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掺铥光纤放大器的研究

作　者: 刘俊杰
导　师: 裴丽
学　校: 北京交通大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 掺铥光纤 光纤放大器 透镜耦合 速率方程 传输方程 信号增益
分类号: TN253
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


随着光纤通信技术的发展,特别是WDM/DWDM技术的日趋成熟,对于S波段及S+波段（1450nm～1520nm）光放大的需求日渐升高,而Tm3+的能级结构中存在满足S波段及S+波段光放大的能级跃迁。虽然铥离子的能级结构十分复杂,但是掺铥光纤放大器（TDFA）是S波段及S+波段最具潜力的激光放大器件之一,对于光纤通信系统的通信窗口向S波段及S+波段拓展具有十分重要的意义和价值。所以掺铥光纤放大器已经成为光纤通信器件新的研究热点之一。本论文重点对掺铥光纤放大器泵浦源激光器的输出光场强度分布以及经过单透镜和双透镜耦合后的光场强度分布进行了分析、仿真和比较;基于速率方程和传输方程分析了掺铥光纤放大器的性能,建立了数学模型并进行了大量模拟仿真,其主要工作和创新点如下:1.概述铥元素的能级结构特点,对其光谱特性、掺铥光纤放大器的研究现状以及掺铥光纤放大器的系统组成结构进行了介绍,在此基础上对掺铥光纤放大器的泵浦方式进行了总结和比较。2.研究了掺铥光纤放大器泵浦源激光器的输出光场强度分布,在此基础上理论推导了泵浦源激光器输出光束经过单透镜和双透镜耦合后的光场强度分布,根据理论分析结果进行了仿真并对仿真结果进行了分析和比较。结果表明,双透镜耦合后输出光束不会因为传输距离过大而导致光束分离,在相同的前提条件下双透镜耦合后输出光束的半径要远小于单透镜,即双透镜的耦合效果明显优于单透镜。3.基于速率方程和传输方程对掺铥光纤放大器的泵浦方案进行了理论分析,建立了掺铥光纤放大器泵浦方案的数学模型,并求解了相应的数学方程,根据求解结果讨论了数学模型中各参数对掺铥光纤放大器性能的影响。4.分别模拟仿真了氟化物玻璃和碲酸盐玻璃掺铥光纤放大器的输出信号增益特性,详细研究和分析了铥离子的掺杂浓度、光纤长度、泵浦功率等参数对放大器的输出信号增益特性的影响。仿真结果表明掺铥光纤放大器中,光纤长度、掺杂浓度和泵浦功率三者之间存在着匹配关系。当输出信号增益一定时,在相同光纤长度条件下,掺杂浓度越高,所需泵浦功率越低;在相同掺杂浓度条件下,泵浦功率越高,所需的光纤长度越短;在相同泵浦功率条件下,掺杂浓度越高,所需的光纤长度越短。

全文目录


致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
1 引言  11-16
  1.1 掺铥光纤放大器的研究进展  11-12
  1.2 掺铥光纤放大器的国内外研究现状  12-13
  1.3 掺铥光纤放大器的应用  13-14
  1.4 课题研究的意义和目的  14-15
  1.5 本文的主要工作  15-16
2 掺铥光纤放大器的基本原理  16-28
  2.1 铥元素的基本特性及其能级结构  16-19
    2.1.1 铥元素的基本特性  16-18
    2.1.2 铥元素的能级结构  18-19
  2.2 掺铥光纤放大器的基本结构  19-21
  2.3 掺铥光纤放大器泵浦方式的比较  21-25
    2.3.1 单波长的泵浦方式  21-22
    2.3.2 双波长的泵浦方式  22-25
  2.4 掺铥光纤放大器性能的影响因素  25-27
    2.4.1 泵浦功率  25-26
    2.4.2 掺铥光纤的基质材料  26
    2.4.3 掺铥光纤的光纤长度  26-27
    2.4.4 掺铥光纤的铥离子掺杂浓度  27
  2.5 小结  27-28
3 掺铥光纤放大器泵浦光的耦合  28-43
  3.1 半导体激光器尾纤输出光场强度分布  28-32
  3.2 半导体激光器尾纤输出光束的双透镜耦合  32-37
  3.3 半导体激光器尾纤输出光束的单透镜耦合  37-41
  3.4 半导体激光器尾纤输出光束透镜耦合的比较  41-42
  3.5 小结  42-43
4 掺铥光纤放大器的理论模型及其仿真分析  43-69
  4.1 掺铥光纤放大器的理论分析  43-48
    4.1.1 速率方程和传输方程  43-47
    4.1.2 泵浦功率  47-48
    4.1.3 噪声系数  48
  4.2 氟化物玻璃基TDFA及其数值仿真  48-58
    4.2.1 铥离子掺杂的氟化物玻璃  48-50
    4.2.2 氟化物玻璃TDFA增益特性的数值仿真  50-58
  4.3 碲酸盐玻璃基TDFA及其数值仿真  58-67
    4.3.1 铥离子掺杂的碲酸盐玻璃  58-60
    4.3.2 碲酸盐玻璃TDFA增益特性的数值仿真  60-67
  4.4 小结  67-69
5 结论  69-71
  5.1 本文工作总结  69-70
  5.2 未来工作展望  70-71
参考文献  71-75
作者简历  75-77
学位论文数据集  77

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 波导光学与集成光学 > 光纤元件
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