掺铒超荧光光纤光源的研究

论文摘要

本论文对掺铒超荧光光纤宽带光源进行了详细的研究。此光源具有高输出功率、宽输出光谱和良好的波长稳定性等优点而被广泛应用于光纤陀螺、光纤传感、光纤通信及波分复用（WDM）系统中,加之本实验室中也需要宽带光源来作为光纤F-P腔传感器和光纤光栅传感器的解调光源,因此需要对这种优良的光源进行详细的理论和实验研究。课题的主要内容是对掺铒超荧光光纤光源的几种不同结构进行了数值模拟和实验研究。通过对掺铒光纤在980nm半导体激光器的泵浦下的速率方程和传输方程的推导,建立了相对简单的数值模型,并利用打靶法、四阶Rounge-Kutta法和改进的Newton法等数值方法对不同光源结构进行了数值模拟。通过对单程和双程结构超荧光光纤光源的模拟结果和实验结果的比较,本文所用的模拟方法完全可以将光源的输出特性表达出来。在单程结构中,前向输出功率存在一个最佳铒纤长度使得功率值最大,后向输出光谱具有不依赖铒纤长度的特性;在双程结构中,双程后向具有很高的输出功率,原因是光纤反射镜的引入使得铒纤自发辐射光被重复利用;双程前向结构是产生L波段的基本结构,利用C波段自发辐射光作为二次泵浦可以使得输出光谱向长波长方向漂移。这些特性均可用本模拟方法表现出来。本文开始介绍了ESFS的优点、以往研究的历史以及目前应用的状况。对单程结构和双程结构中的发光特性进行了理论模拟,并与相应结构的实验结果进行比较,发现与实验结果虽然在数值上略有差别,但是模拟结果完全可以表达实验的变化趋势。最后,我们在模拟结果的基础上,制作了双级双程结构的宽带超荧光光源,分析了掺铒光纤浓度、掺铒光纤长度和泵浦功率对其输出光谱的影响,得到了输出谱宽为68nm、输出功率为9.2mW的C+L波段宽谱光源。此光源在本实验室的光纤F-P腔传感器和光纤光栅传感器中均得到了很好的利用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 掺铒光纤光源的发展现状
• 1.3 本文主要研究内容及结构安排
• 2 掺铒超荧光光纤光源工作原理及理论模型
• 2.1 掺铒超荧光光纤光源结构和原理
• 2.1.1 掺铒超荧光光纤光源的基本结构
• 2.1.2 掺铒光纤的结构和特性
• 2.1.3 超荧光产生原理
• 2.1.4 泵浦机制和泵浦波长选择
• 2.1.5 光纤反射镜
• 2.2 掺铒超荧光光纤光源理论模型
• 2.2.1 速率方程和传输方程
• 2.2.2 光源的基本结构和边界条件
• 2.2.3 数值模型
• 2.3 软件仿真
• 2.3.1 语言和算法
• 2.3.2 软件实现的基本过程
• 2.3.3 对算法的性能分析和改进
• 2.4 小结
• 3 掺铒超荧光光纤光源的理论模拟
• 3.1 特性参数的介绍及算法验证
• 3.1.1 特性参数的介绍
• 3.1.2 模拟算法验证
• 3.2 单程结构超荧光光源的数值模拟
• 3.2.1 输出功率
• 3.2.2 输出光谱
• 3.2.3 输出带宽和平均波长
• 3.3 双程后向结构ESFS的数值模拟
• 3.4 双程前向结构ESFS的数值模拟
• 3.4.1 L波段产生原理
• 3.4.2 双程前向结构（DPF）光源输出特性
• 3.5 掺铒光纤放大器（EDFA）的数值模拟
• 3.6 模拟结果与实验结果比较
• 3.7 小结
• 4 掺铒超荧光光纤光源的实验研究
• 4.1 光源的结构
• 4.1.1 单级双程结构
• 4.1.2 宽带ESFS的实验结构
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 铒纤长度的选择
• 4.2.2 L波段和C波段ESFS输出
• 4.2.3 C+L波段输出光谱
• 4.3 小结
• 结论及展望
• 参考文献
• 附录A Er-1550C3型掺铒光纤参数表
• 附录B DS-980C-HP型掺铒光纤参数表
• 附录C 部分程序代码
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢