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高功率光纤放大器优化设计及实验研究

作　者: 李晓光
导　师: 胡贵军
学　校: 吉林大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 光纤放大器铒镱共掺双包层输出性能
分类号: TN253
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

通信业务容量在爆炸式增长,大容量、长距离的DWDM干线传输技术的发展及日益复杂的光网络拓扑结构,需要饱和输出功率较高的光放大器。Er/Yb共掺双包层光纤放大器（EYDFA）,在Er³⁺离子掺杂的基础上,加入了相当比例的Yb³⁺离子,解决了Er³⁺离子掺杂浓度过高时的浓度淬灭问题,抑制了自脉冲效应,且加宽了吸收谱;此外,基于双包层结构光纤的包层抽运技术,提高了泵浦光的吸收效率,降低了对抽运光的单模要求。Er/Yb共掺双包层光纤放大器以其在1550nm光通信波段的高饱和输出功率,来满足光纤通信技术对放大器日益增加的功率需求,具有广泛的应用前景。本文给出了Er/Yb共掺双包层光纤放大器的理论模型及求解方法,在此基础上采用光学设计软件对放大器各参数进行了仿真优化,基于仿真优化的结果,搭建了放大器的实验系统并测试了其输出性能,实现了信号功率10dBm,抽运电流8A的情况下,最大30.29dBm （1.07W ）的功率输出。论文具体工作内容如下:首先,阐述了Er/Yb共掺双包层光纤放大器中Yb³⁺离子作为敏化剂的作用,以及双包层的光纤结构在实现高功率放大方面的优势,介绍了不同的内包层形状对包层抽运耦合效率的影响。分析了放大过程中Er/Yb共掺能级系统中的能量传递关系,据此给出了放大器基于速率方程和功率传输方程的理论模型,根据离子活动的特点对模型进行了简化并给出了其稳态情况下的四阶Runge-Kutta数值求解方法。根据方程的求解结果,给出了在不同的信号、抽运功率条件下,放大器增益随光纤长度的变化情况。较为全面的介绍了实现双包层光纤放大器的关键技术—包层抽运耦合技术。其次,以基于速率方程和功率传输方程的放大器理论模型为基础,采用光学设计软件对放大器各参数进行了仿真优化。搭建了前向、后向、双向三种不同抽运方式下放大器的仿真模型,并对其性能进行了对比分析。研究了不同信号光、抽运光输入时的放大特性,对有源光纤长度、稀土离子掺杂浓度、包层大小等参数对放大器输出性能的影响进行了分析。对双级结构的放大器和放大器的脉冲放大特性进行了初步研究。最后,根据对放大器各参数仿真优化的结果,搭建了前向抽运的Er/Yb共掺双包层光纤放大器。实现了信号功率10dBm ,抽运电流8A的情况下,最大30.29dBm （1.07W ）的功率输出,以及同样8A的抽运电流下,信号光功率为? 10dBm时,33.48dB的放大器最大增益。测试了放大器在不同的抽运功率条件下,对不同功率、不同波长输入信号光的放大输出性能,并分析了信号光功率、波长及抽运功率对放大器性能的影响。简述了放大器放大过程中自激振荡产生的原因及其与信号光、抽运光功率的关系。本文在对放大器理论分析的基础上,仿真优化并实验研究了Er/Yb共掺双包层光纤放大器的输出性能。实验输出与仿真优化结果的变化趋势是一致的,但由于仿真模型与实际放大器存在的一定差异性、各器件的理想化以及实际实验当中存在熔接损耗、插入损耗等因素,导致了实验所测放大器的输出与放大器仿真优化结果存在着一定的差距。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第1章绪论  12-20
  1.1 论文研究背景及意义  12-13
  1.2 光放大器简介  13-15
    1.2.1 半导体光放大器  13-14
    1.2.2 非线性光纤放大器  14
    1.2.3 掺杂光纤放大器  14-15
  1.3 高功率光纤放大器的提出及应用  15-17
    1.3.1 高功率光纤放大器的提出  15-16
    1.3.2 高功率光纤放大器的应用  16-17
  1.4 本论文的内容与结构  17-20
第2章 Er/Yb 共掺高功率光纤放大器的理论研究  20-38
  2.1 放大器的基本原理  20-26
    2.1.1 Er、Yb 共掺的掺杂特性  20-23
      2.1.1.1 传统EDFA 放大原理及不足  20-21
      2.1.1.2 Yb~(3+)离子作为敏化剂的作用  21-23
    2.1.2 双包层的光纤结构  23-26
  2.2 Er/Yb 共掺系统理论模型  26-34
    2.2.1 速率方程  26-28
    2.2.2 功率传输方程  28-29
    2.2.3 稳态解  29-34
  2.3 包层抽运耦合技术  34-37
    2.3.1 端面透镜耦合  34
    2.3.2 锥形光纤与光纤端面熔接耦合  34-35
    2.3.3 V 形槽侧面耦合  35-36
    2.3.4 斜角侧面耦合  36
    2.3.5 集束熔锥侧面耦合  36-37
  2.4 本章小结  37-38
第3章 Er/Yb 共掺高功率光纤放大器的仿真优化  38-50
  3.1 典型放大器结构设计  38-42
    3.1.1 不同抽运方式下放大器的基本结构  38-39
    3.1.2 不同抽运方式下放大器的性能对比  39-42
  3.2 放大器各参数对放大器性能的影响  42-45
    3.2.1 输出性能与输入信号光功率的关系  42
    3.2.2 输出性能与输入抽运光功率的关系  42-43
    3.2.3 输出性能与光纤长度的关系  43-44
    3.2.4 输出性能与掺杂浓度的关系  44
    3.2.5 包层大小对输出性能的影响  44-45
  3.3 级联放大的性能分析  45-47
  3.4 脉冲放大的输出测试  47-49
  3.5 本章小结  49-50
第4章 Er/Yb 共掺高功率光纤放大器的实验研究  50-68
  4.1 放大器系统设计与搭建  50-53
  4.2 放大器输出性能测试  53-62
    4.2.1 信号光的放大  53-54
    4.2.2 不同信号功率的放大输出  54-56
    4.2.3 不同信号波长的放大输出  56-59
    4.2.4 不同抽运功率的放大输出  59-62
  4.3 放大器的自激振荡  62-66
    4.3.1 自激振荡与信号光功率的关系  62-64
    4.3.2 自激振荡与抽运光功率的关系  64-66
  4.4 本章小结  66-68
第5章总结  68-72
  5.1 论文总结  68-69
  5.2 论文展望  69-72
参考文献  72-76
作者简介及攻读硕士期间已发表文章  76-78
致谢  78

高功率光纤放大器优化设计及实验研究

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