（物理电子学专业论文）长波段掺铒光纤放大器的理论及实验研究.pdf

摘要 摘要 随着1 9 8 6 年第一个掺铒光纤放大器( e d f a ) 在英国南安普顿大学的研制成 功，光纤通信才在真正意义上逐步走向全光传输和全光通信阶段。而近年来，不 断增长的通信业务对传输容量的要求日益增大，为了充分“发掘”光纤的宽带传 输潜力，人们逐渐将研究热点从e d f a 的c 带转移到l 带。本论文的工作正是 围绕l b a n de d f a 来开展的，从理论和实验两个方面进行了比较详细的研究。 理论方面： 1 、较为全面的分析了e d f a 的基本工作原理和特性，并对l b a n de d f a 的非均 匀展宽特性、增益位移特性、温度特性等进行了详细的分析与说明。 2 、针列g i l e s 模型进行了较为细致的理论分析，并运用g i l e s 模型，结合厂家提 供的参数，分别对l 带和c 带放大器进行了比较计算，对1 5 3 0 n m 泵浦下 l b a n de d f a 的增益，以及不同信号光输入时，铒纤的最佳长度与输入泵浦 功率的关系等进行了数值模拟。 3 、通过数值计算，对实验所需的l b a n de d f a 进行了优化设计，为后续的实验 工作提供了必要的理论指导。 4 、对e d f a 的瞬态增益进行了理论研究和一定的数值计算，数值模拟了不同温 度下e d f a 的增益谱，并比较了l b a n de d f a 与c b a n de d f a 温度特性的不 同之处。 实验方面： 1 、制作并调试了k b a n de d f a 的泵浦电源，且在实际应用中取得了良好的效果。 2 、采用9 8 0 n ml d 作为泵浦源，分别测量了不同长度的铒纤制成的不同l b a n d e d f a 的净增益谱、增益和n f 、饱和输入输出等，某些实验结果优于国外文 献的报道，并给出了使l b a n de d f a 性能最优的净增益谱的谱型。 3 、采用具有高输出功率的c b a n d e d f a 输出的c 波段光作为l b a n d e d f a 泵浦 的方案，并通过实验总结出l5 3 0 n m 1 5 4 0 n m 是作为c 带泵浦的首选波长范 围。 4 、通过实验分析了注入c 带种籽光对l b a n de d f a 的影响，发现并非在任何条 件下注入c 带种籽光都能提高l b a n de d f a 的增益或p c e ，而需要综合考虑 种籽光波长、泵浦功率、铒光纤的长度等各种因素。 5 、实现了后向a s e 辅助泵浦l b a n d e d f a 的方案，但实验结果尚需进一步提高。 6 、在3 0 。c 6 0 c 的温度范围内测量了9 8 0 n ml d 泵浦的c - b a n de d f a 的增益与 n f ，实验结果与理论计算符合较好。 关键词：长波段，光纤放大器，波分复用，光时分复用，增益，放大的自发辐射， 功率转换效率，增益控制温度特性 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef i b e rc o m m u n i c a t i o ni ss t r i d i n gf o r w a r dt oa l l o p t i c a lt r a n s m i s s i o n ，t h a n k st oe r 3 + - d o p e d f i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) t h a tw a sf i r s ts u c c e s s f u l l yd e v e l o p e di nu n i v e r s i t yo f s o u t h a m p t o n ，u k ，i n 1 9 8 6 r e c e n t l y , t h ei n c r e a s i n gd e m a n do ff a s tg r o w i n gt e i e c o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yh a sb e e n f u e l i n gg r e a t e ri n t e r e s ti nl b a n de d f at h a ni nc - b a n de d f a ，i no r d e rt of u l l yb r i n gt h ep o t e n t i a l b r o a d b a n dt r a n s m i s s i o na b i l i t yo ff i b e r t h i st h e s i si sj u s ta i m i n ga tt h el b a n de d f a i ti n c l u d e s d e t a i l e dw o r ko nb o t ht h e o r ya n de x p e r i m e n t i t h e o r y 】t h ef l m d a m e n t a lp r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fe d f aa r ei n t r o d u c e d ；s p e c i a l k i e so f i n h o m o g e n e o u sb e h a v i o r , g a i ns h i f t t e m p e r a t u r ed e p e n d e n c ea n ds oo ni nl b a n de d f aa r e e x p l a i n e da n da n a l y z e di nd e t a i l 2 t h eg i l e sm o d e li sd e t a i l e dd e d u c e di nt h e o r y u s i n gt h i sm o d e l t h el b a n da n dc b a n d e d f a sa r ec a l c u l a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h ep a r a m e t e r sp r o v i d e db ym a n u f a c t u r e r s t h eg a i no f l - b a n de d f ap u m p e db y15 3 0 n ma n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p t i m u ml e n g t ho fl - b a n d e d fa n di n p u tp u m pp o w e ra td i f f e r e n ts i g n a lw a v e l e n g t h s ，a r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e d 3 t i l en e e d e dl b a n de d f ai no u re x p e r i m e n t si s o p t i m a ld e s i g n e dt h r o u g hn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n s j h i c hp r o v i d e st h eb e g e s s a r yt h e o r e t i c a li u s t r t l c t i o nt ot h el a t e re x p e r i m e n t s ? 4t h et r a n s i e n tg a i no fe d f ai st h c o r e 6 c a l l 、s t u d i e da n dn u m e r i c a l l yc a l c u l a t e d a l s ot h eg a i n s p e c t r u m sa td i f f e r e n tt e n t p e r a t u r e sa r es i m u l a t e d ，a n dt h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo ft h el b a n d a n dc b a n de d f aa r ec o m p a r e d 1 1 e x p e r i m e n t l t i l ee l e c t r o n i cd m 。e ro f9 8 0 n mp u m pl df o rt h el b a n de d f ai sm a d ea n dt e s t e d w h i c h no r k s r r e r v ”e l lj nt h epj a c t i c a la p p l i c a t i o n s 2s e v e r a ll b a n de d g a sa r em a d ew i t hd i f i e r e n te d f si nl e n g t h u s i n gt h e9 8 0 n ml da st h e p u m ps o u r c e t h eg a i ns p e c t r a g a i n ，n f , s a t u r a t i o ni n p u ta n do u t p u tp o w e re t ca r em e a s u r e d r e s p e c t i v e l y s o r t i eo f w h i c h a r eb e t t e rt h a nt h o s eh a v eb e e nr e p o r t e d i na d d i t i o n ，t h es h a p e so f t h e g a i ns p e c t r a 、h i c hc a no p t i m i z et h el b a n de d f a a r eb r o u g h tl b r w a r d 3 w et a k et h ec b a n do p t i c a ls i g n a l so f t h eh i g h p o w e r - o u t p u tc b a n de d f aa st i l ep u m ps o u r c e o f t i l el b a n de d f aa n di ti ss u m m a r i z e dt h a t1 5 3 0 n m - 1 5 4 0 n mi st h eb e s tc h o i c ea st h ec - b a n d p u m p i n gb a s e do no u re x p e r i m e n t s 4t h ei n f i u e n c eo ft h ec b a n ds e e do i lt h el b a n de d f aj sa n a l y z e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s i t i sf o u n dt h a tn o ti na 1 1c o n d i t i o n st h ec - b a n ds e e dj n j e c t i o nc a ni n c r e a s et h eg a i no rp c e b u ta l l t h ef a c t o r ss u c ha st h ec b a n ds e e dw a v e l e n g t h ，p u m pp o w e r , t h el e o g t ho ft h ee d fa n ds oo n s h o u l db ec o n s i d e r e d 5 t h ep r o j e c ti sp r e s e n t e dt h a tt h el b a n de d f ai sa u x i l i a r i l yp u m p e dw i t ht h eb a c k w a r da s e ， b u t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc a nb eb e n e r , 6 t h eg a i na n dn fo ft h ec b a n de d f ap u m p e db yt h e9 8 0 n ml da r em e a s u r e df r o m _ 3 0 t o6 0 ，t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t sa r ea c c o r d i n gw e l lw i t ht h et h e o r yf o r e c a s t s k e yw o r d s ：l o n gw a v e l e n g t hb a n d ，o p t i c a lf i b e ra m p l i f i e r , w d m ，o t d m g a i n ，a s e ，p o w e r c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , g a i nc o n t r o l ，t e m p e r a t u r ed e p e n d e n c e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名- 滂丽签字吼3 年，月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁注盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 僭罚 导师签名 武彬哆 签字日期：孔弓年f 月弓l a签字日期：年月3 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1w d m 与o t d m 系统的研究进展及关键技术 9 0 年代以来，随着通信业务的迅猛增长，对光纤通信传输系统的容量、速率 和传输距离提出了更高的要求，促进了光纤通信的蓬勃发展。近几年来，更是出 现了t b i t s 的超大容量光纤通信系统。早在o f c 9 6 上，就有i t b i t s 传输实验的 报道【1 】。o f c 2 0 0 1 上，法国的a l c a t e l 2 1 和日本的n e c 3 1 分别实现了总容量为 1 0 2 t b i t s 和。1 0 9 t b i t s 的光传输。西门子1 4 j 则成功的完成了总容量为 3 2 t b i t s ( 8 0 c h 4 0 g b i t s ) 的现场实验。在传输总容量不断突破的同时，全光传输 距离也在大幅度的延伸，无中继情况下，以t b i f f s 传输数百公里已有报道 5 】，而 以t b i t s 进行超长距离传输的实验也在不断地涌现，其中a l c a t e l 采用y e r a l i g h t 光纤实现了5 t b i t s ( 1 2 5 c h 4 0 g b i t s ) 1 5 0 0 k m 的传输【6 j ，最为引人注目。 目前，实现这种超高速、超大容量、超长距离的光传输系统主要分为波分复 用系统( w d m ) 、光时分复用系统( o t d m ) 和w d m o t d m 混合复用系统。 与o t d m 相比，w d m 已比较成熟。从最近几年的发展可以看到，w d m 复 用的波长间隔越来越窄，最低可到2 5 g h z ，更有宣称实现了4 0 0 0 个信道复用的 d w d m 系统，其信道间隔为1 g h z ( 0 0 0 8 n m ) j 。除了波长间隔和传输总容量被 不断突破以外，w d m 也在向超长距离发展。美国的c o r v i s 公司在3 2 0 0 公里的 路由上实现了1 6 0 2 5 g b i t s 的信号传输，创造了波长数最多、无电再生传输距 离最长的现场传输记录捧1 。 w d m 系统的关键技术包括：( 1 ) 多波长光源技术，( 2 ) 波分复用、解复用技术， ( 3 ) 光交叉连接( o x c ) 、光插分复用( o a d m ) 网络节点技术，( 4 ) 增益均衡技术和增 益平坦e d f a ，( 5 ) 色散管理与补偿技术，( 6 ) 偏振扰动。其中第( 3 ) 点是实现w d m 全光网的核心技术一j 。 利用w d m 技术进行超大容量传输的具体实现方法主要有：偏振分复用法、 双二进制编码法、d w d m 色散管理孤子技术和分布喇曼放大技术。如西门子公 司利用偏振分复用的方法进行了1 2 8 t b i t s 的d w d m 现场实验【1 0 1 。e c o c 2 0 0 1 上，a l c a t e l 利用双二进制编码技术进行了信道间隔为5 0 g h z 的8 0 4 0 g b i t s 的 w d m 传输实验，在t e r a l i g h t 光纤中传输了3 0 0 k m j 。而色散管理孤子技术的最 新研究表明它在高速信号传输中具有较大优势，关键技术是通过降低色散斜率提 高孤子的稳定性和优化预啁啾。o f c 2 0 0 1 上n t l 利用此技术和c 带e d f a ，在 由单模光纤( s m f ) 与反色散光纤( r d f ) 组成的环路中使1 t b i t s 的信号传输了 1 5 0 0 k m 【l “。随着光纤喇曼技术的发展，人们发现喇曼放大技术在显著提高传输 第一章绪论 质量、进行大容量无电中继传输中起了关键作用，北电网络利用双向泵浦的分布 全喇曼放大技术在2 4 0 k m 常规8 0 r t m 2 非零色散位移光纤( n s d f ) i - _ 成功进行了 1 2 8 t b i t s ( 3 2 4 0 g b i 讹) 的传输实验【1 3 】，成为目前基于4 0 g b i t s 的w d m 系统在 常规8 0 p r 0 2 n s d f 上实现的最大无中继传输。 提高传输容量的另一种途径是采用o t d m 技术。尽管o t d m 的研究规模远 不及w d m ，但目前无论从器件、系统还是网络等方面一直成果不断，并有重受 重视的迹象。美国a t & t 早在8 0 年代就开始了o t d m 的研究 1 4 1 ，最近普林斯 顿大学演示了1 0 0 g b i t s 可升级的o t d m 计算机互联网络【l “。欧洲的o t d m 技 术同样也得到了蓬勃发展。如9 8 年英国利用e a m 演示了1 0 0 0 b i t s ( 1 0 x 1 0 g b i t s ) o t d m 系统的无误码工作 1 “。而日本的n t t 在o t d m 的超高速传输方 面一直处于世界领先水平。e c o c 9 9 上，n t t 实现了6 4 0 g b i t s 1 0 0 k m 的o t d m 传输实验【1 7 1 ，e c o c 2 0 0 0 上，又报道了1 2 t b i t s 7 0 k m 的o t d m 传输实验“。 利用o t d m 系统实现超大容量传输的关键技术有：亚p s 、f s 超短脉冲产生 技术、传输光纤的色散斜率补偿技术，及如何减少解复用器的相对定时抖动问题 和降低光纤的偏振模色散( p m d ) 等。要实现t b i t so t d m 传输，脉宽必须窄于 l p s ，般为2 0 0 - - 4 0 0 f s 。目前，亚皮秒光脉冲的产生方法主要有：利用光纤的非 线性压缩法、利用光纤非线性效应结合锁模光纤激光器产生超连续脉冲法、以及 半导体激光器的碰撞锁模法。为实现飞秒脉冲传输，必须同时对二阶和三阶群速 度色散进行补偿，常采用负色散斜率光纤和平面光波线路( p l c ) 补偿器。另外， 通过s m f 和r d f 结合，在1 5 5 9 m 附近，g v d 和色散斜率几乎可抑制到零，其 它残余色散可用d s f 补偿。信号与提取时钟的相对定时抖动则使系统误码率增 加，其根源在于相对定时抖动本身将在光接收机端的时分解复用中产生误码，有 报道f 1 跚称在t b i t so t d m 实验中，采用锁相环( p l l ) 方法提取的时钟相对定时抖 动小于o 2 p s 误码率为l o 。9 。对于p m d 问题，当传输距离超过l o o k m 时，p m d 的影响将十分明显，因此必须设计低p m d 的色散管理传输线或进行p m d 补偿。 纵观近年来通信系统的发展情况，以o t d m 和w d m 复合传输来提升未来 网络通信速率和容量，越来越受到重视。虽然w d m 已作为提高网络通信能力 的酋选方案，但利用o t d m 可以提高w d m 的单信道速率，适当降低w d m 的 信道数量，在现有的e d f a 放大带宽内就可实现超大容量通信。如o f c 1 9 9 9 上， 日本m 厂r 报道了3 t b i t s ( 1 6 0 g b i t s o t d m 1 9 c h w d m ) x 4 0 k i n o t d m w d m 的 混和传输系统【2 0 1 。总而言之，这种混合系统也是未来光通信的发展趋势之一， 二者的结合应是实现超高速、超大容量、超长距离传输的优良方案。现在掀起的 单信道4 0 g b i f f s 甚至10 0 g b i f f s 的研究试验热，也从侧面证明了o t d m 的重要意 义。 第一章绪论 1 2 光放大器的类型与发展现状 在超大容量的光纤通信中，无论是w d m 系统还是o t d m 系统，或是两者 的混合系统，光放大器都起着举足轻重的作用，特别是9 0 年代初随着光纤放大 器的研制成功，光纤通信逐步走向全光传输和全光通信阶段。掺铒光纤放大器的 实用化，实现了直接光放大，节省了大量的再生中继器，使得传输中的光纤损耗 不再成为主要问题，同时使传输链路“透明”，简化了系统，成倍或几十倍地扩 大了传输容量，促进了真正意义上的d w d m 技术的飞速发展，引起了光纤通信 领域的重大变革。 光放大器有多种类型，按放大介质不同，主要有半导体光放大器，掺杂光纤 放大器和非线性光纤放大器。图1 2 1 分别给出了其基本结构示意图。 信号光 输出 信号光 输入 纯石英 墨兰善竺出 泵浦光t乞浦善号光 ( a ) 半导体光放大器( b ) 掺杂光纤放大器( c ) 非线性光纤放大器 图1 21 光放大器基本结构示意图 不管哪一类放大器都有些技术参数来评价其性能优劣，这些参数包括增 益、效率、输出功率、带宽、噪声指数、失真或串话、瞬态特性、偏振灵敏性、 热稳定性、连接损耗、结构方式等，根据放大器结构性能不同，在光纤通信系统 中发挥不同的作用。表1 1 给出了三种基本类型的1 5 “m 光放大器的性能比较。 12 1 半导体光放大器( s o a ) 半导体光放大器包括普通f p 和行波( t w ) 半导体光放大器、量子阱半导体光 放大器等。它的基本结构、原理和特性等与半导体激光器非常相似。当偏置电流 接近振荡闽值但在闽值以下时，半导体激光器便可以实现光放大，成为半导体光 放大器。s o a 的放大特性主要决定于有源层的介质特性与激光腔的特性。对于 f p 腔s o a ，其增益是频率的周期性函数，因此存在较大的增益起伏，且最大增 益和最小增益之l p , 为( 1 4 - 置置ql 1 1 一局马ql ( r l 、r 2 分别为两端面的 反射系数，g s 为有源层的单程非饱和增益) ，只有当月，r e 3 0 4 0 效率( 增益泵 l o 5 d b m a o 。g 浦) ( d b m w l 输出功率( r o w ) 5 0 0 ( 最大) 5 0 0 ( 最大11 ，0 0 0 带宽( n m ) 8 0 n m 左右7 0 n m 左右 1 0 0 n m 3 ( xd = 09 8 m ) 噪声指数( d b ) 53 4 ( 口= 1 4 8 m ) 失真或串话可忽略严重严重 瞬态特性 1 0 0 g b s 2 5 g b s 2 0 g b s 偏振灵敏性不灵敏 几分贝不灵敏 集总或分布放大，适集总放大，适宜与其 结构方式分布光纤放大 宜光纤集成系统他光部件集成 连接损耗( d b ) l 5 l 热稳定性好差 为得到宽带放大，r 】、r 2 必须做的很小，但实际上要把r l 、r 2 做得很小是很困 难的，因此f ，p 腔s o a 的增益总随频率变化，带宽较t w 型s o a 要小得多，不 适于在光通信系统中作为高速或多信道光放大应用，一般用作光信号处理器件。 如果在s o a 的f p 腔端面镀增透膜，以抑制端面反射，f p 腔光放大器就变成 了t w 型光放大器，但端面反射系数必须 1 0 。若要求放大器提供3 0 d b ( g ； 1 0 0 0 ) 增益，则r ，r ， 2 0 ) 、2 0 n m 带宽内的平坦增益( 增益不平坦度 2 d b ) ，且在较宽 的动态范围内噪声指数低并恒定在6 d b 左右1 2 ”。 l 带波域的开发，也是伴随着d w d m 的发展而展开的。因为下节要作重点 说明，这里也就不再赘述。值得一提的是同样在2 0 0 2 年的o f c 会议上，有报道 称通过共掺磷，可获得3 d b 带宽为5 0 2 r i m ( 1 5 6 4 4 n m - 1 6 1 4 6 n m ) ，使带宽进一步 得到拓宽】。 1 2 3 基于非线性效应的光纤放大器 非线性光纤放大器包括光纤拉曼放大器( f r a ) 、光纤布里渊放大器( f b a ) 和光 纤参量放大器( f o p a ) ，它们都是光纤非线性光学的重要应用。最近几年，光纤 喇曼放大器的研究成为人们关注的新热点，并且取得了巨大的进展。光纤喇曼放 大器主要是利用光纤中的受激喇曼散射( s r s ) 效应，研究表明，石英光纤中其有 很宽的受激喇曼散射增益谱，如果一个弱信号与一强泵浦光同时在光纤中传输， 并使弱信号波长置于泵浦波的喇曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大。f r a 有三个突出的特点：1 ) 其增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦波长适当，理论 上可得到任意波长的信号放大这样若使用多个泵源，可得到比e d f a 更宽的带 宽。在e c o c 9 9 上，有报道称利用多波长泵浦和多级放大，在1 5 5 9 i n 附近， 得到了1 3 2 n m 的迄今为止最大的透明增益带宽口。2 ) 增益介质为传输光纤本身， 可对信号进行在线放大，构成分布式放大，实现长距离无中继传输和远程泵浦。 3 ) 噪声指数低，可使f r a 与e d f a 混合使用时大大降低系统的噪声指数，增加 第一章绪论 传输跨距，且这种混联形式可在更宽的带宽内获得更为平坦的增益。1 9 9 9 年， b e l l 实验室成功的演示了f r a + e d f a 的1 6 t b i f f s x 4 0 0 k m 的传输实验。o f c 2 0 0 2 上报道，有研究人员通过将单泵浦源的f r a 加入到e d f a 中，得到了 1 6 1 0 n m 1 6 4 0 n m 的平坦增益【3 ”。 1 _ 3l b a n de d f a 的简介及本文的主要研究内容 1 3 1 发展l b a n de d f a 的优越性 近年来，不断增长的通信业务对d w d m 系统传输容量的要求日益增大，传 统的扩容方法主要有两种：一是提高单信道的传输率，二是减少信道间隔，增加 信道数量。但前一种方法会增大色散对系统的影响，从而对系统的色散管理和补 偿的要求提高，加大了系统的成本。后一种方法会导致非线性效应的增强，同时 对系统器件的波长稳定性要求更加严格，同样使成本上升。为了解决这些矛盾， 人们逐渐将研究思路转向如何充分“发掘”光纤的宽带传输潜力上，利用c b a n d 以外的l b a n d 实现对c + l 波段信号的同时传输，这样就避免了传统扩容方法所 面临的技术难题，可直接在现有的d w d m 系统中实现扩容，是一种更直接更根 本也更行之有效的方法。而e d f a 作为d w d m 系统中最为关键的器件，人们对 其带宽也随之提出了新的要求。因此，能够扩大传统e d f a 带宽的l b a n de d f a 成为当今研究的一大热点，它的可实现性决定着宽带d w d m 系统是否能够实现 以及性能的优劣。发展l b a n de d f a 除了能有效地扩容外，还有其另外的优点： 1 ) 有成熟的理论模型为基础，因为l b a n de d f a 是在c b a n de d f a 的基础上发 展起来的，其分析思路、结构设计与c 带类似，因此无论是理论模型中的速率 方程、传输方程还是其增益平坦、增益控制等的方法都同样适合于l b a n de d f a ， 使得研究起来十分方便。2 ) l b a n de d f a 的铒纤制作工艺比其他通过掺铥、镨、 磷或锑等元素以扩大带宽的光纤更加简单，且具有更低的熔接损耗( = o 1 d b ) ， 与其他光纤熔按时更为方便。 1 3 2l b a n de d f a 的主要关键技术及研究进展 掺铒光纤放大器的主要技术关键是掺铒光纤和泵浦源。 1 ) 铒光纤的选择 掺铒光纤作为增益介质，是e d f a 中最重要的组成部分。但l b a n d 放大器 主要是利用铒增益带的尾部，吸收和发射系数比c b a n d 要小3 - - 4 倍，且其工作 第一章绪论 在较低的平均反转粒子数状况下( 其优点是内部增益起伏较低，增益光谱相对平 坦，简化了设计) ，因而使得l b a n de d f a 所需的铒光纤( 按常规掺杂浓度) 比 c b a n d 要长4 5 倍，这就带来了一些不利之处：由于光纤长度增加，光纤损耗 也随之增加，泵浦和信号功率衰减较大，泵浦功率在到达铒光纤输出端之前就被 完全吸收，使得信号光在没有泵浦的光纤区域内产生净吸收损耗，降低了p c e ； 又由于较小的吸收和发射截面导致后向传输的放大自发辐射( a s e ) 功率的积累， 使得噪声指数0 师) 增加，且泵浦光又被用于放大后向a s e ，p c e 降低。因此， l b a n de d f a 的p c e 和n f 通常比c b a n de d f a 要差，这些问题可通过使用高 掺杂、低损耗的铒光纤得到较好的解决。目前已经生产出掺杂浓度高达 1 9 0 0 p p m ( 常规铒光纤掺杂浓度为3 0 0 p p m 5 0 0 p p m ) l 拘l 铒光纤，朗讯的r 3 7 1 0 3e d f 和加拿大c o r a c t i v e 的e d f ll5 0 0 、e d f l 9 0 0 等l b a n d 铒光纤都已投入商用， 且性能较好。这些新发展的铒光纤由于掺杂浓度高( 如r 3 7 1 0 3e d f 的吸收系数 为1 8 2 4 d b m ，e d f l 15 0 0 为2 1 2 d b m ，而c b a n d 铒光纤吸收系数一般为7 - 8 d b m ) ，都有效的减少了l b a n de d f a 中铒光纤长度的使用量，提高了增益与泵 浦转换效率，降低了噪声指数，对设计出结构简单、性能优良的l b a n de d f a 提供了重要的基础。o f c 2 0 0 2 上，有人利用新型的硅基质e d f 使l b a n de d f a 带宽扩展到了1 6 2 0 n m ，通过平坦化，在近5 0 n m 的范围内得到较低的噪声指数 ( 5 9 d b ) 、较高的增益( 2 0 d b ) ，以及 o 8 d b 的增益起伏、7 d b 的动态范围和2 1 d b m 的输出功率，并且这种高掺杂e d f 有比其他通过掺铥、镨、磷或锑等元素以扩 展带宽的光纤具有更低的熔接损耗( = 0 1 d b ) 3 “。 2 ) 泵浦波长的选择 考虑c b a n de d f a ，泵浦波长的选择一般为：9 8 0 r i m 泵浦位于初始放大级以 减少n f ，1 4 8 0 r t m 泵浦位于后部放大级以增大输出信号功率。这一基本准则也 同样适用于l b a n de d f a 。但l b a n de d f a 还有一些其它的泵浦波长可供选择。 研究表明，对于xp = 9 8 0 n m ，将泵浦波长调谐到其吸收蜂3 0 r i m 处，可使p c e 图1 3 1 利用1 5 3 0 n m 波段泵浦l - b a n de d f a 的结构 第一章绪论 显著提高【33 1 。此外，由于铒离子在1 5 3 0 h m 附近有高吸收峰，因此，利用此波段 作为泵源可获得比9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 更高的泵浦效率。目前，对1 5 3 0 n m 泵浦波 段的研究主要集中在以下三个方面： 1 ) 串连有c b a n de d f a 的两级结构中，使c 带光源出射的光通过第一级放 大后作为第二级l b a n de d f a 的泵浦。如图1 _ 3 1 的实验【3 4 】中利用一个c 带可调 谐光源( t l s ) 和一个串连的c b a n de d f a 构成了一个1 5 3 0 n m 波段的泵源，发现 p c e 在k = 1 5 4 5 n m 附近达到最大，比仅采用1 4 8 0 n m 泵浦时要高一倍。 2 ) 利用c b a n d 激光器作为辅助泵源。在文献 3 5 的实验中，采用输出波长 在1 5 3 0 n m 附近的铒光纤激光器( f l ) 作为辅助泵源，与8 5 5 m w 的1 4 8 0 n mp u m p 共同作用，结果表明，1 4 8 0 r i m 处的p c e 为8 6 ，而1 5 3 0 n m 处的p c e 为1 8 9 ， 也说明选用1 5 3 0 n m 附近作为泵浦波长，可得到更高的增益与泵浦效率。 3 ) 利用后向传输的a s e 功率作为泵浦，即所谓的a s e 泵浦。这种泵浦实质 上是再次利用了已转化为a s e 噪声的9 8 0 n m 或1 4 8 0 n m 的那部分泵浦功率，此 方法降低了对泵浦功率的要求，改善了噪声指数，可使放大器的结构变得更为 图1 3 2 利用后向a s e 泵浦l - b a n de d f a 的结构 简单，也更适用于c + l 宽带放大器，因此，成为近年来研究的热点。o f c 2 0 0 2 上有人提出利用光纤光栅反射a s e 作为泵浦 3 6 - 3 7 i ，也有人提出在c + l 宽带放大 器中将a s e 转化为l b a n de d f a 的二级泵浦机制吲。而图1 3 2 的实验则巧 妙的利用一个反馈机制将有害的a s e 转化为放大器的反向泵浦。 l _ 3 1 3 本文研究的主要内容及创新点 本论文主要从理论和实验两个方面，结合实验室的现有条件，对l b a n d e d f a 的增益和噪声指数、泵浦特性、饱和行为等，以及其他相关应用方面进行 了详细的研究。 理论方面： 1 、比较全面细致的分析了e d f a 的基本工作原理及其增益、饱和输入输出、带 第一章绪论 宽、噪声指数等，并对l b a n de d f a 的非均匀展宽特性、增益位移特性、温 度特性等进行了详细的分析与说明。 2 、针对g i l e s 模型进行了细致的理论分析，并运用g i l e s 模型，结合厂家提供的 掺铒光纤的参数分别对l b a n de d f a 和c b a n de d f a 进行了比较计算，着重 分析了l b a n de d f a 的各种泵浦特性和增益特性，首次对不同泵浦波长 ( 9 8 0 n m 、1 4 8 0 n m 、1 5 3 0 n m ) 下l b a n de d f a 的增益，以及不同信号光输入时， 所需铒纤的最佳长度与输入泵浦功率的关系进行了数值模拟。 3 、对实验所需的l b a n de d f a 进行了优化设计，通过理论计算说明选择高掺杂 的l b a n de d f ，确实能够减少铒纤的长度使用量，同时计算出不同条件下的 最佳铒纤长度：并综合考虑多种因素，从理论上确定了实验所需的泵浦功率、 输入信号功率的大小以及掺铒光纤的长度等，为后续的实验工作提供了必要 的理论指导。 4 、对e d f a 的瞬态增益进行了理论研究和一定的数值计算，分析说明了动态增 益控制的原理和方案。数值模拟了不同温度下e d f a 的增益谱，说明e d f a 随温度的升高增益降低，并进一步比较了l b a n de d f a 与c b a n de d f a 温度 特性的不同之处。 实验方面： l 、制作并调试了l b a n de d f a 的泵浦电源，且在实际应用中取得了良好的效果。 2 、采用9 8 0 n ml d 作为l b a n de d f a 的泵浦源，以4 m 、7 m 、9 m 的铒纤制成不 同的l b a n de d f a ，分别测量了它们的净增益谱、增益和n f 、饱和输入输出 功率等，实验结果优于国外报道；首次提出了使l b a n de d f a 性能最优的净 增益谱的谱型，说明选择最佳长度时应该考虑多种因素的影响。 3 、在国内首次采用具有高输出功率的c b a n d e d f a 输出的c 波段光作为l b a n d e d f a 的泵浦，且结构比国外文献报道更为简单紧凑，并通过实验总结出c 波段中的1 5 3 0 n m - 1 5 4 0 n m 是作为c 带泵浦的首选波长范围。 4 、通过实验分析了注入c 带种籽光对l b a n de d f a 的影响，首次提出并非在任 何条件下注入c 带种籽光都能提高l b a n de d f a 的增益或p c e ，而需要综合 考虑种籽光波长、信号光波长、注入种籽光功率、泵浦功率、铒光纤的长度 等各种因素。 5 、在国内首次实现了后向a s e 辅助泵浦l b a n de d f a 的方案，但实验效果还 能进一步提高。 6 、在3 0 c 6 0 。c 的温度范围内测量了9 8 0 n ml d 泵浦的c b a n de d f a 的增益与 n f ，实验结果与理论计算符合很好。 0 第二章l - b a n de d f a 的理论分析与优化设计 变化。当泵浦功率减小时，1 5 3 0 n m 波长处的增益峰值逐渐消失，增益谱中心将 移动到1 5 6 0 n m 附近。可见，e d f a 的增益与信号光和泵浦光功率、铒纤的材料 和长度等都有关系，也与泵浦系统是二能级还是三能级系统有关。而且通过采用 长波长泵浦( 如砩= 1 5 5 5 ) ，e d f a 的增益谱可向l 带扩展。 2 、饱和输出功率 当输入信号功率增大超过小信号工作区时，受激辐射加大，以致于减少了反 转粒子数，增益将随输入功率的增加而减小，出现增益饱和，此时对应的输出功 率为饱和输出功率。饱和输出功率通常定义为小信号增益跌落3 d b 时对应的输 出信号光功率，它是放大器的一个重要参数，代表了e d f a 的最大功率输出能力。 e d f a 的饱和输出特性与泵浦功率大小和掺铒光纤长度有关。使用同种掺铒光 纤，泵浦功率越大，光纤长度越长，3 d b 饱和输出功率也越大。同样也可定义小 信号增益跌落3 d b 时对应的输入信号光功率为饱和输入功率。两者之间的关系 可写成： p o u t s a d b m ) = p m s a t ( d b m ) q - g 。( d b ) - - 3 d b( 2 1 3 ) 饱和输入功率和饱和输出功率是互相关联、非常有用的e d f a 参数，对应每给 定的泵浦功率，由两组参数g 。和p o u ：。或g 。和p 可决定e d f a 的动态范 围：p “；sp ；。或p o u t ssp “。，在此动态范围内，e d f a 在其靠近峰值增益特性 处工作，其增益介于g 。a x - - 3 d b 三g s g 。a x 之间。当将e d f a 用于放大w d m 多 信道信号时，功率动态范围为p 。sp n s a t n 或p ”：墨p o u t s a t n ( n 为信道数) 。 确定了输出功率后，可进一步确定e d f a 的效率。对运用于最大输出功率的 功放或线放，可定义功率转换效率为： p c e = ( p “：- - p ”；) p 】n p ( 2 1 4 ) 其 极限值为：p c e 。= 硒x s 。可见，对于l 带放大器，若采用长波长泵浦，将能 得到比9 8 0 n m 或1 4 8 0 n m 泵浦更高的转换效率。 3 、放大器带宽 e d f a 的带宽即为其3 d b 带宽，在此带宽间隔内最大增益与最小增益之差小 于3 d b 。它既取决于掺铒光纤的掺杂元素，也取决于e d f a 的工作点。均匀展宽 的条件下的谱线线型