因素，从而 实现了对e d f a 的优化设计。接着通过实验对所设计的e d f a 进行了测 试。经实验，得到了增益为3 5 d b 的e d f a ，这一结果与理论值还有一定 差异，在文中对造成这种差异的原因进行了详细讨论。由于a s e ( 放大的 自发辐射) 的存在，使得e d f a 在无输入信号时，输出端仍有很宽范围的 光谱产生，形成放大器的噪声。基于放大的自发辐射原理，我们测试了 覆盖c ( c o n v e n t i o n a lw a v eb a n d ) 波段及l ( l o n gw a v eb a n d ) 波段的 a s e 光谱，从而得到了a s e 光源，其光功率在泵浦功率为3 0 m w 时，a s e 光源出纤功率为0 8 2 2 8 m w ，谱宽4 3 n m ，纹波0 0 8 d b 。最后在理论上对 环形腔掺铒光纤激光器进行了数值模拟，通过选择适当的参数实现了对 光纤激光器的优化设计，并通过实验对所设计的光纤激光器的输出特性 哈尔滨工程人学硕士学位论文 进了测试研究，并对实验结果作了详细分析。环形腔掺铒光纤激光器在 泵浦光功率为3 2 0 4 r o w 时，出纤光功率为o 3 7 9 8 m w ，中心波长为1 5 4 7 n m ， 线宽o 8 r i m ，转换效率为3 8 7 ，与理论值基本吻合。实验过程中，发 现了一些有趣的现象，对其进行了简要说明和讨论，并对今后的进一步研 究作了一些设想。 关键词：a s e ；e d f a ；掺铒光纤激光器；环形腔光纤激光器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，t h em a t u r eo f t e c h n o l o g yo fm a n u f a c t u r i n gf i b e ro p t i ca n ds e m i c o n d u c t o rl a s e r sp r o v i d e d t h ef o u n d a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ff i b e rl a s e r sa n de d f a s ( e r b i u m d o p e d f i b e ra m p l i f i e r s ) a st h ee m i s s i o ns p e c t r u mo f e r b i u mi o n sc o v e r s1 5 5 0 n m ， w h i c hi st h el o wl o s sw i n d o wi nf i b e ro p t i cc o m m u n i c a t i o n ，t h es t u d yo n e d f aa n df i b e rl a s e ri sc r u c i a lf o rt h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo ff i b e r o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ne d f a ，a s e ( 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 ) l i g h ts o u , r c ca n de r b i u m d o p e df i b e rr i n g l a s e ra r em a d e a tt h eb e g i n n i n go ft h i sp a p e r , t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e ， s t r u c t u r e ，t h ep r o p e r t yo fg a i na n dn o i s eo fe d f aa r ei n t r o d u c e d a n dt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h e o r yi s m a d e ，a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so f e r b i u m d o p e df i b e r a n dl a s e rd i o d ea t w a v e l e n g t h9 8 0 n mu s e di nt h e e x p e r i m e n t t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h eg a i no fe d f aa r ea n a l y z e ds ot h a tt h e o p t i m i z e dd e s i g ni sr e a l i z e d t h e nt h ee d f ad e s i g n e di st e s t e d t h r o u g ht h e e x p e r i m e n t ，a ne d f ao fg a i n3 5 d bi so b t a i n e d t h er e s u l td e v i a t e sal i r l e f r o mt h et h e o r e t i c a lo n e a n dt h er e a s o n sc a u s e dt h ed e v i a t i o na r ed i s c u s s e di n d e t m l d u et ot h ee x i s t e n c eo fa s ee f f e c t ，t h e r ei sn o i s ei ne d f a ，t h a ti st o s a ye v e nt h e mi s r i oi n p u ts i g n a l ，w ec a ng e ta no u t p u t s p e c t r u ma tt h e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t e r m i n a l b a s e do nt h i sp r i n c i p l e ，t h es p e c t r ao fa s ec o v e t i n gc o n v e n t i o n a l b a n da n dl o n gb a n da r et e s t e d s ot h a tw eo b t a i na l la s el i g h ts o b r c eo f o u t p u tp o w e r0 8 2 2 8 m ww h e ni ti sp u m p e db y3 0m w ，a n dt h ew i d t ho f s p e c t r u mi s4 3 n m ，t h et i p p l ei so 0 8 d b i nt h ef o l l o w i n g t h et h e o r e t i c a l s i m u l a t i o no nt h ee r b i u m d o p e df i b e rr i n gl a s e ri sc a r d e do u t a c c o r d i n gt o t h er e s u l t s ，t h eo p t i m i z e dd e s i g no f i ti sr e a l i z e d t h e nt h ep r o p e r t yo f t h el a s e r i st e s t e d i te m i t so 3 7 9 8 m wp o w e rw h e np u m p e db y3 2 0 4 m wa n dt h ec e n t e r w a v e l e n g t hi s1 5 4 7 n m ，t h ew i d t ho f t h es p e c t r u mi so 8 n ma n di t se f f i c i e n c y i s3 8 7 ，w h i c hi sa c c o r dw i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t d u r i n gt h ee x p e r i m e m ， s o m ei n t e r e s t i n gp h e n o m e n o na r ef o u n d ，t h e nab r i e fd i s c u s s i o na n ds o m e a s s u m p t i o nf o rt h ef u r t h e rs t u d ya l em a d e k e y w o r d ：a s e ；e d f a ；e r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r ；f i b e rr i n gl a s e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：耍盟 日期：w 晦年2 月吁 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 近二十年来，信息时代赋予了光纤通信全新的历史使命。自1 9 6 6 年华裔 科学家高锟( c h a r l e sk k a o ) 博士和他的同事发表的从理论上证明石英光纤可 实现光信号传输与通讯的可能性一文开始，光纤通信就注定会兴旺发展。其 后由于光纤制造工艺、半导体激光器和光电管生产技术的突破，使得光纤通 信成为可能。恰逢其时，由计算机快速革新造成了互联网的飞速扩张，以及 电信和有线电视业务的迅猛发展对信息传输提出了新的要求，迫切需要更大 容量、更加高速的通信系统。从此，信息时代的信息需求和光纤通信技术的 发展两者紧紧地联系在一起。 到目前光纤通信的应用已遍及长途干线、海底通信、局域网、有线电视等 领域。其发展速度之快，应用范围之广，规模之大，涉及学科之多( 光、电、 化学、物理、材料等) ，是以前任何一项新技术不能与之相比的。现在光通信 的新技术仍在不断涌现，显示出了强大的生命力和广阔的应用前景。它将成 为信息高速公路的主要传输手段，是将来信息社会的支柱。光纤通信的新技 术主要有：光器件技术、光放大技术、光接入技术、光同步数字传输技术、 光w d m 技术、相干光通信技术、全光通信技术等。 2 0 世纪9 0 年代初，波长1 5 5 0 n m 的掺铒光纤放大器e d f a ( e r b i u md o p e d f i b e ra m p l i f i e r ) 宣告研制成功并实际推广使用。它能直接放大光信号，无需 转换成电信号，对信号的格式和速率具有高度的透明性，使得整个光纤通信 传输系统更加简单和灵活。可以说e d f a 的出现是光纤通信发展史上的一个 里程碑。随后密集波分复用技术( d w d m ) 也应运而生。目前，d w d m 技术 己成为通信网络带宽高速增长的最佳解决方案。今后无论是广域网、城域网 哈尔滨工程大学硕士学位论文 还是接入网，都将以d w d m 为传输平台，基于d w d m 的光传送网将构成整 个通信网的基础物理层。因此，与d w d m 技术相关的系统和器件的研究便 成为各国政府、机构和科研人员的重中之重，同时各种d w d m 技术解决方 案使得通信网的传输效率得到很大的提高。 如果说d w d m 是面向现在的，那么全光网络则是面向未来的。目前，全 光网络方兴未艾，人们对其寄予厚望。所谓全光网络，就是网络中直到用户 端节点之间的信号通道仍然保持着光的形式，即端到端的完全的光路，链路 的中间没有光电转换。因为全光网络有着传统的电信网无法比拟的优势。全 光网络能够提供更为巨大的通信容量，可咀同时支持各种业务的网络，实现 通信网、计算机网、有线电视网“三网合一，可使通信网具备更强的可管理 性、灵活性、透明性，并且具有更高效的保护和恢复能力。光源是全光网络 的关键光器件之一，它不仅能产生连续激光输出，而且能够实现p s f s 超短光 脉冲的产生，在d w d m ( 密集波分复用) 系统中有巨大的潜在应用。光纤激光 器用于通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率d w d m 系统和相 关光通信的基础。 为满足增大通信容量的需求，目前人们主要采用时分复用技术( t d m ) 来增加单信道码率，采用波分复用技术( w d m ) 来增加原有光纤系统的通 信信道。其中，以掺杂光纤为基质的光纤激光器不仅能够产生连续激光输 出，而且能够实现皮秒( p s ) 甚至飞秒( f s ) 超短光脉冲的产生。光纤激光器在降 低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性等方面已取得了长足进步，是目前光 通信领域中的新兴技术。它可以利用现有的通信系统支持更高的传输速率 和带宽，是未来高码率密集波分复用系统和相干光通信的基础，并在未来 通信领域中起着不可替代的作用【2 j 。 因此对e d f a 和掺铒光纤激光器的研究对推动光纤通信技术的迅速发 展起着举足轻重的作用。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 课题研究的目的和意义 自2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代初，研制成掺铒光纤放大器( e d f a ) ，并开 始用于1 5 5 1 t m 波段的光纤通信以来，光放大技术得到了迅猛发展。由于掺 铒光纤放大器能直接放大光信号，无需转换成电信号，对信号的格式和速率 具有高度的透明性，使得整个光纤通信传输系统更加简单和灵活。给光纤通 信技术带来了一场新的革命。为此，本文又设计了由高掺杂浓度的掺铒光纤 构成的掺铒光纤放大器，对e d f a 在小信号情况下的增益及噪声特性进行了 理论和实验研究。由于放大自发辐射效应的存在使e d f a 在无信号输入时， 仍有光谱输出，该光谱具有较宽的范围和较高的功率，是一种性能优良的宽 谱光源。因此，本文在实验基础上对a s e ( 放大的自发辐射) 光源，进行了 分析研究。 随着光纤通讯技术的发展，光纤材料特别是掺稀土元素光纤材料和新的激 光泵浦技术的发展以及光纤光栅的研制成功，促进了光纤激光技术研究的发 展。由于光纤光栅具有体积小、插入损耗低、与光纤兼容性好以及独特的波 长选择特性等优点，可与铒光纤直接熔接，减小插入损耗，使激光器全光纤 化得以实现。从2 0 世纪8 0 年代末期开始，掺稀土元素光纤激光技术研究受 到世界各国的普遍重视，得到了很大的发展，目前已经成为国际激光研究领 域一个十分活跃的前沿研究方向。光纤激光器与其他气体、固体激光器相比 具有一些明显的优点，如可采用半导体激光泵浦、高效率、低阈值( 几十毫瓦 量级) 、小型化、易与传输光纤耦合等。 光纤激光器是激光领域人们关注的热点之一，特别是应用到光纤通信窗口 的1 5 5 1 u n 波长的光纤激光器以及应用于军事和工业加工的高功率光纤激光 器的发展更为迅猛。常规激光器的调q 、锁模等技术也都引入到了光纤激光 器中，这不仅拓宽了光纤激光器的研究领域，而且也推动了激光技术的发展。 因此，本文重点对掺铒光纤放大器( e d f a ) 和环形腔掺铒光纤激光器从 哈尔滨工程大学硕士学位论文 理论和实验两方面进行了研究讨论。并设计了一种由高掺杂浓度的掺铒光纤 构成的e d f a 和光纤激光器。希望通过本课题的探讨，能为今后a s e 光源、 e d f a 和光纤激光器的进一步研究提供一定的参考。 1 3 国内外的研究状况 掺铒光纤放大器的研究在2 0 世纪末已基本趋于成熟，现已形成了商品化。 在此我们不再做过多的讨论。在光纤激光器的开发与研制中，国外起步较早， 且其光纤制造工艺先进，半导体激光器技术成熟，因而取得了较大成果，并 己实现商品化。尤其以英国的南安普敦大学和通讯研究室、德国汉堡技术大 学、美国的p 0 1 a r o i dc o r p o r a t i o n 、b e l l 实验室、日本的n t t 、h o y s 以及俄罗 斯的i r ep o l u s 公司成果显著。2 0 世纪8 0 年代后期美国的p o l a r o i d 公司和英 国南安普敦大学研制成包层泵浦光纤激光器，即高功率二极管产生泵浦光耦 合进外部低折射率玻璃包层中传输并激发中心掺杂( 钕) 光纤受激振荡放大， 产生出了约1 w 的单模激光。1 9 8 9 年p o l a r o i d 的研究人员把光纤的外部包 层改为矩形截面结构，这一方砸便于和激光二极管耦合，另方面又可提高 泵浦光激发光纤芯中激光介质的效率( 例如1 3 5 w 的8 0 7 n m 波长泵浦光在 4 0 m 长光纤中产生出5 w 的1 0 6 n m 单模激光，光学转换效率4 0 ) 。s d l 公司和德州大学等的研究者在提高输出功率和转换效率等方面也做了不少工 作。特别是1 9 9 7 年2 月推出的商品s d l f l l 0 型光纤激光器，波长1 1 u m 获 得了6 0 光转换效率，连续波功率9 w ，光斑直径0 4 6 m m ，发散角1 5 f a r a d ， 可以聚焦成几微米的小光点。另外s d l 公司还制成了输出1 6 w ，p o l a r o i d 公 司制成了输出2 3 w 的样机，并能调制为4 0 k h z 的脉冲激光，这将有利于激 光的一些特殊应用。 据2 0 0 3 年1 月2 3 2 5 日圣何塞的西部光子学会议报道【5 】，1 0 8 0 n m 和1 5 6 5 n m 波长的包层泵浦光纤激光器分别产生了2 7 2 w 和1 0 3 w 的输出功率。在2 月2 5 曰s a na n t o n i o 举行的高级固态光电子学会议上报道了9 7 7 砌激光器产生了近 哈尔滨工程大学硕士学位论文 衍射极限的光斑和3 5 w 的输出功率。在实验室中，激光科学家j o h a nn i l s s o n 和他在南安普敦的同事，用掺镱的光纤激光器在1 0 8 0 n m 产生了超过2 7 0 w 的 单模输出功率，用掺镱铒的光纤激光器在1 5 6 5 n m 产生了超过i o o w 的单模输 出功率。s p i 的研究人员认为这是用掺镱和镱一铒单模光纤产生的最高输出功 率。掺镱光纤激光器是在所有的掺杂稀土元素的光纤中效率较高的一种，而 镱一铒混合掺杂的光纤激光器是接近人眼安全波段1 5 5 0 n m 的高输出功率光纤 激光器中效率最高的一种。 最近，美国i p g ( p h o t o n i c s ) 公司异军突起1 引，不仅展示s 、c 、l 波段的 各种光纤放大器、高功率的e d f a 、拉曼光纤激光器和双波长拉曼光纤激 光器。更引起国际关注的是该公司已推出掺y b 高功率光纤激光器，其输 出功率 7 0 0 w ，光束发散角 1 m h z ，除非将它联接到外腔上，不过这种装置太复杂。一 个简单的解决办法是使用掺铒光纤激光器，其发射波长在1 5 5 1 - m 附近。 与任何激光器一样，基本要求包括：( 1 ) 增益介质；( 2 ) 选频反馈；( 3 ) 腔内增 益大于损耗。如图2 3 所示，一个掺铒光纤圆环中插入一个选频滤波器， 构成个腔长数米的激光器。因为腔是圆的，反馈不是由镜面而是由闭环 回波所提供。需要用一个隔离器来防止后向反射进入光路，用一个无源光 分支接头将光从回路中耦合出来。此方法易于付诸实施和光纤兼容，以及 可在e d f a 的整个增益带宽内调谐。除此之外，在光纤环形激光器中能产 生极短的脉冲。光纤激光器可能会成为未来的主要信号源之一f 1 4 】。 图2 3 掺铒光纤激光器 2 ，2 3e d f a 的基本结构 根据不同系统应用( 如海底光缆系统、陆上干线系统、数字系统、模拟 系统、视频分配和宽带本地网) 的要求，可将e d f a 作为功率放大器、中 继线路放大器和前置放大器应用，根据应用中对增益、输出功率与噪声系 数的不同要求，需要采用不同的结构方案。通常有三种基本结构 1 5 】，即前 哈尔滨工程大学硕士学位论文 向泵浦、后向泵浦和双向泵浦，分别如图2 4 ( a ) ，2 4 ( b ) 春1 12 4 ( c ) 所示。所谓 正向或前向泵浦表示泵浦光与信号光以相同方向通过掺铒光纤， 反向或后 向泵浦指以相反方向通过掺铒光纤， 双向泵浦结构中泵浦光则在两个方向 同时通过掺铒光纤。 输入 泵 输 ( a ) 前向泵浦 ( b ) 后向泵浦 泵浦源输出信号光 信峙光 图2 4 e d f a 的基本绵构 由图2 4 可以看出，e d f a 主要有掺铒光纤、泵浦激光器、光波分复用 器( w d m ) 、光隔离器和光耦合器等几部分构成。图中输入光信号和泵浦光 经波分复用器( w d m ) 合波后进入掺铒光纤( e d f ) 在泵清光的激励下具 有放大作用，将信号光进行放大；连接在e d f 两端的光隔离器是为了抑制 光的来回反射和激光器振荡，保证放大器的工作稳定。 除上述三种基本结构外，为满足通信中对e d f a 某些性能( 如：增益、 输出功率或噪声系数) 的特殊需要，人们又设计出了特种e d f a 。这种e d f a 主要包括：分段组合e d f a 、低噪声e d f a 、双向放大e d f a 和反射型e d f a 。 图2 5 和图2 6 分别为双向放大e d f a 和反射型e d f a 的结构。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 输入 输入 泵 输入 图2 5 双向放大e d f a ( a ) 泵浦反射型 信号光 信号光 输出信号光 ( b ) 信号光与泵浦光共同反射型 输出信号光 ( c ) 信号光与泵浦光分别反射型 图2 6 反射型e d f a m p 2 39 8 0 n m l d 泵浦的e d f a 的增益特性”砌 掺铒光纤放大器在9 8 0 n m l d 泵浦下，是三能级系统，如图2 5 所示。 e 一离子产生光放大效应的能级有三个：激发态、亚稳态、基态。激发态 哈尔滨工程大学硕士学位论文 与基态之间的能量差与泵浦光子能量相同，亚稳态与基态之间的能量差与 1 5 5 0 r i m 的光子能量相同。基态吸收泵浦光从5 ，2 跃迁到0 呲能级，该能 级的不稳定性导致无辐射衰减，使粒子快速转移到弛形成粒子数反转。 图中刁2 为飓能级至m 能级的驰豫时间，力，为地能级至，能级的驰豫时 间。一般来说，乃，典型值为1 0 r e s 左右，啦为n s 量级，由于忍， 句2 ，因 此飓能级上的粒子数可近似为零，从而可用二能级粒子与双波长相互作用 来描述e d f a 。 e l 凹2 7 e d f a 放大原理 在光纤中，光场可写成场横向分布与纵向变化的两个函数之积，即 ，( ，z ) = ( ，) ，( z ) ( 2 - 1 ) ，( ，庐，z ) = 工( ，) ( z )( 2 - 2 ) 式中： 厶o 谚z ) 一泵浦光光强 五g 萌力一一信号光的光强 五如c z ) 一归一化的场横向分布函数，即满足 f 。却r “r ，o a r = l ( 2 - 3 ) 类似的粒子数分布也可以写成 n ，( r ，矿，z ) = g ( r ，) 。( z )( 2 4 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中：的力一归一化的掺杂( 横向) 分布函数 一一e r 3 + 掺杂数密度 在均匀掺杂情况下，有n o ( z ) = n o 。 引入光波摸场与e r 3 + 掺杂分布之间的重合积分，与半导体激光器采用 的限制因子类似，其定义为 r 。2j 却j ，( ，妒姆( ，) r d r ( 2 _ 5 ) 式中：口一铒光纤中e 一掺杂半径。 对图2 7 所示e 一离子的能级，考虑均匀展宽情况，参考文献【1 7 中 三能级系统的速率方程，忽略放大的白发辐射，在m “0 时，速率方程可 简化为 掣= 半( ，z ，d + 芈。( r ，妒，z ，) 一 垒掣丝生：( 嘣，z ，r ) 一一：。：( ，如f ) ( 2 - 6 ) l ( ，矿，z ，r ) + 2 ( ，庐，z ，f ) = n o ( r ，：，f )( 2 - 7 ) 式中：炳一一基态的粒子数密度 奶一一亚稳态的粒子数密度 一泵浦光的光子能量 h 信号光的光子能量 。抽一一基态对泵浦光的吸收截面 d k 一基态对信号光的吸收截面 o 。一激发态的受激辐射截面 爿2 厂一自发辐射几率，a j ，= l v 2 ， 设泵浦光和信号光沿z 方向传播，忽略光纤损耗，传输方程为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以。( ，办z ) i 一= 千g a p n l ( 7 ，7 p ( 7 ，( 2 - 8 ) ! ! ! ：! ! 善生三! = 【f 。：( ，厶f ) 一仃。( ，z ，。 t ( ，z ) ( 2 9 ) 船r 0 、 其中，“”表示前向泵浦，“+ ”表示反向泵浦。 稳态条件下，望! t ；盟：0 ，对式( 2 6 ) 一( 2 9 ) 式两边作横向积分，得 a t 型! f ! ! 受! 垄：垒尘坠篁：垄 出 v 。 n i ( 哪，。，f ) + 垒毛! 尘至望l ( ，) 一 h v 5 垒冬! 尘盟：( r ，“f ) 一爿：。：( r ，“f ) 疗v i ( 2 ) + 2 ( z ) = n o 型-tfropni(z)eaz，dz 、。 d p ( z ) l一2干p2(z)盯ni(dz e sa s1z ) 】0 ( z )s 。z 、。j 、 式中：f 印j ， a c - 纤芯铒掺杂有效面积 因此，( 2 i o ) 式可改写为 一盛盯 0 ( z ) n2 ( z ) 2 寄 ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) f 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) + 业巡篱半型 在前向泵浦下，将( 4 1 2 ) 。瓦瓦t+ ( 4 一1 3 ) 。瓦麓得 州+ 去掣+ 矗掣= 。 任均 参考文献 1 8 】，对( 2 1 2 ) 、( 2 - 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 分别沿z 轴积分，设s = r 2 ( z ) d z ， s：型inpp(z)+f c r noz+inp,(胬z)+e,crn o z ：南h va 州吲叫+ l 盯叩 l ( 盯砷+ 仃甜) p 。”、。 ” 击【( z ) 一p a 0 ) v ，4 ”7 由以上分析可得 ( 2 - i6 ) l 放大器的增益 定义放大器的放大倍数g ( z ) = p s ( z ) p s ( o ) ( 若用d b 表示时称为增益) ， 对( 2 - 1 6 ) 式经过仔细推导，可得 t g t 列4 唧卜眠m 小与篙t g 廿臀黼等薏竽 ( 2 1 7 ) 其中 卢= 捣- ( 2 - 1 7 ) 式就是放大器增益的隐函数形式解析式。 2 放大器的小信号增益、增益饱和及饱和输入输出光功率 由式( 2 1 7 ) 可知，当泵浦光功率足够大，而信号光与a s e 很弱时，上 下能级的粒子数反转很高，并可认为e d f a 长度方向上的上能级粒子数保持 不变，放大器的增益将达到很高的值，而且随输入信号光功率的增加，增益 仍维持恒定不变，这种增益称为小信号增益。在泵浦光功率一定时，随着输 入信号光与a s e 光的增加，上能级铒粒子数的增加将因不足以补偿消耗而逐 渐减小，因而增益也逐渐下降，此时称放大器进入饱和工作状态，增益达到 饱和。定义输入饱和光功率为小信号增益下降或减小3 d b 时对应的输入光功 率，而将此时对应的输出信号光功率定义为饱和输出光功率。 1 9 哈尔滨工程人学硕士学位论文 3 泵浦阈值 在泵浦闽值下，信号光通过长为的光纤后，功率保持不变即 g ( ) = 1 ，代入( 2 1 7 ) 得 圪：j 丝垒型一 ( 2 1 8 ) 1 曲 f ( 盯+ 盯盱) 1 一e x p ( 一芦t 盯“ 三) 】 ” 由此式可见，e d f a 的阈值泵浦功率是与信号光强无关的。 4 最佳光纤长度 对于给定的泵浦功率，掺铒光纤存在一个最佳长度，使放大器的增益 为最大。这是由于泵浦光在掺铒光纤内被铒离子吸收，它的功率逐渐下降。 如果光纤太长，当功率下降到泵浦阈值以下时，有一部分光纤处于低阈值 泵浦，这不但不能造成铒离子的反转分布，反而吸收信号光；光纤太短， 对泵浦光吸收太少，降低了泵浦光的利用效率。p e r o n i l l 9 1 等人指出，当信 号增益在光纤输出端为零时，该光纤长度上。达到最佳值。 由垦掣o ：三。) ：0 ，可推导得 g ( 驯e x p ( 一, 0 1 7 r o ，n o u2 靠 ( 2 _ 1 9 ) 这也是一个隐函数形式的解析解。 当光纤为最佳长度时，信号通过放大器后获得的增益最大。 2 4 掺铒光纤放大器的噪声特性瞳硼 2 4 1 掺铒光纤放大器的速率方程 圈2 8e ，的简化能级图 3 泵浦波长为0 9 8 n 时，e r 3 + 可以作 n 2 为一个三能级系统来考虑，如图2 8 所示。 设总的e r 3 + 浓度为p ，基态粒子浓度为m ， l 亚稳态粒子浓度为m ，激发态粒子浓度 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为n 3 ，由于从撒发态到亚稳态的趺迁基本上是非辐射的 大，因此m “o ，则 1 + n 2 = p e d f a 中光功率速率方程为 譬= 礞f 。加“) ：一1 痧。吒h ) a s 譬= 踹j 。 1 痧，吼( v 。 并且跃迁速率非常 r 2 2 0 ) f 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 鲨芋= 2 匕o e 瓴) f 。2 歹。d s 吒“坊kl 妇也) n 2 - n 1 痧。d s ( 2 2 3 ) 珞= h v 面( 2 2 4 ) 式中：z - - - - 惨铒光纤纵向坐标 s - - - 掺铒光纤f 横截面 鹾一频率的信号光功率 尸础一频率v k 处却内一个光子的能量 一一频率v 卅处泵浦光功率 硝v ) 一顿率吁处铒粒子的吸收、发射截面之比 孑。= p 硅) ，孑，= ，乙) 一归一化信号光泵浦光包络 式中：盯一信号光包络 一一泵浦光包络 o j s k - 一信号光功率模半径 锄。一壕浦光功率模半径 爿& 一一中心频率处带宽却内a s e 光功率 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式( 2 2 1 ) 和式( 2 2 2 ) 中“”表示与z 轴前向或反向，式( 2 - 2 3 ) 中“2 ” 表示e d f 中有两个偏振模式。 对e d f a 进行性能分析就需对该耦合方程组进行稳态分析( 在高频调制下 不用考虑粒子数反转的瞬时响应) ，尤其是a s e 功率，对每一信号，有两个 微分方程与之相伴，求解非常复杂。本文为此推导出了a s e 功率与信号功率 的简单关系式。 2 4 2 掺铒光纤放大器的输出a s e 功率 只考虑正向信号磁，式( 2 2 1 ) 可写为 譬：戌f 曲“) ： 出 。 将式( 2 2 0 ) 代入式( 2 2 5 ) 得 ，痧廿盯。( v 。) 嘏 ( 2 2 5 ) 趔d z ：j 南以) ：一1 痧。也琊 ( 2 2 6 ) 旦垫；曼_ ：d + 叩( v 。) p 。( v 。) f 。：孑。豳- n o 盯。( v 。) k a z 。 式中：几信号光与铒粒子的重叠积分因子 f 2 2 7 ) k 2 鬲1 翮f s p 融“) a s = f s 嚣 ( 2 _ 2 8 ) 将式( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 代入式( 2 2 5 ) ，并化简得 丁d p 杰s e x = 警蛐曰丁d l n p ：韶船 式中：常数一= 兰锵； 用常数变异法求解式( 2 2 9 ) ，得 r 2 - 2 9 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一( 警出口警h j + 警如h ( 2 - 3 0 ) p ( 华出肌枷警 e x p 一警比卜) = c x p ( f _ 等出卅彳 式中：c 、c 1 、c 2 - 一待定常数。 分别化简式( 2 3 1 ) 、( 2 3 2 ) ，可得 假设 ( 2 3 1 ) b 警h 等出卜2 p i 。= c l 噬一b + 眩咯d z 1s k 驴c p 2 ；m 专婚z 工( z ) ：譬出1 1 砖， ( z ) = p 最出j 于是式( 2 3 3 ) 、( 2 3 4 ) 变为 由初始条件得 尸k = c 。一占+ 焉z ( z ) 噎一番 g ) 。( o ) = 0 圪。( 三) = 0 ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) f 2 - 3 4 ) f 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 - 3 7 ) ( 2 3 8 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中：上一掺铒光纤的长度。 由式( 2 - 3 6 ) 一( 2 3 8 ) 联合确定出常数c 1 、c 2 为 c = 十+ 粥冲 将式( 2 3 9 ) 、( 2 4 0 ) 代入式( 1 7 ) 、( 1 8 ) 中，得 f 2 - 3 9 ) ( 2 4 0 ) “2 斋阮一( 0 ) 】+ 碟阶o ) 一z ( 0 ) 】 ( 2 - 4 1 ) = 吾k 仁) 一】+ 1 曲 f 2 ( l ) 一厶( z ) 根据式( 2 - 3 5 ) 的定义，有 ：o ) 一 ( 0 ) = f 争 o ) 一五g ) 亍r 4 沈 圪 ( 2 4 2 ) ( 2 - 4 3 ) 将式( 2 4 3 ) 代入式( 2 4 1 ) 、( 2 4 2 ) ，得到e d f a 中的a s e 光功率表达式 ( z ) 2 南阮( z )( 0 ) 卜爿p ：( z ) r 南 ( 2 4 4 ) 。) 2 南k 乜) 一焉例+ 南f 咒g k ( 2 4 5 ) 进一步可得出在e d f a 输出端的a s e 功率为 ( 工) 2 南k 乜) 一呓( 0 ) 】+ 4 露。) r 南 ( 2 - 4 6 ) e ；s r a o ) 2 南阪犯) 一呓( o ) 】+ 南r 磁g 皿 ( 2 _ 4 7 ) 堕 掰 b 皇一一 啥尔滨工程大学硕士学位论文 从式( 2 4 6 ) 、( 2 4 7 ) 可见a s e 功率一方面得到放大( 第一项) ，另一方面 又受到信号功率的抑制( 第二项) 。这两式对任意情况均适用，但从操作角 度考虑，大信号输入时就显出其优点。 2 4 ，3 掺铒光纤放大器的噪声指数 用式( 2 2 1 ) 至( 2 2 3 ) 以及三能级系统粒子速率方程可以对e d f a 进 行全面分析。尤其是在大信号输入时，可以忽略e d f a 的自饱和，在计算信 号光、泵浦光沿e d f 纵向分布时不用考虑a s e 光的影响。这样，e d f a 作功 率放大器时，仅用( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 以及粒子速率方程进行分析即可。用龙 格一库塔法求解微分方程组时能计算出沿e d f 纵向信号光功率分布，用式 ( 2 4 6 ) 、( 2 - 4 7 ) 能方便地求出a s e 的输出光功率，且只用一个简单的数值 积分( 梯形法) 即可，然后计算出e d f a 的噪声指数 nf：盘坚!。三(2-48)n , d o gg 或 nf：型(2-49)h v d o f f 式中：卜噪声指数： g 一e d f a 的增益。 2 5 掺铒光纤放大器的设计 增益、频带宽度、饱和输出功率和噪声系数e d f a 的四个基本特性参数。 为满足系统应用要求，应正确设计e d f a 的结构参数。我们选用了9 8 0 r i m l d 泵浦高掺杂浓度的掺铒光纤，采用单向泵浦方式设计了e d f a 系统， 如图2 4 所示。 哈尔滨工程人学硕士学位论文 2 5 1 泵浦源的选择 铒离子有许多吸收带，在这些吸收带上它都能吸收光子。它的吸收带在 6 5 0 r i m 、8 0 0 n m 、9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 。这些频带都可用来泵浦一个e d f a 。 选用的原则是泵浦效率较高，当然还必须有相应频率的激光器作泵浦源。 6 5 0 n m 和8 0 0 r i m 都曾被利用过，比如用高功率可见光激光器，a r 离子激 光器，n d ：y a g 激光器，染料激光器等。但是这些方案泵浦效率低，泵浦 光源的体积也大，不适合在光通信中应用。当制作出9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 的 大功率半导体激光器时，它们立即充当了有效的泵浦源。使用半导体激光 器泵浦源是e d f a 实用化的前提。常用泵浦效率来衡量泵浦的有效性。 泵浦效率定义为放大器增益与所吸收的泵浦功率之比 阡0 = 放大器增益( d b ) l 泵浦功率( r o w )( 2 - 5 0 ) 不同吸收频率处泵浦效率有所不同。 选用泵浦工作频带的一个重要因素是无激发态吸收( e x i t e ds t a t e a b s o r p t i o n - - e s a ) 。在理想的系统中，处于激发态的粒子，在受到外来光的 激发时，应是向低能级跃迁而发出光予。激发态吸收是指处于激发态的粒子 吸收泵浦光( 或信号光) 后向更高的能级跃迁，再以非辐射跃迁的形式返回到 原能级，在此过程中消耗了泵浦光。激发态吸收一般要影响到泵浦光的利用 效率及信号光的衰减，因而泵浦带应选在无激发态吸收的那些能带，如 9 8 0 n m 、1 4 8 0 n m 泵浦对应无激发态吸收的能带，因而是备受重视的两个泵浦 波长这两个波长的泵浦源都可用半导体激光器实现。 9 8 0 n m 泵浦属三能级系统，1 4 8 0 n m 泵浦属二能级系统。相对1 4 8 0 n m 而言9 8 0 n m 增益高、泵浦效率高、噪声小( 噪声系数可低至3 d b ) ，具有很 大的吸引力，是目前光纤放大器的首选泵浦波长。1 4 8 0 n m 的优点是：它与 信号光的波长相近。因而1 5 5 0 n m 的单模光纤对信号光和泵浦光都是单模 传输，可用单模光纤制成定向耦合器，将信号光和泵浦光低损耗地导入光 2 6 哈尔滨工程人学硕士学位论文 纤。特别在制造低掺杂分布型掺铒光纤放大器时，应用这一波段的泵浦更 为有利，因此也得到了高强度的开发和研究。 为使e d f a 达到相同的输出功率、小信号增益及噪声系数所需泵浦功 率是不同的 1 5 ，如表2 2 所示。此表表明，在同等情况下，9 8 0 n m 波长 的彭浦源所需泵浦功率较低。 表2 - 2 为获得相同输出特性参数要求的泵浦功率比较 泵浦光波长小信号增益输出功率噪声系数 8 0 0 n m 高 高低 9 8 0 n m 低低低 1 4 8 0 n m 低低高 由以上分析可知，9 8 0 r i m 波长的半导体激光二极管是一种较为理想的 泵浦源。因此，我们选择了b o o k h a m 公司生产的出纤功率为1 1 0 m w 的 l c 9 4 z c 7 4 2 0 型9 8 0 r i m 泵浦光源。 2 5 2e d f a 泵浦源的电路设计 根据系统要求，e d f a 的泵浦源需要有很大的输出光功率和较高的稳定 性。用9 8 0 n m l d ( 激光二极管) 作泵浦源时，需对其加以一定的控制以保证 稳定可靠的大功率输出。另外考患到半导体激光本身的特性要求，需对 l d 驱动电路作以下三方面的考虑【2 l 】：( 1 ) 浪涌冲击电流的消除；( 2 ) 功 率自动控制( a p c ) ；( 3 ) 温度自动控制( a t c ) 。 1 浪涌电流的消除 浪涌是一种突发性的瞬态电脉冲，电脉冲可以在开启和关断电源时产 生。工作过程中电网的波动( 我国电网杂波尤为严熏) 或并联的待用电器 突然启动都会产生电脉冲。由于半导体激光二极管对于电脉冲的承受能力 很差，p n 结或用作谐振腔的解理面极易被电脉冲击穿或破坏，表现出激光 输出功率的减少或无输出。消除浪涌的影响，对于电网波动可以用l c 滤波 哈尔溟工程大学硕士学位论文 器和兀型滤波器消除，其他原因的浪涌可以用慢启动电路消除。 2 自动功率控制( a p c ) e d f a 放大系统要求泵浦功率有较好的稳定性，但是由于泵浦源l d 的 p n 结发热导致阈值电流变化，引起输出特性随结温的变化而变化，从而使输 出光功率也随结温