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稀土掺杂锗酸盐玻璃光学波导放大器的紧凑型长光路模拟设计与增益预期

作　者: 赵睿途
导　师: 林海
学　校: 大连工业大学
专　业: 材料学
关键词: 平面光波导 BeamPROP模拟 光路设计 光学增益
分类号: TN722
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


近年来，随着数字通信业务以及互联网的高速发展，全光通讯网络逐渐向家庭用户及个人普及，具有小型化、高度集成化和大通讯传输容量的全光波导器件成为研究热点。稀土离子掺杂玻璃光波导放大器作为通讯网络中一种重要的全光有源波导器件也备受重视。在C-波段（15301565nm）放大技术已经日渐成熟的今天，S-波段（14201520nm）也逐渐成为潜在的通讯资源空间。目前，适用于C-/S-波段的光纤放大器已取得突破性进展，而相对于光纤放大器，波导器件具有体积小，增益系数高的特点，因此在集成器件方面展现出优势。然而波导放大器受到其信号光放大路径较短的限制，使波导器件很难获得高的增益来满足信号放大的要求，制约了波导放大器的实际应用。提高光波导放大器增益性能的主要方法（1）是增加稀土离子的掺杂浓度和（2）延长波导中光信号放大路径。但稀土离子之间存在着很强的能量交叉弛豫效应，过高的掺杂浓度会降低稀土本身的辐射跃迁效率。因此，通过延长波导中光信号放大路径来获得高增益的方法更具可行性。根据上述情况，本工作以（8×6） cm2的Er3+/Yb3+和Tm3+掺杂锗酸盐玻璃NMAG（23Na2O-3MgO-22Al2O3-52GeO）为基片，基于增加波导中信号光放大路径的思路，设计出S型，U型和F型三种弯曲结构波导，用BPM方法对弯曲波导额外的损耗进行评估。通过场强模式分布计算波导的弯曲损耗和连接损耗，进而对三种结构波导的内增益进行预期。由于Er3+/Yb3+掺杂波导本征的发射曲线不够平坦，所以增益区间有限。但是对于Tm3+掺杂波导，损耗系数为0.04dB/cm。在1482nm波长处， F型波导的增益为13.01dB，其值高于U型（8.21dB）和S型（4.22dB）波导，约是普通直波导（3.84dB）的三倍。结果表明合理光路设计（F型）可以大幅提高稀土离子掺杂锗酸盐玻璃平面光波导的光学增益，为实现低损耗高增益集成波导放大器的实用化提供了可行的设计思路。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第一章 绪论  9-11
第二章 文献综述  11-19
  2.1 稀土离子的特殊性能  11-12
  2.2 稀土的简介  12-16
    2.2.1 特殊电子组态  12-14
    2.2.2 能级劈裂  14-15
    2.2.3 跃迁与发光  15-16
  2.3 掺 Er~(3+)光放大器的工作原理及工作范围  16-19
第三章 理论模拟基础  19-26
  3.1 光的电磁波理论  19-22
  3.2 Helmhotz 方程  22-24
  3.3 边界条件  24-26
第四章 弯曲模拟  26-38
  4.1 S 型设计  26-37
    4.1.1 窗口参数设定  26-27
    4.1.2 定义变量  27-28
    4.1.3 绘制 S 型波导  28
    4.1.4 设置波导参数  28-29
    4.1.5 连接优化  29-33
    4.1.6 计算弯曲损耗  33-34
    4.1.7 优化连接  34-35
    4.1.8 模拟 S 型波导  35-37
  4.2 模拟基础  37-38
    4.2.1 Tm~(3+)掺杂 NMAG 波导参数的测定  37-38
第五章 Er~(3+)/Yb~(3+)和 Tm~(3+)掺杂 NMAG 玻璃波导的增益评估  38-54
  5.1 K~+ Na~+离子交换 Er~(3+)/Yb~(3+)掺杂 NMAG 玻璃条形光波导的内增益系数  38-39
  5.2 波导的结构设计  39-40
  5.3 弯曲损耗的模拟计算  40-46
  5.4 Er~(3+)/Yb~(3+)掺杂 NMAG 弯曲波导的增益  46-47
  5.5 K~+ Na~+离子交换 Tm~(3+)掺杂 NMAG 玻璃条形光波导的内增益系数  47-49
  5.6 Tm~(3+)掺杂 NMAG 弯曲波导的附加损耗  49-52
  5.7 Tm~(3+)掺杂 NMAG 玻璃波导的增益  52-54
第六章 结论与展望  54-55
  6.1 结论  54
  6.2 展望  54-55
参考文献  55-60
本文的研究特色和创新之处  60-61
致谢  61-62
作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文  62

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 放大技术、放大器 > 放大器
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