鉺鐿共摻光纖放大器的.研究

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1、第一章緒論1．1研究的背景光纖通信是當(dāng)今世界上發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，也是中國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最快最主要的領(lǐng)域。它為日益激增的信息業(yè)提供了一種最佳信息傳輸技術(shù)，被認(rèn)為是“信息高速公路"建設(shè)的重要基礎(chǔ)?；ヂ?lián)網(wǎng)的興起及各種先進(jìn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，使人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的需求出現(xiàn)了爆炸性的增長(zhǎng)，未來(lái)的高速通信網(wǎng)必將向光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展。人們普遍認(rèn)為，點(diǎn)到點(diǎn)的波分復(fù)用(WDM)通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的第一步，也是解決21世紀(jì)前半葉通信需求的最可信賴的高新技術(shù)。wDM光通信系統(tǒng)對(duì)各種光子元器件的功能提出了更高的要求，發(fā)展全光纖光子器件

2、以及全光纖光子集成將是一項(xiàng)重要的和關(guān)鍵的選擇。光纖通信發(fā)展到今天，經(jīng)歷了幾個(gè)大的階段，傳輸光纖從多模到單模，通信窗口從早期的850rim、1300nm到1550nm波段，損耗和色散一直是限制光通信系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)中繼長(zhǎng)距離傳輸?shù)南拗埔蛩?。傳統(tǒng)上，克服光纖損耗、增加傳輸距離的方法主要是在通信線路中建設(shè)大量的中繼站，在中繼站中需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、電放大、再定時(shí)、脈沖整形以及電光轉(zhuǎn)換等一系列處理。由于其對(duì)數(shù)據(jù)不透明、處理速度存在電子瓶頸等缺陷，使得這種方式不適于日益增長(zhǎng)的通信需求。補(bǔ)償光纖損耗的最有效方法是用光放大器直

3、接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，人們加大了對(duì)各種光放大器的研究，終于在80年代末研制出了用于通信波段直接光放大的摻鉺光纖放大器(EDFA)，隨之而來(lái)的是光纖通信技術(shù)的一場(chǎng)革命。EDFA具有高增益、寬頻帶、低噪聲、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、插入損耗低、增益特性于偏振無(wú)關(guān)等許多優(yōu)良特性，它以直接光放大代替了傳統(tǒng)的光電再生中繼，克服了“電子瓶頸"效應(yīng)，同時(shí)具有對(duì)光信號(hào)的傳輸速率和數(shù)據(jù)調(diào)制格式透明的特點(diǎn)。正因如此，EDFA一經(jīng)出現(xiàn)就引起了高度的關(guān)注和研究，并在隨后獲得了廣泛的應(yīng)用，成為波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中理想的中繼放大設(shè)備。而隨著光纖通信向速

4、度更快、帶寬更大方向發(fā)展，對(duì)光纖放大器的性能提出了許多新的要求，這就給光通信研究人員帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。1．2光纖放大器概述早在1964年人們就開(kāi)始研究光纖放大器，隨著低損耗稀土摻雜光纖工作特性和制造技術(shù)的不斷發(fā)展，直到1986年才開(kāi)始實(shí)際使用。許多稀土元素如鉺、鈥、釤、鐠、銩、和鐿等，都可用于制造工作在從可見(jiàn)光到紅外區(qū)的不同波長(zhǎng)上2鉺鐿共摻光纖放大器的研究的光纖放大器，其中，摻鉺光纖放大器(EDFA)格外引人注目，自從1989年摻鉺光纖放大器(EDFA)用于光通信的實(shí)驗(yàn)成功后，可以說(shuō)十多年來(lái)光通信與EDFA

5、互為推動(dòng)，都得到了空前的發(fā)展。摻鉺光纖放大器不僅可以用作中繼放大器，還可以用作發(fā)送端的功率放大器和接收端的低噪聲預(yù)放大器。EDFA與其他放大器比較，具有增益高、噪聲低、工作頻帶寬、輸出功率高、抽運(yùn)效率高等優(yōu)良特性，在系統(tǒng)應(yīng)用中又有插入損耗低、對(duì)偏振態(tài)的不敏感、信道間的串?dāng)_可忽略不計(jì)、對(duì)傳輸碼率與格式及系統(tǒng)升級(jí)透明等優(yōu)點(diǎn)，使超高速、超大容量、超長(zhǎng)距離的密集波分復(fù)用(WDM)技術(shù)和光孤子傳輸技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)，它是現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵器件之一。光纖放大器和光纖激光器都是利用摻稀土元素光纖中的光放大效應(yīng)，他們的發(fā)

6、展是密不可分的。Snitzer和Koester在1963年和1964年分別發(fā)表了多組份玻璃光纖中光放大結(jié)果，當(dāng)時(shí)他們正為美國(guó)光學(xué)公司工作。在光纖放大器方面的早期工作還有前蘇聯(lián)的Letokhov和Pavlik。在20世紀(jì)80年代中后期，英國(guó)南安普頓大學(xué)的電子工程系、物理系也卷入了這個(gè)領(lǐng)域的研究【鈾】，他們?cè)谄渲邪缪萘朔浅Ｖ匾慕巧?，他們用MCVD方法制作摻雜單模光纖，并由此構(gòu)成激光器，從而再度喚起人們對(duì)這個(gè)鄰域的興趣。此后該校的這兩個(gè)研究小組先后報(bào)道了光纖激光器的調(diào)Q，鎖模，單縱模輸出及光纖放大器方面的研究工作。

7、英國(guó)通信研究實(shí)驗(yàn)室(BTRL)于1987年首次報(bào)道了其研究結(jié)果，他們的研究人員在增益和激發(fā)態(tài)吸收等領(lǐng)域做了大量的基礎(chǔ)工作，最重要的成果是制成了利用半導(dǎo)體激光器作為抽運(yùn)源的光纖激光器和放大器。1995年，瑞典的Th．Weber等人研制出輸出286mW的摻Nd雙包層光纖激光器。1998年L．Goldberg等人發(fā)表V型槽側(cè)面抽運(yùn)耦合方式。其他在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)表過(guò)研究成果的研究機(jī)構(gòu)還有德國(guó)漢堡的技術(shù)大學(xué)、NTT、Hoya、寶麗來(lái)公司、日本的三菱、美國(guó)的PolaroidCorpration、斯坦福大學(xué)和GTE等。國(guó)內(nèi)從2

8、0世紀(jì)80年代末和90年代初，在上海硅酸鹽研究所、北京建材研究院、天津46所及武漢郵電研究院及上?？拼笠查_(kāi)始了光纖放大器的研究，并取得了一些階段性的成果。90年代中后期，復(fù)旦大學(xué)激光物理與光學(xué)實(shí)驗(yàn)室、南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院、華南師范大學(xué)量子電子學(xué)研究所、上海光機(jī)等研究機(jī)構(gòu)在這個(gè)領(lǐng)域也有一定的成就。1．3光纖放大器的種類和應(yīng)用自從激光器在1960年被發(fā)明以來(lái)，為了獲得更高的功率，人們對(duì)光放