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北京变通人学砷十学位论文 y 8 7 9 9 6 掺铥光纤放k 器的研究 摘要 随着波分复用( w d m ) 系统的迅速发展，掺铥光纤放大器( t d f a ) 以其增益高、带宽宽、噪声低等优良特性成为目前s 波段光放大器的 重要组成部分。目前对t d f a 的研究大多采j | 实验研究的方法，丽h 大部分单波长泵浦t d i 诅的数值模型都忽略了a s e 及损耗的影响。本 文提出了一个包括a s e 及损耗的较为详细的数值模型，并利用这个模 型详细计算了光纤长度、掺杂浓度、泵浦方式及泉浦波长对氟化物玻 璃基t d f a 增益的影响，并给出了分析结论。主要内容包括： l ，碲酸盐玻璃基t d f a 与氟化物玻璃基t d f a 相比具有许多优 点，但由于其各项光谱参数比较缺乏，所以对其的数值模拟较少。鉴 于此，本文利用了在文献上查到的参数对碲酸盐玻璃基7 ll ) p a 进行了 数值模拟。使用15 【n 的光纤，2 0 0 m w 泵浦功率，增益峰值达到了15 d b ， 带宽比氟化物玻璃基t d f a 多了2 0 n m 左右。 2 以1 0 5 0 1 5 6 0 n m 和1 4 0 0 1 5 6 0 n m 两种取波长泵浦的g s t d f a 为伽j ，给出了以上两种g s t d m 的详细的理论模型，用数值方法计算 出了两种g s t d f a 的增益曲线，都观察到r 增益位移的现象，存1 0 5 “m 泵浦光的功率为1 5 0 m w ，1 j 6 “m 泵浦光达到2 0 m w 时，增益 比较半坦，增益峰值在1 4 9 0 n m 附近，并且达到了25 【l b 左右。在14 um 泵浦光的功率为1 0 0 m w ，i5 6um 泵浦光功率为2 0 m w 叫，埔 益比较平坦，增益峰值在1 4 8 。n m 附近，并且达到了2 0d 1 3 右。 【关键词】碲酸盐玻璃基光纤，掺铥光纤放大器，增益位移 北京交通大学硕= 【。学位论文掺铥光纤放火器的研究 a b s t r a c t w 胁血e i n c r e a s i n g t r a n s m i s s i o n c 印a c i t y i nt h ew d m s y s t e m s ，t d f a ( t h u l i u md o p e df i b e ra m l i f i e r s ) h a sb e c o m ea ni n p o r t a n t p a r to ft h es b a n do p t i c a la m p l i n e r so w n i n g i t sp r o p e r t i e so fh i g h g a i n ，w i d eb a n d w i d t ha n dl o w e rn o i s e ，e t c b u tu pt on o wt h es t u d yo n t d r i sm o s t l yb ye x p e r i m e n t a lm e t h o d ，a n dm o s tn u m e r i c a lm o d e lo f s i n g l ep u m p e dt d f ah a si g n o r e dt h ei n f u l u n c eo fa s ea n dl o s s s oi nt 1 1 i s p a p e r ，ac o m p r e h e n s i v en u m e r i c a l m o d e li n c l u d i n ga s ea n dl o s si s p r e s e n t e da n dw i t ht h i sm o d e l ，t h ei n n u n c e so fs o m ep a r a m e t e r ss u c ha s f i b e rl e n g t h 、 d o p e dc o n c e n t r a t i o n 、p u m pw a ya n dp u m pl e n g t h a r e d i s c u s s e di nd e t a i l m a i nc o n t e mo ft h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 ，7 i h u l i u m d o p e d t e n u r i t ef i b e r a n l p l i f l e r h a sm a n ya d v a n t a g e s c o m p a r e dw i t hn u o r i d eo n e s 】3 u t i t s o p t i c a lp a r a m e t e r sa r e1 a c k ，s o i t s n u m e “c a lc a l c u l a t i o ni s1 e a s td i s c u s s e db e f o r e t h i sp a p e rg i v e sab a s i c n u m e r i c a lc a c u l a t i o nw i t hp a r 锄e t e r sf o u n di no t h e rp a p e r s ，w eu s ea 1 5 mf i b e r ，2 0 0 m wp u m pp o w e r i t sp e a kg a i ni s15 d ba n dm eg a i ne x t e n d s a tl e a s t2 0 n mt ol o n g e rw a v e l e n g t ht h a nt h a tr e p o r t e di nn u o r i d ef l b e r s 2 ， g i v i n g t h ed e t a i l e dn u m e “c a lm o d e lo ft w o t y p e s o f d u a l 一、v a v e l e n g t h p u m p i n g ：( 1 ) 10 5a n dl5 6 肛ma n d ( 2 ) 1 4a i l d1 ，5 6 m ，a n d t h e g a i np r o f i l e o ft h e mw ec a c u l a t es h o w st h e g a i n s h i f t e d p h e n o m e n o n w eg e tan a tg a i np r 0 6 l ew i t hap e a kg a i no f2 5 d ba ta r o u n d 1 4 9 0 蛳w h e n1 0 5 “mp u m pp o w e r i s1 5 0 m wa n d1 5 6 mp u m pp o w e r i s 2 0 m w w ea l s o g e tn a tg a i np r o f i l ew i t hap e a kg a i no f2 0 d ba ta r o u n d 北京交通大学硕士学位论文掺铥光纤放大器的研究 1 4 8 0n mw h e n1 4 i | mp u m pp o w e ri s1 0 0 m wa n d1 5 6mp u m pp o w e ri s 2 0 m w 【k e yw o r d s l ：r e l i u r i d eb a s e df i b e r ，t h u l i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r ， g a i n s h m e d i j 北京交通大学硕l 。学位论文掺铥光纤放人器的究 第一章绪论 本章首先分析了光纤通信技术的发展对光放大器需求的迫切性； 接着讨论了s 波段掺铥光纤放大器( t d f a ) 在其中的应用，具体介绍了 t d f a 的基本工作原理及最新研究进展。对t d f a 的深入研究成为目 前光纤通信的重要课题之一。1 1 节简要地回顾了光纤通信的发展。 1 2 节讨论了几种常见的光放大器，t d l l a 成为目前s 波段光纤放大器 的重要组成部分。1 3 节详细介绍了t d f a 的基本工作原理，为后面 章节的分析奠定了基础。1 4 节对目前研究的最新进展做了详细的综 述。1 5 节介绍了本文的研究内容。 1 1 光纤通信的发展 光纤通信的诞生与发展是电信史上的次重要革命“。近几年 来，随着技术的进步，电信管制体制的改革以及电信市场的逐步全面 丌放，特别是i p 的爆炸式发展所带来的对带宽的巨大需求，光纤通信 又一次呈现了蓬勃发展的新局面，其发展速度不仅超过了摩尔定律所 限定的交换机和路由器的发展速度，而且也超过了数据业务的增长速 度，成为近几年来发展速度最快的技术。 光通信可追溯到1 9 世纪术。1 8 8 0 年电话发明家贝尔发明了一种利 用大气中传播的光波作载波的光电话，传输距离是2 1 3 米。激光器问 世后不久的1 9 6 3 年，有人用激光作大气光通信实验，未取得满意结果。 1 9 6 6 年英籍华人高锟提出用光导纤维实现光通信的设想。1 9 7 0 年8 月 美国康宁公司研制出损耗为每千米2 0 分贝的石英玻璃纤维，使光纤通 北京交通大学硕二e 学位论文掺铥光纤放人器的研究 信开始步入实用阶段。1 9 8 8 年1 2 月美、英、法合建穿过大西洋海底光 缆铺设成功，并于1 9 8 9 年投入商业使用，这条光缆长达6 0 0 0 多千米， 可使8 力1 人在大西洋两岸同时通电话。自此光纤通信在世界各国迅猛 发展起来。我国光纤通信研究始于1 9 7 2 年前后，1 9 7 9 年丌始在上海、 北京、武汉、南京铺设的光纤通信线路至今运行良好。 光纤通信是我国高新技术中与国际差距较小的领域之一。光纤通 信由于其具有的一系列特点，以其巨大的潜在带宽以及良好的抗干扰 和保密性能等诸多优点在传输平台中居于十分重要的地位。自2 0 世纪 7 0 年代发展至今仅2 0 多个年头，其速度之快已经大大超过了人们的想 象。虽然目前移动通信，甚至卫星移动通信的热浪再现高波，但i t u 国际电信博览会t e l e c o 帕9 的展示说明，光纤通信仍然是最主要的传 输手段，特别在核心网方面更加突出。在北美，信息量的8 0 以上是 通过光纤网来传输的。在我国光纤通信也得到广泛的应用，全国通信 网的传输光纤化比例已高达8 2 。光纤通信技术的应用基本达到国际 同期水平，自主开发的光纤通信产品也比较接近国际同类产品水平。 1 2 光放大器 光放大器的使用，在一定程度上解决了光纤衰减对光信号传输的 影响，使全光传输距离大大增加2 | 。光纤放大器大大提高了光纤传输 系统性能，是实现长距离传输的关键器件，是光纤通信发展史上的一 个新的里程碑。 北京交通大学硕士学位论文掺铥光纤放人器的州究 1 2 1 几种常见光放大器的简介 目前己实现的光放大器包括非线性光纤放大器、半导体激光放大 器和掺杂光纤放大器。 非线性光放大器是利用光纤中的非线性效应，利用受激拉曼散射 ( s r s ) 和受激布里渊散射( s b s ) ，实现拉曼光纤放大器( f r a ) 和布罩渊 光纤放大器。拉曼放大具有广阔的光谱范围，是唯一能在1 2 9 2 n m 到 1 6 6 0 n m 的光谱上进行放大的器件。拉曼放大器适合于任何类型的光 纤，且成本较低。光纤拉曼放大器可采用同向或反向泵浦，增益带宽 可达6 t h z 。分布式拉曼放大器能增加放大器之间的距离，因而可能在 速率高达4 0 g b i t s 的高速光网络中发挥重要作用。拉曼放大器( f r a ) 中高功率泵浦和很低的转换效率是不利因素，但目前高功率的| d 已经 成熟，采用掺杂其它微量粒子的特种光纤可增强非线性效应从而提高 功率转换效率。f r a 有两个显著的特点： ( 1 ) f r a 可以延伸传输系统中e d f a 之间的距离，沿途对信号进行分布 式放大，特别适合于海底长距离无中继光纤通信。 ( 2 ) 只要使用合适的泵浦光源，理论上f r a 可实现任意波段上的光放 大，超过铒带宽，但受限于泵浦的波长和光纤的斯托克斯位移。国外 已有在2 5 g b s 速率，1 3 “m 、1 4um 、1 5 l - 6um 窗口使用小 间隔多波长泵浦拉曼放大器的实验，这种f r a 可以提供超过1 0 0 n m 的增 益带宽，增益系数可达到2 0 d b 以上。 放大光信号的另一个可行的方法是采用半导体光放大器( s o a ) 技 术。处于粒子数反转状态下的半导体都具有光增益，从这个意义上来 讲，任何半导体激光器都可以作为0 a 。s o a 可分为谐振型的法布里一 北京交通大学硕士学位论文掺铥光纤放火 的研究 珀罗腔放大器和非谐振的行波放大器。两者的结构都是折射率波导型 激光二极管结构，其主要的差别在于端面反射率的大小。对于s o a 而 言，原理上可以提供任意硅光纤传输窗口的增益，增益窗口的中心波 长受半导体材料特性限制，目前的应用仅限于1 5 5 0 n m 和1 3 1 0 n m 窗口。 s o a 结构简单、造价低、易于集成，所以发展很快。尽管现有的半导 体光放大器技术有了很大的发展，但由于它和光纤的耦合效率较低， 而且有噪声系数较大、低增益、增益与偏振相关的缺点，尤其是信道 之间的串扰严重限制了它在w d m 系统中的应用，还需要提高输出功率 以适应新的高速、高通道数的短距离w d m 系统。半导体光放大器的功 率不支持长距离传输，但半导体光放大器自有其应用前景，因为它可 以接受输入的光信号，改变它的频率，输出新波长，并在此过程中将 信号放大，即动态波长变换。所以s o a 目前仅是光纤放大器的一种补 充，主要用作集成放大器以及应用在性能要求不高、成本很低的光链 路中。 1 2 2 几种光放大器的比较 迄今为止，己研制成功三种光放大器，即半导体光放大器( s o a ) 、 光纤拉曼放大器( f r a ) 和掺稀土元素的光纤放大器。s o a 的尺寸最小， 频带很宽，增益也很高，易于与其它的光电子器件进行混合集成，可 工作于整个光纤的低损耗窗口。它不仅可用作光放大，还可用作波长 转换、锁模和光时钟提取，是光传送网中的关键器件。但s o a 最大的 弱点是信道间串扰大，难以适应在w d m 中的应用。f r a 是利用光纤的非 线性光学效应一受激拉曼散射( s r s ) 效应产生的增益机制而对光信 号进行放大的，其优点是传输线路与放大线路同为一体光纤，因 北京交通大学坝二卜学位论文掺铥光纤放人器的i 】| _ 究 而放大器与线路的耦合损耗很小、噪声较低、增益稳定性也较好，但 需要很大的泵浦功率( 数百m w ) 和很长的光纤( 数k m ) 。f r a 是目前唯 一能在1 2 6 0 1 6 7 5 n m 的光谱上进行放大的光放大器，目前己成为研究 热点，其发展前景看好。掺稀土元素的光纤放大器是利用在光纤中掺 杂稀土元素引起的增益机制实现光放大的，其优点是结构简单、与线 路的耦合损耗很小、噪音低、增益高。光纤放大器的特性与光纤极化 状态无关，所以泵浦功率也较低。综合分析与比较上述三种光纤放大 器，人们更倾向于掺稀土元素的光放大器，各类掺杂光放大器近年来 倍受青睐。 1 2 3t d f a 的提出 研究表明，光纤的损耗和所传的光波波长有关，在某些波长附近 光纤的损耗最低。这些波段成为光纤的低损耗“窗口”或“工作窗口”。 其中1 5 2 4 1 5 6 5 n m 一般称为c 波段，l 波段和s 波段分别通常指 1 5 7 0 1 6 2 0 n m 和1 4 6 0 一1 5 3 0 n m 。近年来，由于业务种类和流量的增加， 波分复用和光孤子传输等新型传输系统相继出现。波分复用技术能有 效地利用光纤带宽，实现大容量的光传输。系统要求光放大器( o a ) 具 有增益高、带宽宽、噪声低、增益对偏振不敏感等特性，而增益平坦 r 一1 的光增益带宽是其中最重要的一个限制系统性能的因素”。 因而，目前光纤通信的发展从电信光纤低损耗波长1 5 5 0 n m 的c 波 段向邻近波段l 和s 波段发展，相应的宽带技术就成为关键技术之一。 w d m 长距离传输系统就要求放大器能对s + c + l 三波段同时放大，且增益 平坦。总之，随着w d m 技术和光器件的不断发展，光纤通信正在向全 光方向发展，而光放大器在其中起着重要的作用。 北京交通火学硕士学位论文 掺铥光纤放人器的研究 目前各类掺杂光放大器中应用最多的就是掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 。随着波分复用系统的发展，尽管它具有高增益、低噪声和可 同时放大多路波长信号等优点，但是它仅覆盖石英单模光纤低损耗窗 口的一部分，限制了能容纳的波长信道数，己不能满足未来宽带网络 的需求。 铥离子类似于饵离子，但它可以在s 波段产生增益，掺铥的光放 大器就称作t d f a 。t d f a 与e d f a 类似，是光泵浦掺铥氟化物光纤中的铥 离子( t m 3 + ) 时通过其受激辐射实现1 4 5 0 一1 5 0 0 n m 波段光信号的放大。 t d f a 的增益性能要受到泵浦功率、光纤长度、掺杂浓度等许多因素的 影响，设计t d f a 时必须综合考虑他们的作用。不可否认t d f a 的研究中 还存在着一些问题，如：很难找到能产生合适的泵浦波长的泵浦源， 氟化物光纤与硅光纤的连接等问题( 现在可用倾斜的v 型槽技术解决， 可获得较低的插入损耗( 0 3 d b ) 和反射( 低于o 5 d b ) ) 。但是具有高饱 和输出功率，光增益与偏振无关及低噪声等优点，使t d f a 为未来w d m 系统的扩容提供了广阔的前景，因此，对它的研究具有重大的实用价 值。 1 3t d f a 的基本工作原理 t m 3 + 的能级系统属于四能级系统，图1 1 中显示的是t m 3 + 在 氟化物基质中的能级及相关能级跃迁情况，由于t m 3 十的能级非常多， 在不同泵浦条件下，可以获得若干波长的激光振荡，用于光通信的 1 4 7um 波长跃迁是在1 9 8 2 年由b m a n t i p e n k o 等人怕。在t m 3 + 、 北京交通大学颂小学位论文 掺铥光纤放人器的研究 y b 3 十共掺b a y b ：e 和l i y b e 晶体中首先获得的。 1 9 8 9 年，j y a 1 1 a i n 等人。1 用6 7 6 n m 氟离子激光器泵浦掺7 r m ”氟 化物多模光纤获得了1 4 7 “m 的激光输出。然而两个问题的存在使得 研究人员在此后很长一段时间对1 4 7um ( 3f 4 斗3h 。) 跃迁不太重 视。第一个问题是要想获得1 4 7um 激光振荡、掺t m ”的基质材料 必须声子能量小，如氟化物、碲化物基质等，因为低声子能量有助于 减少非辐射跃迁，而石英基质声子能量较高，要在石英基光纤获得 1 4 7um 激光输出是比较困难的，但在当时，只有石英光纤的制备工 艺比较成熟。第二个问题是t m 是四能级系统( 对1 4 7um 跃迁而 言) 3 ，上能级，l 的荧光寿命短于下能级，h 。的寿命。直接用 6 7 6 n m ( 3 h 6 3f 2 3 ) 和7 9 0 n m ( 3 h 6 专3h 4 ) 的光源泵浦，要想实现粒子 数反转是比较困难的。 1 9 9 2 年，日本n t t 公司以t k o m u k a 一。为首的研究小组，首先提 出上转换的泵浦方式，原理如图1 1 所示：一个t m 3 十吸收第一个光予 ( 对应于1 0 6 4um ) 从基态跃迁到3 e 能级，由于3f 2 。与3f 4 能级之间距 离恰好也等于1 0 6 4um ，接着再吸收第二个光子( 也对应于1 0 6 4u m ) ，使己跃迁到3f 4 能级的离子进一步跃迁到更高的激发态3f 2 或3 e 。 处于激发态3f 或3 e 的粒子无辐射跃迂到亚稳态3 h ；，与3 e 能级之间 实现粒子数反转，形成对1 4 5 0 1 4 8 5 n 丌1 光的增益作用。 北京交通大学硕士学位论文掺铥光纤放人揣的研究 1 0 6 4 c m 1 0 6 4 上zr n ) 6 4 “m r 2 3 二“m 1 4 7 “m 1 。9 上m 1r1r 1r 图1 1t m 3 + 能级及上转换泵浦过程 1 4 t d f a 的研究进展 2 1 6 0 0 c m 1 5 2 0 0 1 4 6 4 0 1 2 6 6 0 8 2 7 0 6 0 0 0 m 0 t d f a 按工作波长可分为t d f a ( 1 4 5 0 1 4 8 0 n m ) 和g s t d f a ( 1 4 8 0 1 5 1 0 n m ) ，按泵浦方式可分为单波长泵浦和双波长泵浦，下面主要按 泵浦方式的分类说明t d f a 的研究进展。 1 4 1 单波长泵浦 单波长泵浦源主要是指1 0 5um 波长的光源，包括1 0 6 4um 和 1 0 4 7um 两种。一般情况f ，采用单波长泵浦t d f a ，获得增益带宽 范围是1 4 5 0 1 4 8 0 n m ，功率转换效率( p c e ) 一般低于2 0 。p c e 定义 为a ? “) 畔1 0 0 ，其中霹“，乓“分别为输出信号功率和输入信号 北京交通人学顿士学位论文掺铥光纤放人器的研究 功率，掣为泵浦功率。如何提高功率转换效率是目前单波长泵浦的发 展方向。一般而言，前向泵浦由于粒子数反转速率高可以获得低的噪 声，后向泵浦由于受损耗影响小，可以获得较高的功率转换效率。所 以，双向泵浦是最佳的泵浦方式。2 0 0 0 年日本超光子器件实验室8 1 报道了1 0 4 7 pm 的l d 泵浦n d ：y l f 固体激光器双向泵浦t d f 的实验 ( 实验装置见图1 2 ) ，通过对光纤长度以及前向和后向泵浦功率的优 化，在1 4 5 3 1 4 8 3 n m ( 3 0 n m ) 带宽范围内，获得了大于2 0 d b 增益和小 于6 d b 噪声系数。在总泵浦功率为3 0 0 m w 情况下，功率转换效率为 1 2 。 t d f 图1 21 0 4 7 “m 的n d ：y l f 激光器双向泵浦的t d f a 实验装置 在o f c 2 0 0 l 会议上，a l c a t e l 公司的研究人员”1 指出，在单波长 泵浦条件下，采用1 0 6 4 um 的泵浦光比1 0 4 7um 泵浦的泵浦效率 高，这主要是因为基态吸收3 h 6 斗3h 4 在1 0 6 4 um 优于1 0 4 7um ， 并在同样双向泵浦实验条件下，采用1 0 6 4um 泵浦获得了2 0 的功 率转换效率，而用1 0 4 7um 泵浦只有1 6 。 为了使增益谱线移至1 4 8 0 1 5 1 0 n 孙，可以采用两种途径，一种是 北京交通大学硕士学位论文掺铥光纤放大器的研究 降低激发态能级3 h 。与终态能级3f 4 之间粒子数反转，二是采用较长的 掺铥光纤。如果仅采用单波长光源泵浦，很难获得此效果，因为 3 h 。_ 3f 4 跃迁速率低于3f 4 斗3h 。跃迁速率，故激发到3f 4 的粒子很快 跃迁到3 h 。能级，很难形成低的粒子数反转。但在高掺杂t m ”浓度下， 采用单波长泵浦也可以获得增益迁移的效果。日本n t t 公司1 0 在2 0 0 0 年利用了高掺杂浓度下稀土离子之间易发生交叉弛豫的特性，由于 t m 3 + 掺杂浓度高，t m 3 + 间距离很近，处于3 h 。能级上的t m 3 + 会将能 量以共振方式转移给相邻处于基态的t m 计，这样处于3 h 。能级的 t m ”释放能量弛豫到3 e 能级，而基态的t m ”由于吸收能量被激发跃 迁到3f 4 能级，因此，处于3f 4 能级的粒子数增加，采用单波长泵浦下 进行了4 信道w d m 单级t d f a 放大，也获得增益迁移。实验中泵浦源 采用1 0 4 7um 的n d ：y l f 激光器，在不同的t m 掺杂浓度下，信号 波长分别为1 4 8 0 n m 、1 4 9 0 n m 、1 5 0 0 n m 、1 5 1 0 n m ，功率为一1 3 d b m c h ， 在前向泵浦功率为5 4 3 m w 下，掺铥光纤的掺杂浓度从o 2 增加到 o 8 时，增益谱线峰值位置向长波长方向移动了3 2 n m ，即从1 4 7 3 n m 迁移到1 5 0 5 n m 。图1 3 为前向和后向泵浦功率分别为3 2 5m w 和 1 7 5 m w 下的增益和噪声系数谱特性，在1 4 8 0 1 5 1 0 n m 带宽范围内， 增益大于1 8 d b ，噪声低于7 d b ，其中掺铥光纤掺杂浓度为o 6 ，长 度为1 3 3 m 。总之，采用单波长泵浦可以在1 4 5 0 1 4 8 0 n m 和1 4 8 0 l 5 1 0 n m 实现增益放大，其优点在于光源单一，结构简单，缺点是功率 转换效率低。 0 北京交通大学坝十学位论文掺铥光纤敝人器的研究 波长 ，n m 图1 3 增益和噪声谱特性 1 4 2 双波长泵浦 双波长泵浦方式的出现一方面是为了提高功率转换效率，另外一 方面是为了获得增益谱线迁移，即g s t d f a 。目前已经出现了1 0 4 7 “m l _ 5 5 “m 1 、1 0 6 4 um 1 1 1 7um 12 | 、1 4 um 1 5 6 um 1 引、 r 14 1 2 4um 1 4 um 。四种双波长泵浦方式( 见图1 4 ( a ) 一( d ) 系列) 。 下面分别予以描述。 芒 岂 蜡 趣 图1 4四种双波长泵浦方式 一 一 一 一 。 北京交通大学硕十学位论文掺铥光纤放人器的州究 ( 1 ) 1 0 4 7um 1 5 5 um 双波长泵浦 1 9 9 9 年，日本n e c 公司“首先提出了双波长泵浦t d f 工作方式， t m 3 + 跃迁机理见图4 1 ( a ) 。1 5 5um 辅助泵浦源的作用就是为了提 高终态能级3f 4 上的粒子数，即提高3 h 。一3f 4 的泵浦效率，使t m 3 + 能 级系统更像三能级系统。图1 5 为n e c 公司的增益迁移t d f a 试验系 统结构图，采用三段t d f a 级联结构，l d 泵浦y b 光纤激光器作为1 ，0 4 7 um 的泵浦源，d f b l d 经e d f a 放大后的光源作为1 5 5um 的泵浦 源。所用掺铥氟化物光纤的掺杂浓度为0 2 ，每一段的长度均为2 0 m 。 在实验中使用3 3 0 m w 的1 0 4 7um 和4 2 m w 的1 5 5 “m 泵浦源对第 一段t d f 前向泵浦，用3 9 5 m w 的l _ 0 5 0um ( y b ：y a g ) 和2 9 m w 的 1 5 4 7 “m 泵浦源对第二、第三段t d f 进行前向泵浦。结果表明只需 要1 0 4 7um 泵浦光功率1 0 大小的1 5 5um 泵浦源，便可以在 1 4 7 5 1 5 1 0 n m 带宽范围内获得2 5 d b 的小信号增益，5 d b 的噪声系数。 第一段t d f第二段t d f 第三段t d f 信号 1 4 5 + e d f a ( 1 5 5 5 肚m ) e d f a ( 1 5 4 7 l l m ) 图1 51 0 4 7um 1 5 5um 双波长泵浦的g s t d f a 结构图 2 0 0 1 年n e c 公司在此基础上，进行了1 2 个w d m 信号多级放大 实验，使用的波长范围是1 4 7 5 1 5 2 n m ，信道间隔为4 0 0 g h z ，信号 北京交通大学硕士学位论文掺铥光纤放人器的研究 输入功率为一1 5 d b f f 【c h ，图1 6 为7 r d f a 的增益和噪声系数谱特性，其 中增益大于2 0 d b 和噪声系数小于7 d b 。 勺 b 相 靶 弋3 辍 1 隅 趣 哩 波长 n m 图1 6 增益和噪声系数谱特性 ( 2 ) 1 0 6 4um 1 1 1 7um 双波长泵浦 在o f c 2 0 0 0 会议上，a 】c a t e l 公司2 1 的研究人员报道了1 0 6 4 pm 和1 1 1 7 um 双波长泵浦t d f a 的方案，其跃迁机理见图1 4 ( b ) ， l _ 1 1 7 um 对应的能级较1 0 6 4um 离3 h ；能级距离近。所以用1 1 1 7 “m 泵浦比用1 0 6 4um 泵浦更容易使粒子跃迁到3f d 能级上，从而使 3f 4 能级上的粒子数增加。实验装置如图1 7 所示。采用双向泵浦方案， n d ：y a g 激光器和y b 双包层光纤激光器分别作为1 0 6 4 “m 和1 1 l7 um 泵浦源，双向泵浦比前向或后向泵浦高出5 d b 以上的增益，大信 号f 功率转换效率达2 0 ，噪声系数( 5 5 d b ) 仅比前向泵浦高o 3 d b 。 另外，当1 1 1 7um 的功率为总功率的1 5 左右时，可使t d f a 的带 宽增加5 n m 。如果调整1 1 1 7um 和1 0 6 4um 之间的功率比例，可以 北京交通大学硕士学位论文 掺铥光纤放大器的研究 使增益带宽迁移到适合于w d m 系统可以传输的波段。但这种结构由于 采用了大功率泵浦y b 双包层激光器，制造成本较高。 t d f 图1 7 1 _ 0 6 4um 1 1 1 7um 双波长泵浦g s 一r d f a 结构图 ( 3 ) 1 4 um 1 5 6 um 双波长泵浦 由于单波长泵浦主要是用l d 泵浦n d ：y a g 或l d 泵浦n d ：y l f 固 体激光器，所以有诸多的缺点，例如效率低、寿命短、尺寸大，妨碍 t d f a 的小型化和集成化。另外，工作在1 0 5um 的l d 还处于研究阶 段，一些新的无源器件，如隔离器、合波器等都需要适应新的工作带 宽，一般来说，原来工作在1 5 5 0 n m 波长范围的无源器件在s 波段的 损耗都会增大。为此，研究人员丌始寻找l d 直接泵浦t d f a 的方案。 2 0 0 0 年，n e c 公司首先报道了用i 。d 直接泵浦t d f a 的方案“，两 个l d 工作波长分别是1 4um 和1 5 6um ，其泵浦跃迁机理见图 1 4 ( c ) ，1 5 6 um 对应的是3h 6j 3f 4 跃迁( 基态吸收) ，1 4um 对应 的是3f 4 斗3 h 。跃迁( 激发态吸收) ，由于1 4um 辐射跃迁的声子能量 为7 1 4 3c m ，低于3 h 。与更高能级1 g 。之问的能量l 可隔( 约为 8 9 4 0 c m _ 1 ) ，所以不会产生3 h 。j 。g 。的上转换跃迁。量子效率一般用 北京交通人学顺士学位论文掺铥光纤放人器的w f 究 h v 。h v 。大小衡量，其中v 。、v 。分别为光信号频率和泵浦光频率，h 为 普朗克常数，h v ；为信号的光子能量，h v 。为泵浦信号光子能量。采用 1 4 um 的l d 泵浦第二阶段1f d 寸3h 。跃迁，使得量子效率( 约为9 3 ) 比用1 0 5um 单波长上转换泵浦方式要高得多。这种方法可以大大提 高t d f a 的功率转换效率。图1 8 为l d 泵浦的t d f a 试验结构图，采 用两级放大器结构，掺铥光纤掺杂浓度为0 2 ，第一段和第二段长 度分别是1 3 7 m 和4 0 m ，在实验中使用6 7 m w 的1 4 “m 和2 4 m w 的 1 5 6 斗m 泵清源对第一段，r d f 进行前向泵浦，第二段t d f 的前向泵浦 源采用1 4 3 m w 的1 4 um 和4 3 m w 的1 5 6 um ，后向泵浦源采用 3 2 m w 的1 4 “m 和1 6 m w 的1 5 6um 。 掺t m 光纤( 质量百分比2 10 1 3 ) 图1 81 4 um 1 5 6um 双波长泵浦t d f a 实验装置 图1 9 为t d f a 的增益和噪声系数谱特性。可见在1 4 7 5 n m 1 5 0 2 n m 波长范围，获得了大于2 5 d b 增益且噪声系数低于7 d b 。另外在泵浦总 功率为4 9 2 m w 下，获得1 7 1 d b m 的信号输出功率，总的功率转换效 率为1 0 3 ，大于在此之前报道的任何g s t d f a 的效率。如果进一 北京交通大学硕十学位论文 掺铥光纤放火器的研究 步优化装置结构，包括1 _ 4 um 和1 5 6um 双波长之间的功率分配、 光纤长度、稀士掺杂浓度等，可以获得大于2 0 的功率转换效率。这 种结构的好处在于直接采用了l d ，使小型化和集成化成为可能，但功 率转换效率还需要进一步提高。 q 糕 1 谣 缸 登 波长 n m 图1 91 4 “m 1 5 6 “m 双波长泵浦t d f a 增益和噪声系数特性 ( 4 )1 2 4um 1 4 um 双波长泵浦 最近，a l c a t e l 公司。”。报道了采用1 2 4um 和1 4 “m 双波长泵 浦方式，功率转换效率高达4 8 ，t m 3 + 在该泵浦方式下的能级跃迁 见图1 4 ( d ) ，由于从3 h 。_ 3f 4 跃迁中心波长对应于1 7um ，如果采 用1 5 6um 泵浦源，则1 7u m 只位于吸收谱线的尾部；另外， 3 h 6 斗3h 5 跃迁对应于1 2 4um ，所以用波长为1 2 4um 的光子泵 浦，能有效地使t m 3 + 从基态跃迁到3 h ，能级，然后很快以无辐射方式 到达3 e 能级，使该能级上的粒子数增加，然后再吸收1 4um 的光子 跃迁到3 h 。能级。图1 1 0 是该实验装置图，采用波长为1 1 1 7 um 的 y b 双包层光纤激光器泵浦出五段b r a g g 光纤光栅级联组成的拉曼谐振 6 北京交通大学埘士学位论文 掺铥光纤放人器的研究 腔，将最终输出波长移到1 4 0 0 n m 附近，在输出端将1 ，4um 和1 2 3 8 um 的混合泵浦光一分为二对t d f 进行前向和后向泵浦。信号光采用 8 信道，波长范围1 4 7 0 1 5 0 0 n m ，间隔为4 n 【f i ，功率为一1 d b f f i c h ，结 果表明在总的泵浦功率为4 1 0 m w 下，t d f a 的功率转换效率( p c e ) 高 达4 8 ，是目前报道的最大p c e 值。所用掺t m 3 + 氟化物光纤的t m ” 掺杂浓度为o 2 ，数值孔径( n a ) 为0 2 ，在1 4 um 损耗为o 0 5 d b m 。 实验中由于采用了级联的拉曼谐振腔，可以实现很大的输出功率，在 此情况下t d f a 可获得较高的p c e ，但它同时采用多个无源器件，结构 复杂，成本较高。 i 1 1 7 u 玎 y b 光纤 激光器 俄语磊醚 1 2 3 8 且mf 1 2 1 1 7 6 “m1 3 1 6 p m l 、一 1 1 7 6 l l m ；刊 ；f 2 0 1 3 1 6 u m b 扭l 掺t m 瓤化物光纤 图1 1 01 2 4 um 1 4 “m 双波长泵浦t d f a 实验装置 1 4 3 存在问题 目前对t d f a 的研究大多为实验方法，通过改进泵浦方式、掺杂浓 度、泵浦功率和光纤长度，提高放大器性能。但实验方法常常不能有 效的分析某一个参数对放大器性能的影响，且实验系统的搭建与实现 北京交通大学硕i 擘位论文 掺铥光纤放人器的研究 均比较繁琐。因而，建立详细的数学模型，并由此计算放大器性能及 各种参数的影响是提高放大器性能的有效快捷方法，且可以用于指导 实验研究。 1 5 本论文的主要研究工作 随着波分复用( w d m ) 系统的迅速发展，掺铥光纤放大器( 7 r d f a ) 也成为研究的热点之一。目前对t d f a 的研究大多采用实验研究的方 法滩以深入分析其结构与工作参数对放大器性能的影响。 首先，本文介绍了研究的背景和t d f a 的研究现状。 其次，本文提出了一个包括a s e 及损耗的较为详细的数值模型， 并利用这个模型详细计算了光纤长度、掺杂浓度、泵浦方式及泵浦波 长对氟化物玻璃基t d f a 增益的影响。 再次，本文利用了在文献上查到的参数对碲酸舱玻璃基t d f a 做 了基本的数值模拟，使用1 5 m 的光纤，2 0 0 m w 泵浦功率，增益峰值 达到了1 5 d b ，带宽比氟化物玻璃基t d f a 多了2 0 n m 左右。 最后，本文以1 0 5 0 1 5 6 0 n m 和1 4 0 0 1 5 6 0 n m 两种双波长泵浦的 g s t d f a 为例，给出了以上两种g s t d f a 的详细的理论模型，用数值 方法计算出了两种g s t d f a 的增益曲线，都观察到了增益位移的现象， 在1 0 5um 泵浦光的功率为1 5 0 m w ，1 5 6 um 泵浦光达到2 0 m w 时，增益比较平坦，增益峰值在1 4 9 0 n m 附近，并且达到了2 5 d b 左右。 在1 4um 泵浦光的功率为1 0 0 m w ，1 5 6um 泵浦光功率为2 0 m w 时，增益比较平坦，增益峰值在1 4 8 0 n m 附近，并且达到了2 0 d b 左右。 ! ! 塞奎望查兰堡：! = 兰垡堡兰j 塑星墅型堑壁坚! ! ! 堡l 第二章t d f a 基本理论 本章主要介绍1 0 6 4um 上转换泵浦方式的基本理论，它是第三 章和第四章的理论基础，同时也为第五章建立双波长泵浦的g s t d f a 的理论模型做了准备。 2 1 速率方程 1 0 6 4 pm 上转换泵浦的能级跃迁如图2 1 所示。由于能级3f 2 和 ，f 1 很接近，为了简化故可以把它们视作一个能级。图中n ”n ，n z ， n ，n 。，n ；分别为各相应能级上的粒子数密度；n 是总的粒子数密 度。w w p 2 ，w p 3 和o ；l ，o ：，。；，分别是3 h 6 j 3 h s ，3 h 一斗3f 2 ， ，e g 。的泵浦几率和受激吸收截面。从第i 能级到第j 能级的自发发 射或多量子弛豫记为y 。，。由于7 ，l 与t ，：和t 3 0 相比很小，可以忽略不计。 与t 5 。和y 5 2 相比，y 5 l ，y ，3 和t ，4 也可以忽略。1 4 7um 处受激吸收截 面6 ：可与受激发射截面a ：近似相等，记为6 。，信号光的受激发射几 率与受激吸收几率均记为w s 。 北京交通大学硕士学位论文掺铥光纤放人器的研究 专专w p o 蚤 1 一 w p l 差扣；1 w 。 jb y 卉气1 r ，o o 毗有r p 器2 南 螨是畛卷 这里p p 代表泵浦光功率，a 譬代表泵浦光的有效截面。这里透明泵浦 功率的表达式与三能级放大器类似。 二、噪声极限 在玻璃介质中，粒子数反转系数或者自发辐射因子u 定义为 旷 骘型j：型3 m 可n 一封 假设吸收截面和发射截面相笔则有 f 矗2 盘 n 3 由公式可得 堕+ 旦蔓。坠 n l w 一十w s q 3 0 h v 口h v ：i p i p n s + w s生+ 业 h v 。h v ；i p 因此当i p 耐艮增长时坷舢的极限为：吕舻奇 1 g ：2 由于噪声指数f 可以近似表示为f = 2 l l 北京交通大学硕：p 学位论文 掺铥光纤放大器的研究 去叫+ 害， 1 o 由于在1 0 6 4 um 处，o a 3 与a 相比要小得多，所以可以认为t d f a 的 噪声指数的量子极限为3 d b 。 三、增益 在本模型中，泵浦光强i p 和信号光强i s 满足以下公式 粤；( 。；n ，6 n ) i 。：a 。_ n i 。 粤- - ( 。於。q ： 6 科3 ) i 。 t d f a 的增益的表达式为： g ( i 。) = d 。n 如果选择的泵浦光的光强i p 满足条件 w ： r 3 0 ，_ 。 则肿焉懿h 瓷h h 寄，锐 北京交通大学硕士学位论文掺铥光纤放大器的研究 由于v3 0 比( y3 。+ y3 2 ) 2 稍大，所以以下表达式成立 h 静h 密 毒。意删 吣 人 b 。心 图4 1 1 碲酸盐玻璃基t d f a 和氟化物玻璃基 t d f a 的增益带宽 由以上计算可以看出，碲酸盐玻璃基t d f a 与氟化物玻璃基t d f a 5 0 北京交通大学硕士学位论文掺铥光纤放火器的研究 相比，增益要低，这主要是因为铥下能级的寿命比较短。但碲酸盐玻 璃基t d f a 的带宽要比后者宽2 卟m 左右，而且其带宽已经延伸到c 一 波段e d f a 的带宽之内，很适合用于w d m 系统。同时其达到最大增益 所需的光纤长度只是氟化物玻璃基t d f a 的1 1 0 左右，可以有效地节 省光纤。增益较低的问题可以通过提高光纤的n a 值，提高泵浦功率 及采用有效的泵浦方式来改进。本章通过数值计算，使用l _ 5 【t 【的光 纤，2 0 0 m w 泵浦功率，增益峰值达到了1 5 d b ，带宽比氟化物玻璃基 t d f a 多了2 0 n m 左右。 北京交通大学硕：k 学位论文 掺铥光纤放大器的研究 第五章增益位移t d f a 的增益特性的研究 由于t d f a 的平均增益带宽只有3 5 n m