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宽带掺Er光波导放大器关键技术研究

作　者: 陈海燕
导　师: 刘永智
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 宽带光波导放大器 Er-Yb共掺磷酸盐玻璃离子交换介质薄膜滤波器 ADI-FDTD-重叠积分-RK方法
分类号: TN722
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

本文对宽带掺Er（含Yb）磷酸盐玻璃光波导放大器的关键技术进行研究。主要研究了光波导放大器中光场分布的计算、光波导放大器物理特性（如小/大信号增益、噪声、量子效率、饱和吸收等）、离子交换波导制作工艺、光波导放大器性能测试、带薄膜介质滤波器的宽带放大器结构以及多层薄膜介质滤波器的膜系设计等问题。主要内容与成果有: 1.将交变隐式-时域有限差分（ADI-FDTD）方法应用于光波导计算,对光波导放大器中的光场分布进行数值计算,得到了平面光波导放大器中信号光和泵浦光的横向分布。ADI-FDTD方法具有隐式差分格式的稳定性和显示差分格式相对简单的优点,它比传统FDTD更广泛的适应能力。 2.将交变隐式-时域有限差分方法与重叠积分-RK算法相结合,提出了一种基于ADI-FDTD的重叠积分-RK算法来对光波导放大器进行理论分析,该方法利用ADI-FDTD计算Er-Yb共掺磷酸盐波导中信号光和泵浦光的归一化本征场,并计算光场分布与Er、Yb离子分布的重叠积分,然后利用重叠积分-RK方法计算信号光、泵浦光、自发辐射光功率沿光波导分布。该算法的优点在于避免了在RK算法中每一步都要计算光场分布,节省了计算工作量。 3.在忽略激发态吸收（ESA）的情况下,通过求解放大器的速率与功率传输方程,详细讨论了小信号下Er³⁺离子浓度、Yb³⁺/Er³⁺浓度的比率、泵浦光功率、放大器长度以及泵浦光和信号光的横向场分布对放大器增益特性、噪声特性的影响;大信号下Er³⁺离子浓度、Yb³⁺/Er³⁺浓度的比率、泵浦光功率对放大器量子效率的影响以及光波导放大器的饱和吸收特性和提高放大器增益的有效途径。结果表明放大器的基质材料参数与波导参数大大影响放大器的物理特性。 4.用离子交换技术制作出了Er-Yb共掺磷酸盐玻璃平面、沟道波导及掩埋波导。详细研究了Ag⁺（?）Na⁺、K⁺（?）Na⁺、Ag⁺+K⁺（?）Na+、Ag⁺+K⁺+Na⁺（?）Na⁺离子交换以及反交换等工艺。利用m线技术,得到了波导中传播模式的模折射率。提出了一种确定离子交换平面波导折射率的新方法:预测-校验法,该方法利用反WKB方法分段插值所得到的值作为初值,然后利用拟合方法对其优化。其优点在于避免了传统做法所带来的误差（由于实验测量有误差,而插值方法不能消除误差）。介绍了一种确定掩埋沟道波导折射率分布方法-模场测试

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章引言  12-23
  1.1 研究宽带掺ER光波导放大器的意义  12-13
  1.2 光波导放大器的国内外发展状况  13-15
  1.3 光波导放大器的基质材料  15-16
  1.4 光波导放大器的制作技术  16-18
  1.5 光波导放大器的应用和展望  18-20
  1.6 本论文完成的主要工作  20-21
  1.7 本论文的章节安排  21-23
第二章光波导放大器的结构与原理  23-29
  2.1 光波导放大器的基本结构  23-24
  2.2 光波导放大器的基本原理  24-25
  2.3 光子-原子相互作用  25-28
    2.3.1 自发辐射、受激吸收与受激辐射  25-27
    2.3.2 泵浦与粒子数反转  27
    2.3.3 受激辐射放大的增益系数  27-28
    2.3.4 光功率在激光介质波导中的传播  28
  2.4 本章小结  28-29
第三章掺ER光波导放大器的理论分析  29-59
  3.1 磷酸盐玻璃基质中的ER~(3+)  29-30
    3.1.1 磷酸盐玻璃中ER~(3+)的本地结构  29
    3.1.2 ER~(3+)的电子结构  29
    3.1.3 ER~(3+)的能级结构及跃迁特性  29-30
  3.2 影响掺ER~(3+)光波导放大器的主要因素  30-32
  3.3 YB~(3+)敏化  32-34
  3.4 ER~(3+)在磷酸盐玻璃中的吸收与发射截面  34-35
  3.5 ER-YB共掺磷酸盐玻璃波导放大器的数值模型  35-42
    3.5.1 YB~(3+)敏化掺ER波导放大器模型  36-39
    3.5.2 ER-YB共掺波导放大器(EYCDWA)速率方程分析  39-41
    3.5.3 基于ADI-FDTD的重叠积分-RUNGE-KUTTA方法  41-42
  3.6 EYCDWA的数值模拟  42-56
    3.6.1 平面光波导内光场分布的ADI-FDTD计算  42-46
    3.6.2 EYCDWA的小信号增益特性  46-49
    3.6.3 EYCDWA的噪声特性  49-51
    3.6.4 EYCDWA的大信号工作特性  51-54
    3.6.5 EYCDWA的增益饱和特性  54-55
    3.6.6 EYCDWA的宽带放大特性  55-56
  3.7 提高EYCDWA增益的途径  56-58
  3.8 本章小结  58-59
第四章 ER-YB共掺磷酸盐玻璃波导放大器的制作与测试  59-98
  4.1 玻璃结构与离子交换  59-60
  4.2 离子交换原理  60-68
    4.2.1 用于离子交换的离子和离子对  60-62
    4.2.2 离子交换反应  62-63
    4.2.3 扩散方程及其解  63-68
  4.3 离子交换铒／镱共掺磷酸盐玻璃光波导的制作  68-75
    4.3.1 铒／镱共掺磷酸盐玻璃平面光波导的制作  70-73
    4.3.2 铒／镱共掺磷酸盐玻璃沟道光波导的制作  73-74
    4.3.3 铒／镱共掺磷酸盐玻璃掩埋光波导的制作  74-75
  4.4 铒／镱共掺磷酸盐玻璃平面光波导的折射率分布  75-87
    4.4.1 波导表面折射率的确定  76-77
    4.4.2 波导折射率分布的确定  77-80
    4.4.3 铒／镱共掺磷酸盐玻璃波导折射率分布  80-84
    4.4.4 沟道铒／镱共掺磷酸盐玻璃波导折射率分布的确定  84-87
  4.5 铒／镱共掺磷酸盐玻璃光波导放大器特性测试  87-97
    4.5.1 波导与光纤间的耦合损耗  87-89
    4.5.2 波导-光纤耦合模块的制作  89-93
    4.5.3 EYCDWA小信号增益测试  93-96
    4.5.4 EYCDWA噪声特性测试  96-97
  4.6 小结  97-98
第五章宽带掺ER-YB磷酸盐玻璃波导放大器的设计  98-114
  5.1 宽带光波导放大器结构  98-99
    5.1.1 带薄膜滤波器的单程集成结构  98
    5.1.2 带薄膜滤波器的双程集成结构  98-99
    5.1.3 带薄膜滤波器的多程集成结构  99
  5.2 宽带光波导放大器理论分析  99-101
    5.2.1 多层薄膜滤波器的透射函数  99-100
    5.2.2 级联多层薄膜滤波器的透射函数  100-101
  5.3 薄膜介质滤波器滤波特性分析  101-106
    5.3.1 单级多层薄膜滤波器的滤波特性  101-103
    5.3.2 级联多层薄膜滤波器的滤波特性  103-106
  5.4 薄膜介质滤波器的设计  106-112
    5.4.1 膜系优化设计的基本原理  107-108
    5.4.2 介质薄膜滤波器膜系设计的评价函数  108-110
    5.4.3 遗传算法基本原理  110-111
    5.4.4 膜系设计结果  111-112
  5.5 本章小结  112-114
第六章全文总结  114-117
  6.1 论文主要内容  114-115
  6.2 论文主要创新点  115-116
  6.3 下一步需要讨论的问题  116-117
参考文献  117-128
致谢  128-129
附录A 基于ADI-FDTD的重叠积分-RUNGE-KUTTA方法  129-130
附录B 小信号EYCDWA增益特性计算原程序  130-131
附录C 离子交换平面波导表面折射率分布计算原程序  131-132
作者简历及攻读博士学位期间发表的论文  132-134

宽带掺Er光波导放大器关键技术研究

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