光纤拉曼放大器和光纤拉曼激光器相关技术研究

摘要

随着因特网、综合业务数字网和多媒体技术的发展，全球通信量爆炸性增长，通信业务将转向以高速IP数据和多媒体为代表的宽带业务，这对光纤通信系统的容量和传输速率提出了更高的要求，密集波分复用（DWDM）技术应运而生。DWDM解决了长距离光纤传输对通信容量和系统扩展的需求，同时也带来新的问题，即如何提高光纤传输系统的容量、实现全光网络、增加无中继的传输距离等。光纤拉曼放大器（FRA）是采用强激光作泵浦源，以光纤作为增益介质，利用受激拉曼散射（SRS）效应实现全光放大。它的高带宽、高增益、分布式放大等特性对光纤通信系统，特别是对DWDM具有重要的实际意义。而光纤拉曼激光器（FRL）作为FRA的泵浦源，它与光纤的耦合损耗小，可以实现泵浦与放大的良好兼容。同时，双包层掺镱（Yb3+）光纤激光器又作为FRL的泵浦源，同样都是用光纤作为增益介质的特性可以实现与FRL更好的耦合。
　　本文主要对光纤拉曼放大器（FRA）系统及系统中各模块进行了理论分析与实验研究，对掺镱（Yb3+）双包层光纤激光器进行了一系列的数值分析，对拉曼增益光纤进行了分析和实验研究，主要内容可以概括如下：
　　首先，介绍了光纤拉曼放大器的分类、特点、应用和国内外研究进展；介绍了光纤拉曼放大器的泵浦模块，包括光纤拉曼放大器的基本原理与结构，目前应用较多的光纤拉曼放大器的两种泵浦源，复合半导体激光器和级联式拉曼光纤激光器；介绍了级联拉曼光纤激光器型FRA泵浦模块的基本原理，即掺镱双包层光纤激光器的工作机理和级联拉曼光纤激光器的基本原理。
　　其次，对掺镱（Yb3+）双包层光纤激光器进行了详细的数值分析。利用泵浦光和激光在双包层光纤中的前后向传输方程，数值分析了掺镱双包层光纤激光器的输出激光特性，其中包括不同光纤损耗系数和不同泵浦波长下，泵浦功率、前后向信号功率沿光纤长度的分布；不同光纤损耗系数下，输出功率与光纤长度的关系，得出在泵浦功率和光纤损耗系数一定的情况下，存在一个最佳光纤长度，此时输出功率最大；不同光纤损耗系数下，泵浦功率对输出功率的影响；不同泵浦功率下，输出功率与光纤损耗系数的关系；在不同泵浦功率和光纤损耗下输出功率和输出、输入腔镜反射率的关系；以及不同光纤吸收系数和损耗系数下，掺镱光纤激光器的增益和阈值随光纤长度的分布。
　　最后，对拉曼增益光纤的特性进行了分析。从自发拉曼增益系数与频率的关系式出发，利用掺锗光纤中，发射截面与GeO2浓度的关系推导出了掺锗光纤的放大器拉曼增益与GeO2浓度的关系式；数值模拟了掺锗光纤折射率及放大器拉曼增益与GeO2浓度及泵浦波长的关系；分析了掺磷光纤中折射率差、损耗系数和拉曼增益系数与P2O5浓度的关系；以ASE（放大自发辐射）宽带光源作为信号源，以中心波长为1455nm的单模激光器作为泵浦源，用开关法对25km标准单模光纤的拉曼增益系数进行了实验测量，介绍了测量原理、实验设备和实验步骤，然后对实验结果进行了处理，得到了频移为9-20THz范围内的光纤拉曼增益系数分布曲线，与文献值进行了比较，谱形符合较好。

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第一章 绪论

1.1 光纤拉曼放大器的分类

1.2光纤拉曼放大器的特点及应用

1.3 光纤拉曼放大器的国内外研究进展

1.4 本论文的主要研究内容

第二章 光纤拉曼放大器的泵浦技术

2.1 光纤拉曼放大器的基本原理与结构

2.2 光纤拉曼放大器的泵浦源

2.3 级联拉曼光纤激光器型FRA泵浦模块的基本原理

2.4 本章小结

第三章 掺镱双包层光纤激光器的数值分析

3.1 光纤激光器内激光功率的传输方程

3.2 双包层光纤激光器的输出特性

3.3 掺镱光纤激光器的增益特性

3.4 掺镱光纤激光器的阈值特性

3.5 本章小结

第四章 拉曼增益光纤分析

4.1 掺锗光纤分析

4.2 掺磷光纤分析

4.3 本章小结

第五章 光纤拉曼增益系数的实验测量

5.1 光纤拉曼增益系数的测量原理

5.2 光纤拉曼增益系数实验测量

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

附录

攻硕期间取得的研究成果